CC BY
7
ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА
УДК 658.382:533.46
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЖИГАНИЯ ТРАВЯНОЙ ВЕТОШИ НАГРЕТОЙ ДО ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР ЧАСТИЦЕЙ УГЛЕРОДА
БАРАНОВСКИЙ Н.В., ЗАХАРЕВИЧ А.В.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30
АННОТАЦИЯ. Описан эксперимент по зажиганию типичного лесного горючего материала (травяной ветоши) нагретыми до высоких температур частицами. Источники зажигания соответствуют антропогенному и природному сценарию воспламенения лесного горючего материала. Получены зависимости времени задержки зажигания травяной ветоши от начальной температуры частицы.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: физическое моделирование, зажигание, лесной горючий материал, нагретая частица, время задержки зажигания.
ВВЕДЕНИЕ
В отечественной и зарубежной литературе описаны достаточно типичные источники зажигания горючего материала - нагретые до высоких температур частицы металлов и неметаллов [1 - 5]. Российские работы [1 - 3] посвящены исследованию зажигания опада хвойных и лиственных пород деревьев локальными источниками нагрева достаточно малого размера. В зарубежных источниках описаны результаты натурных наблюдений за образованием достаточно больших «головешек» и их воздействия на слой лесного горючего материала (ЛГМ) [4, 5]. Представляет интерес исследование [6], проведенное с навесками из целлюлозы, на которые выпадали сферические частицы различного размера, изготовленные из стали. Рассматривая опубликованные работы можно сделать вывод, что диапазон частиц относительного малого размера не достаточно изучен. Кроме того, нет данных по временам задержки зажигания нагретыми частицами для достаточно распространенных типов ЛГМ, в частности, травяной ветоши. В статьях [4, 5] рассматриваются «головешки» произвольной формы, которые также были искусственно образованы на специальном стенде [7]. Однако наблюдения за контрольными зажиганиями показывают, что достаточно типичными источниками нагрева являются частицы неметаллов в форме параллелепипедов малых размеров [1 - 3].
Цель исследования - физическое моделирование процессов зажигания типичного ЛГМ (травяной ветоши) одиночной нагретой до высоких температур частицей углерода и выявление основных закономерностей этого явления.
МЕТОДИКА И ОБЪЕКТ ЭКСПЕРИМЕНТА
В эксперименте был использован стенд, который подробно описан в работах [8, 9]. Времена задержки зажигания определялись по методике [10]. Источники нагрева при возгорании ЛГМ моделировались изготовленными из графитового бруска частицами в форме параллелепипедов с характерными размерами (периферические размеры х, у = 8 мм, высота h = 15 мм). Эксперименты выполнялись в интервале изменения начальных температур Т0 от 1113 до 1273 К. Этот диапазон был выбран для того, чтобы выделить нижние пределы зажигания исследовавшегося ЛГМ по температуре. Выбор углеродистых частиц в качестве источников нагрева обусловлен моделированием природного (вынос горячих частиц из фронта пожара на нетронутый слой ЛГМ) и антропогенного (растрескивание древесины в непотушенных кострах) сценариев воздействия на ЛГМ.
Для математической обработки результатов эксперимента была использована следующая методика [11]. Рассчитывались средние значения времени задержки зажигания травяной ветоши нагретой частицей для каждой фиксированной начальной температуры источника нагрева. Затем производился расчет среднеквадратичного отклонения и доверительного интервала с помощью коэффициентов Стьюдента.
Объектом исследований являлись образцы травяной ветоши с использованием плотности укладки, соответствующие реальным природным условиям [12]. Сбор материала для эксперимента произведен весной 2013 года на участках вдоль транспортных и железнодорожных магистралей на границах с лесными массивами (Томский район Томской области). Непосредственно перед проведением опытов по зажиганию образцы травяной ветоши высушивались в сушильном шкафу до полного испарения влаги из материала. Травяная ветошь имеет сложное строение, включающее отмершие морфологические части травянистой растительности, такие как, стебель, листовая пластина, иногда злаки [12]. При формировании навески использовались все элементы из совокупности морфологических частей с преобладанием в общей массе листовых пластинок. Такой состав характерен для травяной ветоши, расположенной в реальных природных условиях [13].
В эксперименте рассматривается сценарий катастрофической лесной пожарной опасности [14], когда влага в ЛГМ отсутствует [15]. Год от года актуальность исследования именно такого сценария возрастает. Например, катастрофические пожарные условия наблюдались в 2012 году в Томской области [16], в 2010 в Центральной России [17]. В других государствах также происходят изменения климата, для которых характерны высокие температуры и отсутствие осадков. Например, пожары 2009 года в Австралии и 2011 в США, в 2012 году в Южной Европе [18].
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
На рис. 1 приведены типичные кадры видеосъемки процесса зажигания слоя травяной ветоши нагретой до высоких температур частицей углерода. В результате анализа визуальных наблюдений и видеограммы установлены следующие закономерности процесса зажигания. Следует указать, что возможно два варианта взаимодействия нагретой частицы со слоем ЛГМ: источник нагрева выпадает на поверхность листовой пластины или проваливается вглубь слоя травяной ветоши. Проникновение частицы в слой характерно для источников из стали в силу их большей массы по сравнению с частицами из углерода. Поэтому рассмотрим только механизм зажигания травяной ветоши в результате воздействия на поверхность листовой пластины. В течение короткого периода происходит инертный прогрев слоя ЛГМ, за которым следует термическое разложение материала с выделением газообразных продуктов пиролиза. Следует отметить, что выделение продуктов пиролиза носит более интенсивный характер, чем у опада сосновой хвои. Лесной горючий материал в приповерхностном слое разлагается практически полностью с небольшим количеством коксового остатка, который выпадает на подложку. В микропористой среде ЛГМ происходит транспорт газообразных продуктов пиролиза к нагреваемой поверхности слоя и их смешивание с окислителем. Затем происходит нагрев газовой смеси с последующей стадией зажигания. Через доли секунд пламя появляется по всему периметру частицы.
На рис. 2 представлена зависимость времени задержки зажигания травяной ветоши от начальной температуры углеродистой частицы. Для такой частицы определен нижний предел зажигания по ее начальной температуре. Доверительные интервалы представлены на рис. 2 совместно с усредненными по серии опытов данными по времени задержки зажигания ЛГМ. Достаточно высокие значения доверительного интервала при начальной температуре углеродистой частицы Т0 = 1113 К от средних значений обусловлены, очевидно, случайным характером распределения листовых пластинок отдельных одиночных травинок в приповерхностном слое ЛГМ, который непосредственно нагревается локальным источником повышенной температуры.
д
Рис. 1. Типичные кадры видеосъемки процесса зажигания травяной ветоши углеродистой частицей: а - инертный прогрев ЛГМ (£ = 0,08 с); б - вдув газообразных продуктов пиролиза в разогретую область и инициирование зажигания (£ = 0,28 с); в - образование факела пламени вокруг частицы (£ = 0,36 с); г) и д) - рост и распространение факела пламени по слою ЛГМ = 0,48 с)
0,40-,
0,35-
■ 1
-2
0,30 -
о
"к 0,25 -
0,20-
0,15-
1050 1100 1150 1200 1250 1300
Т, К
1 - экспериментальные точки (средние значения) с указанием доверительного интервала, 2 - аппроксимирующая прямая
Рис. 2. Зависимость времени задержки зажигания травяной ветоши от начальной температуры нагретой частицы
Расстояние между отдельными морфологическими элементами на границе контакта «ЛГМ-нагретая частица» в проведенных экспериментах не фиксировалось постоянным. Это соответствует реальному расположению элементов ЛГМ в слое.
Сравнительный анализ зависимостей рис. 2 с данными по зажиганию хвои сосны и листьев березы показывает, что при достижении начальной температуры частицы 1300 К время также не зависит от размеров источника возгорания. Зависимость времени задержки зажигания от температуры можно аппроксимировать прямой. Аналогичные зависимости получены и для других ЛГМ. Вероятно, это характерно для всех типов лесных горючих материалов. Однако необходимо заметить, что при воспламенении ЛГМ локальным источником нагрева в микропористой структуре происходит комплекс взаимосвязанных диффузионных и конвективных процессов. Результатом этого является тот факт, что вид зависимости времен задержки зажигания ЛГМ значительно отличается от кривых, характерных, например, для топливных композиций [19, 20].
Также необходимо отметить, что оценка условий и параметров воспламенения лесных горючих материалов на образцах в виде дисков или пластинок, спрессованных из высушенной травяной ветоши, должна приводить к несколько заниженным, по сравнению с реальными, значениям времен задержки и предельных начальных температур источников нагрева. Проведенные опыты показали устойчивость процесса воспламенения слоя ЛГМ с очень высокой пористостью одиночным локальным источником нагрева. Типичная видеограмма (рис. 1) хорошо иллюстрирует динамику изучаемого процесса.
Установлено, что при взаимодействии углеродистых частиц с развитой пористой поверхностью на слой лесного горючего материала возможно протекание сложных физико-химических превращений каркаса частицы и продуктов пиролиза и сгорания ЛГМ.
На рис. 3 представлено фотоизображение процесса распространения сельскохозяйственного пала в окрестности населенного пункта Черная речка Томской области (случайно зафиксировано одним из авторов статьи). Фронт горения не успел вырасти до больших размеров и у задней кромки пала можно было наблюдать продукты рекреационной нагрузки (отдыха местного населения), а именно остатки древесного угля, частицы которого еще обладали повышенной температурой. Именно углеродистые нагретые до высоких температур частицы, выпавшие на слой травяной ветоши, стали причиной ее возгорания, а конвективные движения воздушных масс привели к устойчивому распространению фронта горения и возникновения сельскохозяйственного пала.
Рис. 3. Сельскохозяйственный пал, возникший в результате воспламенения травяной ветоши (около населенного пункта Черная речка Томской области, май 2013 года)
ВЫВОДЫ
Проведено экспериментальное исследование процессов зажигания типичного лесного горючего материала - травяной ветоши нагретой до высоких температур частицей неметалла (углерода). Показана высокая вероятность воспламенения ЛГМ в результате воздействия локального источника нагрева. Полученные закономерности могут быть использованы для создания обобщенной теории зажигания ЛГМ локальными источниками нагрева.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ МолаВед № 12-0833002 «Разработка научных основ общей теории зажигания твердых, жидких и гелеобразных конденсированных веществ при локальном нагреве».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Захаревич А.В., Барановский Н.В., Максимов В.И. Зажигание типичных лесных горючих материалов опада лиственных пород локальным источником энергии // Пожаровзрывобезопасность. 2012. Т. 21, № 6. С. 23-28.
2. Захаревич А.В., Барановский Н.В., Максимов В.И. Экспериментальное исследование процессов зажигания опада широколиственных пород деревьев источником ограниченной энергоемкости // Экологические системы и приборы. 2012. № 7. С. 18-23.
3. Барановский Н.В., Захаревич А.В., Максимов В.И. Условия зажигания слоя лесных горючих материалов при локальном нагреве // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, № 2. С. 175-180.
4. Manzello S.L., Cleary T.G., Shields J.R., Yang J.C. On the ignition of fuel beds by firebrands // Fire and Materials. 2006. V. 30. P. 77-87.
5. Manzello S.L., Cleary T.G., Shields J.R., Yang J.C. Ignition of mulch and grasses by firebrands in wildland-urban interface fires // International Journal of Wildland Fire. 2006. V. 15. P. 427-431.
6. Hadden R.M., Scott S., Lautenberger Ch., Fernandez-Pello C. Ignition of Combustible Fuel Beds by Hot Particles: An Experimental and Theoretical Study // Fire Technology. 2011. V. 47, № 2. P. 341-355.
7. Manzello S.L., Cleary T.G., Shields J.R., Maranghides A., Mell W., Yang J.C. Experimental investigation of firebrands: generation and ignition of fuel beds // Fire Safety Journal. 2008. V. 43. P. 226-233.
8. Захаревич А.В., Кузнецов Г.В., Максимов В.И. Механизм зажигания бензина одиночной нагретой до высоких температур металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. 2008. Т. 17, №5. С. 39-42.
9. Кузнецов Г.В., Захаревич А.В., Максимов В.И. Зажигание дизельного топлива одиночной "горячей" металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. 2008. Т. 17, № 4. С. 28-30.
10. Захаревич А.В., Кузнецов В.Т., Кузнецов Г.В., Максимов В.И. Зажигание модельных смесевых топливных композиций одиночной нагретой до высоких температур частицей // Физика горения и взрыва. 2008. Т. 44, № 5. С. 54-57.
11. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М. : Высш. Шк., 2003. 479 с.
12. Тишков А.А. Пожары в степях и саваннах // Вопросы степеведения. Оренбург : Изд-во Ин-та степи УрО РАН, 2003. № 4. С. 9-22.
13. Маракулина С.Ю., Дегтева С.В. Изменение экологических условий, растительности и почв при восстановительных сукцессиях на суходольных лугах Кировской области // Теоретическая и прикладная экология. 2008. № 2. С. 64-73.
14. Flannigan M.D., Stocks B.J., Wotton B.M. Climate change and forest fires // Science of the Total Environment. 2000. V. 262, № 3. P. 221-229.
15. Гришин А.М., Голованов А.Н., Долгов А.А., Лобода Е.Л., Барановский Н.В., Русаков С.В. Экспериментальное и теоретическое исследование сушки лесных горючих материалов // Известия ТПУ. 2002. Т. 305, вып. 2. С. 31-43.
16. Барановский Н.В. Экспериментальные исследования зажигания слоя лесных горючих материалов сфокусированным солнечным излучением // Пожаровзрывобезопасность. 2012. Т. 21, № 9. С. 23-27.
17. Девисилов В.А. Русский лес просит пощады и защиты! // Безопасность в техносфере. 2010. № 6. С. 3-7.
18. Schmuck G., San-Miguel-Ayanz J., Camia A., Durrant T., Boca R., Whitmore C., Liberta G., Corti P. Forest Fires in Europe, Middle East and North Africa 2011. JRC Technical Reports. Italy, Ispra: Joint Research Centre, Institute for Environment and Sustainability. 2012. 109 р.
19. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В. Зажигание конденсированного вещества «горячей» частицей // Химическая физика. 2004. Т. 23, № 3. С. 67-72.
20. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В. Численное моделирование зажигания конденсированного вещества нагретой до высоких температур частицей // Физика горения и взрыва. 2004. Т. 40, № 1. С. 78-85.
EXPERIMENTAL RESEARCH OF GRASSY RAGS IGNITION BY CARBON PARTICLE HEATED UP TO HIGH TEMPERATURES
Baranovskiy N.V., Zakharevich A.V.
National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
SUMMARY. Experiment on ignition of a typical forest combustible material (grassy rags) by particles heated up to high temperatures is described. Ignition sources correspond to the anthropogenous and natural scenario of forest combustible material ignition. Dependences of ignition delay times of grassy rags on particle initial temperature are obtained.
KEYWORDS: physical modelling, ignition, forest combustible material, heated particle, ignition delay time.
Барановский Николай Викторович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической и промышленной теплотехники НИ ТПУ, тел. (3822)65-54-50, e-mail: [email protected]
Захаревич Аркадий Владимирович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической и промышленной теплотехники НИ ТПУ, тел. (3822)42-08-33, е-mail: [email protected]
