Дослідження та комп’ютерне моделювання процесів виникнення низинних лісових пожеж

Стихійні лиха - це різні явища природи, що викликають раптові порушення нормальної життєдіяльності населення, а також руйнування та знищення матеріальних цінностей. Вони нерідко мають негативний вплив на навколишню природу.

До стихійних лих звичайно ставляться землетруси, повені, селеві потоки, зсуви, снігові замети, виверження вулканів, обвали, посухи, урагани, бурі. До таких лих у ряді випадків можуть бути віднесені також пожежі, особливо лісові і торф'яні пожежі.

Лісові пожежі завдають істотної шкоди людині та навколишньому його середовищі. Серед негативних наслідків пожеж можна виділити наступні: зниження захисних, водоохоронних та інших корисних властивостей лісу, знищення корисної фауни, загибель масивів цінних порід дерев, переривання природного процесу лісооновлення і ґрунтоутворення, радіоактивне забруднення прилеглих населених пунктів в результаті переносу радіонуклідів продуктами горіння, забруднення річок, озер унаслідок змиву в них продуктів горіння, загибель або більш пізнє визрівання сільськогосподарських культур. На гасіння лісових пожеж щорічно відволікається від продуктивної праці велика кількість місцевого населення, робітників і службовців, а також техніки, що негативно позначається на своєчасності виконання сільськогосподарських робіт і на діяльності промислових підприємств в лісових районах.

У зв'язку з тим, що експериментальне вивчення лісової пожежі є дорогим і не представляється можливим проводити повне фізичне моделювання, становлять інтерес теоретичні методи дослідження. Досить актуальною є розробка нових математичних методів, пов'язаних з моделюванням лісової пожежі.

Фахівці серйозно взялися за моделювання процесу горіння ще в 1976 р. Вони складали номограми, на яких фіксувалися інтенсивність процесу, його напрямок і інші параметри. У розрахунках враховувалися стан лісу, швидкість вітру і рельєф місцевості, тому що по схилу, наприклад, вогонь поширюється набагато швидше. На цій основі складалися карти місцевості з нанесеними на них пожеже небезпечними зонами. Подібні схеми та розрахунки і сьогодні використовуються у польових умовах, однак комп'ютерне моделювання відрізняється більш високою точністю.

Комп'ютерне моделювання пожеж дозволяє припустити місце його виникнення за тиждень, місяць, а часом і за рік до спалаху. Значить, є можливість заздалегідь визначити тактику боротьби з вогнем, якщо ... це необхідно. Так, коли ж слід починати гасіння пожежі, а коли лише контролювати його процес? Відповісти на ці питання допоможе комп'ютерна модель поведінки вогню.

1. Основні поняття теорії лісових пожеж

Лісові пожежі поширюються в результаті горіння лісових горючих матеріалів (ЛГМ). Лісовими горючими матеріалами називаються природні вуглеводневі палива, до яких відносяться тонкі гілочки, хвоїнки або листя в кронах дерев і опале на землю, а також надґрунтовий покрив (трава, чагарники, мох, лишайник), болотні рослини і торф. У результаті горіння лісових горючих матеріалів утворюються кінцеві продукти горіння - зола і недопалювання - сукупність догоріли лісових горючих матеріалів, які мають чорно-бурий колір і збагачені вуглецем. Над вогнищем лісової пожежі виникає конвективна колонка - струмінь нагрітих продуктів повного і неповного згоряння ЛГМ (частинки сажі і золи у вигляді диму). Висота конвективної колонки тим більше, чим більша кількість тепла виділяється при горінні, тому що основна рушійна сила продуктів згоряння - сила Архімеда.
Лісовим пожежею називається явище некерованого багатостадійного горіння у відкритому просторі на покритої лісом площі, в рамках якого мають місце взаємопов'язані процеси конвективного і радіаційного переносу енергії, нагрівання, сушіння і піролізу лісових горючих матеріалів, а також горіння газоподібних і догорання конденсованих продуктів піролізу ЛГМ. Лісові пожежі поділяються на низові, повальні верхові, вершинні верхові, підземні (пожежі на торфховищах) і масові. При низових лісових пожежах згоряють опад (опале гілочки, хвоїнки і листя), надґрунтовий покрив (трави, мохи, лишайники), а також чагарники. При повальному верховому пожежі одночасно згоряють згадані вище ЛГМ і ЛГМ в запоні лісу, який являє собою сукупність крон дерев. При вершинному верховому пожежі згоряють ЛГМ тільки в запоні лісу. Підземними лісовими пожежами називають пожежі на торфовищах, коли осередок горіння знаходиться в товщі торф'яного пласта. Поряд з перерахованими вище звичайними типами лісових пожеж, які в природі

ініціюються точковим джерелом запалювання (блискавкою, непогашеним

багаттям, недопалком та ін.), на поверхні, що підстилає у виняткових випадках (повітряний ядерний вибух, зіткнення Землі з астероїдом або ядром комети та ін.) в результаті потужного джерела випромінювання в атмосфері відбувається запалювання ЛГМ на величезних територіях (десятки, сотні і навіть тисячі гектарів) і виникають масові лісові пожежі.
У будь-який момент часу на території, покритої лісом, можна виділити досить великий контрольний обсяг середовища - зону пожежі, всередині якої параметри стану середовища в результаті фізико-хімічних перетворень, обумовлених лісовою пожежею, відрізняються від не обурених значень, що визначаються погодними умовами та типом рослинності. Схема зони лісової пожежі представлена на рис. 1, 2.
Найбільш сильна зміна параметрів стану середовища відбувається в деякій частині зони лісової пожежі, що називається фронтом пожежі, яка поширюється з певною швидкістю по території, покритої лісом. Візуально фронт лісової пожежі спостерігається у вигляді світиться зони осередку лісової пожежі. Поверхня 1 (рис. 1, 2), що відокремлює фронт від незгорілих ЛГМ, називається зовнішньою кромкою фронту лісової пожежі. Її проекція на поверхні, що підстилає називається контуром лісової пожежі. Для звичайних лісових пожеж довжина контуру пожежі збільшується із зростанням часу. При масових лісових пожеж виникає потужна конвективна колонка і в зоні пожежі зароджується сильний "власний" вітер, спрямований до центру вогнища горіння, який перешкоджає разгоранію вогнища пожежі, і тому контур масового лісової пожежі майже не змінюється зі зростанням часу.
Зовнішня кромка, що розповсюджується за вітром, називається передній, а проти вітру - задньою кромкою фронту лісової пожежі. На схемі зони лісової пожежі (мал. 1, 2): Г - межа зони лісової пожежі, 1 - контур лісової пожежі (мал. 1) і кромка фронту лісової пожежі (мал. 2), 2 - внутрішня кромка фронту пожежі (мал. 2) і проекція цієї кромки на горизонтальну підстилаючу поверхню (мал. 1); горизонтальні стрілки ve на рис. 2 позначають швидкість (за величиною і напрямком) не обуреного вітру для різних висот, а вертикальні - w - швидкість вдув газоподібних і дисперсних горючих продуктів горіння з фронту пожежі в приземний шар атмосфери
Основою для створення математичної теорії лісових пожеж стали базові напівнатурні експериментальні дані, які дозволили створити загальну фізичну модель лісових пожеж - сукупність причинно-наслідкових зв'язків, які складають фізичну сутність цього явища. Відомо, що в лабораторних умовах неможливо повністю відтворити фізико-хімічні явища, що відбуваються в зоні лісової пожежі.

2.Виникнення вогнища горіння

Пожежа в лісі зазвичай виникає в результаті контакту порівняно невеликого джерела тепла з однією або кількома частками провідника горіння. Для цього необхідно, щоб горючий матеріал було нагрітий до такої температури, при якій або а) відбувається займання що утворюються при розкладі частки горючих газів або б) відбувається займання обвуглене залишку частки в результаті його взаємодії з киснем повітря. Представляється доцільним розглянути математичні моделі нагрівання частинок і їх займання окремо.
Моделювання процесу нагрівання частинок може бути вироблено в нуль-мірному наближення на основі наступного рівняння збереження енергії:Випромінюється часткою потік,Qi іwi- тепловий ефект і об'ємна швидкість реакції розкладу матеріалу.
Аналіз рівняння (1) приводить до ряду висновків. Так, з нього видно, що процес нагріву горючого матеріалу під час займання є багатостадійним. Можуть бути виділені, наприклад, стадії нагріву вологого матеріалу, сушіння, підігріву сухого матеріалу, газифікації горючого матеріалу, нагрів вуглецевого залишку, займання вуглецевого залишку, тому що закономірності нагріву на кожній з цих стадій є істотно різними. Паралельно з деякими з цих стадій повинні протікати певні фізико-хімічні процеси в газовій фазі.
З оцінок на основі рівняння (1) випливає також, що