WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 |

Глава 3. Математические модели торфяных пожаров

3.1. Задачи тактического и стратегического моделирования

торфяных пожаров

Независимо от причин возникновения загораний различают три стадии развития торфяных пожаров:

первая характеризуется загоранием малой площади (l2 м) с малой скоростью и низкой температурой горения, а также незначительной запыленностью и задымленностью окружающей среды;

вторая характеризуется увеличением площади горения и высоты факела изза усиления процесса разложения и испарения горючих веществ. При этом происходит разбрасывание искр по направлению ветра до 50 м, что значительно увеличивает площадь горения. Одновременно повышается температура окружающей среды и усиливается действие лучистой энергии, дым распространяется на большие расстояния;

третья характеризуется большой площадью горения (несколько сот гектаров с высокой температурой в зоне горения и окружающей среды), сильными конвективными потоками и большой задымленностью и загазованностью прилегающей территории, которые значительно затрудняют тушение торфяного пожара и вызывают необходимость привлечения большого количества людей и техники.

Горение фрезерного торфа на площади и в штабеле происходит очень медленно, его скорее можно назвать тлением. При опытном сжигании в полевых условиях установлено, что время выгорания сухой фрезерной крошки на 1м2 площади полей составляет 2030 минут, в зависимости от глубины слоя и качества торфа. Это время может быть определено в часах из формулы [1], (3.1) где G – количество фрезерного торфа на 1м2 поля, кг/м2, низшая рабочая теплота сгорания торфа, кДж/кг; в – коэффициент полноты сгорания торфа на полях; AR – тепловое напряжение (интенсивность горения), кДж/м2ч.

В реальных условиях основным механизмом распространения пожара на производственных площадях является перенос тлеющей торфяной крошки и искр под действием ветра.

При прогнозировании развития пожара используются следующие понятия:

1. Скорость движения огня (vо), т.е. перемещение огня сплошной линией по поверхности полей в единицу времени.

2. Скорость распространения пожара (vп), т.е. скорость движения огня по поверхности полей с учетом отдельных очагов, возникающих от искр.

3. Изменение контура пожара во времени и интегральной характеристики площади пожара (Fп).

Знание этих характеристик необходимо для определения тактики тушения пожара, разработки планов его ликвидации.

Для описания отдельного пожара как динамического объекта с распределенными параметрами широко используются математические модели.

Под математической моделью (математическим описанием) некоторой системы (объекта) понимается совокупность соотношений, выражающая в формализованном виде связь между входными и выходными параметрами этой системы.

Процесс создания и использования математических моделей состоит из трех взаимосвязанных этапов. Сначала делается описание процессов, происходящих в изучаемой системе, построение ее математической модели. Затем разрабатываются расчетные алгоритмы для нахождения численных значений выходных параметров по заданным входным. Далее определяется соответствие (адекватность) модели реальной изучаемой системе.

Никакая модель не может описать объекта в полной мере, и решение вопроса о необходимой степени адекватности ее реальному объекту зависит от комплекса предъявляемых к ней требований, определяемых, в свою очередь, назначением и предполагаемым использованием модели.

С точки зрения возможного применения можно выделить два уровня описания объекта: тактический и стратегический Первый уровень моделирование распространения и развитая пожаров на неоднородной территории торфяного массива с прогнозом их контуров и ряда характеристик, необходимых для организации тушения, тактическое (диспетчерское) моделирование.

Объектом тактического моделирования является горение, распространяющееся по отдельным частицам и по слою из частиц однородных горючих материалов, а также по слоям из разных горючих материалов, расположенных на поверхности минеральной части почвы в виде их природных комплексов со специфической структурой. Этот вид моделирования основывается на законах тепло и массопереноса и газовой динамики, физикохимических характеристиках горючих материалов (теплотворная способность, элементарный состав, зольность, состав золы, плотность, поверхностнообъемное отношение, влагосодержание и др.), на характерис­тиках состояния среды, в которой протекает процесс (температура и относительная влажность воздуха, на­правление и профиль скорости ветра, показатели турбулентности атмосферы). Параметрами, характеризующими процесс, могут быть плотность тепловых потоков, полнота сгорания горючего, размеры пламени, скорость его продвижения по объекту и др. Моделирование тепло и массопереноса необходимо для изучения природы пожаров, поисков средств и способов тушения, а также как основа для создания моделей тактического уровня.



Объектом тактического моделирования является пожар в целом, его распространение и развитие, т. е. динамика пожара до начала и в процессе тушения. Модель должна представлять собой алгоритм или совокупность алгоритмов, которые давали бы возможность прогнозировать контур и площадь, охваченную горением, рассчитывать ожидаемый периметр пожара, описывать тактические части кромки и отдельные их участки, резко выделяющиеся своими характеристиками. Важнейшими характеристиками пожара и его отдельных участков при этом должны быть: вид и интенсивность пожара, скорость продвижения кромки, высота пламени, глубина кромки.

Полную модель пожара на торфяном месторождении целесообразно рассматривать как систему частных моделей, описывающих отдельные его компоненты: продвижение пламени по торфяному слою, развитие конвекционных потоков и перенос горящих частиц. Модель должна также определять условия прекращения горения.

Объектом стратегического моделирования являются вспышки пожаров, т.е. одновременное возникновение их в большом числе на уровне региона. Модель вспышки должна прогнозировать охват территории и динамику основных параметров возникающих пожаров, распределение пожаров по территории. Этот уровень моделирования необходим для планирования мероприятий по предупреждению и ликвидации вспышек пожаров, концентрации и распределения средств на эти цели в зависимости от величины возможного ущерба. «Потребителями» прогнозов с помощью этих моделей будут руководители регионального уровня. Важнейшие характеристики рассматриваемых математических моделей и реализующих их алгоритмов:

степень детализации при описании физикохимиче­ских процессов горения, вычислительные трудности при работе с моделью, определяемые сложностью создания расчетных алго­ритмов и потребными ресурсами ЭВМ;

степень универсальности модели и ее пригодности для различных природных условий;

полнота учета статистической природы параметров объекта;

возможность и удобство оперативного использования модели, определяемые возможностью ее работы в режиме реального времени, осуществления диалога человек ЭВМ и адаптации к изменяющимся условиям.

Создание достаточно полной информационной базы одно из важнейших условий эффективного использования математических моделей. Рассматривая пожар как систему, мы можем выделить в ней ряд подсистем. При этом каждая из них будет описываться соответствующей математической моделью, которая являются звеном общей модели рассматриваемой системы, или ее субмоделью.

В качестве одной из подсистем можно выделить непосредственно физикохимический процесс горения торфа. Второй подсистемой, связанной с предыдущей, целесообразно считать процессы распростра нения огня по слою торфа и формирования кромки пожара.

Для подготовки исходной информации для функционирования этих основных моделей необходимо введения еще ряда субмоделей. К ним можно отнести модель свойств горючего материала торфа, которая на основании количественных и качественных характеристик торфяного месторождения и сведений о погоде и сезоне определяет физические характеристики горючего, модель воздушных потоков, оценивающая величину и направление ветра и наличие инверсий в зоне горения по данным метеостан­ций, а также другие вспомогательные модели, Информационная база всех моделей содержит следующие показатели:





1. Данные об очаге горения, включающие параметры: координаты очага, площадь, контур, интенсивность.

2. Метеоданные по станциям: температура воздуха, его влажность, осадки, ветер.

3. Описание торфа: тип, подтип, вид, зольность, степень разложения.

4. Топографические данные: границы кварталов (выделов, полей, участков), препятствия, валовые и картовые каналы, противопожарные разрывы, инфраструктура местности.

Промежуточные модели на основе исходной информация определяют следующие параметры:

1. Модель атмосферы в районе пожара: скорость ветра, профиль ветра, направление ветра, характеристики турбулентности.

2. Модель свойств горючих материалов напочвенного покрова: запас горючего, глубина слоя, относительная влажность, зольность, теплотворная способность, влагосодержание, плотность.

3.2. Математические модели процесса горения.

Как было отмечено выше, входными параметрами модели процесса горения являются характеристики горючих материалов и метеоусловия, а главным выходным параметром скорость движения фронта огня. Поэтому рассматриваемую модель часто называют моделью скорости распространения огня. Предвидение возможных скоростей распространения огня одно из важнейших условий успешного решения многих задач, связанных с прогнозированием развития пожаров. Не случайно этому вопросу посвящено большое число работ, в основном касающихся лесных пожаров.

При создании математической модели скорости процесса горения, как и моделей любых физических процессов, возможны три подхода: аналитический, экспериментальный и смешанный экспериментальноаналитический.

Большинство известных к настоящему времени моделей скорости распространения использует экспериментальноаналитический и экспериментальностатистический подходы. Все эти модели предназначены для вычисления скорости фронта пожара в направлении ветра или вверх по склону.

Первой из опубликованных математических моделей была, повидимому, модель скорости распространения горения Фонса [52], теоретической предпосылкой которой послужило представление о горении как о серии последовательных поджиганий частиц горючего и полученное на этой основе уравнение теплового баланса. Величины входящих в модель коэффициентов определены на основе опытов по сжиганию в аэродинамической трубе искусственно созданных слоев топлива.

Модель Байрама [53], также экспериментальнотеоретическая по своему подходу, основана на измерениях, сделанных при экспериментальных пожарах в реальных лесных условиях (в сосняках). Она определяет соотношение между длиной пламени, долей расходуемо­го горючего и теплотой его сгорания. Недостатком модели является то, что в состав входных переменных входят параметры, которые могут быть измерены только в процессе горения, например длина пламени. Это затрудняет использование ее для предсказания скоростей горения. Попытки избавиться от этого недостатка, предсказывая, например, длину пламени с помощью дополнительных соотношений, снижают точность модели.

Модель Ван Вагнера [54] основана на концепции, что радиация пламени — важнейший из факторов в механизме распространения огня. Ее основными входными параметрами являются длина пламени, запас горючего на единице площади, интенсивность радиации, испускаемой пламенем, доля радиации, поглощаемая горючим, влажность горючего и угол наклона пламени к слою горючего. В этой модели, так же как и в предыдущей, часть входных переменных не может быть измерена заранее. Близкой по своей концепции к моделям Байрама и Ван Вагнера является математиче­ская модель, предложенная Н.П. Курбатским и Г.П.Телицыным [22]. Изучению механизмов теплообмена при горении некоторых растительных материалов и созданию на этой основе математической модели скорости распространения огня посвящены работы Э.В. Конева и А.И. Сухинина [16, 26].

Pages:     || 2 | 3 | 4 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.