Name: Windkanal-Experimente, Chaparral Krone Brände zu studieren (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-11-14T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 27 s
Description: Erfahren Sie, wie Windkanal-Experimente den Übergang von Bodenfeuern zur Kronenschicht in Chaparral-Ökosystemen untersuchen. Diese Methode misst Massenverlust und Temperatur, um das Verhalten von Kronenbränden besser zu verstehen.

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Die Autoren möchten bestätigen, Benjamin Sommerkorn, Gabriel Dupont, Jake Eggan und Chirawat Sanpakit, die mit den hier vorgestellten Experimenten unterstützt. Jeanette Cobian Iñiguez räumt Unterstützung durch NASA MUREP institutionelle Forschung Gelegenheit (MIRO) Grant-Nummer NNX15AP99A. Diese Arbeit wurde auch von der USDA/Abschlussbedingung National Fire Plan durch eine Vereinbarung zwischen USDA Forest Service, PSW-Forschungsstation und der University of California - Riverside finanziert.

Vorsicht: da mehrere Schritte in das folgende Protokoll Aktivitäten, die beteiligen zu Verletzungen führen können, sicherzustellen, dass die richtige persönliche Schutzausrüstung (PSA) nach den Standards der Sicherheitstechnik Protokolle einschließlich Brand verwendet wird widerstandsfähige Kleidung und Schutzbrillen.
 1. Krone Kraftstoff Bed Load Cell Instrumentierung Setup <ol><li>ändern 4 C-Klemmen durch das Anbringen von dual Frühjahr Gate Karabiner (siehe Tabelle der Materialien) durch das Pin-Loch an der Klemme ' s Schraubenende (siehe ( Abbildung 2). Der Karabiner zu verwenden, um die Krone-Brennstoff-Bett unterbrechen.</li>
	<li>Mit einem anderen Satz von C-Klemmen, kleben Sie jedes DMS Wägezelle, der obere Teil des Rahmens Windkanal (siehe Abbildung 2).</li>
	<li>Modifiziert Anhängen C-Klammern an das freie Ende der DMS-Zellen mit den Karabinern herabhängen. Die Plattform für die Krone-Brennstoff-Bett Ketten beimessen.</li>
	<li>Um die Krone Kraftstoff Bett Plattform aus dem Windkanal-Rahmen zu unterbrechen, verbinden Sie jede der Krone Kraftstoff Bett Ketten mit Karabiner.</li>
	<li>Nach jeder der vier Wägezellen sind fertig montiert und angeschlossen, die Brennstoff-Bett verbinden ihre Drähte mit der Wheatstone-Brücke, die für die Datenerfassung verwendet werden. Decken Sie die Wägezellen mit Feuer Dämmstoffe, z. B. für Feuer Unterstände verwendeten Art.</li>
</ol> <img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56591/56591fig2.jpg"> Abbildung 2: Windkanal Krone Kraftstoff Bett Last Zelle Instrumentierung. (ein) Windkanal-Vorderansicht (b) modifizierte C-Clamp mit Karabiner und Krone Bett Brennstoffkette die Krone-Brennstoff-Bett unterstützt. (c) Last Zell am Windkanal-Rahmen mit einer C-Klammer befestigt. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56591/56591fig2large.jpg" target="_blank"> Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
 2. Laden Zelle Kalibrierung Hinweis: das Signal von den Wägezellen produziert wird in eine äquivalente Masse durch umgewandelt: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56591/56591eq2.jpg"> 
wo V ist das Signal, in der Regel in Millivolt, A und B sind konstanten durch Kalibrierung bestimmt werden, und m ist die Masse in Gramm. Alle Parameter in Gleichung (2) ergeben sich durch die custom-Instrument-Bedienoberfläche für die Krone Masse Instrumentierung in diesem Protokoll entwickelt. Als erste mit dem System, Präzision Gewichte werden verwendet, um Zelle Lastsignal zu kalibrieren. Kalibrierkonstanten-A und B erhalten werden basierend auf das Signal erzeugt, wenn die Last der diese Präzision Gewichte messen. Die Konstante A errechnet sich aus: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56591/56591eq3.jpg"> wo m t ist eine der Masse der Probe Justiergewicht, ein w ist das Signal produziert mit der Gewicht auf die Wägezelle geladen, während ein w, o das Signal entspricht erzeugt, wenn kein Gewicht auf die Wägezelle angewendet wird.
<ol><li>Die Kalibrierung Konstante A, Haken Präzision Gewichte (eine gute Auswahl wäre 200-500 g), die erste Wägezelle erhalten. Verwenden Sie die Masse der Präzision Gewichte als Parameter m t in Gleichung (3).</li>
	<li>Stellen Sie Last Zelle Gain bis 128 # Eingabefeld verwenden, wie in Abbildung 3 b, i. 1. Dies entspricht der zulässige Höchstwert von dem Gerät.</li>
	<li>Lesen den Signalausgang am Ausgang 0 aus dem Instrument-Interface (siehe Abb. 3 b, i2). Dies ist Parameter ein w in Gleichung (3).</li>
	<li>Das Gewicht aushängen und lesen Sie den neuen Wert in das Instrument Interface ( Abb. 3 b, i2) angezeigt. Dies ist Parameter ein w, o.</li>
	<li>Calculate A basierend auf den Parametern (m t , w, ein w, o) erhalten Sie in Schritte 2.1 bis 2.4 und die Gleichungen vorgestellt.</li>
	<li>In der Controller-Schnittstelle zu füllen, in die Ch 0-M-Wert für jeden Sensor mit den A-Wert in der vorherigen Schritt erhalten.</li>
	<li>Zu finden, den Offset-Wert, B, entfernen Sie alle Gewichte, lesen Sie den Wert in der ' Ausgänge kalibriert (g) ' (siehe Abbildung 3 c i2), multiplizieren Sie diesen Wert mit -1. Die sich daraus ergebende Zahl ist konstante B, geben Sie diese Nummer in der " Zusatz " Ch-0-A-Box (siehe Abbildung 3 c, i. 3).</li>
	<li>Wiederholen Sie die Schritte 2,3-2,8 für jede Wägezelle (0, 1, 2, 3), das System ist nun vollständig kalibriert; fortfahren, die Kraftstoff-Betten mit den Kraftstoffen laden.</li>
</ol> <img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56591/56591fig3.jpg"> Abbildung 3: Schnittstelle Steuerungsdaten Instrument Eingang Schritte für die Wägezelle Kalibrierung. (ein) Bridge-Ersteinrichtung-Fensters mit gewinnen Setup und aktivieren Kontrollkästchen "" (b) Fenster für die erste Stufe der Last Zelle Kalibrierung (c) Fenster für die zweite Stufe der Last Zelle Kalibrierung (d) Fenster zum Schluss Bühne der Last Zelle Kalibrierung Datei wird hier gespeichert und Datenprotokollierung gestartet wurde. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56591/56591fig3large.jpg" target="_blank"> Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
 3. Vorbereitung der Chaparral und Excelsior Kraftstoff Betten Hinweis: jedes Experiment verwendet 2 kg live Chamise und 0,5 kg des Excelsior (geschreddert Espenholz).
<ol><li>Aus dem Haufen von Kraftstoff für das Brennen von gesammelten sammeln mehrere 1-Pint-Flaschen von Kraftstoff (3-4 Flaschen).
	<ol><li>Folgen Sie den Anweisungen, abgegrenzt durch Landsmann und Dean Ofen trocken Proben und Brennstoff Feuchtigkeit Inhalt 30 erhalten.</li>
	</ol></li> <li>Schneiden Sie einzelne Äste aus einem Bündel von kürzlich geernteten Chamise, totes Material und Zweig Material mehr als ¼ Zoll Durchmesser zu entfernen. Legen Sie die restlichen live Brennmaterial in den Behälter zum Wiegen von.</li>
	<li>Wählen Sie aus 2 kg getrimmten Chamise und 0,5 kg des Excelsior mit einer elektronischen Waage. Stellen Sie 0,5 kg des Excelsior auf die Oberfläche Kraftstoff Bett Plattform Erdgeschoss Windkanal, um sicherzustellen, dass die Schüttdichte möglichst einheitlich ist. Dies, indem eine bekannte Menge von Excelsior über eine bekannte Gebiet Tiefe tun.</li>
	<li>Auseinander (Fluff) ziehen die verdichtete Excelsior um seine Schüttdichte zu verringern, so dass es leicht verbrennen wird. 2 kg getrimmten Chamise auf der Plattform von Wägezellen erstelle ich die erhöhten Brennstoff-Bett hängen zu laden. Gleichmäßig verteilt die Chamise Zweige über die gesamte Plattform zu einem gleichmäßigen Brennstoff-Bett.</li>
</ol> 4. Thermoelement-Anordnung Hinweis: Typ K Thermoelemente werden zur Temperaturmessung von beiden Kraftstoff-Betten. Daten werden durch ein Datenerfassungssystem gesteuert mit eine benutzerdefinierte grafische Benutzeroberfläche (siehe Tabelle der Materialien für Controller-Design-Software). Die Thermoelemente empfohlen für den Einsatz sind 24 AWG-Thermoelemente mit einer Reaktionszeit von 0,9 s.
<ol><li>Schließen Sie ein Array von sechzehn 24 AWG-Thermoelemente (Leiterdurchmesser: 0,51054 mm), einen Datenlogger (Reaktionszeit: 0,9 s).</li>
	<li>Legen Sie 6 Thermoelemente in die Krone-Kraftstoff-Schicht. Legen Sie diese Thermoelemente 20 cm auseinander und vermeiden Sie den Kontakt der Thermoelemente mit Zweigen. 10 Thermoelemente in die Ebene Oberfläche Kraftstoff einsetzen. Stellen Sie diese Oberfläche Kraftstoff Thermoelemente 10 cm auseinander und vermeiden Sie den Kontakt der Thermoelemente mit Zweigen (siehe Abbildung 4).</li>
	<li>Datenerfassung durch Anklicken aktivieren die " Start " Taste in der Steuerschnittstelle Software Thermoelement.</li>
</ol> <img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56591/56591fig4.jpg"> Abbildung 4: Darstellung der Oberfläche und Krone Kraftstoff Betten mit Thermoelement Array Lage. Hier wurden 6 Thermoelemente in die Krone Kraftstoff Schicht 20 cm voneinander eingefügt. 10 Thermoelemente wurden in die Oberfläche Kraftstoff-Schicht 10 cm Abstand eingefügt. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56591/56591fig4large.jpg" target="_blank"> Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
 5. Erwerb Bildeinstellung <ol><li>Mount die visuelle Referenz Ziel, die rote Markierungen in 10-cm-Abständen über dem Windkanal-Fenster hat. Verwenden Sie dieses Ziel als Referenz Flammenhöhe aus dem Experiment Video bestimmen. 
	Hinweis: Probe Flamme Höhen sind in Abbildung 5 dargestellt.</li>
	<li>Einrichtungsdaten fotografische Sammlung. Mit Schwerpunkt auf dem Windkanal-Test-Bereich, stellen Sie den Kamerafokus um die gesamte vertikale Referenz Ziel sowie Kraftstoff Bettbereich erfassen.</li>
	<li>Setup-Videokamera-Datenerfassung. Befestigen die Videokamera mit einer universellen Kamera Wandhalterung an der Wand bieten einen vollständigen Überblick über die Windkanal-Messstrecke.</li>
</ol> <img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56591/56591fig5.jpg"> Abbildung 5: Foto von Probe Flamme Höhen von ein typisches Experiment. Das blaue visuelle Ziel mit roter Markierung dient als ein Verweis auf die Höhe der Flamme aus dem Experiment Video zu bestimmen. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56591/56591fig5large.jpg" target="_blank"> Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
 6. flow Setup Hinweis: der Windkanal ist mit einem Lüfter mit variabler Geschwindigkeit ausgestattet. Der Luftstrom im Windkanal wurde zuvor auf die Geschwindigkeit des Ventilators kalibriert. Um die gewünschte Windgeschwindigkeit zu erreichen, wird die Drehzahl der Lüfter (in Hz) ausgewählt. Bei den vorliegenden versuchen, kein Wind und 1 m/s Wind-Fluss-Fälle wurden studiert.
<ol><li>Satz die Lüfterdrehzahl auf 1 m/s auf dem Fahrtregler. Schalten Sie den Ventilator um sicherzustellen, dass es ordnungsgemäß funktioniert.</li>
	<li>Ausschalten des Ventilators. Es ist jetzt einsatzbereit. 
	Hinweis: Das Brennen Gebäude soll Feuer Experimente sicher während der Evakuierung von Rauch aus dem Arbeitsraum. Örtliche Feuerwehr Regierung mitzuteilen, dass Experimente durchgeführt werden, um das Auftreten von Fehlalarmen zu beseitigen.</li>
	<li>Schließen Sie alle Türen im Gebäude zu gewährleisten, dass die Dachfenster die einzig mögliche Ausfahrt nach Rauch Evakuierung sind.</li>
	<li>Schalten Sie die Luftzufuhr Fans bringen frische Luft von außerhalb des Gebäudes auf Bodenhöhe. Schalten Sie die Abluftventilatoren, Rauch durch das Dachfenster zu evakuieren. 
	Hinweis: Dadurch wird eine niedrige Geschwindigkeit, hohe Luft Volumenstrom von außerhalb des Gebäudes, die vertikal durch die geringe Druckdifferenz steigt und die Dachöffnungen hergestellt.</li>
	<li>Vor jedem Experiment verwenden ein naß-Zwiebel-Hygrometer zur Messung der relativen Feuchte und Temperatur der Umgebungsluft.</li>
</ol> 7. Zündung (implementieren gleichzeitig mit Schritt 8) Hinweis: der Zündvorgang durchgeführt werden wie folgt von der Zündung-Crew-Mitglied. Für erhöhte Sicherheit, es wird empfohlen, ein zweite Crew-Mitglied in der Nähe der Test während der Zündung bleiben.
<ol><li>, Wenn Sie dazu aufgefordert, ' entzünden ', die Vorderkante des Excelsior-Oberfläche Brennstoff-Bett mit denaturiertem Spiritus einweichen. Stellen Sie die Flasche Alkohol von der Zündung-Zone entfernt und mit einer Butan Fackel, zünden Sie das Fußende des Bettes Oberfläche Kraftstoff in eine Linie parallel zur Vorderkante des Brennstoff-Bett. Seien Sie aufmerksam, da der Alkohol getränkten Kraftstoff leicht entzünden wird.</li>
	<li>Sobald die Brennstoff-Bett gezündet hat, treten Sie aus der Messstrecke und die Tunnel Tür schließen. Wenn Wind für das Experiment benötigt wird, schalten Sie den Windkanal Lüfter.</li>
</ol> 8. Initiieren, führen Sie experimentelle Hinweis: bei der Überprüfung des Experiments ist richtig Setup, die Kameras gestartet werden soll.
<ol><li>Schalten Sie die Videokamera aufzeichnen.</li>
	<li>Sprechen laut den Testcode/Nummer, Datum und experimentellen Konfiguration, so dass das Mikrofon auf der Video-Kamera diese Informationen speichert.</li>
	<li>Anweisen, die Computer-Crew Datenerfassung durch ticken beginnen die " Datenprotokollierung aktivieren " Option in der Steuerschnittstelle Instrument (siehe Abbildung 3d, i. 1). Weisen Sie die Zündung Person, den Kraftstoff anzuzünden. Sobald die Zündung-Crew-Mitglied den Windkanal beendet, weisen Sie an, die Wind-Crew-Mitglied den Windkanal Lüfter starten. Dies wird der Beginn des Experiments wo Zeit gleich Null ist sein (t = 0).</li>
</ol>

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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Die Fähigkeit, die erhöhten Kraftstoffmasse während des Experiments zu messen war einer der wichtigsten Vorteile der hier vorgestellten Technik. Frühere Studien zu Chaparral Feuer konzentrierten sich auf entweder nur Krone Feuer Einleitung oder nur auf der Oberfläche verteilt, aber nicht beides. Solche Studien haben die Möglichkeit der Zündung in der Krone-Schicht quantifiziert und Studie der Ausbreitung für die künftige Arbeit23verlassen haben. Unsere Methodik ermöglicht eine Messung der Massever...

Im Jahr 2016 erlebt der US-Bundesstaat Kalifornien insgesamt 6.986 Waldbrände, verbrauchen 564.835 ha1, kostet Millionen von Dollar an Schaden, und das Wohlbefinden von Hunderten von Menschen zu riskieren. Wegen des regionalen mediterranen Klimas eine wichtige Energiequelle für diese Brände sind Chaparral Vegetation Gemeinden2. Feuer im Chaparral verbreiten kann einem Vollfeuer betrachtet werden, da als Brennstoff, der brennt erhöhten3ist. Mit dem überwiegend live Krone-Layer nebeneinander existieren, ist der tot Oberfläche Kraftstoff-Schicht, die besteht aus Guss Laub, Zweige und krautige Pflanzen, die unter und zwischen den einzelnen Sträuchern wachsen. Feuer wird in der tot Oberfläche Kraftstoff-Schicht leichter einleiten. Sobald das Bodenfeuer entzündet, kann das Feuer auf die Krone Ebene Übergang wo die Energie, die durch das Feuer drastisch erhöht. Während Chaparral Brände in der Regel als ein Feuer breitet sich in tief Oberfläche Brennstoffe4nachempfunden wurde, wurde als Kronenfeuer begrenzt Studie Chaparral Brände.

Krone-Eigenschaften im Chaparral, einschließlich Laub Kornform, unterscheiden sich von borealen Nadelwald, wo die meisten der Forschung stattgefunden hat. Zahlreichen Labor- und Studien haben verschiedene Aspekte von Wildfire Dynamik6,5,7,3,8,9,10 untersucht. ,11,12. Innerhalb des Reichs von Laborexperimenten mehrere Studien untersuchten den Einfluss von Parametern wie Wind und Brennstoffeigenschaften Chaparral Krone Brandverhalten. Lozano7 untersuchten Merkmale der Krone Feuer Einweihung im Beisein von zwei diskreten Krone Kraftstoff Betten. In Tachajapong Et al. 3, diskrete Oberfläche und Krone Schichten wurden in einem Windkanal verbrannt und das Bodenfeuer zeichnete. Nur Krone Feuer Einleitung wurde vollständig beschrieben vollständige Analyse der Ausbreitung für die künftige Arbeit zu verlassen. Li Et al. 11 berichtete über die Ausbreitung von Flammen aber einzelne Chaparral Sträuchern. In verwandte Arbeiten, Cruz Et al. 10 , 9 entwickelt ein Modell, um die Zündung der Nadelbäume Laub über einen sich ausbreitenden Bodenfeuer vorherzusagen. Brennen Eigenschaften Chaparral Brennstoffe in experimentellen Studien Bulk Brennstoffe erkundet worden und einzelne Blätter13,14,15,16. Dupuy Et al. 13 untersucht die brennenden Eigenschaften von Pinus Pinaster Nadeln und Excelsior durch Verbrennung von Brennstoffen in zylindrischen Körben. Sie beobachtet, dass in dieser Kraftstoffe, Flammenhöhe Hitze Freisetzungsrate über eine zwei-Fünftel Potenzgesetz bezog sich auf wie bisher in der Literatur17,18berichtet wurde. Sun Et al. 14 Chaparral Brennstoffe in ähnlichen zylindrischen Körben zu analysieren, die brennenden Eigenschaften der drei Chaparral Brennstoffe verbrannt: Chamise (Adenostoma Fasciculatum), Ceanothus (Ceanothus Crassifolius) und Manzanita ( Arctostaphylos Glandulosa).
Motiviert durch Ergebnisse aus den oben genannten Laboruntersuchungen, ist unser Ziel hier, eine Methode zur Verbreitung in Oberfläche und Strauch Krone Schichten charakterisieren zu präsentieren. Darüber hinaus wollen wir einige der wichtigsten Merkmale zu klären, die den Grad der Oberfläche-Krone Schicht Interaktion zu diktieren. Zu diesem Zweck entwickelten wir eine Versuchslabor Methode zur Untersuchung des vertikalen Übergangs in eine Wildland Oberfläche Öl ein Feuer breitet sich in einer erhöhten Strauch Kraftstoff brennt ein Feuer. In diesen Arten von Bränden kann nachhaltige Verbreitung unter den richtigen Bedingungen Übersetzung des Feuers auf die Strauch-Krone, bekannt als Krönung, gefolgt sein. Im Allgemeinen ist Chaparral Brandverhalten von Topographie, Wetter und Kraftstoff19diktiert. Es hat sich gezeigt, dass Wind Energiefreisetzungsrate in den Brennstoffen5,3,8,20beeinflusst.
Feuer in porösen Brennstoffe zu verbreiten kann angezeigt werden, als eine Reihe von Übergängen oder Schwellenwerte, die überquert werden müssen, um erfolgreich21zu sein. Energetisch, zündet ein Kraftstoff-Teilchen ergibt die Menge von Hitze, die es empfängt in einem Gemisch von Gasen, die erfolgreich mit Sauerstoff reagieren. Die resultierende Flamme breitet sich, wenn die Wärme aus dem brennenden Teilchen ein Teilchen neben Kraftstoff entzündet. Das Feuer breitet sich über den Boden, wenn es Lücken zwischen brennbaren Brennelemente zu überwinden vermag. Wenn die Flamme ein Bodenfeuer vertikal in die Krone von Sträuchern und Bäumen ausbreiten kann, ist eine wesentliche Änderung im Brandverhalten, einschließlich erhöhte Hitze Freisetzungsraten, oft durch eine höhere Verfügbarkeit des Brennstoffes beobachtet. Thermische Energie Dynamik in Waldbrände umfassen mehrere Skalen, von der sehr großen Skala, solche Mega-Brände erfordern oft klimatologischen Modellierung der kleinen Robbe erfordern chemische Skala kinetische Modellierung. Hier beschäftigen wir uns mit Labor Windkanal Skala Verhalten modellieren; für chemische Zellulose Verbrennung Studien wird der Leser Werke wie Sullivan Et Al. bezeichnet. 22
Seit 2001 führten wir eine Vielzahl von Experimenten untersucht einige der Labor Maßstab Energie Schwellenwerte23,8,24,25,26, 27, mit einem Schwerpunkt auf live Brennstoffe Chaparral zugeordnet. Während im freien Messungen des Feuers mehr realistische Ergebnisse liefern können, die kontrollierte Umgebung des Windkanals ermöglichen Abgrenzung der Auswirkungen der verschiedenen Parameter. Steuerung von Wind, ist zum Beispiel besonders wichtig für Chaparral Krone Brände, die in Regionen wie Südkalifornien, wo Art Föhnwinde, bekannt als Santa-Ana-Winde, typische Fahrer Feuer Ereignisse sind. Denn eine große Motivation für die hier beschriebene Methode ist es, die Wirkung des Windes zu untersuchen und anderen kontrollierten Parameter Chaparral verbreitet Feuer, wurde diese Studie in einem Labor-Maßstab-Windkanal durchgeführt. Der Leser richtet sich an die Arbeit von Silvani Et al. 28 für Feldmessungen der Temperatur im Chaparral Feuer ähnlich denen, die hier vorgestellt. Feldmessungen über die Wirkung des Windes auf Feuer verteilt finden Sie unter Morandi Et al. 29
Mehrere Parameter beeinflussen die Ausbreitung in Chaparral Brennstoffe wurden experimentell analysiert durch Quantifizierung der Wahrscheinlichkeitdes Feuers verbreiten Erfolg in erhöhter Kraftstoff Betten8. Die aktuelle experimentelle Studie beinhaltet eine Methodik entwickelt, Chaparral Vollfeuer studieren durch Modellierung Oberfläche Brennstoffe und Krone Brennstoffe innerhalb der Messstrecke von langsamem Windkanal verbreitet. Die Oberfläche Kraftstoff wird mit Excelsior (getrocknete zerkleinerte Holz) modelliert. Die Oberfläche Brennstoff-Bett befindet sich im Erdgeschoss des Windkanals auf einer Standardskala (siehe Abbildung 1). Stellvertretend für die Krone-Brennstoff-Bett, ein Brennstoff-Bett mit Chamise über der Oberfläche Brennstoff-Bett durch die Aussetzung des Kraftstoffs von einer Plattform auf dem Windkanal-Rahmen montiert platziert wurde (siehe Abbildung 1). Beide Kraftstoff-Betten sind für Temperatur und Masseverlust Messungen instrumentiert; Flammengeometrie wird aus Videoaufnahmen von Experimenten gewonnen. Gemessene Parameter umfassen Masse Verlustrate, Kraftstoff Feuchtigkeitsgehalt und die Relative Feuchte der Luft. Parametern gesteuert waren Wind Präsenz, Abstand zwischen Oberfläche Brennstoff-Bett und Krone-Brennstoff-Bett, und das Vorhandensein von Oberfläche Kraftstoff. Die gemessene Massenverlust Rate lässt sich die Hitze Freisetzungsrate berechnen definiert als: 
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56591/56591eq1.jpg"> wo h ist die Hitze der Verbrennung, m ist die Kraftstoffmasse und t ist Zeit.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56591/56591fig1.jpg"> 
Abbildung 1: Versuchsaufbau Windkanal. Standorte der Krone-Brennstoff-Bett, die Oberfläche Brennstoff-Bett und der Tunnel-Lüfter haben für Bequemlichkeit beschriftet worden. Die Oberfläche Brennstoff-Bett befindet sich im Erdgeschoss des Windkanals auf einer Standardskala. Stellvertretend für die Krone-Brennstoff-Bett, war ein Brennstoff-Bett mit Chamise über der Oberfläche Brennstoff-Bett gelegt, durch die Aussetzung des Kraftstoffs von einer Plattform auf dem Windkanal-Rahmen montiert. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56591/56591fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Experimente konzentrierten sich auf das Verständnis des Verhaltens von Chaparral Krone Bränden, insbesondere Zündung, Mechanismen der Flammenausbreitung und Ausbreitung, Flamme vorne Geschwindigkeiten und Kraftstoffverbrauch. Um die Interaktion zwischen einer Oberfläche und einer Krone Feuer zu studieren, haben sechs Konfigurationen von Oberfläche und Krone Kraftstoff-Betten mit und ohne angewandte Windströmung, im Windkanal verbrannt worden: Krone Kraftstoff nur mit und ohne Wind (2), Krone und Kraftstoff Betten getrennt von der Oberfläche zwei Strecken mit und ohne Wind (4). Tabelle 1 fasst die experimentellen Konfigurationen mit den 6 experimentellen Klassen. In der Tabelle kennzeichnet die Oberfläche Kraftstoff Bett Parameter ob Oberfläche Kraftstoff anwesend während des Versuchs war, die Wind-Parameter bezieht sich auf das Vorhandensein von Wind und Krone Höhe den Abstand zwischen der Unterseite des Krone-Brennstoff-Bett und dem unteren Rand der Oberfläche bezeichnet Brennstoff-Bett. Brennstoff Feuchtigkeit für jedes Experiment gemessen wurde, aber nicht gesteuert, durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch Feuchtigkeitsgehalt betrug 48 %, während die minimale und maximale Werte waren 18 % bis 68 %, beziehungsweise.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Klasse</td>
			<td>Oberfläche Flammenbett</td>
			<td>Wind</td>
			<td>Höhe der Krone</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A</td>
			<td>Nicht vorhanden</td>
			<td>Kein wind</td>
			<td>60 oder 70 cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>B</td>
			<td>Nicht vorhanden</td>
			<td>1 ms-1</td>
			<td>60 oder 70 cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C</td>
			<td>Gegenwart</td>
			<td>Kein wind</td>
			<td>60 cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D</td>
			<td>Gegenwart</td>
			<td>Kein wind</td>
			<td>70 cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>E</td>
			<td>Gegenwart</td>
			<td>1 ms-1</td>
			<td>60 cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>F</td>
			<td>Gegenwart</td>
			<td>1 ms-1</td>
			<td>70 cm</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabelle 1: Konfigurationen experimentieren. Hier gibt der Oberfläche Kraftstoff Bett Parameter an, ob Oberfläche Kraftstoff anwesend während des Versuchs war, die Wind-Parameter bezieht sich auf das Vorhandensein von Wind und Krone Höhe den Abstand zwischen der Unterseite des Krone-Brennstoff-Bett und dem unteren Rand der Oberfläche Brennstoff-Bett bezeichnet.
Eine elektronische Waage gemessen Oberfläche Kraftstoff Masse und wir entwickelten ein benutzerdefinierte Masseverlust System für die Krone-Schicht. Das System bestand aus einzelnen Wägezellen an jeder Ecke des Bettes abgehängte Kraftstoff angeschlossen. Handelsübliche Videokameras aufgezeichnet die visuelle Flammen; Bildverarbeitung der visuellen Daten mithilfe eines benutzerdefinierten Skripts generiert Flamme Eigenschaften wie Höhe und Winkel. Eine Programm wurde entwickelt, um video-Frames von RGB (rot/grün/blau) in schwarz und weiß durch einen Prozess der Lichtintensität Schnittstellenüberwachung Codierung umwandeln. Der Rand der Flamme aus der schwarzen und weißen Videoframes ermittelt. Maximale Flammenhöhe wurde definiert als der höchste Punkt der Flamme Kante, momentane Flamme Höhen wurden auch erhalten. In einem Bild wurde Flammenhöhe von der Basis des Brennstoff-Bett auf die maximale vertikale Punkt der Flamme gemessen. Alle Verarbeitung-Codes sowie die Instrument Control Interface für dieses Protokoll haben die Autoren hier durch ihre Software-Access-Website zur Verfügung. Ernte des live Kraftstoffs vor Ort und Durchführung der experimentellen verbrennt innerhalb von 24 h minimiert Feuchtigkeitsverlust. Ein Thermoelement-Array Bett Kraftstofftemperatur in Windrichtung stream-wise ermöglicht die Berechnung der Streumenge aufgezeichnet. Abbildung 1 zeigt ein Diagramm der Kraftstoff Bett Einrichtung sowie das Thermoelement-Arrangement. Details des experimentellen Protokolls folgen.

<table><tbody><tr><td>Windkanal-Instrumentierung</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>cDAQ-9178 CompactDAQ-Chassis</td><td>National Instruments</td><td>781156-01</td><td></td></tr><tr><td>NI-9213 Temperatureingangsmodul der C-Serie</td><td>National Instruments</td><td>785185-01</td><td></td></tr><tr><td>NI SignalExpress für Windows</td><td>National Instruments</td><td>779037-35</td><td>Neueste Version, ältere Version wird für das Experiment verwendet</td></tr><tr><td>Hochtemperatur-Nextel-isolierte Thermoelementelemente</td><td>Omega</td><td>XC-24-K-18</td><td></td></tr><tr><td>Thermoelement-Verlängerungsdraht mit polyvinylbeschichtetem Draht und verzinntem Kupfergeflecht</td><td>Omega</td><td>EXPP-K-24S-TCB-P</td><td></td></tr><tr><td>Ultrahochtemperatur-Miniatursteckverbinder</td><td>Omega</td><td>SHX-K-M</td><td></td></tr><tr><td>CompuTrac MAX 2000XL&nbsp;</td><td>Arizona Instruments</td><td>MAX-2000XL</td><td>Eingestelltes, neueres Modell Out</td></tr><tr><td>Kestrel 3000 Taschen-Wettermesser</td><td>Nielsen-Kellerman</td><td>0830</td><td></td></tr><tr><td>Satorius CPA 34001S&nbsp;</td><td>Sartorius</td><td>25850314</td><td>Auslaufmodell</td></tr><tr><td>5 kg Mikro-Wägezelle (X4)</td><td>Robotshop.com</td><td>RB-Phi-118</td><td>Dehnungsmessstreifen-Wägezelle</td></tr><tr><td>Phidget PhidgetBridge Wheatstone Bridge Sensor Interface</td><td>Robotshop.com</td><td>RB-Phi-107</td><td>Schnittstellen mit 4 Wägezellen, führt Signalverstärkung durch</td></tr><tr><td>#2 Edelstahl S-Biner (X4)</td><td>Home Depot</td><td>SB2-03-11</td><td>Karabiner mit doppeltem Federverschluss Montieren Sie Wägezellen</td></tr><tr><td>2 Zoll. Temperguss C-Clamp</td><td>Home Depot</td> <td># 4011</td><td>Wird zur Montage von Wägezellen</td></tr> verwendet<tr><td>Name</td><td>Company<</td><td>strong>Katalognummer</td><td>Kommentare<</td></tr><tr><td>strong>Persönliche Schutzausrüstung</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Wildland Firefighter Nomex Shirt</td><td>GSA Vorteil</td><td>SH35-5648</td><td></td></tr><tr><td>Fireline 6 oz Wildland Fire Pants</td><td>GSA Advantage</td><td>139702MR SEV16</td><td></td></tr><tr><td>Name</td><td>Company</td><td>Katalognummer</td><td>Kommentare</td></tr><tr><td>Kraftstoffe</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Chamise</td> Vor <td>Ort gesammelt</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Naturzerkleinertes Holz Excelsior &ndash; Natural Coarse 50 lbs Bail</td><td>Paper Mart</td><td>21-711-88</td><td></td></tr><tr><td>Bernzomatic UL100 Basic Propans Torch Kit</td><td>Home Depot</td><td>UL100KC</td><td></td></tr><tr><td>Isopropylalkohol</td><td>Convenience Store</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Name</td><td>Company</td><td>Katalognummer</td><td>Kommentare</td></tr><tr><td>Video und Fotografie</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Nikon D3000 10,2-MP DSLR-Kamera mit DX-Format-Sensor und 3x 18x55mm Zoon-NIKKOR VR-Bildstabilisierungsobjektiv</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sony Handycam Camcorder DCR-SX85</td><td>Amazon.com</td><td>DCR-SX85</td><td></td></tr><tr><td>Name</td><td>Company</td><td>Katalognummer</td><td>Comments</td></tr><tr><td>Software</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>NI LabView</td><td>National Instruments</td><td>Studentenversion Wird</td><td>für die Gerätesteuerung und -anbindung</td></tr><tr><td>verwendet MATLAB Studentenversion (MATLAB_R2014a)</td><td>Mathworks</td><td>Studentenversion&nbsp;</td><td>Wird für die Datennachbearbeitung einschließlich Bildverarbeitung verwendet</td></tr></tbody></table>

windkanal-experimente, chaparral krone brände zu studieren

Wind Tunnel Experiments to Study Chaparral Crown Fires

Dieses Protokoll stellt eine Labortechnik entwickelt, um Chaparral Krone Feuer Zündung und Verbreitung zu studieren. Im Windkanal niedriger Geschwindigkeit Feuer wurden Experimente durchgeführt, wo zwei unterschiedliche Schichten des Kraftstoffs darzustellende Oberfläche und Krone Brennstoffe in Chaparral gebaut wurden. Chamise, ein gemeinsames Chaparral Strauch, umfasste die live Krone-Schicht. Die Oberflächenschicht tot Kraftstoff wurde mit Excelsior (zerkleinerte Holz) gebaut. Wir entwickelten eine Methode zur Masseverlust, Temperatur, Messen und Flamme Höhe für beide Brennstoffe lagen. Thermoelemente in jeder Schicht geschätzte Temperatur gelegt. Eine Videokamera erfasst die sichtbare Flamme. Nachbearbeitung von digitalem Bildmaterial ergab Flamme Eigenschaften einschließlich Höhe und Flamme Tilt. Eine benutzerdefinierte Krone Masseverlust Instrument eigenentwickelte gemessen die Entwicklung der Masse der Krone Schicht beim Brennen. Mittels der Technik abgestimmt-Theorie und anderen empirischen Studien Masse Verlust und Temperatur Trends erhalten. In dieser Studie stellen wir detaillierte experimentelle Verfahren und Informationen über die Instrumentierung verwendet. Die repräsentativen Ergebnisse für den Kraftstoff Masseverlust und Temperatur innerhalb der Brennstoff-Bett sind auch aufgenommen und diskutiert.

Krone und Oberfläche Flamme Höhendaten wurden von der video-Daten erhalten. Typische Flamme Höhe Trends für Experimente wird in Abbildung 6dargestellt. Flamme Höhe Verhalten gefolgt, die in Sun Et Al. gefunden 14
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56591/56591fig6.jpg"> 
Abbildung 6: geschätzt Krone Flammenhöhe. Hier U</...

Dieses Protokoll beschreibt Windkanal Experimente entwickelt, um den Übergang von einem Brand vom Boden auf die Kappe von Chaparral Sträuchern zu studieren.

Windkanal-Experimente, Chaparral Krone Brände zu studieren

The present protocol presents a laboratory technique designed to study chaparral crown fire ignition and spread. Experiments were conducted in a low ...

Das übergeordnete Ziel dieser Methodik ist es, einige der Schlüsselmerkmale zu klären, die den Grad der Wechselwirkung zwischen der Oberflächenkronenschicht bei Chaparralkronenbränden bestimmen. Diese Methode könnte dazu beitragen, wichtige Fragen im Bereich der Waldbrände zu beantworten, wie z. B. die Bedingungen, die einen erfolgreichen Übergang und eine erfolgreiche Ausbreitung in die Kronenschicht bestimmen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie die Messung des Massenverlusts in der Temperatur sowohl für die Oberflächenbrennstoffschicht als auch für die Kronenbrennstoffschicht ermöglicht.Modifizieren Sie zunächst vier C-Klemmen, indem Sie doppelte Federklinkenkarabiner durch das Nadelloch am Ende der Klemmschraube befestigen. Verwenden Sie diese Karabiner, um das Kronen-Kraftstoffbett aufzuhängen. Befestigen Sie jede Messzelle mit einem anderen Satz C-Klemmen am oberen Teil des Windkanalrahmens.Befestigen Sie dann die modifizierten C-Klemmen mit den Karabinern nach unten hängend am freien Ende der DMS-Zellen. Verwenden Sie Ketten, um die Plattform für das Kronenkraftstoffbett mit einem Karabiner zu verbinden. Verbinden Sie ihre Drähte mit der Weed-Steinbrücke, die für die Datenerfassung verwendet wird.Decken Sie die Wägezellen mit feuerisolierendem Material ab, wie es für Brandschutzräume verwendet wird. Um die Kalibrierkonstante A zu erhalten, hängen Sie Präzisionsgewichte an die erste Wägezelle an. Stellen Sie die Verstärkung der Wägezelle mit dem Eingabenummernfeld auf 128 ein.Dies entspricht dem vom Gerät zugelassenen Maximalwert. Lesen Sie dann den Signalausgang als Reaktion auf das Gewicht am Ausgang Null ab. Haken Sie anschließend das Gewicht aus, um ein Leerlaufsignal zu erzeugen.Lesen Sie den neuen Wert ab, der in der Benutzeroberfläche des Geräts angezeigt wird. Berechnen Sie die Kalibrierkonstante basierend auf der hier gezeigten Gleichung. Füllen Sie dann in der Controller-Schnittstelle den M-Wert des Kanals für jeden Sensor mit dem Wert aus, A.To den Offset-Wert B zu finden, entfernen Sie alle Gewichte, lesen Sie den Wert in der kalibrierten G-Box der Ausgänge ab und multiplizieren Sie diesen Wert mit einem negativen Wert.Die resultierende Zahl ist die Konstante B.Geben Sie diese Zahl in das Feld Additionskanal Null A ein. Wiederholen Sie diese Kalibrierungsschritte für jede Wägezelle, die Teil des Systems ist. Sammeln Sie von dem Haufen Brennstoff, der zum Verbrennen gesammelt wurde, drei bis vier Flaschen mit einem Pint Brennstoff.Befolgen Sie die von Countryman und Dean beschriebenen Verfahren, trocknen Sie die Proben im Ofen, um den richtigen Feuchtigkeitsgehalt des Brennstoffs zu erhalten. Wenn Sie fertig sind, schneiden Sie die einzelnen Äste aus einem Bündel kürzlich geernteter Chamise, um abgestorbenes Material und Astmaterial mit einem Durchmesser von mehr als einem Viertelzoll zu entfernen. Legen Sie das restliche lebende Brennmaterial zum Wiegen in den Behälter.Wählen Sie mit einer elektronischen Waage zwei Kilogramm der abgeschnittenen Chamise und 0,5 Kilogramm Excelsior aus. Anschließend werden 0,5 Kilogramm Excelsior auf das Oberflächenbrennstoffbett auf dem Boden des Windtrichters gelegt, wobei darauf geachtet wird, dass die Schüttdichte so gleichmäßig wie möglich ist. Ziehen Sie es dann auseinander, um das verdichtete Excelsior aufzulockern und seine Schüttdichte zu verringern, damit es leicht verbrennt.Laden Sie zwei Kilogramm beschnittene Chamise auf die Plattform, die an den Wägezellen hängt, um das erhöhte Kraftstoffbett zu schaffen. Verteilen Sie die Chamise-Äste gleichmäßig über die gesamte Plattform, um ein gleichmäßiges Brennstoffbett zu erhalten. Verbinden Sie ein Array von 16 Thermoelementen mit einer Reaktionszeit von 0,9 Sekunden mit einem Datenlogger.Setzen Sie sechs der Thermoelemente im Abstand von 20 Zentimetern in die Kronenbrennstoffschicht ein, wobei Sie den Kontakt mit Ästen vermeiden sollten. Setzen Sie dann 10 Thermoelemente in die Oberflächenkraftstoffschicht ein. Platzieren Sie diese Thermoelemente für Oberflächenbrennstoffe in einem Abstand von 10 Zentimetern und vermeiden Sie den Kontakt von Thermoelementen mit Ästen.Aktivieren Sie die Datenprotokollierung, indem Sie auf die Schaltfläche Start in der Benutzeroberfläche der Thermoelementsteuerungssoftware klicken. Montieren Sie ein visuelles Referenzziel mit roten Markierungen im Abstand von 10 Zentimetern über dem Windkanalfenster. Platzieren Sie als Nächstes Kameras für die fotografische Datenerfassung.Fokussieren Sie sich auf den Testbereich des Windtrichters und stellen Sie den Fokus der Kamera so ein, dass das gesamte vertikale Referenzziel sowie der Bereich des Kraftstoffbetts erfasst werden. Richten Sie dann eine Videokamera ein, indem Sie sie mit der universellen Kamera-Wandhalterung an der Wand montieren, um eine vollständige Sicht auf den Windtrichter-Testabschnitt zu erhalten. Stellen Sie als Nächstes die Lüftergeschwindigkeit des Windkanals auf dem Geschwindigkeitsregler auf einen Meter pro Sekunde ein.Schalten Sie dann den Lüfter kurz ein, um sicherzustellen, dass er ordnungsgemäß funktioniert. Schließen Sie alle Türen im Gebäude, um sicherzustellen, dass die Dachlüfter der einzig mögliche Ausgang für die Rauchabsaugung sind. Schalten Sie dann die Zuluftventilatoren ein, um Frischluft von außerhalb des Gebäudes auf vier Ebenen einzubringen, und schalten Sie die Abluftventilatoren ein, um den Rauch durch die Dachöffnungen abzuleiten.Verwenden Sie vor jedem Experiment ein Feuchtkugelhygrometer, um die relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur der Umgebungsluft zu messen. Schalten Sie die Videokamera ein, um das Experiment aufzuzeichnen. Sprechen Sie dann die Versuchsnummer oder den Code, das Datum und die Versuchskonfiguration laut aus, damit das Mikrofon der Videokamera diese Informationen aufzeichnet.Weisen Sie anschließend das Computerteam an, mit der Datenprotokollierung zu beginnen, indem Sie die Option Datenprotokollierung aktivieren in der Instrumentensteuerungsschnittstelle aktivieren. Vergewissern Sie sich vor dem Verbrennen, dass alle Gebäudetüren geschlossen sind. Sobald das Brennstoffbett gezündet ist, verlassen Sie die Teststrecke und schließen Sie die Tunneltür.Wenn Sie zum Zünden aufgefordert werden, tränken Sie die Vorderkante des Oberflächenkraftstoffbetts von Excelsior mit denaturiertem Ethylalkohol und stellen Sie die Alkoholflasche dann außerhalb der Zündzone auf. Das Ende des Oberflächenbrennstoffbetts mit einem Butanbrenner in einer Linie parallel zur Vorderkante des Brennstoffbetts entzünden. Wenn für das Experiment Wind benötigt wird, schalten Sie den Windkanalventilator ein.Nehmen Sie die Verbrennung während der gesamten Dauer auf, die je nach Einrichtung und Bedingungen variiert. Anhand von Videodaten wurden die Daten zur Kronen- und Oberflächenflammenhöhe erhalten. Die hier gezeigten Daten stellen ein Experiment dar, das Wind einbezieht.Bei dieser Art von Experimenten beginnt die Flamme klein, wird in der Nähe der Mitte des Brennstoffbetts größer und zerfällt mit der Zeit, wenn sich die Flammen dem Ende des Brennstoffbetts nähern. Durch den Einsatz der Dehnungsmessstreifen können die Kraftstoffverbrauchsraten bestimmt werden und die Entwicklung des Massenverlustes während der gesamten Verbrennung dargestellt werden. Hier wird der prozentuale Massenverlust sowohl für die Oberflächen- als auch für die Kronenschicht im Vergleich zum Prozentsatz der Gesamtbrenndauer angezeigt.Wind erhöht die Massenverlustrate sowohl für die Oberflächen- als auch für die Kronenbrennstoffschicht. Bei Windstille dauerte es durchschnittlich viereinhalb Minuten, bis die Verbrennung abgeschlossen war, und bei Windgeschwindigkeiten von einem Meter pro Sekunde dauerte es nur zweieinhalb Minuten. Einmal gemeistert, kann diese Technik in 30 bis 40 Minuten abgeschlossen werden, wenn sie richtig ausgeführt wird.Bei diesem Verfahren ist es wichtig, daran zu denken, das Kronenfeld-Massenverlust-Instrument richtig zu kalibrieren und die Kronenfelder so zu trimmen, dass sie einen Durchmesser von oder unter einem Viertelzoll haben. Die Methodik und Anwendung dieses Verfahrens könnte durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen zur Strahlungswärmeübertragung zu beantworten. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie einige der Schlüsselparameter messen können, die die Wechselwirkung zwischen Oberfläche und Kronenschicht bei Chaparral-Kronenbränden bestimmen.Die Arbeit mit Feuer an Windtrichterschuppen kann äußerst gefährlich sein. Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen persönlicher Schutzausrüstung, einschließlich feuerfester Kleidung und Schutzbrillen, sollten bei der Durchführung von Experimenten getroffen werden.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

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Ausflüge in die Auswirkungen der Luft Antriebe auf Verdunstung: Experimental Integration der atmosphärischen Grenzschicht und oberflächennahen Untergrundes

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