CC BY
18
Н. В. БАРАНОВСКИИ, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры теоретической и промышленной теплотехники Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия
УДК 533.6
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАЖИГАНИЯ СЛОЯ ЛЕСНЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ СФОКУСИРОВАННЫМ СОЛНЕЧНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
Представлены результаты экспериментальных исследований процесса зажигания слоя лесного горючего материала (ЛГМ) потоком солнечного излучения, сфокусированным стеклянной вогнуто-выпуклой линзой. Сформулирована физическая модель процесса. Экспериментально определена величина теплового потока сфокусированного солнечного излучения, при котором происходит зажигание слоя ЛГМ.
Ключевые слова: зажигание; сфокусированное солнечное излучение; лесной горючий материал; тепловой поток.
Введение
Современное состояние науки и техники в области защиты лесов от пожаров [1,2] требует разработки новых систем прогнозирования лесной пожарной опасности на основе математического моделирования физико-химических процессов, протекающих при зажигании лесных горючих материалов (ЛГМ). Причины возникновения многих лесных пожаров на удаленных от населенных пунктов территориях установить, как правило, не удается [3]. Одной из типичных версий причин возгораний в лесах в средствах массовой информации часто называется "умышленный поджог", хотя такая причина представляется маловероятной в силу значительной удаленности возгорания от населенного пункта (100-200 км). По мнению автора статьи, основой которой являются достаточно многочисленные прямые и косвенные свидетельства очевидцев, в происшествиях с неустановленными причинами возможно воспламенение ЛГМ в результате воздействия солнечного излучения, сфокусированного природным или антропогенным концентратором [4]. Разработаны теоретические основы прогностического моделирования зажигания ЛГМ сфокусированным солнечным излучением [5-7]. Однако до последнего времени отсутствовали прямые экспериментальные данные по такому механизму зажигания. Вернее, результаты экспериментов по зажиганию ЛГМ лучистым тепловым потоком от радиационной панели публиковались неоднократно [8, 9], но условия проведения экспериментов (спектральные характеристики излучения) не в полной мере соответствовали реальному процессу.
В настоящей работе источником излучения принята естественная солнечная радиация, концентра© Барановский Н. В., 2012
тором — стеклянная вогнуто-выпуклая линза. Цель исследований — экспериментальное изучение условий зажигания ЛГМ сфокусированным естественным солнечным излучением.
Методика и условия проведения экспериментов
Известно [10], что в гелиотехнике используется значение солнечной постоянной д, равное 1353 Вт/м2! ±1,5 %. В последнее время появились публикации, в которых указывается более точное значение д — 1373 Вт/м2 [10]. Поскольку расстояние между Землей и Солнцем претерпевает сезонные изменения, интенсивность солнечной радиации, падающей на единичную площадь, также не остается постоянной. Известно, что почти вся энергия, излучаемая Солнцем (98 %), приходится на узкий диапазон длин волн в видимой и ближней ИК-области (от 0,24 до 4 мкм) [10]. Часть солнечного излучения рассеивается в атмосфере [11]. В умеренных широтах на поверхность Земли воздействует тепловой поток этого излучения величиной до 1 кВт/м2 [12].
Проведены экспериментальные измерения теплового потока сфокусированного солнечного излучения, концентрируемого стеклянной вогнуто-выгнутой линзой [13] диаметром 11 см с размером фокусируемого пятна 3,0-3,5 мм в диаметре. Методика измерений базируется на определении оптическим способом температуры поверхности Тп изолированного по боковой поверхности эталонного металлического цилиндра с характерными размерами, сопоставимыми с размером фокусируемого линзой пятна. С помощью оптического пирометра замерялась температура поверхности этого цилиндра в отсутствие воздействия сфокусированного солнеч-
ного излучения, значение которой впоследствии использовалось для задания начальных условий в процессе вычислений. В последующие моменты времени поток солнечного излучения, сфокусированного линзой, воздействовал на поверхность металлического цилиндра. Одновременно оптическим пирометром фиксировалось изменение во времени температуры его поверхности. Типичная зависимость температуры поверхности от времени нагрева приведена на рис. 1. После проведения серии измерений и усреднения решалась задача теплопроводности в стальном цилиндре с граничными условиями второго рода на горизонтальной нагреваемой поверхности.
Уравнение теплопроводности:
дТ X д ( дТЛ . д2Т
Рс — =" — I г — 1 +
д1 г дг I дг
(1)
где р — плотность, кг/м3;
с — теплоемкость, ДжДкг-К); Т — температура, К; ? — время, с;
X — теплопроводность, Вт/(мК); г, г — пространственные координаты. На боковой и торцевой границах цилиндра выставлены условия теплоизоляции. На поверхности нагрева солнечным излучением выставлено условие второго рода:
дТ
х ~дк = Чшп'
где дшп — тепловой поток сфокусированного линзой солнечного излучения, Вт/м2. В результате серии вычислений с целью сравнения условий, при которых достигается наилучшее
с
Рис. 1. Зависимость температуры поверхности эталонного стального цилиндра от времени: 1 — экспериментальные значения; 2 — расчетная кривая при = 17780 Вт/м2
совпадение рассчитанных и измеренных значений Тп, было установлено, что тепловой поток дшп, воздействующий на поверхность нагрева эталонного цилиндра, равен (17780+1293,5) Вт/м2. Доверительный интервал определения дшп рассчитан с доверительной вероятностью Р = 0,95 [14].
Объектом исследования являлись навески лесного горючего материала, сформированные из хвои сосны сбора 2011 г., побуревшей, частично разложившейся, предварительно хорошо высушенной. Длина отдельных хвоинок составляла 7-8 см, толщина — 0,7-1,2 мм. Плотность укладки соответствовала плотности укладки в реальном лесном массиве [15]. Возгорание инициировалось солнечным излучением, сфокусированным вогнуто-выпуклой линзой.
Метеорологические условия при проведении экспериментов:
• 10.06.2012 (с 12.00 до 13.00): ясная погода без облаков; температура воздуха 32 °С; ветер восточный, скорость ветра4 м/с; давление 745 мм. рт. ст.;
Характерные (типичные) результаты экспериментов по зажиганию хвои сосны
Дата (2012 г.) Время Температура воздуха, °С Скорость ветра, м/с Период инертного нагрева, с Воспламенение Распространение по слою Вероятность зажигания
для совокупности режимов 1, 2, 3 для режима 3
10.06 12.00 32 1 5 Нет Нет
10.06 12.25 32 4 5 Да Да 0,066 1,0
10.06 12.45 32 2 6 Нет Нет
11.06 12.00 29 2 6,5 Нет Нет
11.06 12.15 29 1 6 Нет Нет
11.06 12.30 30 0 6 Нет Нет 0,667 1,0
11.06 12.40 30 5 5,5 Да Да
11.06 12.56 31 4 5,5 Да Да
11.06 13.10 31 0 6 Нет Нет
11.06 13.15 31 3,5 5,5 Да Да
11.06 13.25 32 4 5 Да Да 0,700 1,0
11.06 13.35 32 1 6 Нет Нет
11.06 13.50 32 5 5 Да Да
24
{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №9
• 11.06.2012 (с 12.00 до 14.00): ясная погода без облаков; температура воздуха 29-32 °С; ветер восточный, скорость ветра 5 м/с; давление 743 ммрт. ст. В таблице представлены характерные (типичные) результаты экспериментов по возгоранию хвои сосны.
Результаты экспериментальных исследований и механизм зажигания
По результатам видеосъемки процесса установлено, что первой непродолжительной стадией является инертный прогрев слоя ЛГМ, затем следует этап пиролиза хвои. Необходимое условие зажигания — формирование очага термического разложения на поверхности нагрева диаметром не менее 1 см. При скорости ветра менее 1м/с ЛГМ в области воздействия и в небольшой окрестности вокруг пятна сфокусированного солнечного излучения термически разлагается в беспламенном режиме (в результате гетерогенных реакций окисления кокса газообразные продукты пиролиза диффундируют в область газовой фазы и уносятся конвективными потоками). В случае порыва ветра (и, как следствие, интенсивного вдува окислителя в нагретую до высоких температур область) возможно воспламенение в газовой фазе с образованием микрофакела пламени. С течением времени факел пламени растет и происходит устойчивое распространение пламени по слою ЛГМ. Процесс воспламенения носит случайный характер при
Рис. 2. Характерные кадры видеосъемки процесса зажигания ЛГМ (слой сосновой хвои) сфокусированным солнечным излучением: а — t = 0 с, первоначальный вид слоя; б — t = 7 с, термическое разложение; в — t = 30 с, образование очага тления; г — t = 40 с, рост размеров очага тления; д — t =1 мин 15 с, зажигание в газовой фазе; е — t =1 мин 23 с, формирование устойчивого факела пламени; ж — t =1 мин 30 с, распространение фронта горения по слою
малых скоростях ветра и сильно зависит от притока окислителя в результате воздействия ветра на очаг пиролиза ЛГМ (вынужденная конвекция воздушных масс). Характерные кадры процесса зажигания представлены на рис. 2.
Обсуждение результатов экспериментов
Все результаты экспериментов можно условно разделить натри группы в зависимости от скорости ветра: а — до 3 м/с; б — от 3 до 4 м/с; в — 4 м/с и более. В первом случае имеет место формирование очага тления, который с течением времени перестает увеличиваться в размере и затухает. Для второго и третьего режимов также характерен рост очага тления во времени. В диапазоне изменения скорости ветра от3до4м/с воспламенение возможно, но процесс является случайным. Этот режим считается переходным. А вот при скорости ветра более 4 м/с процесс возгорания становится устойчивым. В условиях интенсивной вынужденной конвекции происходит приток окислителя к поверхности пиролиза и переход в режим газофазного зажигания. Для достижения условий воспламенения должен образоваться очаг тления не менее 1 см в диаметре. При меньших размерах очага тления возгорания не установлено.
На основании полученных экспериментальных данных можно сделать следующий вывод. В продуваемых лесных массивах или на полянах, свободных от деревьев, опасность возгораний в результате действия сфокусированного солнечного излучения в условиях даже умеренного ветра имеет вероятность, близкую к единице. Профиль скорости ветра в лесном массиве является логарифмическим [16] и, соответственно, на возвышенности будет более значительным по сравнению с подстилающей поверхностью. Как следствие, действие источников, фокусирующих солнечное излучение, на возвышенностях является более опасным фактором. Вероятность возгорания слоя из сосновой хвои, расположенной на уровне земной поверхности и на возвышенности 25 см, может различаться в 10 раз. Особенности микрорельефа местности также являются фактором, определяющим лесную пожарную опасность в условиях действия сфокусированного солнечного излучения.
Сравнительный анализ результатов зажигания ЛГМ сфокусированным солнечным излучением и лучистым тепловым потоком от радиационной панели [8] показывает, что в последнем случае зажигание происходит при значительно больших тепловых потоках. Следовательно, эксперименты с радиационной панелью не соответствуют реальному механизму зажигания ЛГМ сфокусированным солнечным излучением. Вероятно, в этих процессах важными являются спектр излучения и длина волны. В будущем
целесообразно построение обобщенных математических моделей, учитывающих спектральный состав излучения.
Анализ результатов выполненных экспериментальных исследований также показывает, что механизм зажигания ЛГМ солнечным излучением существенно отличается от механизма зажигания лесных горючих материалов [17, 18] и других конденсированных (жидких и твердых) веществ [19-25] локальным источником нагрева — одиночной частицей. При воздействии на ЛГМ источника солнечной энергии значительно большую роль играют процессы подвода окислителя (за счет конвекции) в зону, разогретую до существенно меньших температур по сравнению с условиями зажигания конденсированных веществ одиночными "горячими" частицами [17-25]. В этих условиях целесообразным является анализ процессов зажигания с применением аппарата естественной и смешанной конвекции [26-29], разработанного для режима достаточно умеренных скоростей движения газов при повышенных температурах.
Заключение
Экспериментально установлено, что сфокусированное солнечное излучение является реальным фактором, влияющим на уровень лесной пожарной опасности. Для зажигания сосновой хвои необходимо, чтобы очаг термического разложения вырос до 1 см в диаметре и более. Зажигание возможно только в условиях вынужденной конвекции, когда есть приток окислителя в зону тления. Выполненные экспериментальные исследования подтвердили результаты теоретического анализа [5-7]: зажигание ЛГМ возможно при тепловом потоке сфокусированного солнечного излучения 15 кВт/м2 и выше.
Благодарности
Автор благодарит д-ра физ. -мат. наук, профессора, заведующего лабораторией Института теплофизики СО РАН В. С. Бердникова за предоставленную информацию о реальных возгораниях ЛГМ под действием сфокусированного стеклянными емкостями и каплями смолы солнечного излучения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ДевисиловВ. А. Русский лес просит пощады и защиты! // Безопасность в техносфере. —2010. — № 6. — С. 3-7.
2. Кузнецов Г. В., Барановский Н. В. Прогноз возникновения лесных пожаров и их экологических последствий. — Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2009. — 301 с.
3. Янко И. В. Пирологическая оценка территории Томской области : дис. ... канд. геогр. наук. — Томск : Томский государственный педагогический университет, 2005. — 174 с.
4. Барановский Н. В., Кузнецов Г. В. Конкретизация неустановленных причин в детерминирован-но-вероятностной модели прогноза лесной пожарной опасности // Пожаровзрывобезопасность.
— 2011. — Т. 20, № 6. — С. 24-27.
5. Кузнецов Г. В., Барановский Н. В. Детерминированная компонента методики прогноза лесной пожарной опасности по неустановленным причинам // Пожаровзрывобезопасность. — 2011. — Т. 20, № 11. —С. 29-33.
6. Барановский Н. В. Математическое моделирование зажигания слоя лесного горючего материала сфокусированным потоком солнечного излучения // Пожаровзрывобезопасность. — 2011. — Т. 20, № 8. — С. 34-37.
7. Барановский Н. В. Численное исследование зажигания слоя лесного горючего материала сфокусированным потоком солнечного излучения // Бутлеровские сообщения. — 2011. — Т. 26, № 11.
— С. 53-60.
8. Гришин А. М., Зима В. П., Кузнецов В. Т., Скорик А. И. Зажигание лесных горючих материалов потоком лучистой энергии // Физика горения и взрыва. — 2002. — Т. 38, № 1. — С. 30-35.
9. КасперовГ. И., Гоман П. Н. Исследование пожароопасных свойств лесных горючих материалов сосновых насаждений // Труды БГТУ. Сер. II: Лесная и деревообрабатывающая промышленность. — 2010. — Вып. XVIII. — С. 337-340.
10. Магомедов А. М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. — Махачкала : АОЗТ Юпитер, 1996. —245 с.
11. Кабанов М. В. Региональный мониторинг атмосферы. Ч. I. Научно-методические основы : монография / Под общ. ред. В. Е. Зуева. — Томск : Изд-во "Спектр" ИОА СО РАН, 1997. — 211 с.
26
!ББМ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №9
12. Babrauskas V.Ignitionhandbook: principies and applications to fire safety engineering, fire investigation, risk management, and forensic science // Fire Science Publishers. — Issaquah, 2003. — P. 843.
13. ЛандсбергГ. С. Оптика. — M. : Наука, 1976. — 926 с.
14. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика. — M. : Высшая школа, 2003.
— 479 с.
15. Курбатский Н. П. Исследование свойств и количества лесных горючих материалов // Вопросы лесной пирологии. ИЛиД СО АН СССР. — Красноярск, 1970. — С. 5-58.
16. Гришин А. М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними.
— Новосибирск : Наука, 1992. — 408 с.
17. Кузнецов Г. В., Барановский Н. В. Математическое моделирование зажигания слоя лесных горючих материалов нагретой до высоких температур частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2006. — Т. 15, № 4. — С. 42-46.
18. Захаревич А. В., Барановский Н. В., Максимов В. И. Зажигание лесных горючих материалов одиночными, нагретыми до высоких температур частицами // Пожаровзрывобезопасность. — 2012. — Т. 21, № 4. — С. 13-16.
19. Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И. Зажигание дизельного топлива одиночной "горячей" металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 4. — С. 28-30.
20. 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.
21. 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.
22. Kuznetsov G. V., StrizhakP. A. 3D problem of heat and mass transfer at the ignition of a combustible liquid by a heated metal particle // Journal of Engineering Thermophysics. — 2009. — Vol. 18, No. 1.
— P. 72-79.
23. Кузнецов Г. В., СтрижакП.А. Нагретые до высоких температур частицы металла как источники локальных возгораний жидких веществ // Пожарная безопасность. —2008. —№4. — С. 72-76.
24. 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.
25. Кузнецов Г. В., Мамонтов Г. Я., Таратушкина Г. В. Зажигание конденсированного вещества "горячей" частицей // Химическая физика. — 2004. — Т. 23, № 3. — С. 67-72.
26. Кузнецов Г. В., Шеремет М.А. Двумерная задача естественной конвекции в прямоугольной области при локальном нагреве и теплопроводных границах конечной толщины // Известия РАН. Механика жидкости и газа. — 2006. — № 6. — С. 29-39.
27. Кузнецов Г. В., Шеремет М. А. Сопряженный теплоперенос в замкнутой области с локально сосредоточенным источником тепловыделения // Инженерно-физический журнал. — 2006. — Т. 79, № 1. —С. 56.
28. Кузнецов Г. В., Шеремет М. А. Об одном подходе к математическому моделированию тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры и электронной техники // Микроэлектроника. — 2008.
— Т. 37, № 2. — C. 150-158.
29. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Моделирование воспламенения жидкого вещества горячей частицей // Химическая физика. — 2009. — Т. 28, № 5. — С. 91-98.
Материал поступил в редакцию 29 июня 2012 г. Электронный адрес автора: [email protected].
