Разработка методики оценки скорости распространения верховых лесных пожаров в сопряженной постановке - Безопасность жизнедеятельности и охрана труда дипломная работа

Главная

Безопасность жизнедеятельности и охрана труда
Разработка методики оценки скорости распространения верховых лесных пожаров в сопряженной постановке

Математическое моделирование возникновения и распространения верхового лесного пожара при наличии и в отсутствии разрывов. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение. Пожарная и взрывная безопасность. Расчет искусственного освещения.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Направление подготовки «Техносферная безопасность» 280700
Кафедра экологии и безопасности жизнедеятельности
Разработка методики оценки скорости распространения верховых лесных пожаров в сопряженной постановке
Выпускная квалификационная работа выполнена на 81 с., содержит 13 рисунков, 16 таблиц, имеет 36 источников.
Ключевые слова: лес, верховой лесной пожар, характеристики лесного массива, математическая модель, пожар, верховой пожар, противопожарный разрыв.
Объектом исследования являются лесные пожары. Предмет исследования - математическое моделирование возникновения и распространения верхового лесного пожара при наличии и в отсутствии разрывов. Цель работы - разработка математической модели распространения верховых лесных пожаров в сопряженной постановке с учетом противопожарных разрывов.
В работе использовался метод математического моделирования.
В результате исследования процесс возникновения и развития верхового лесного пожара описан в рамках сопряженной математической постановки, т.е., учитывается взаимное влияние горения в пологе леса и горения над пологом леса. Изучено влияние метеоусловий и других факторов на скорость распространения пожара и выбросы продуктов горения в приземных слой атмосферы.
Степень внедрения: разработанная в дипломной работе модель возникновения и распространения верхового лесного пожара опубликована в сборниках научных конференций.
Экономическая эффективность/значимость работы: данная работа позволит в более точно рассчитать противопожарный разрыв.
В будущем планируется: создание более удобного интерфейса, 3D восприятие ситуации.
Определения, обозначения, сокращения, нормативные ссылки
Пожар -- неконтролируемый процесс горения, причиняющий материальный ущерб, вред жизни и здоровью людей, интересам общества и государства.
Лесной пожар -- стихийное, неуправляемое распространение огня по лесным площадям.
Ярус - слой в вертикальной структуре леса.
Низовой пожар - пожар, распространяющийся по нижнему ярусу леса и охватывающий лесную подстилку, мхи, траву, опавшие ветви.
Верховой пожар - пожар, распространяющийся по листьям, ветвям, кроне.
Лесные горючие материалы (ЛГМ)- растения лесов, их морфологические части и растительные остатки разной степени разложения, которые могут гореть при лесных пожарах.
Математическая модель - некий заместитель оригинала, обеспечивающий изучение некоторых свойств оригинала.
Противопожарный разрыв - специально созданный в лесу разрыв, выполненный в виде просеки с минерализованной полосой, очищенный от горючих материалов с целью устройства препятствий на пути распространения пожара.
Контрольный объем - замкнутая область течения жидкости или газа, для которой производится поиск полей макроскопических величин (например, скорости, давления), описывающих состояние среды во времени и удовлетворяющих определенным законам, сформулированным математически.
Обозначения и сокращения - ЛГМ - летучие горючие материалы
В настоящей работе использованы ссылки на следующие стандарты:
1. ГОСТ Р 1.5 - 2012 Стандартизация в Российской Федерации. Стандарты национальные Российской Федерации. Правила построения, изложения, оформления и обозначения.
2. ГОСТ 2.104 - 2006 Единая система конструкторской документации. Основные надписи.
3. ГОСТ 2.105 - 95 Единая система конструкторской документации. Общие требования к текстовым документам.
4. ГОСТ 2.106 - 96 Единая система конструкторской документации. Текстовые документы.
5. ГОСТ 2.301 - 68 Единая система конструкторской документации. Форматы.
6. ГОСТ 3.1102 - 2011 Единая система технологической документации. Стадии разработки и виды документов.
7. ГОСТ 3.1105 - 2011 Единая система технологической документации. Формы и правила оформления документов общего назначения.
8. ГОСТ 7.0.5 - 2008 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Библиографическая ссылка.
9. ГОСТ 7.1 - 2003 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Библиографическая запись. Библиографическое описание.
10. ГОСТ 7.9 - 95 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Реферат и аннотация.
11. ГОСТ 7.32 - 2001 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчёт о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления.
12. ГОСТ 8.417 - 2002 Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин.
Трудно переоценить важность леса. Это не только материалы для строительства, энергетической, химической и бумажной промышленности. Лес - место обитания тысяч видов животных, лес - рекреационная зона. Лес основной источник кислорода на Земле. К сожалению, издавна леса подвергались уничтожению - вырубались в экономических целях, исчезали из-за природных процессов, выгорали по неосторожности человека. Несмотря на меры предосторожности, в Российской Федерации ежегодно уничтожается более 1 млн. гектар леса.
И хотя существуют точки мнения, что лесные пожары являются в какой-то степени благом для леса (в качестве аргументов приводятся данные по повышению плодородия почвы, по увеличению видового разнообразия), современное состояние лесов и антропогенная природа лесных пожаров говорит о том, что отрицательных моментов гораздо больше, чем положительных. В качестве примера подобных отрицательных моментов можно выделить установленную связь глобального потепления с массовыми выбросами CO2 от лесных пожаров [2], задымленность городов, возможный переход лесного пожара на постройки, находящиеся недалеко от границы леса. В частности, известны случаи выгорания целых деревень [3].
По вышеуказанным причинам проблема лесных пожаров весьма актуальна. Кроме того, высокая дальность распространения пожара по массиву и возможное пересечение границ государств выводит эту проблему на международный уровень. Однако, сегодня не уделяется достаточного внимания физическому моделированию лесного пожара.
Целью данной работы является разработка математической модели распространения верховых лесных пожаров в сопряженной постановке с учетом противопожарных разрывов. Подобные модели используются для составления прогнозов поведения реальных лесных пожаров, для разработки мер по предупреждению и устранению пожаров в случае их возникновения.
Натурные исследования являются дорогостоящими, оказывают воздействие на окружающую среду, а также могут выйти из-под контроля и перейти в стадию ЧС. Кроме того, при необходимости проведения массовых экспериментов с различными параметрами, невозможно применять натурные испытания. Поэтому предпочтительнее использовать математические модели, которые лишены этих недостатков. Именно этим обусловлена актуальность работы и ее практическая значимость.
Объектом исследования являются лесные пожары. Предмет исследования - математическое моделирование возникновения и распространения верхового лесного пожара при наличии и в отсутствии разрывов.
Расчеты проводились при помощи модели, созданной на основе модели А.М. Гришина [13], являющейся наиболее полной в том плане, что предыдущие модели не учитывали некоторые параметры, а также вносили упрощения, от которых отказались при составлении данной модели. Итогом расчетов стали результаты - зависимость размеров противопожарного разрыва от параметров лесного массива. Данные результаты были продемонстрированы в ходе научных конференций.
лесной пожар ресурсоэффективность взрывной
Изучением лесных пожаров занимается лесная пирология. Это научное направление зародилось давно и успело накопить большое количество материала по возникновению, распространению, тушению пожаров, а также по их влиянию на окружающую среду.
Лесной пожар - стихийное, неуправляемое распространение огня в лесу или на землях лесного фонда. Лесные пожары принято разделять на верховые, низовые и подземные [1].
Низовой пожар распространяется по приземному слою - траве, кустарникам, листовому опаду, мелкому подросту и коре. По скорости распространения бывает беглый и устойчивый. Беглый пожар распространяется со значительной скоростью (до 300 м/ч) и зависит от скорости ветра в приземном слое. Такой пожар возникает весной, когда просыхает только верхний слой подстилки. Поэтому картина пожара имеет пятнистый вид, так как непросохшие участки не возгораются. Устойчивый пожар наоборот, распространяется медленнее (до 180 м/ч), однако напочвенный покров и лесная подстилка прогорают полностью, поэтому картина пожара сплошная, без проплешин. Такой пожар может перейти в другие формы - на торфяниках - в подземный, в молодых лесах - в верховой. Такой пожар наносит вред деревьям из-за глубокого повреждения корней и ствола.
Верховой пожар также бывает верховым и беглым. Он распространяется по кронам деревьев, причем чаще всего является продолжением низового пожара. Огонь поднимается по низкоопущенным кронам и разновозрастным деревьям, поэтому он чаще возникает в хвойных, многоярусных и горных лесах, а также в сухостоях. Скорость верховых пожаров велика - от 1500 м/ч при устойчивом пожаре до 5000 м/ч при беглом.
Математическое моделирование лесных пожаров возникло относительно недавно, но уже занимает важное место в деле изучения лесных пожаров. Благодаря моделированию отпала необходимость в проведении натурных испытаний, хотя имеющиеся модели не обладают абсолютной точностью и не учитывают возможных случайных возмущений, а также отражают лишь некоторые из возможных параметров.
Первая модель распространения пожаров была опубликована в 1946 году В.Л. Фонсом [4]. Она была основана только на уравнении теплового баланса и использовала в качестве коэффициентов данные, полученные при сжигании горючих веществ в аэродинамической трубе. Далее стоит выделить модель Г.М. Байрама (1970) [5], которая определяла соотношение между длиной пламени, величиной расходуемых горючих веществ и теплотой их сгорания. В этой модели использовались реальные данные, полученные при изучении пожаров в сосновых лесах. Однако недостатком этой модели было то, что в качестве входных данных использовались данные (например, длина и высота пламени), которые могут быть получены только из наблюдения за конкретным пожаром. Первой моделью, которая использовала только те данные, которые могут быть измерены заранее, стала модель низовых пожаров Р.Ротермела (1972) [6], в основе которой лежит баланс энергии твердой фазы горючего. Эта модель стала одной из наиболее удачных, прошла многочисленные полевые проверки. Некоторые положения этой модели используются до сих пор.
До 1980-х годов большинство математических моделей распространения лесных и торфяных пожаров были одномерными и описывали изменение только одного из параметров - скорости распространения, контуров, характеристик течения, тепломассопереноса. Лишь немногие модели включали в себя прогнозирование нескольких характеристик. Также не были изучены полностью процессы перехода низового пожара в верховой - они были описаны лишь с точки зрения прогрева и сушки ЛГМ и не затрагивали химические реакции в пологе леса. Также в большинстве моделей того времени скорость распространения огня задавалась эмпирически, не учитывалось влияние приземного слоя атмосферы и фронта пожара друг на друга, хотя и позволяет определить контур и площадь пожара. Также не были предсказаны критические условия для воспламенения и распространения лесных пожаров, при которых горение не распространяется или прекращается вовсе. Скорость распространения пожара рассчитывалась только в направлении ветра [7].
В отечественной науке первая модель была создана в 1949 году В.Г. Нестеровым и была основана на экспериментальных исследованиях горимости лесов. Впервые были предложены критерии пожарной опасности [8]. Наиболее крупным ученым в области математического моделирования является А.М.Гришин. Он разработал несколько моделей, использующихся и сегодня. Согласно его моделям, лес при пожаре является пористо-дисперсной реакционноспособной сплошной средой, неоднородной по структуре и составу. Для получения необходимых данных о лесе (объемные доли фаз, аэродинамические характеристики лесных массивов, механизм передачи энергии от фронта пожара к окружающей среде, коэффициенты переноса, характеристики химических реакций) были проведены многочисленные натуральные, полунатуральные и лабораторные экспериментальные исследования и был сформирован один из крупнейших банков данных, использующийся до сих пор [9].
Рассмотрим различные методы исследования пожаров.
Физико-математическое моделирование поведения пожаров условно делят на три группы:
- модели, построенные «из первых принципов»;
· Модели первой группы основаны на физике горения и для прогноза используют расчеты на основе исходной теории. Эти модели учитывают три вида передачи тепла: теплопроводность, конвекция и радиация.
· Модели второй группы рассматривают только исходные данные пожара и сравнивают их с имеющимися экспериментальными данными и на основании сходства выдают прогнозы. Однако, успешность применения напрямую зависит от соответствия данных тем данным, которые содержатся в базе данных.
· Модели третьей группы сочетают в себе физические расчеты и константы, выявленные в ходе наблюдения за реальными пожарами.
Отличие моделей первой и второй группы очевидно - первые используют только расчеты, вторые - только экспериментальные данные. Третья группа моделей занимает промежуточное положение. При этом первая группа моделей обладает универсальностью, т.е, способностью рассчитывать параметры любого пожара, а вторая - точностью и простотой построения при совпадении параметров образца и текущего пожара. Поскольку граница между этими группами (а особенно между первой и третьей), то возможно рассматривать два подхода - с описанием физико-химических процессов горения и моделирование в виде «черного ящика».
В зависимости от способа отображения данных модели разделяются на пространственные и непространственные. Модели первой группы дают возможность наблюдать визуализированное распространение пожара по массиву, а модели второй группы выдают результаты в виде графов и таблиц. При этом непространственные модели требуют меньшие вычислительные мощности, однако сложнее для интерпретации, а пространственные интуитивно понятны, однако они требуют больше памяти и сложнее в построении.
По возможному назначению модели делятся на три уровня:
Фундаментальное моделирование исследует горение отдельных частиц, слоев из однородных частиц и слоев из разных горючих материалов и основано на процессах тепломассопереноса. В качестве исходных параметров берутся физико-химические свойства веществ (содержание, влажность, теплопроводность, количество и состав выделяющихся при горении веществ) и характеристики среды (скорость и направление ветра, влажность воздуха, турбулентность атмосферы). Решениями для данных моделей являются распределение температур, концентраций веществ, размеры пламени, скорость его распространения. В качестве примера можно привести модели А.М.Гришина [1] и Ю.А.Гостинцева. [9] Часто эти модели являются основой для тактического моделирования.
Тактическое моделирование прогнозирует пожар в целом - скорость распространения, контур и площадь горения, интенсивность горения. Также в данных моделях определяется вид пожара и факторы, приводящие к перемене вида пожара (параметры, при которых низовой пожар переходит в верховой, а тот в свою очередь - в пятнистый). Данные модели разрабатывали Э.В.Конев [10], Е.К. Кисиляхов [11].
Стратегическое моделирование изучает совокупности пожаров - их возникновение, распространение, развитие, а также основные важнейшие их характеристики - скорость, площадь, длину фронта. Эти модели используются руководителями административных единиц, соответствующими органами МЧС и имеют важное практическое значение, поскольку на основании их прогнозов принимаются меры по защите населения и территории в пожароопасный период. В нашей стране этими моделями занимался Г.Н.Коровин [12].
Пусть очаг зажигания связан с началом системы координат, причем начало системы координат X, Y, Z связано с центром очага. Ось ОZ направлена вертикально вверх, а оси ОХ и ОY - параллельно земной поверхности. Ось ОХ совпадает с направлением ветра. Под действием ветра очаг верхового пожара начинает распространяться по лесному массиву.
Рисунок 1.1. Система координат с очагом зажигания в центре, где 1 - очаг зажигания, 2 и 3 - лесной массив
Основные допущения, принятые при выводе системы уравнений начальных и граничных условий.
2. Течение носит развитый турбулентный характер, и молекулярным переносом пренебрегаем по сравнению с турбулентным;
3. Полог леса предполагается недеформируемой пористо-дисперсной средой;
4. Среда в пологе леса считается двухтемпературной, т.к. различаются температура газовой и конденсированной фазы.
5. Среда находится в локальном термодинамическом равновесии;
6. Рассматривается так называемый продуваемый лесной массив, когда объемной долей конденсированной фазы лесных горючих материалов (ЛГМ), состоящей из сухого органического вещества, воды в жидко-капельном состоянии и золы можно пренебречь по сравнению с объемной долей газовой фазы, включающей в себя компоненты воздуха и газообразные продукты пиролиза и горения.
7. Плотность газовой фазы не зависит от давления, т.к. скорость течения мала по сравнению со скоростью звука.
8. Для описания процесса переноса энергии излучением используется диффузионное приближение.
Математическая модель взята из [13] с некоторыми поправками.
В области высоты h, расположенной выше уровня шероховатости z0 и ниже уровня верхней границы полога леса в плоскости xz, имеем уравнения, выражающие законы сохранения для многофазной многокомпонентной сплошной реагирующей среды
Для приземного слоя атмосферы при z?h имеем следующую систему уравнений:
Система уравнений (1.1) - (1.15) должна быть дополнена соответствующими начальными и граничными условиями.
В начальный момент времени во всем контрольном объеме заданы распределения искомых функций:
На левой границе расчетной области известны параметры набегающего потока
На правой границе контрольного объема ставятся «мягкие» граничные условия
На верхней границе значения искомых функций считаются известными и равными значениям функций в набегающем потоке на этой высоте
Считается, что границы контрольного объема могут быть выбраны на достаточном удалении от фронта пожара, так что возмущения, вносимые ограниченностью рассматриваемого объекта, слабо искажают характеристики вблизи фронта.
Граничные условия на уровне (нижний ярус леса) получены в следующем виде:
При записи граничных условий (1.20) для нижнего яруса леса, в отличие от системы уравнений (1.1) - (1.8) для полога леса, учитывается собственный объем конденсированной фазы ().
По определению уровня шероховатости z0 (1.12) там выполняется равенство. На границе раздела сред полог леса - приземный слой атмосферы должны выполняться условия:
Здесь и выше - R1-R3, R5 - массовые скорости пиролиза сухого органического вещества ЛГМ, испарения влаги, горения конденсированных и летучих продуктов пиролиза соответственно; - удельные теплоемкости, истинные плотности и объемные доли i - фазы многофазной реагирующей среды (1 - сухое органическое вещество, 2 - вода, 3 - кокс, 4 - зола); u, w - проекции скорости на оси x и z соответственно; T, c? - температура и массовые концентрации компонентов газовой фазы (?=1 - кислород, 2 - горючие компоненты продуктов пиролиза, 3 - инертные компоненты воздуха (водяной пар и нереагирующие продукты реакций окисления, пиролиза и горения кокса); Ts - температура твердой фазы; p, p? давления в потоке и гидростатическое; UR - осредненная плотность излучения, ? - интегральный коэффициент поглощения; - лучистый тепловой поток, поступающий в полог леса от факела пламени; - лучистый тепловой поток, теряющийся через верхнюю границу (в первом приближении , где ? - интегральная степень черноты верхней границы полога леса, ? - постоянная Стефана- Больцмана); R51 - R53 - массовые скорости преобразования ?-компонентов газовой фазы; q2, q3, q5, - тепловые эффекты реакции испарения, горения кокса и испарения летучих продуктов пиролиза; E1 - E3, E5, k01 - k03, k05 - энергии активации и предэкспоненты; ?c, ?г - коксовое число ЛГМ и массовая доля горючего газа в общей массе летучих продуктов пиролиза; h - высота полога леса; Q - массовая скорость образования газовой фазы; s? -удельная поверхность элемента ЛГМ; M?, Mc, M - молекулярные веса индивидуальных компонентов углерода и смеси в целом; s - удельная поверхность фитомассы полога леса; cd - эмпирический коэффициент сопротивления; g - ускорение свободного падения. Индексы «Н», «?», «0» обозначают начальные условия функций на удалении от фронта пожара и характеристики нижнего яруса леса, а индексы 1-5 используются для обозначения термодинамических параметров фаз и компонентов газовой фазы.
Система уравнений (1.1) - (11.5) является обобщением известной системы уравнений Рейнольдса для турбулентных течений однофазной инертной жидкости и в то же время представляет собой частный случай математической модели лесных пожаров, предложенной в [1]. Наличие последних двух слагаемый в уравнениях (1.2) - (1.5), (1.10) - (1.13) обусловлено турбулентным характером течения как в приземном слое, так и в пологе леса. Член с?Q в уравнениях сохранения индивидуальных компонентов (1.4) является следствием недивергентной формы уравнений и отражает факт разбавления газовой фазы продуктами пиролиза, испарения влаги и горения ЛГМ.
Взаимодействие процессов горения в нижних и верхних ярусах леса в данной модели учитывается через граничные условия (1.19). Поскольку процессы, протекающие при пожаре в верхнем и нижнем ярусах леса, аналогичны, последние описываются уравнениями, приведенными выше. Интегрируя эти уравнения по высоте нижнего яруса леса (z0), пользуясь соотношениями масштабов (z0<Разработка методики оценки скорости распространения верховых лесных пожаров в сопряженной постановке дипломная работа. Безопасность жизнедеятельности и охрана труда.
Реферат по теме География Альп
Дипломная работа по теме Методика управления экологическими рисками на предприятии ПАО 'МОЭК'
Курсовая работа по теме Назначение и выплата пенсий участникам ВОВ
Курсовая работа по теме Організація і планування виробництва ячменю
Реферат: «Применение информационных технологий в региональной прессе»
Лабораторная Работа Изучение Строения Покрытосеменных Растений
Реферат: Люблю тебя, мой край родной, Астрахань. Скачать бесплатно и без регистрации
Сочинение Почему Я Хочу Служить В Фсб
Реферат Этапы Эволюции
Курсовая Работа Безработица Сущность Причины Пути Сокращения
Курсовая Работа Источники Конституционного Права России
Дипломная работа по теме Совершенствование системы управления рисками на транспортном предприятии
Астраханский Мап Дипломный Отдел
Реферат по теме Рефлексы
Реферат по теме Методы работы над сказкой
Сочинение По Картине Заморские Гости
Курсовая работа: Социализация как путь формирования личности ребенка с нарушением зрения. Скачать бесплатно и без регистрации
Лицензирование Страховой Деятельности Реферат
Курсовая Работа На Тему Виды Производств В Гражданском Процессе
Реферат Щедрин
Природные чрезвычайные ситуации: смерчи, торнадо - Безопасность жизнедеятельности и охрана труда реферат
Проблемы наводнений в мире, приморских областях России - Безопасность жизнедеятельности и охрана труда контрольная работа
Пожарная охрана в начале XX века - Безопасность жизнедеятельности и охрана труда реферат