Summary
Ce protocole décrit la soufflerie expériences visant à étudier la transition d’un incendie du sol à la canopée des arbustes de chaparral.
Abstract
Le présent protocole présente une technique de laboratoire destinée à étudier la propagation et l’allumage de feu Couronne chaparral. Des expériences ont été menées dans une soufflerie de feu faible vélocité où deux couches distinctes de carburant ont été construites pour représenter des carburants de surface et de la Couronne au chaparral. Chamise, un arbuste commun de chaparral, comprenant la couche de cime vivante. La couche superficielle de la mort de carburant a été construite avec l’excelsior (bois déchiqueté). Nous avons développé une méthodologie pour mesurer la perte de masse, température et la flamme de hauteur pour les deux couches de combustible. Thermocouples placés dans chaque couche estimée de la température. Une caméra vidéo a capturé la flamme visible. Post-traitement de l’imagerie numérique a donné flamme caractéristiques dont la hauteur et flamme tilt. Un instrument de la perte de masse de couronne personnalisé développé en interne mesuré l’évolution de la masse de la couche de la Couronne pendant la combustion. Les tendances massives de perte et de la température obtient à l’aide de la théorie de la technique mis en correspondance et d’autres études empiriques. Dans cette étude, nous présentons des procédures expérimentales détaillées et des informations sur l’appareillage utilisé. Les résultats représentatifs pour le taux de perte de masse carburant et température déposé dans le lit de carburant sont également inclus et discutés.
Introduction
En 2016, l’Etat de Californie a connu un total de 6 986 feux de forêt, consommant 564 835 acres1, coûtant des millions de dollars de dégâts et risquer le bien-être de centaines de personnes. En raison du climat méditerranéen régional, source d’énergie importante pour ces incendies sont chaparral végétation communautés2. Feu se propage dans le chaparral peut être considéré comme un feu de cime, puisque le principal combustible qui brûle est élevée3. Cohabiter avec la couche de couronne principalement direct, est la couche de combustible mortes, qui se compose de cast feuillage, branches et plantes herbacées qui poussent sous et entre les arbustes individuels. Feu se lancera plus facilement dans la couche de combustible mortes. Une fois le feu de surface s’enflamme, le feu peut transition à la couche de Couronne où l’énergie dégagée par le feu augmente de façon spectaculaire. Alors que les incendies de chaparral ont généralement été modélisés comme feu propage en combustibles profonds surface4, il y a eu une étude limitée des incendies chaparral comme feux de cimes.
Caractéristiques de la Couronne au chaparral, y compris la forme des particules feuillage, diffèrent de forêt boréale coniférienne, où la plupart des recherches s’est produite. De nombreuses études de balance de laboratoire et de terrain ont étudié divers aspects d’une traînée de poudre dynamique6,5,7,3,8,9,10 ,11,12. Dans le domaine des expériences en laboratoire, plusieurs études ont examiné l’influence des paramètres comme le vent et comportement des feux caractéristiques du combustible sur couronne de chaparral. Lozano7 examiné les caractéristiques de la Couronne de feu initiation en présence de deux lits de carburant Couronne discrète. En Tachajapong et al. 3, surface discrète et couches de la Couronne ont été brûlées à l’intérieur d’un tunnel de vent et le feu de surface a été caractérisé. Initiation de feu seule Couronne a été décrit en détail laissant une analyse complète de la propagation pour les travaux futurs. Li et al. 11 a rendu compte de la propagation d’une flamme si arbustes chaparral unique. Dans un travail connexe, Cruz et al. 10 , 9 a développé un modèle qui prédit l’allumage des conifère feuillage au-dessus d’un feu de surface étalé. Caractéristiques de la combustion des carburants de chaparral ont été explorées dans des études expérimentales de carburants en vrac et individu laisse13,14,15,16. Dupuy et al. 13 a étudié les caractéristiques de combustion des aiguilles du Pinus pinaster et excelsior en brûlant les combustibles dans des paniers cylindriques. Ils ont observé que, dans ces combustibles, hauteur de la flamme a été liée à taux de rejet de chaleur via une loi de puissance des deux cinquièmes a été signalé précédemment dans la littérature17,18. Sun et al. 14 brûlé combustibles chaparral dans des paniers cylindriques semblables à analyser les caractéristiques de combustion de trois carburants chaparral : chamise (Adenostoma fasciculatum), ceanothus (Ceanothus crassifolius) et manzanita ( Arctostaphylos glandulosa).
Motivés par les résultats des études de laboratoire susmentionné, notre but ici est de présenter une méthodologie pour caractériser la propagation dans les couches de couronne de surface et d’arbustes. En outre, nous visons à clarifier certaines des caractéristiques clés qui déterminent le degré d’interaction de la couche de surface de la Couronne. À cette fin, nous avons développé une méthodologie expérimentale en laboratoire pour étudier la transition verticale d’un feu de bois dans un combustible surface forestier à un feu de propagation dans un carburant arbuste élevé. Dans ces types de feux, traduction du feu à la Couronne de l’arbuste, connu comme couronnement, peut être suivie d’une expansion soutenue dans de bonnes conditions. En général, comportement du feu chaparral est dicté par la topographie, la météo et carburant19. Il a été démontré que vent influe sur la vitesse de libération d’énergie dans les carburants5,3,8,20.
Feu se propage dans les carburants poreux peut être considérée comme une série de transitions ou de seuils qui doivent être franchies pour être réussi21. D’un point de vue énergétique, une particule de carburant s’allume si la quantité de chaleur qu’il reçoit se traduit par un mélange de gaz qui réagissent avec succès avec l’oxygène. La flamme qui en résulte se propage si la chaleur produite par la particule de feu enflamme une particule de carburant adjacents. Le feu se propage dans le sol s’il est capable de traverser les lacunes entre les éléments combustibles inflammables. Si la flamme d’un feu de surface est capable de se propager verticalement dans la Couronne des arbres et des arbustes, un changement significatif dans le comportement du feu, y compris les taux de rejet de chaleur accrue, est souvent observé en raison d’une plus grande disponibilité du carburant. Dynamique de l’énergie thermique dans les feux de forêt englobe plusieurs échelles, allant de la très grande échelle, dans les méga-feux qui nécessitent souvent de modélisation climatologique, pour la petite échelle nécessitant une modélisation cinétique chimique. Ici, nous traitons avec un comportement de barème de soufflerie laboratoire de modélisation ; pour les études chimiques échelle cellulose combustion, on se reportera aux œuvres tels que Sullivan et al. 22
Depuis 2001, nous avons effectué une variété d’expériences examinant certains des laboratoire échelle énergétique seuils23,8,24,25,26, 27, mettant l’accent sur les vivants combustibles associés chaparral. Alors qu’à l’extérieur, mesures d’incendie peuvent fournir des résultats plus réalistes, l’environnement contrôlé de la soufflerie permettent la délimitation de l’impact de différents paramètres. Contrôler le vent, par exemple, est particulièrement important pour feux de cimes chaparral survenant dans des régions comme le sud de la Californie où les vents de type foehn, appelés vents de Santa Ana, sont pilotes typiques des incendies. Parce qu’une source de motivation importante pour la méthode décrite ici est d’étudier l’effet du vent et autres paramètres contrôlés sur chaparral propagation de feu, cette étude a été réalisée dans une soufflerie échelle de laboratoire. Le lecteur est dirigé vers le travail par Silvani et al. 28 pour le mesurage de la température dans le chaparral incendies similaires à ceux présentés ici. Pour les mesures sur le terrain sur l’effet du vent sur la propagation de l’incendie, s’il vous plaît voir Morandi et al. 29
Plusieurs paramètres influençant la propagation dans les carburants chaparral ont été analysées expérimentalement en quantifiant la probabilitédu feu propager succès en carburant élevée lits8. La présente étude expérimentale implique une méthodologie développée pour étudier des feux de cime de chaparral répartis par la modélisation de surfaces combustibles et carburants de couronne à l’intérieur de la section de l’essai d’une soufflerie basse vitesse. La surface combustible est modélisé avec excelsior (bois déchiqueté séché). Le lit de la surface combustible est placé au rez-de-chaussée de la soufflerie sur une échelle standard (voir Figure 1). Représentant du lit de combustible de Couronne, un lit de carburant avec chamise a été placé au-dessus du lit de combustible surface en suspendant le carburant à partir d’une plate-forme montée sur le châssis de la soufflerie (voir Figure 1). Les deux lits de carburant sont instrumentés pour mesures de température et la perte de masse ; géométrie de la flamme est obtenue à partir des enregistrements vidéo d’expériences. Paramètres mesurés comprennent la perte de masse, de teneur en carburant et de l’humidité relative de l’air. Paramètres contrôlés étaient présence de vent, la distance entre la surface combustible lit et lit de couronne de carburant et la présence de combustibles de surface. Le taux de perte de masse mesurée peut servir à calculer le taux de libération de chaleur, qui est défini comme :
où h est la chaleur de la combustion de combustibles, m est la masse de carburant, et t est le temps.
Figure 1 : montage expérimental soufflerie. Emplacements de couronne carburant lit, le lit de la surface combustible et le ventilateur de tunnel ont été étiquetés pour plus de commodité. Le lit de la surface combustible est placé au rez-de-chaussée de la soufflerie sur une échelle standard. Représentant du lit de combustible de Couronne, un lit de carburant avec chamise a été placé au-dessus du lit de combustible surface en suspendant le carburant à partir d’une plate-forme montée sur le châssis de la soufflerie. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Des expériences ont porté sur la compréhension du comportement des feux de cimes de chaparral, particulièrement d’allumage, mécanismes de propagation de la flamme et propagation, vitesses de front de flamme et taux de consommation de carburant. Afin d’étudier l’interaction entre une surface et une couronne de feu, six configurations de surface et Couronne lits de carburant avec ou sans écoulement du vent appliquées, ont été brûlés dans la soufflerie : Couronne de carburant qu’avec et sans vent (2), la Couronne et séparés par des lits de carburant de surface deux distances avec et sans vent (4). Le tableau 1 résume les configurations expérimentales avec les 6 classes expérimentales. Dans le tableau, le paramètre de lit surface combustible indique si surface combustible était présent pendant l’expérience, le paramètre de vent fait référence à la présence de vent et hauteur de la Couronne se réfère à la distance entre le fond du lit Couronne carburant et le dessous de la surface lit de carburant. Humidité de carburant a été mesurée pour chaque expérience mais non contrôlée, teneur en eau moyenne de carburant était de 48 %, alors que les valeurs minimales et maximales étaient de 18 % à 68 %, respectivement.
| Classe | Surface combustible lit | Vent | Hauteur de la Couronne |
| A | Absent | Pas de vent | 60 à 70 cm |
| B | Absent | 1 ms-1 | 60 à 70 cm |
| C | Heure actuelle | Pas de vent | 60 cm |
| D | Heure actuelle | Pas de vent | 70 cm |
| E | Heure actuelle | 1 ms-1 | 60 cm |
| F | Heure actuelle | 1 ms-1 | 70 cm |
Tableau 1 : expérimenter des configurations de. Ici le paramètre lit de combustibles de surface indique si surface combustible était présent pendant l’expérience, le paramètre de vent fait référence à la présence de vent et hauteur de la Couronne se réfère à la distance entre le fond du lit de combustible de Couronne et le fond du lit surface combustible.
Une balance électronique mesurée surface carburant masse et nous avons développé un système de perte de masse personnalisés pour la couche de la Couronne. Le système se composait de pesons individuels connectés à chaque coin du lit suspendu de carburant. Consommation de qualité vidéo caméras enregistrées les flammes visuelles ; traitement de l’image des données visuelles à l’aide d’un script personnalisé généré flamme caractéristiques dont la hauteur et l’angle. Un programme a été développé pour convertir des images vidéo du RVB (rouge/vert/bleu) codage en noir et blanc grâce à un processus de seuillage d’intensité lumineuse. Le bord de la flamme a été obtenu aux images noir et blancs. Hauteur maximale a été définie comme le point culminant de l’arête de la flamme, ont également obtenus des hauteurs de flamme instantanée. Dans une image, hauteur de la flamme a été mesurée de la base du lit de combustible au point vertical maximal de la flamme. Tous les codes de traitement ainsi que l’interface de contrôle instrument conçu pour ce protocole ont été mis à la disposition par les auteurs ici par le biais de leur site d’accès logiciel. Récolte le carburant direct localement et mener les brûlures expérimentales dans les 24 h réduit au minimum la perte d’humidité. Une thermocouple tableau enregistré lit température du carburant dans la direction du vent sections permettant le calcul du taux de propagation. La figure 1 montre un schéma de l’installation de lit de carburant ainsi que l’arrangement de thermocouple. Suivent les détails du protocole expérimental.
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Protocol
mise en garde : comme plusieurs étapes dans le protocole suivant comportent des activités qui ont le potentiel de causer un dommage, veiller à ce que le bon équipement de protection individuelle (EPI) est utilisé à la suite de protocoles de sécurité dont le feu vêtements résistants et des lunettes de protection.
1. Couronne carburant Bed Load Cell Instrumentation Setup
- serre-joints en C-4 modifier par double ressort porte mousquetons (voir Table des matières) dans le trou de la broche à la pince de fixation ' fin de vis s (voir la figure 2). Utilisez les mousquetons pour suspendre le lit de carburant Couronne.
- En utilisant un ensemble différent de C-pinces, fixez chaque capteur de jauge de contrainte à la partie supérieure de l’armature de la soufflerie (voir Figure 2).
- Attach modifié C-pinces à l’extrémité libre des cellules jauge de contrainte, avec les mousquetons pendant vers le bas. Attachez les chaînes à la plate-forme pour le lit de carburant Couronne.
- Pour suspendre la plateforme de lit de carburant Couronne de l’armature de la soufflerie, relier chacune des chaînes de lit Couronne carburant à un mousqueton.
- Une fois que chacune des cellules de quatre charge sont complètement monté et raccordé sur le lit de carburant, brancher leurs fils jusqu’au pont de Wheatstone qui sera utilisé pour l’acquisition de données. Couvrir les pesons avec feu isolant, tels que le type utilisé pour les refuges incendie.
figure 2 : soufflerie Couronne carburant lit load cell instrumentation. (a) vue de face soufflerie (b) mise à jour le C-clamp avec mousqueton et Couronne carburant lit la chaîne qui prend en charge le lit de carburant de couronne. (c) charge cellule attaché à l’armature de la soufflerie à l’aide d’une pince en C. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
2. étalonnage de la cellule de charge
Remarque : le signal produit par les cellules de pesage est converti en une masse équivalente à travers :
où V est le signal, généralement en millivolts, A et B sont des constantes à déterminer par le biais de calibrage, et m représente la masse en grammes. Tous les paramètres dans l’équation (2) sont obtenues par le biais de l’interface de contrôle instrument personnalisé développé pour l’instrumentation de masse de couronne dans le présent protocole. Lorsque l’utilisation du système, le poids de précision sont utilisées pour étalonner le signal de cellule de charge. Constantes d’étalonnage A et B seront obtenus fondée sur le signal produit lors de la mesure de la charge de ces poids de précision. La constante A est calculée à partir :
m t étant un la masse des poids de précision du procès, un w est le signal produit par le poids chargé sur le peson, alors qu’un w, o correspond au signal produit lorsqu’aucun poids n’est appliqué sur le peson.
- Pour obtenir le calibrage constant A, poids de précision de crochet (une bonne gamme serait de 200 à 500 g) à la première cellule de charge. Utiliser la masse des poids précision comme paramètre m t dans l’équation (3).
- La valeur du gain de cellule de charge 128 en utilisant le champ de # entrée comme illustré à la Figure 3 b, i.1. Cela correspond à la valeur maximale autorisée par le dispositif.
- Lire le signal de sortie en sortie 0 depuis l’interface de l’instrument (voir Figure 3 b, i2). Il s’agit de paramètre un w dans l’équation (3).
- Décrocher le poids, puis lire la nouvelle valeur affichée dans l’interface de l’instrument ( Figure 3 b, i2). Il s’agit de paramètre un w, o.
- Calculer A basé sur les paramètres (m, t , un w, un o, o) obtenu en étapes 2.1 à 2.4 et les équations présentées.
- Dans l’interface de contrôleur, renseignez le Ch 0 M valeur pour chaque capteur avec la valeur A obtenu à l’étape précédente.
- Pour trouver la valeur de décalage, B, retirez tous les poids, lire la valeur dans la ' sorties calibré (g) ' boîte (voir la Figure 3C i2), multipliez cette valeur par -1. Le résultat est constante B, tapez ce numéro dans le " plus " Ch 0-A box (voir la Figure 3C, i.3).
- Répétez les étapes 2.3-2.8 pour chaque cellule de pesage (0, 1, 2, 3), le système est maintenant entièrement calibré ; procéder pour charger les lits de carburant avec les carburants de.
figure 3 : données d’interface Instrument contrôle entrée étapes pour peson étalonnage. (un) fenêtre de paramétrage initial de Bridge avec réglage de gain et activez la case (b), à la fenêtre pour la première phase de l’étalonnage de cellule de charge (c) fenêtre pour la deuxième phase de l’étalonnage de cellule de charge (d), à la fenêtre pour la fin phase d’étalonnage de cellule de charge, le fichier est enregistré ici et enregistrement de données a été démarré. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
3. préparation de Chaparral et Excelsior carburant lits
Remarque : chaque expérience utilise 2 kg de chamise direct et 0,5 kg d’excelsior (bois déchiqueté de tremble).
- De la pile de carburant recueilli pour la gravure, recueillir plusieurs pintes 1 bouteilles de carburant (3-4 bouteilles).
- Suivre les procédures délimités par Countryman et Dean d’échantillons secs four et obtenir le carburant l’humidité contenu 30.
- Couper les branches individuelles dans un groupe de chamise récemment récolté pour enlever la matière morte et matériel de branche plu de ¼ de pouce de diamètre. Placer le matériel direct carburant restant dans le récipient pour le pesage.
- Sélectionner 2 kg de la chamise Paré et 0,5 kg d’excelsior à l’aide d’une balance électronique. Placez 0,5 kg d’excelsior sur la plateforme de lit surface combustible sur le sol de soufflerie, veiller à ce que la masse volumique est aussi uniforme que possible. Cela en plaçant une quantité connue d’excelsior sur une profondeur de célèbre domaine.
- Pull apart (peluches) l’excelsior compacté pour diminuer sa masse volumique, donc il va brûler facilement. 2 kg de chamise taillée sur la plate-forme pendent les pesons pour créer le lit de carburant élevée de charge. Diffuser uniformément les branches chamise sur toute la plate-forme pour produire un lit uniforme carburant.
4. Arrangement de thermocouple
Remarque : thermocouples de Type K sont utilisés pour mesurer la température de deux lits de carburant. Les données sont collectées grâce à un système d’acquisition de données contrôlé avec un utilisateur graphique personnalisée de l’interface (voir le tableau des matériaux pour les logiciels de conception de contrôleur). Les thermocouples recommandés pour une utilisation sont 24 thermocouples AWG avec un temps de réponse de 0,9 s.
- Raccorder un tableau de seize ans 24 thermocouples AWG (diamètre du conducteur : mm 0,51054) à un enregistreur de données (temps de réponse : 0,9 s).
- Insérer 6 thermocouples dans la couche de combustible de couronne. Placez ces thermocouples de 20 cm de distance et éviter tout contact des thermocouples avec branches. Insérez 10 thermocouples dans la couche de surface combustible. Placez ces thermocouples de combustibles de surface 10 cm apart et éviter tout contact des thermocouples avec branches (voir Figure 4).
- Activer la journalisation de données en cliquant sur le " Start " bouton dans l’interface de logiciel de contrôle de thermocouple.
figure 4 : diagramme de surface et Couronne carburant lits avec tableau de thermocouple emplacement. Ici 6 thermocouples ont été insérés dans la couche de combustible de couronne 20 cm indépendamment de l’autre. 10 thermocouples ont été insérés dans la couche de surface combustible espacées de 10 cm. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
5. image Acquisition Setup
- Mont le visuel la cible de référence qui a des marques rouges à intervalles de 10 cm au-dessus de la fenêtre de la soufflerie. Utilisez cet objectif comme référence pour déterminer la hauteur de la flamme de l’expérience vidéo.
NOTE : Hauteurs de flamme d’échantillon sont présentés dans la Figure 5.
Collection de - de données photographiques. En se concentrant sur la zone de test de soufflerie, ajuster le focus de la caméra afin de bien saisir la cible de référence verticale complète ainsi que la zone de lit carburant.
- Collecte de données de caméra vidéo d’installation. Monter la caméra vidéo avec une caméra universel mural sur le mur pour fournir une vue complète de la section test de soufflerie.
figure 5 : photographie des hauteurs de flamme échantillon d’une expérience typique. La cible visuelle bleue avec marquage rouge sert de référence pour déterminer la hauteur de la flamme de la vidéo de l’expérience. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
6. flow Setup
Remarque : la soufflerie est équipée d’un ventilateur à vitesse variable. Le débit d’air en soufflerie a été précédemment calibré à la vitesse du ventilateur. Pour atteindre la vitesse du vent désirée, la vitesse de rotation ventilateur (en Hz) est sélectionnée. Dans ces expériences, on a étudié sans vent et cas de flux pour le vent 1 m/s.
- Régler la vitesse du ventilateur à 1 m/s sur le régulateur de vitesse. Allumez le ventilateur afin d’assurer qu’il fonctionne correctement.
- Désactiver le ventilateur. Il est maintenant prêt à l’emploi.
Remarque : Le bâtiment de burn est conçu pour mener des expériences de feu en toute sécurité tout en évacuant la fumée de l’espace de travail. Aviser les autorités locales incendie que les expériences sont menées pour éliminer l’occurrence de fausses alarmes. - Fermer toutes les portes dans le bâtiment pour s’assurer que les évents de toiture sont la seule sortie pour l’évacuation de la fumée.
- Allumez l’alimentation en air fans à apporter dans l’air frais provenant de l’extérieur du bâtiment au niveau du plancher. Allumez les ventilateurs pour évacuer la fumée à travers les évents de toiture.
Remarque : Vous établirez une faible vitesse, le débit d’air de volume élevé d’à l’extérieur de l’édifice qui s’élève verticalement en raison de la différence de pression légère et les ouvertures de toit. - Avant chaque expérience, utilisez un hygromètre thermomètre mouillé pour mesurer l’humidité relative et la température de l’air ambiant.
7. Allumage (mettre en œuvre simultanément à l’étape 8)
Remarque : le processus d’allumage devrait être effectué comme suit par le membre d’équipage d’allumage. Pour une sécurité accrue, il est recommandé qu’un deuxième membre d’équipage demeurent près de la zone de test lors de l’allumage.
- Quand vous êtes invité à ' feu ', tremper le bord d’attaque du lit excelsior surface combustible avec l’alcool éthylique dénaturé. Placez la bouteille d’alcool de la zone d’allumage et à l’aide d’une torche butane, enflammer l’extrémité du lit surface combustible dans une ligne parallèle au bord du lit de combustible. Soyez attentif car le carburant imbibé d’alcool s’enflammera facilement.
- Une fois le lit de carburant a été allumé, sortez de la section d’essai et fermer la porte de tunnel. Si le vent est requis pour l’expérience, allumez le ventilateur de soufflerie.
8. Lancer exécuter expérimental
Remarque : après vérification de l’expérience est correctement configuré, les caméras devraient être commencées.
- Allumez la caméra vidéo pour enregistrer.
- Parler à haute voix l’expérience numéro/code, la date et configuration expérimentale pour le microphone de la caméra vidéo enregistre ces informations.
- Demander à l’équipage de l’ordinateur pour commencer l’enregistrement de données en cochant le " activer la journalisation de données " option dans l’interface des instruments de contrôle (voir Figure 3d, i.1). Demander à la personne de contact pour enflammer le carburant. Une fois que le membre d’équipage d’allumage quitte la soufflerie, instruire le membre d’équipage de vent pour démarrer le ventilateur de soufflerie. Ce sera le début de l’expérience où le temps est zéro (t = 0).
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Representative Results
Couronne et flamme surface hauteur données ont été extraites les données vidéo. Tendances de hauteur de flamme typique pour des expériences est présenté à la Figure 6. Comportement de hauteur de flamme suivi celle de Sun et al. 14
Figure 6 : estimé à hauteur de la flamme Couronne. Ici U = 1 m/s, la Couronne, surface de séparation d = 70 cm. Cela correspond à une expérience représentative de la classe E. Hauteur de la flamme est obtenue par traitement d’images de la vidéo de l’expérience. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
L’évolution de la hauteur de la flamme à la Figure 6 a été choisie parce qu’il montre le comportement de hauteur de flamme typique pour expérimente le vent. Dans ces types d’expériences, les flammes commencent petits, deviennent grosses près au milieu du lit de combustible, puis décroîtra avec le temps que les flammes se rapproche de la fin du lit de combustible. L’expérience de la figure présentée est cas F (vent à 1m/s et la distance entre la Couronne et des combustibles de surface à 70 cm). Dans ce cas, le vent aide la flamme s’incliner. En raison de l’inclinaison de la flamme, transfert de chaleur radiatif de la flamme vers le lit de carburant est améliorée31. Que la flamme traverse le lit de carburant il va Préchauffer le carburant devant lui. Le milieu lit de carburant semble être une situation où un préchauffage suffisant a eu lieu sur une grande quantité de carburant pour créer une grande flamme. La côté du lit de combustible est également préchauffée, cependant, la quantité de carburant devient limitée de sorte que moins de gaz pyrolyse sont libérés qui aboutit à la hauteur de la flamme a diminué.
Taux de consommation de carburant ont été obtenus pour l’étendue entière de deux lits de carburant. L’évolution de la perte de masse pour des expériences sélectionnés est présentée à la Figure 7. Le paramètre sans dimension M est le rapport instantané de masse m et de la masse initiale m0. Temps sans dimension Τ est le rapport entre le temps expérimental t et le total burn temps tf, où autonomie totale est définie comme le moment où allumage enflammé a cessé. L’évolution de la perte de masse tout au long des expériences suivi le comportement attendu. Trois régions générales ont été identifiées dans les caractéristiques de la courbe de perte de masse : chaleur, flammes et fumant, voir la Figure 7. Il s’agissait d’une expérience de cas F (vent à 1 m/s, la distance entre la surface et la Couronne de 70 cm). La teneur en carburant était de 45 %, humidité relative était de 66 % et l’autonomie totale a été de 2,5 min. perte de masse globale et tendances de taux de perte de masse correspondaient à ceux présentés par Rothermel32 et Freeborn et al. 33
Figure 7 : tendances de consommation de carburant. Est représentée une expérience représentative de classe F, où U = 1 m/s et la Couronne, surface de séparation d = 70 cm. Combustion régions sont étiquetées de la placette (allumage, flamboyante et combustion lente). La tendance généralisée avec ces trois régions a été observée pour la plupart des expériences. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Pour illustrer les tendances de la perte de masse pour les couches de la surface et la Couronne obtenus à partir des expériences décrites par le biais de cette méthodologie, les résultats pour quatre expériences sont présentés dans la Figure 8 et Figure 9. Moyenne autonomie expérimentales catégories représentées par la Figure 8 étaient les suivantes : classe C et D en moyenne 4,5 minutes et classe E et F en moyenne 2,5 minutes. Comme on peut observer, vent amélioré le taux de perte de masse et le total temps de combustion.
Figure 8 : perte de masse de lit carburant pour des expériences représentatives de Surface. Les données sont présentées des expériences avec le vent de 1 m/s et sans vent, ainsi que les deux distances de surface-Couronne testés : d = 60, 70 cm. perte de masse ici sont tirées de l’échelle numérique utilisée pour le lit de la surface combustible. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 9 : perte de masse de lit carburant pour des expériences représentatives de la Couronne. Les données montrent des expériences avec le vent et sans vent, mais aussi les deux distances de surface-Couronne testés. Ici les données de la perte de masse sont obtenues à partir de l’instrumentation de cellule de charge utilisée pour le lit de carburant de couronne. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Les températures de phase ont été mesurés pour les deux lits de carburant à l’aide de seize thermocouples dans les lits de carburant. Thermocouples sont étiquetés T0-T15, la Figure 4 montre l’arrangement du thermocouple. Thermocouples T0-T09 ont été placés à l’intérieur du lit de la surface combustible, tandis que T10 - T15 ont été placés à l’intérieur du lit de combustible de couronne. Couronne carburant lit températures pour une expérimentation sélectionnée sont présentés à la Figure 10.
Figure 10 : températures de gaz combustible lit couronnent lit carburant. Arrangement de thermocouple est indiqué dans la Figure 4. Montré est une expérience de classe B sans lit de combustibles de surface et une vitesse de vent de 1 m/s. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 11 : lectures de température résultant d’une mauvaise mise des thermocouples. Arrangement de thermocouple est indiqué dans la Figure 4. Sont données pour couronne lit température du carburant lorsque les thermocouples ont été mal placées ainsi qu’il ressort par les températures anormalement basses. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Il est important de noter que si les thermocouples n’ont pas été insérées correctement dans le lit de carburant, la température sera inexacte. Par exemple, après avoir examiné les relevés de température dans l’expérience représentée par la Figure 11, il a été noté que les températures pour l’un des thermocouples de lit de carburant de couronne (T15) était au-dessous de la normale pour la gravure des conditions. Ces temperatures étaient plus proches des conditions ambiantes que pour les températures de phase de gaz de combustion chamise. Ainsi, il a été déduit que dans ce cas, thermocouple T15 restés en dehors du lit de combustible par le biais de l’expérience.
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Discussion
La capacité de mesurer la masse de carburant élevée tout au long de l’expérience a été l’un des principaux avantages de la technique présentée ici. Des études antérieures traitant feu chaparral ont mis l’accent sur chaque initiation de feu Couronne seule ou seulement sur la surface de se propager, mais pas les deux. Ces études ont quantifié la possibilité d’inflammation dans la couche de Couronne et ont quitté l’étude de la propagation pour les travaux futurs23. Notre méthodologie permet de mesurer de la perte de masse, distribution de la température et la géométrie de la flamme pour les deux couches impliquées dans la Couronne de l’arbuste feu allumage et la propagation. Il fournit un moyen de déduire indirectement les flux d’énergie du taux de perte de masse. D’autres études ont montré les avantages de mesurer directement le flux de chaleur dans le feu des expériences de propagation. Finney et al. , a présenté plusieurs exemples de mesures de flux de chaleur dans une traînée de poudre répartis expériences34. Grâce à ces travaux, ils ont réussi à présenter des observations importantes sur les rôles convectifs et transfert de chaleur radiatif jouent dans une traînée de poudre répartis. La méthodologie présentée ici autorisés pour les observations de la base de la dynamique de l’énergie dans une traînée de poudre dans le chaparral. Une prochaine étape bénéfique se traduira par une analyse plus approfondie des contributions particulières de transfert de chaleur radiative et convective. Pour les études futures, nous vous recommandons d’explorer la mesure directe des flux de chaleur.
Afin d’assurer précision dans les mesures il y a plusieurs étapes critiques. Le calibrage des cellules charge mesure la perte de masse de couronne est peut-être l’étape la plus critique et l’étape qui prend le plus de temps. C’est parce qu’à la fin de chaque journée de l’expérience, le lit de carburant Couronne doit être démonté, et léger mouvement dans la configuration peut causer des altérations dans les lectures de massives. Par conséquent, étalonnage doit se faire au début de chaque jour de l’expérience. Pour de futures expériences, une configuration plus permanente serait idéale. Dans cette configuration future, les pesons individuels seraient être apposées sur le montage expérimental.
En plus de l’étape de calibrage, une autre étape essentielle dans le protocole est la préparation des combustibles. L’ensemble du programme expérimental vise à développer une meilleure compréhension de la combustion en live carburants afin d’améliorer notre capacité à prédire le comportement du brûlage dirigé. Certain temps vivent des branches jusqu'à ½ po (1,27 cm) peut être consommé dans le front de flamme d’une haute intensité de brûlage de chaparral (voir vert35), carburants de diamètre plus grands ne sont généralement pas brûlés dans le front de flamme. Brûlures de laboratoire utilisant des carburants de chaparral ont mis l’accent sur l’utilisation de carburants qui seraient généralement consommés par le front de flamme d’un brûlage dirigé propagation (voir Cohen et Bradshaw36, Weise et al. 37). chaparral principales espèces incluent chamise (Adenostoma fasciculatum), tandis que d’autre chaparral combustibles comprennent manzanita (Arctostaphylos glandulosa) et ceanothus hoaryleaf (Ceanothus crassifolius). Ici la chamise était le carburant choisi parce qu’il est le plus inflammable de ces espèces. Le protocole peut être modifié afin d’inclure d’autres espèces aussi longtemps que la taille de la branche est maintenue en dessous de ¼ de pouce.
En général, quelle que soit l’espèce choisie comme carburant, branches doivent être coupés tel que tous les diamètres de branche sont < ¼ de pouce (0,63 cm) afin de maintenir l’uniformité. Pas cette étape ou exécuter incorrectement affecterait négativement la reproductibilité des résultats. Plus de tailler les branches peuvent également être désavantageux parce que les lits de carburant avec des tailles de direction très petits tendent à avoir une plus grande densité et par conséquent également graver différemment. Dans la procédure décrite ici, à la suite de Steffi38, la densité a été maintenue à une moyenne de 9,2 kg/m3.
Il est intéressant de noter que, en raison de l’ampleur de cette expérience, un équipage de 4 personnes est nécessaire pour assurer l’efficacité pendant l’expérience. Avoir une personne responsable de l’équipe avec le protocole visible du tout fois est important d’assurer toutes les étapes sont suivies correctement. Cette personne est responsable de la sécurité de l’équipage ainsi que la coordination de l’expérience. Il est important que cette personne et le reste de l’équipage attention à leur sécurité et celle de l’environnement, ce qui signifie avoir la visibilité d’extincteur, assurant les évents est sur et les portes sont fermées pendant l’expérience.
En outre, il serait avantageux pour synchroniser tous les instruments avec une touche de détente unique. Cela ferait traitement et analyse des données plus efficace. Enfin, une progression naturelle après que la technique ici est maîtrisée serait d’intégrer certaines des capacités restantes soufflerie comme le contrôle de la température qui a été montré dans d’autres études pour être un autre facteur important à considérer. Cela permettrait à un plus large éventail de contrôle des conditions ambiantes. Les résultats présentés ici sont des expériences menées au cours de la période estivale où les carburants sont généralement plus secs ; cette période correspond également à une partie de l’année où les feux de forêt. Si, toutefois, un grand nombre de saisons doivent être analysés au cours d’une période d’expérimentation, le contrôle de température de soufflerie peut être employé. De même, variation de teneur en eau carburant fournirait un aperçu sur l’influence de ce paramètre sur la transition de feu chaparral Couronne et de la propagation. En concevant une étude élargie pour inclure la teneur en carburant et de masse volumique comme paramètres contrôlés, analyse d’erreur tel que celui fourni par Mulvaney al aurait aide en concevant une méthodologie expérimentale uniformité39.
La technique décrite ici permet un examen du comportement du feu Couronne qui intègre des mesures de masse, température et la géométrie de la flamme pour les deux couches de combustible impliqué. Analyse résultant de cette méthodologie peut conduire à une augmentation comprendre chaparral feu comme un feu de cime spécialement dans les limites du comportement du feu Couronne indépendant, actif ou passif, tel que présenté par Van Wagner5, offrant ainsi des connaissances à aides dans la prédiction de feu et de contrôle.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Les auteurs tiennent à remercier Benjamin Sommerkorn, Gabriel Dupont, Jake Eggan et Chirawat Sanpakit qui ont aidé aux expériences présentées ici. Jeanette Iñiguez Cobian reconnaît la prise en charge par le numéro de licence d’occasion recherche institutionnelle (MIRO) de la NASA MUREP NNX15AP99A. Ce travail a également été financé par le Plan National de feu de USDA/USDI grâce à une entente entre l’USDA Forest Service, Station de recherche de PSW et l’Université de Californie - Riverside.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Wind Tunnel Instrumentation | |||
| cDAQ-9178 CompactDAQ Chassis | National Instruments | 781156-01 | |
| NI-9213 C Series Temperature Input Module | National Instruments | 785185-01 | |
| NI SignalExpress for Windows | National Instruments | 779037-35 | Newest version, older version used for experiment |
| High Temperature Nextel Insulated Thermocouple Elements | Omega | XC-24-K-18 | |
| Thermocouple Extension Wire with Polyvinyl Coated Wire and Tinned Copper Overbraid | Omega | EXPP-K-24S-TCB-P | |
| Ultra High Temperature Miniature Connectors | Omega | SHX-K-M | |
| CompuTrac MAX 2000XL | Arizona Instruments | MAX-2000XL | Discontinued, Newer Model Out |
| Kestrel 3000 Pocket Weather Meter | Nielsen-Kellerman | 0830 | |
| Satorius CPA 34001S | Sartorius | 25850314 | Discontinued Model |
| 5 Kg Micro Load Cell (X4) | Robotshop.com | RB-Phi-118 | Strain Gauge Load Cell |
| Phidget PhidgetBridge Wheatstone Bridge Sensor Interface | Robotshop.com | RB-Phi-107 | Interfaces with 4 load cells, performs signal amplification |
| #2 Stainless S-Biner (X4) | Home Depot | SB2-03-11 | Dual spring gate carabiners used to mount load cells |
| 2 in. Malleable Iron C-Clamp | Home Depot | # 4011 | Used to mount load cells |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Personal Protective Equipment | |||
| Wildland Firefighter Nomex Shirt | GSA Advantage | SH35-5648 | |
| Fireline 6 oz Wildland Fire Pants | GSA Advantage | 139702MR SEV16 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Fuels | |||
| Chamise | Collected in situ | N/A | |
| Natural Shredded Wood Excelsior – Natural Coarse 50 lbs bail | Paper Mart | 21-711-88 | |
| Bernzomatic UL100 Basic Propane Torch Kit | Home Depot | UL100KC | |
| Isopropyl alcohol | Convenience store | N/A | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Video and Photography | |||
| Nikon D3000 10.2-MP DSLR camera with DX-format sensor and 3x 18x55mm Zoon-NIKKOR VR Image Stabilization Lens | |||
| Sony Handycam Camcorder DCR-SX85 | Amazon.com | DCR-SX85 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Software | |||
| NI LabView | National Instruments | Student Version | Used for instrument control and interfacing |
| MATLAB Student Version (MATLAB_R2014a) | Mathworks | Student Version | Used for data post-processing including image processing |
References
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