Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Лесные пожары являются основной причиной повреждения и гибели лесов на значительных площадях. За последнее десятилетие масштабы этих природных катаклизмов увеличились во всем мире. Известны тяжелые последствия пожаров в Калифорнии летом 2008 года, где в огне были уничтожены сотни тысяч гектаров леса, около 100 строений, что вызвало человеческие жертвы. Австралийские пожары в штате Виктория в феврале 2009 года привели по меньшей мере к 181 смертельному случаю и вызвали материальный ущерб, разрушив более чем 750 домов. Всего с начала пожароопасного периода 2010 года на территории Российской Федерации возникло 22 930 очагов природных пожаров на общей площади 557 796,6 гектара. В Сибири и на Дальнем Востоке площадь, пройденная лесными пожарами с начала пожароопасного периода 2012 года, примерно в 2,5 раза превышает аналогичный показатель прошлого года.
Прогнозирование возникновения и развития горения является одним из актуальных вопросов в сфере обеспечения безопасности людей при пожарах и сохранения материальных ресурсов. Ошибки в оперативном прогнозировании скорости и направления лесного пожара, приводят к неправильно проводимым инженерным и эвакуационным мероприятиям, что влечет человеческие жертвы. Примерами этого могут являться уничтожение огнем австралийского города Марисвиль в сезон пожаров 2009 года, в России в 2010 году уничтожение огнем села Верхняя Верея в Нижегородской области, деревень Канадюк и Моховое в Московской области, гибель эвакуационной колонны во время пожара в районе горы Кармель (Израиль, 2010). Создание национальных систем поддержки принятия решений при борьбе с пожарами является приоритетным прикладным направлением использования моделей лесных пожаров. Фактически такая система должна иметь высокую точность на микромасштабном уровне (фронт пожара 1-10 км). Естественно, что распределенные характеристики среды, такие как вид горючих материалов, его влажность, поле скоростей ветра и рельеф, являются на таких масштабах неоднородными. Благодаря росту вычислительных мощностей есть существенный прогресс в построении подобного рода систем.
В настоящее время на практике наиболее широкое распространение получили эмпирические и полуэмпирические модели в силу их простоты и низкой ресурсоёмкости, однако в них есть ряд существенных недостатков.
Большинство современных работ используют модель с локальной пространственной однородностью рельефа (Р.К. Ротермела, Г.А. Доррера и др.), что сужает границы применимости таких моделей на практике. Авторы других работ (Дж. Х. Скотт, М.А. Финней и др.) учитывают угол наклона местности и скорости ветра как некоторой «эффективной скорости ветра», от которой рассчитывается изменение скорости распространения. Однако данные модели не учитывают обтекание рельефа и аэродинамические свойства леса, в результате чего реальное поле скоростей может существенно отличаться от эффективной скорости ветра, что влияет на ключевые процессы, проходящие при лесных ландшафтных пожарах.
В отличие от описанных выше моделей, рассмотренные в диссертационной работе, позволяют получить реальную картину течения при обтекании рельефа и лесного массива с учётом его продуваемости и, как следствие, осуществить моделирование ландшафтного лесного пожара в условиях, максимально приближенным к реальным. При этом более детально можно исследовать влияние скорости ветра и угла наклона подстилающей поверхности, а способ переноса энергии в зоне горения.
Физические модели не нашли свое применение в системах моделирования на мезомасштабном уровне из-за слишком большого времени вычислений, часто превосходящего время моделируемого процесса. Несмотря на это, физические модели могут быть использованы для анализа закономерностей распространения пожара в зависимости от различных факторов. Поэтому представляются перспективными разработка нового подхода к моделированию лесного пожара с учетом ландшафта местности и оптимизация параметров, характеризующих объем воды, необходимой для подавления дальнейшего распространения пожара, что и определило выбор темы исследования, формулировку его цели и задач.
Настоящая диссертация посвящена разработке физической модели взаимодействия свободной воды с лесными пожарами на рельефе заданной геометрии, а также анализу влияния угла наклона подстилающей поверхности на аэродинамику лесного пожара и основных его характеристик.
Цель диссертационной работы состоит в математическом моделировании и теоретическом исследовании аэродинамики пожаров с учетом эффектов обтекания ландшафта, массовых сил и наличия водных преград.
В соответствии с обозначенной целью поставлены следующие задачи диссертационного исследования:
-
Применить понятия и методы механики реагирующих многофазных сред для моделирования процесса горения слоя лесных горючих материалов с учетом рельефа местности под воздействием внешнего поля скоростей.
-
Исследовать влияния эффектов обтекания рельефа на динамику пожара.
-
Осуществить математическое моделирование водного барьера и провести исследование его влияния на динамику пожара для определения критических значений концентрации воды в нем.
-
Осуществить математическое моделирование сброса воды в район пожара и определить его оптимальные условия.
Научная новизна результатов работы определяется полученными оригинальными результатами:
-
-
Впервые осуществлено моделирование процесса горения слоя лесных горючих материалов под воздействием внешнего поля скоростей, сформированного за счет обтекания рельефа местности, с учётом турбулентности и продуваемости лесного массива для двумерного случая.
-
На основании численных экспериментов были найдены условия, при которых пожар преодолевает водный барьер в зависимости от рельефа местности.
-
Численные эксперименты показали, что существует несколько режимов течения над фронтом пожара в зависимости от рельефа местности и сформированного поля скоростей. Показаны условия перехода от типа течения конвективная колонка к течению, называемому плюмажом, в зависимости от рельефа местности.
-
Впервые проведён учет водного барьера на модельной местности. Показано, что при объёме воды, близком к критическому уровню, очаг пожара уменьшается в размерах и его температура падает, после чего он может либо погаснуть, либо вновь вспыхнуть. Результаты численных расчётов показали, что тушение пожара менее эффективно, если перед фронтом пожара образуется вихрь.
-
Впервые предложен численный алгоритм нахождения критического значения объемной доли воды в водном барьере, необходимого для успешного тушения пожара.
-
Разработана программная реализация данных алгоритмов. Практическая значимость диссертационной работы состоит в оценке критического значения количества воды необходимого для успешного тушения пожара. Результаты могут быть использованы для расчёта тактики тушения пожара и построения противопожарных препятствий с учётом динамики ландшафтного лесного пожара в продуваемом лесу и экспресс-оценки необходимого количества воды для заданного рельефа местности.
Положения, выносимые на защиту
-
-
-
Впервые осуществлено моделирование процесса горения слоя лесных горючих материалов под воздействием внешнего поля скоростей, сформированного за счет обтекания рельефа местности с учетом продуваемости лесного массива, и показано его концептуальное влияние на динамику пожара.
-
Влияние угла наклона подстилающей поверхности обусловлено в первую очередь обтеканием рельефа, приводящим к изменению поля скоростей (как внешнего, так и собственного ветра). Показано, что, несмотря на эквивалентность рельефа с точки зрения длины отрезков пути распространения пожара и угла наклона на этих отрезках, скорость пожара при распространении через холм больше, чем при распространении через овраг.
-
Разработана модель взаимодействия пожара с водным барьером и потоком воды сверху на основе добавления в математическую постановку свободной воды.
-
Получены оценки критических значений отношения массы воды к массе сухого органического вещества в барьере в зависимости от рельефа местности, а также показано влияние времени запуска потока воды сверху на динамику пожара и определены оптимальные условия сброса воды
Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, куда входят 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 монография, 5 статей в рецензируемом журнале и трудах международных конференций, тезисы докладов на международных и всероссийских конференциях. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: XXI международная конференция «Актуальные проблемы естествознания. Фундаментальная наука и транспорт», Москва - Н. Новгород, 2009; XIX Всероссийская научно-практическая конференция по графическим информационным технологиям и системам КОГРАФ-2009, Нижний Новгород, 2009; IV Международная научная школа-семинар «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Саранск, 2009; XVI Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии» ИСТ-2010, Нижний Новгород, 2010; Всероссийская научная конференция «Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф», Томск, 2010; Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук», Москва, 2011; XVIII Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии» ИСТ-2012, Нижний Новгород, 2012; XXIII Всероссийский семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям, Томск, 2012; VII Международная научно-практическая конференция «Техника и технология: новые перспективы развития», Москва, 2012; VI Международная научно-практическая конференция «Науки о Земле на современном этапе», Москва, 2012; Международная научно-техническая конференция ИСТ-2013, Нижний Новгород, 2013. Результаты диссертации неоднократно докладывались на семинарах Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева - Нижний Новгород. Полученные результаты используются в российском исследовательском проекте, выполняемом при участии автора диссертации: РФФИ 11-08-97074- р_Поволжье_а «Математическое моделирование, мониторинг и прогноз динамики лесного пожара (на примере Нижегородской области)»; 13-03-91164- ГФЕН_а «Экспериментальное исследование кинетики и механизма термического разложения лесных горючих материалов и процессов распространения пламени по их слою».
Достоверность полученных результатов работы подтверждается корректностью и физической обоснованностью постановок предложенных задач. Достоверность полученных численных результатов связана с использованием хорошо апробированной общей модели лесных пожаров и корректным использованием известных численных схем. Влияние угла наклона подстилающей поверхности в проведённых расчётах хорошо согласуется с известными экспериментальными данными.
Личный вклад. В работе [2] автору диссертации принадлежат аналитические выкладки и численные расчёты. В работах [3, 7, 8, 11] автору принадлежат вычисления и их анализ. В совместных работах научному руководителю принадлежат постановка задачи и обсуждение результатов, а также выбор методов исследования. В работах [3, 7] ассистенту Д.А. Масленникову принадлежит идея и обоснование диффузионного и диффузионно-волнового приближения дифференциальной модели излучения.
Объем и структура диссертации. Объем диссертации 145 машинописных листов. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных источников, состоящего из 150 наименований. В работе содержатся 54 формулы, 45 рисунков.
Похожие диссертации на МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ
-
-
-
