4 Введение
Лесные и степные пожары ежегодно наносят огромный ущерб человеку и окружающей среде. Они представляют угрозу жизни и здоровью человека выбросами в атмосферу вредных веществ, уничтожением флоры и фауны. В связи с глобальным потеплением климата во всем мире увеличивается число лесных пожаров. В России наблюдается прирост площадей лесных пожаров: ежегодно гибнет лес на территории более 8 миллионов гектаров. Большая часть пожаров приходится на районы Сибири и Дальнего Востока, где каждый год огонь охватывает от 2,0 до 5,5 миллионов гектаров лесных массивов. Тушение пожаров на этих территориях затрудняется большими перепадами высот и слабо развитой инфраструктурой. Надо сказать, что существующие методы тушения лесных пожаров недостаточно адаптированы к условиям горной тайги. Следовательно, поиск новых способов тушения пожаров, применимых к условиям горно-таежной местности, является актуальной научно-технической проблемой.
В настоящее время известно много методов борьбы с лесными пожарами. Их можно разделить на два типа: методы тушения, непосредственно воздействующие на фронт пожара, и методы тушения, направленные на локализацию зоны горения. При прочих равных условиях предпочтение следует отдавать первому типу как более оперативному и экологически безопасному. В зависимости от воздействия на зоны пиролиза (область термического разложения органических веществ при их нагревании, где происходит образование летучих горючих продуктов) методы тушения, непосредственно воздействующие на фронт пожара, можно разделить на две группы:
1. механического воздействия ударными волнами (сдув);
2. физико-химического воздействия.
Отмеченные методы тушения позволяют реализовать новую концепцию экологически чистой борьбы с лесными пожарами, предложенную в Томском
5 государственном университете специалистами под руководством профессора
A.M. Гришина [1 - 4]. Суть ее заключается в разрушении наиболее уязвимой части фронта пожара — зоны пиролиза и зоны смешивания горючих продуктов пиролиза с кислородом воздуха.
Группа методов с использованием ударных волн в настоящее время разработана наиболее детально. Физико-химическое воздействие на зону пиролиза с использованием двухфазных струй в настоящее время не достаточно изучено, что стало предметом диссертационного исследования.
Работа выполнена по теме научно-исследовательских работ Восточно-Сибирского института МВД России «Предупреждение и тушение лесных пожаров», а также в соответствии с планами Федеральной целевой программы «Интеграция» (договор № 57 от 11.05.01 г., по проекту № 268).
Цель работы - разработка новых методов тушения низовых лесных пожаров, которые обладали бы при прочих равных условиях большей эффективностью по сравнению с другими известными методами и устройствами.
Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучение, анализ и систематизация существующих на сегодняшний день отечественных и зарубежных методов тушения лесных пожаров.
2. Экспериментальное исследование физико-химических методов тушения лесных пожаров и определение их наиболее эффективных характеристик.
3. Разработка физико-химического метода с использованием двухфазной струи переохлажденного водяного пара.
4. Экспериментальное определение очагов горения, при тушении которых целесообразно использовать новый метод.
5. Определение эффективности предложенного метода и сравнение его результатов с другими методами тушения низовых лесных пожаров.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1 .Разработан новый метод тушения - струей переохлажденного водяного пара. Новизна подтверждена патентом России на изобретение.
6
2. Исследованы характеристики струи переохлажденного водяного пара, влияющие на эффективность тушения.
3.Установлены возможные механизмы тушения струей переохлажденного водяного пара:
- изоляция факела пламени от кислорода воздуха;
- охлаждение зоны горения и горючих материалов;
- разбавление горючих продуктов пиролиза и кислорода воздуха паром;
- экранирование факела пламени от зон прогрева, сушки, пиролиза;
- динамический сдув газообразных продуктов пиролиза струей пара.
4. Обнаружен эффект увлажнения твердой поверхности, расположенной параллельно оси струи пара вне видимых границ.
Практическая значимость работы состоит в следующем. Разработанный метод тушения низового лесного пожара позволяет уменьшить расход воды, затрачиваемой на тушение, улучшить условия труда пожарных расчетов и, одновременно с этим, увеличить скорость тушения по сравнению с традиционными методами. Разработанные тактические приемы с использованием струи переохлажденного водяного пара позволяют эффективно тушить низовые лесные пожары малой и средней интенсивности.
Новый метод тушения низовых лесных пожаров, методики его использования и рекомендуемые тактические приемы внедрены в практику борьбы с пожарами на территории Тайшетского лесхоза (Иркутская область), а также в учебный процесс Восточно-Сибирского института МВД России (г. Иркутск) по специальностям 3203 и 330400 (Пожарная безопасность). Соответствующие акты внедрения приведены в приложении к диссертации.
Достоверность результатов исследования обеспечена использованием в диссертации универсальных и апробированных методик измерений, многократной повторяемостью результатов, полученных в опытах.
Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международной конференции «Лесные и степные пожары: возникновение, распространение и экологические последствия» (Иркутск, 2001);
7 Всероссийской научно-практической конференции «Деятельность
правоохранительных органов и государственной противопожарной службы в современных условиях: проблемы и перспективы развития» (Иркутск, 2002, 2004); Российско-Швейцарском научно-практическом семинаре «Проблемы обнаружения, прогнозирования и борьбы с лесными пожарами» (Иркутск, 2002, 2004); международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (Томск, 2002, Горно-Алтайск, 2004); международной конференции «Природные пожары: возникновение, распространение и экологические последствия» (Красноярск, 2003); Российско-Монгольском научно-практическом семинаре «Проблемы пожарной профилактики и деятельности государственного пожарного надзора» (Иркутск, 2004); Ученом Совете Восточно-Сибирского института (ВСИ) МВД России, межкафедральных семинарах ВСИ МВД России. На защиту выносятся следующие положения:
- новый метод тушения низовых лесных пожаров струей переохлажденного водяного пара;
- результаты экспериментального исследования характеристик струи переохлажденного водяного пара, влияющих на эффективность тушения;
- анализ механизмов тушения струей переохлажденного водяного пара различных очагов горения;
- сравнительный анализ эффективности использования метода тушения с использованием струи переохлажденного водяного пара и имеющихся базовых методов и устройств борьбы с низовыми лесными пожарами;
- тактику тушения низовых лесных пожаров с использованием разработанного метода.
По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, перечень которых приводится в списке литературы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложения и списка литературы из 98 наименований. Работа содержит 140 страниц текста, 23 рисунка и 4 таблицы.
8 В первой главе диссертации проведен анализ и систематизация методов
тушения лесных пожаров с точки зрения воздействия на фронт пожара, определены механизмы и предельные условия прекращения горения лесных материалов [5, 6]. Проведенный анализ позволил выявить перспективную группу методов с использованием двухфазных струй и разработать новый метод тушения - воздействие на фронт пожара струей переохлажденного водяного пара [7]. В связи с отсутствием достоверных данных были исследованы противопожарные характеристики струи переохлажденного водяного пара и особенности взаимодействия очага горения с этой струей. Это необходимо для постулирования основных механизмов взаимодействия струи переохлажденного водяного пара с очагом горения, как первоначального этапа составления математического описания процесса тушения рассматриваемой струей.
Во второй главе дается описание экспериментов, экспериментального оборудования и измерительных устройств, позволяющих определять границы, оптическую плотность, температуру по оси, способность струи переохлажденного водяного пара экранировать инфракрасное излучение. Исследования проводились с использованием экспериментальной установки, состоящей из парогенератора, системы обеспечения стабильных параметров работы парогенератора, измерительного оборудования [6-9].
В третьей главе представлены результаты исследования характеристик струи переохлажденного водяного пара, влияющих на эффективность тушения, и их анализ. Результаты измерения видимых границ струи пара свидетельствуют о том, что ширина границ струи прямо пропорциональна расстоянию от среза сопла парогенератора. Угол полураствора струи по статистической модели примерно совпадает с углом свободной автомодельной турбулентной струи, что позволяет предположить идентичность механизмов подсасывания окружающего воздуха в обоих случаях [8,10,11]. Во время проведения экспериментов был обнаружен эффект увлажнения твердой поверхности, расположенной параллельно оси струи за пределами ее видимых
9 границ. По разности расчетных (без учета конденсации пара) и измеренных
температур было определено приращение массы конденсата по оси струи пара. Зависимость оптической плотности по оси струи пара свидетельствует:
- на выходе из сопла струя пара является практически однофазной;
- с удалением от сопла до 230 калибров происходит интенсивная конденсация пара;
- на удалении от сопла более 230 калибров интенсивность конденсации пара незначительна.
Таким образом, струю переохлажденного водяного пара можно условно разделить на две области. Первая - зона абсолютно нестабильного водяного пара, в которой процессы конденсации преобладают над другими процессами. Вторая - зона метастабильного пара. В этой зоне основным механизмом, определяющим изменение оптической плотности, является механизм растворения пара окружающим воздухом.
В струе пара на всем удалении от сопла парогенератора содержание пара (43%, об.) превышает минимальную огнетушащую концентрацию (35%, об.), при которой происходит прекращение диффузионного горения горючих газов.
Измерения показывают, что струя переохлажденного водяного пара способна экранировать инфракрасное излучение на 35-40 %, но при этом зависимость экранирующей способности с удалением от сопла не выявлена.
Полученные данные позволяют ожидать, что возможными механизмами взаимодействия струи переохлажденного водяного пара с фронтом пожара будут: разбавление горючих продуктов пиролиза и кислорода воздуха паром; охлаждение зоны горения; изоляция факела пламени от кислорода окружающего воздуха; экранирование зоны горения от зон прогрева, сушки и пиролиза.
В четвертой главе диссертации экспериментальным путем выявлены механизмы тушения струей переохлажденного водяного пара в зависимости от вида очага горения. Установлены доминирующие механизмы тушения, к которым относятся охлаждение зоны горения, изоляция и разбавление
10 газообразных продуктов пиролиза. Выявленные возможные механизмы
тушения могут быть реализованы в различных комбинациях в зависимости от вида горения. При этом доказано, что воздействие струи пара на переднюю кромку фронта пожара эффективно, на зону догорания (тления) неэффективно [12,13].
Пятая глава работы посвящена оценке экологической безопасности применения струи переохлажденного водяного пара при тушении низовых лесных пожаров [14]. Приведен сравнительный анализ эффективности применения струи переохлажденного водяного пара и струи распыленной воды с диаметром капель 2-3 мм. Испытания проводились в равных условиях: состав, структура и влажность лесных горючих материалов, рельеф местности, физические параметры окружающей среды были одинаковыми [15-18]. С учетом необходимости дозаправки водой и отдыха оператора скорость тушения составила:
• тушение с использованием ранцевого лесного опрыскивателя - 4,5-5 м/мин;
• тушение с использованием парогенератора -9-10 м/мин;
Расход воды при использовании струи переохлажденного водяного пара составил 0,003 л/с, распыленной воды - 0,06 л/с.
Анализ экологических и экономических аспектов применения разработанного метода позволяет сделать вывод о возможности существенного уменьшения экологического ущерба.
Далее приведены тактические особенности применения струи переохлажденного водяного пара при тушении низовых лесных пожаров. Тактика тушения низовых лесных пожаров малой и средней интенсивности предусматривает прекращение пламенного горения со скоростью продвижения по передней кромке фронта пожара 18-22 м/мин. После прекращения пламенного горения оставшиеся очаги тления на тонких (диаметром до 0,007 м) веточках не приводят к повторному возгоранию. Если в состав лесных горючих материалов входят толстые (диаметром более 0,007 м) элементы фитоценоза, то в результате тления возможно их повторное возгорание. Тогда тушение
11
переохлажденным водяным паром следует сопровождать контролем, производимым, к примеру, оператором, вооруженным дезинтегратором низового лесного пожара [19,20]. Комплексный способ тушения группой из двух операторов с парогенератором и дезинтегратором увеличивает эффективность тушения низового лесного пожара [21].
В заключении представлены основные результаты и сформулированы выводы научного исследования.
Полученные результаты диссертационной работы могут быть использованы в практической деятельности по тушению различных типов лесных пожаров, а также в конструкторских бюро при создании новых средств пожаротушения.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю кандидату технических наук, доценту М.Г. Руденко за постановку задачи исследования и помощь в работе; научному консультанту заслуженному деятелю науки РФ, доктору физико-математических наук, профессору A.M. Гришину за плодотворные консультации.
12 1. Аналитический обзор исследований по теме
диссертационной работы. Определение цели исследования
1.1. Виды лесных пожаров
Объектом горения в лесу являются сложные лесные материалы (фитоценозы), имеющие пространственную структуру и отличающиеся большим разнообразием. В их состав входят живые и неживые компоненты: подстилка, лишайники, мхи, пни и валеж, кустарники, травы, торф, подлесок и подрост, хвоя, ветки, сучья и стволы деревьев. Знание их основных характеристик (структуры, запаса, влажности лесных материалов и температуры горения) играет ключевую роль как для понимания процесса возникновения и развития лесных пожаров, так и для разработки средств и способов борьбы с ними.
Лес по своей структуре является многоярусным, что говорит о существовании растений разных видов и возрастов и наличии отмерших их частей. Особое внимание изучению данной проблемы уделялось научными работниками Томского государственного университета под руководством доктора физико-математических наук, профессора A.M. Гришина. В [1] выделены слои лесного биогеоценоза, которые необходимо учитывать при моделировании лесных пожаров:
1) подстилка толщиной 2-5 см;
2) мох, лишайники и опад толщиной 6-8 см;
3) кустарники толщиной 10-20 см;
4) травянистые растения;
5) кустарники высотой до 2 м;
6) совокупность крон молодых деревьев (подроста) высотой до 6 м;
7) полог древостоя - совокупность крон взрослых деревьев;
8) приземный слой атмосферы высотой 150-200 м;
9) планетарный пограничный слой высотой 1,5-2 км.
13 Нужно отметить, что такое разделение леса на ярусы является наиболее
полным, состав каждого яруса напрямую зависит от почвенно - климатических условий. Выделенные ярусы леса целесообразно объединить в слои и внутри объединенного слоя структуру среды считать однородной.
Для изучения процессов распространения пожаров необходимо дать определение пожара. Согласно [3], лесным пожаром называется явление неуправляемого многостадийного горения в открытом пространстве на покрытой лесом площади, в рамках которого имеют место взаимосвязанные процессы конвективного и радиационного переноса энергии, нагревания, сушки и пиролиза лесных горючих материалов (ЛГМ), а также горение газообразных и догорание конденсированных продуктов пиролиза горючих материалов.
На передней кромке фронта лесного пожара наиболее сильно изменяются параметры состояния среды. Скорость распространения пожара определяется многостадийными процессами - сушкой, пиролизом ЛГМ, горением газообразных и конденсированных продуктов пиролиза ЛГМ, а также процессами переноса массы и энергии. Наяву же мы видим только светящуюся зону горения.
В процессе горения и продвижения фронта пожара масса ЛГМ на любой ограниченной лесной площади Мл конечна, горение ЛГМ прекращается при Мл= Мс, где Мс - масса ЛГМ, сгоревших на территории, охваченной контуром лесного пожара. В связи с этим установлено, что любой лесной пожар имеет три стадии развития. На первой стадии происходит увеличение мощности пожара (Wn) вследствие увеличения длины контура пожара и ширины фронта пламени. На второй стадии интенсивность (I) лесного пожара можно считать постоянной, так как скорость распространения (wn) и ширина фронта пожара приближены к нулю. И на третьей стадии wn =I= Wn = 0 вследствие исчерпания запаса ЛГМ.
Вышеуказанные стадии развития лесных пожаров характерны для любого леса, но в зависимости от фитомассы (ярусов леса), типа лесного пожара
14 значения Wn(t) и I(t) имеют различия. В связи с этим лесные пожары
подразделяются на низовые, верховые и почвенные [2].
1.1.1. Низовые лесные пожары, механизм и предельные условия их
распространения
При низовых пожарах сгорают лесные горючие материалы в нижнем ярусе леса, состоящем из опавших листьев, хвои, сучьев и веток. Также сгорает и живой покров: трава, мох и кустарники. Особенностью таких пожаров являются невысокая скорость распространения (1-2 см/с) и небольшая высота пламени (2-2,5 м). При пламенном горении лесных горючих материалов во фронте низового лесного пожара (НЛП) основное количество тепловой энергии выделяется в результате горения газообразных продуктов пиролиза.
На рисунке 1 приведена структура фронта типичного низового лесного пожара [2], распространяющегося по слою опада из хвоинок при отсутствии ветра.
Z ¦
Рисунок 1 Структура фронта опытного низового пожара: 1-опад; 2- сечение поверхности, отделяющей свежий ЛГМ от газифицирующегося; 3- область ламинарного и газо-фазного горения; 4-турбулентный факел пламени; 5- газообразные продукты пиролиза ЛГМ; 6-продукты горения конденсированного продукта пиролиза; 7- зона беспламенного горения (тления); hn- высота факела пламени
В [2] экспериментально и теоретически были установлены следующие закономерности. Энергетика лесного низового пожара характеризуется
15
интенсивностью, температурой во фронте пожара и суммарным тепловым потоком. Интенсивность такого пожара может изменяться в пределах 15 кВт/м<1<\0 МВт/м; максимальная температура горения 900 К<Тг<1350 К, а суммарный тепловой поток 3 кВт/м2<%<4\,5 кВт/м2. В данном виде пожаров основной характеристикой является скорость распространения, которая имеет эмпирическую зависимость от влагосодержания ЛГМ. В случае, когда влагосодержание превышает 13%, горение прекращается. Имеется зависимость скорости распространения пожара от запаса ЛГМ, критическое значение которого для опада хвои составляет пь=0,1 кг/м2. Также скорость распространения пожара зависит от угола наклона плоскости слоя горючего к горизонтали плоскости, плотности слоя ЛГМ и скорости ветра. С помощью представленных выше выявленных закономерностей установлено, что распространение лесных низовых пожаров прекращается при выполнении следующих условий: W>W*, mВышеуказанные значения являются основополагающими при прогнозе пожарной опасности и разработке способов тушения низовых пожаров, поэтому необходимо подробное дальнейшее исследование данных величин для разных регионов России.
1.1.2. Верховые лесные пожары, механизм и предельные условия их
распространения
Возникновение и распространение лесного верхового пожаров является наиболее губительным для лесных массивов. Особенностью таких пожаров является большая скорость распространения - до 25 км/ч, особенно при наличии ветра, а также быстрое увеличение площади лесных пожаров вследствие разлета искр и головней, переносимых мощными конвективными потоками, возникающими в результате образования аэродинамического вихря в
16
зоне горения. Попадая на еще не горящие участки леса, они образуют новые очаги пожаров.
Как и любой лесной пожар, верховой проходит следующие стадии: возникновение, распространение и потухание. Возникновение данных пожаров возможно по двум причинам [22,23]:
1. В условиях засухи, когда влажность горючих материалов подстилки и живого покрова понижается, низовой пожар может видоизмениться в верховой, тогда происходит распространение пламенного горения по кронам деревьев и повреждения фитоценоза во всех других ярусах леса.
2. Непосредственное зажигание сухостойных деревьев в результате воздействия сухих гроз.
Из вышеуказанных причин наибольшее распространение получила первая. Поэтому рассмотрим подробнее условия перехода низового пожара в верховой. Из анализа данных [1] выявлено, что переход низового пожара в верховой определяется его энергетикой (интенсивностью, высотой пламени), а также расстоянием между напочвенным покровом и нижней границей полога леса (hi-ho). Данные условия можно записать в следующем виде: Tj>T*, h\-ho<(hi-ho)=hn, Qi>Q*, где Т* - температура зажигания ЛГМ на нижней границе крон деревьев (800-900 К); (hrho) - критическое расстояние от верхней границы напочвенного покрова до нижней границы полога; Q* - критический тепловой импульс на единицу площади нижней границы полога леса (Q*=4500 к Дж/м). Также согласно приведенным в [15] данным отметим, что из-за ветра, при одной и той же влажности горючих материалов, энерговыделение увеличивается в единицу времени в 6-25 раз, скорость продвижения кромки - в 3-19 раз, глубина кромки - в 3-12 раз, а высота пламени - в 2-5 раз. Вследствие этого тепловой поток действует на нижний полог леса гораздо интенсивней, что при благоприятных условиях приводит к верховому пожару.
В экспериментальных исследованиях [24] ставилась проблема изучения формирования фронта верхового лесного пожара. Было установлено, что для
17 формирования в пологе леса устойчивого фронта верхового лесного пожара
необходимо, чтобы за счет фронта низового пожара плотность суммарного теплового потока в пологе леса превышала критическое значение (?q>q*), a массовая и линейная скорости горения ЛГМ в пологе леса превышали критические значения m*, w*, т.е. т>пь, w>w*.
Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что верховой лесной пожар не может долго существовать без взаимодействия с фронтом низового пожара.
Согласно исследованиям [24] независимый верховой пожар может распространяться при следующих условиях:
1) интенсивность низового лесного пожара больше критической;
2) скорость распространения фронта пожара по кронам деревьев (wn) превышает критическое значение (w*);
3) суммарная плотность теплового потока (q) в направлении распространения пожара превышает критическое значение (q*).
В [1,3] экспериментально и теоретически были установлены следующие предельные условия прекращения процесса распространения лесного верхового пожара: рс<р*, W>W», и<ш*, u>u+, av>av*, где р* - критическая плотность слоя ЛГМ; W* - критическое значение влагосодержания; av* - критическое значение объемного тепло- и массообмена лесных горючих материалов со средой; и** и ш - нижнее и верхнее критические значения по скорости ветра.
1.1.3. Почвенные и торфяные лесные пожары, механизм и предельные условия их распространения
При почвенных и торфяных лесных пожарах горение происходит в первом слое нижнего яруса леса, то есть сгорает и выделяет тепло лесная постилка (подстилочные пожары) или торф (торфяные пожары). Под влиянием нагрева от фронта низового лесного пожара и воздуха происходит |
