概要

風洞実験によるシャパラル クラウン火災を検討

Published: November 14, 2017
doi:

概要

このプロトコルでは、チャパラル低木の天蓋を地面から火の遷移を学習する風洞実験について説明します。

Abstract

この議定書は、シャパラル クラウン発火と広がりを研究するように設計研究室手法を提案します。燃料の 2 つの異なる層が茂みに表面とクラウンの燃料を表すため建設された低速度火災風洞実験を行った。Chamise、一般的な茂みの低木は、ライブの樹冠層で構成されています。死んだ燃料表面層は、エクセルシ オール (千切り木) で構成しました。質量損失、温度を測定し、両方の燃料層高さを炎に方法論を開発しました。熱電対は、各レイヤーの推定温度に配置されます。ビデオカメラは、目に見える炎を捕獲しました。デジタル画像の後処理には、高さと炎の傾きを含む燃焼特性が得られました。自社開発したカスタム クラウン質量損失計測器は、焼跡の間に樹冠層の質量の進化を測定しました。質量の損失と温度トレンド マッチ技術理論と他の経験的な研究を用いて本研究では詳細な実験手順と装置に関する情報を提案します。燃料質量損失率と燃料のベッドの下に温度の代表的な結果も含まれ、説明。

Introduction

カリフォルニア州は、2016 年に 6,986 原野火災、564,835 エーカー1、原価計算数百万の損傷のドルを消費し、何百もの人々 の健康を危険にさらすことの合計を経験しました。地方の地中海性気候のためこれらの火災の主要な燃料の源はシャパラル植生地域2です。茂みに延焼は、燃える主燃料は高架3クラウン火と見なすことができます。主にライブの樹冠層との共生、キャストの葉、枝、そしての下で、個々 の低木の間成長する草本植物から成っている死んでいる表面の燃料層です。火はより簡単に死んでいる表面の燃料層で開始されます。地表の火が点火すると、いったん火が火によって放出されるエネルギーが劇的に増加する樹冠層に移行します。シャパラル火災通常深い表面燃料4延焼としてモデル化が、一方、クラウンの火災でシャパラル火災の限られた研究を使用されています。

冠葉粒子形状を含む茂みに特性研究のほとんどが発生した亜寒帯の針葉樹林とは異なります。多数の実験室と野外スケール研究は野火ダイナミクス6,5,7,3,8,9,10 のさまざまな側面を検討しました。 ,11,12。実験のレルム内でいくつかの研究は、風などのパラメーターの影響を検討しているし、チャパラル クラウンの燃料性状火災性状。ロサノ7 , 王冠の特性は火 2 離散クラウン燃料ベッドの存在下で開始。Tachajapong3、分離面とクラウン層風洞内焼かれ、地表火が特徴づけられました。唯一クラウン火開始は完全に将来の仕事のための広がりの完全な分析を残して記述されていた。Li et al.11は、単一シャパラル低木火炎の伝播の報告。関連する仕事、クルス10,9は、針葉樹の葉表面延焼上の点火を予測するモデルを開発しました。シャパラル燃料の燃焼特性はバルク燃料の実験的研究で検討されている、個々 の葉13,14,,1516。デュピュイ13は、円筒バスケットで燃料の燃焼によってアカマツのカイガンシヨウの針とエクセルシ オールの燃焼特性を検討しました。彼らはこれらの燃料のことを観察、文学17,18以前報告されているように火炎高さが 5 分の 2 のべき乗を介して熱解放率に関連されました。を太陽します。14カロリー 3 シャパラル燃料の燃焼特性を分析すると同様の円筒バスケットでシャパラル燃料: chamise (Adenostoma fasciculatum)、ソリチャ (ソリチャ crassifolius)、マンザニータ (ウワウルシ glandulosa)。

前述の研究からの結果によって動機付けられて、ここで我々 の目的は表面および低木の王冠の層に広がりを特徴付けるための方法論を提示します。さらに、表面樹冠層の相互作用の程度を決定する重要な特性のいくつかを明らかにしていきます。この目的に高低木燃料の延焼に原野表面燃料燃焼火災の垂直移行を研究する実験手法を開発しました。火災のこれらのタイプは、クラウニング、として知られている低木の王冠に火の翻訳は可能性があります適切な条件の下での持続的な拡散が続きます。一般的には、地形・気象・燃料19によってシャパラル火動作が決まります。風燃料5,3,8,20エネルギー解放率に影響を与えることが示されています。

多孔質燃料における火災延焼は、一連の遷移または成功21を越える必要がありますしきい値として見なすことができます。精力的に、燃料粒子点火する場合正常に酸素と反応するガスの混合物の結果を受信する熱の量。隣接する燃料粒子に点火燃焼粒子から熱場合結果炎が広がります。それは可燃性の燃料要素間のギャップを通過することができる場合、火が地面に します。地表の火の炎が低木および木の王冠に垂直方向に伝搬することができる場合、増加熱解放率を含む火災性状に大きな変化は燃料の可用性の向上による見受けられます。原野火災における熱エネルギー力学非常に大規模なからいくつかのスケールを網羅、必要とする化学スケール速度論的モデルをスケール メガ火災しばしば小さなの気候モデリングを必要とするような。ここでは、研究所風洞スケールの動作モデルを扱うサリバンなど化学セルロースの燃焼研究、リーダーは呼ばれます22

2001 年以来、様々 な実験、研究室規模エネルギーしきい値23,8,24,25,26,のいくつかを行った27、茂みに関連付けられたライブの燃料に重点を置いています。屋外火災の測定よりリアルな結果が得られます、風洞の制御された環境できます各種のパラメーターの影響を描写。風を制御するたとえば、チャパラル クラウン火災火災イベントの典型的なドライバーのフェーン型風、サンタ ・ アナの風として知られているが南カリフォルニアなどの地域で発生するために特に重要です。ここで説明した方法論のための主要な動機は風の影響を研究するため、シャパラルの他の制御パラメーター延焼この試験、実験室スケールの風洞実験が行われました。リーダーはシルバーニ監督作品にここで示したものと同様28茂みに温度の測定を発生させます。延焼における風の効果をフィールド測定、モランディをご覧下さい。29

シャパラル燃料の普及に影響を与えるいくつかのパラメーターを実験確率を定量化することで分析されています。火災の高い燃料ベッド8で成功に広がった。現在の実験的研究方法論を含みシャパラル クラウン火を勉強する開発モデル表面の燃料と低速風洞のテスト セクション内のクラウンの燃料によって 。表面の燃料は、エクセルシ オール (乾燥細切り木) でモデル化されます。表面燃料ベッドが標準スケール風洞の地上に置かれて (図 1参照)。クラウンの燃料ベッドを表す、chamise 燃料ベッド上に置かれた表面燃料ベッド風洞フレームにマウントされているプラットフォームから燃料を停止することによって (図 1参照)。温度と質量損失の測定の両方の燃料のベッドがインストルメント化します。炎の幾何学は、実験のビデオ録画から取得されます。測定パラメーターには、質量損失率、含水燃料および空気の相対湿度が含まれます。パラメーター制御された風の存在、表面の燃料とクラウン燃料ベッド間の距離と燃料の表面の存在。測定質量損失率として定義されている熱解放率の計算に使用できます。
Equation 1
どこhm 、燃料燃焼の熱は、燃料の質量とtは時間。

Figure 1
図 1: 風洞実験のセットアップ。クラウンの燃料ベッド、表面燃料ベッドおよびトンネルのファンの場所は、便宜上ラベル付けされています。表面燃料ベッドは、標準的なスケール風洞のグランド レベルに配置されます。クラウンの燃料ベッドを表す、chamise 燃料ベッドは、風洞のフレームにマウントされているプラットフォームから燃料を中断することにより表面の燃料のベッドの上に置かれました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

実験は、チャパラル クラウン火災、特に点火、燃料消費率火炎フロント速度と拡散火炎伝播のメカニズムの動作を理解することに焦点を当てています。地表火とクラウン火の相互作用を研究して適用される風の流れのない表面とクラウンの燃料ベッドの 6 つの構成は、風洞で焼かれている: 王冠燃料だけと風 (2) なしと王冠を区切って燃料ベッドの表面風 (4) と 2 つの距離。6 実験授業と実験構成を表 1にまとめます。テーブル表面燃料ベッド パラメーターを表すかどうか表面燃料実験中に存在していた、風のパラメーターは、風の存在、クラウンの高さとクラウンの燃料ベッドの下と画面の下部との間の距離は、燃料のベッド。含水比は各実験のための測定が管理できません、最小値と最大値 18% から 68% であったに対し、平均燃費含水率は 48%。

クラス 表面燃料ベッド クラウンの高さ
A 欠席 無風 60、70 cm
B 欠席 1 ms-1 60、70 cm
C 現在 無風 60 cm
D 現在 無風 70 cm
E 現在 1 ms-1 60 cm
F 現在 1 ms-1 70 cm

表 1: 実験構成します。ここで表面燃料ベッド パラメーターは、かどうか表面燃料実験中に存在していた、風パラメーターは、風の存在、クラウンの高さは、クラウンの燃料ベッドの下と表面燃料ベッドの下間の距離を示します。

電子スケール測定表面燃料質量と我々 は、樹冠層のカスタムの質量損失システムを開発しました。システムは、中断された燃料ベッドの各コーナーに接続されている各ロードセルの成っていた。消費者向けビデオカメラ記録ビジュアル炎;カスタム スクリプトを使用して、視覚的なデータの画像処理には、高さと角度などを含む燃焼特性が生成されます。RGB (赤/緑/青) は照度しきい値のプロセスを通して白黒にコーディングからビデオ フレームを変換するプログラムを開発しました。炎のエッジは、黒と白のビデオ フレームから得られました。最大火炎高さが火炎端の最高点として定義された、瞬時の炎の高さも得られました。イメージ、炎の高さは炎の最大垂直まで燃料ベッドのベースから測定しました。このプロトコル用に設計された計測器制御インタ フェースと同様に、すべての処理コードなされたここで著者によって利用できる、ソフトウェア アクセス サイトを通じて。24 h 内で実験的火傷を行いローカル ライブの燃料を収穫、水分の損失を最小化。熱電対アレイは、普及率の計算を有効にする風向角柱まわりの燃料ベッドの温度を記録します。図 1は、熱電対配置と一緒に燃料ベッド セットアップの図を示します。実験的プロトコルの詳細に従ってください。

Protocol

注意: 次のプロトコルのいくつかの手順を伴う損傷を引き起こす可能性のある活動、必ず火を含む確立された安全プロトコルに従って適切な個人用保護具 (PPE) を使用耐熱服と保護眼鏡。 1 クラウン燃料ベッド負荷セル計測セットアップ 変更 4 C-クランプ クランプでピン穴をデュアル スプリング ゲート カラビナ (材料の表 を参照) をアタッチすることにより ' s ネジ端 (を参照してください。 図 2)。クラウンの燃料ベッドを中断する、カラビナを使用します。 風洞フレームの上の部分に各ロードセルひずみゲージを貼付 C-クランプの異なるセットを使用して ( 図 2 を参照). アタッチは、ぶら下がっているカラビナ付きひずみゲージ細胞の自由端に C クランプを変更しました。チェーンを付けるクラウン燃料ベッドのためのプラットフォーム。 風洞フレームからクラウンの燃料ベッドのプラットホームを中断するには、カラビナにクラウン燃料ベッド鎖のそれぞれを接続します。 4 つのロードセルのそれぞれが完全にマウントされているし、データ集録に使用されるホイートストン ブリッジの配線に接続燃料ベッドに接続されています。火断熱材、火の避難所に使用する種類のようで、ロードセルをカバーします。 図 2: 風洞クラウン燃料ベッド負荷セル インストルメンテーション。(、) クラウン燃料ベッドをサポートするカラビナとクラウンの燃料ベッド チェーンと風洞正面変更 C クランプ (b)。(c) 負荷セル C クランプを使用して風洞フレームに接続されています。 この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 2 します読み込むセル校正 注: 負荷細胞によって生成される信号を通じて等価質量に変換: 。 V は通常の単位はミリボルト、A と B の信号、較正、未定定数、m はグラムの質量を表します。式 (2) のすべてのパラメーターは、このプロトコルではクラウンの質量計測器の開発カスタム計測器制御インタ フェースを通じて取得されます。ときシステム、精密重量を使用して最初、ロードセル信号を調整する使用されます。校正定数 A および B が取得するはこれらの精度の重みの負荷を測定する際に発生する信号に基づいています。 定数から計算されます: m t は、試験精度重量質量 w はした信号、おもり w、o、信号に対応するのに対し、ロードセル式生産重量をロードセルに適用しない場合。 最初のロードセルを校正定数 A、フック精密重量 (良い範囲は 200-500 g になる) を取得します。式 (3) では、パラメーター m t と精度の重みの質量を使用します。 が 図 3 b で示すように、入力 # フィールドを使用して 128 に負荷セル利得を設定 i.1。これは、デバイスで許容される最大値に対応します。 は、楽器のインターフェイス (を参照してください 図 3 b, i2) から出力 0 で信号出力を読み取る。これは式 (3) のパラメーター w. フック重量を楽器のインターフェイス ( 図 3 b, i2) に表示される新しい値を読みます。これは、パラメーター w、o。 計算パラメーターに基づいて A (m t , w w、o) ステップ 2.4 2.1 と表示式で得られる。 コント ローラー インターフェイスで各センサーの 0 M 値と の 値が前の手順で取得したチャンネルを入力します。 値を読みオフセット値、B を見つける すべての重みを削除、' 出力校正 (g) ' ボックス ( 図 3 c 、i2 を参照)、この値を-1 で乗算します。結果の値は定数 B、この数値を入力、" 追加 " Ch 0 A ボックス (参照してください 図 3 c i.3). 燃料と燃料ベッドを読み込むに進みます; (0、1、2、3) 各ロードセルの 2.3 2.8、手順、システムが完全にキャリブ レートされています。 図 3: 計測器制御インタ フェース データ入力ロードセルの手順キャリブレーション。(する) ブリッジの初期セットアップ」ウィンドウでセットアップを得るため、負荷セル校正 (c) ウィンドウのための負荷セル校正ウィンドウ (d) の第 2 段階の最初の段階の最後のボックス (b)] ウィンドウを有効にします。ステージ負荷セル校正のファイルをここに保存され、データ ・ ログが開始されました。 この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 3 準備のシャパラルとエクセルシ オール燃料ベッド 注: 各実験ライブ chamise、エクセルシ オール (細切りアスペン木材) の 0.5 kg 2 kg を使用。。 燃料が燃焼するために収集の山から燃料 (3-4 本) のいくつかの 1 パイント瓶を収集します。 オーブン乾燥試料に同胞とディーンによって線引き手順に従い、燃料水分コンテンツ 30 を取得します。 死んだ材料と 1/4 インチ径より大きい分岐材料を削除する最近収穫 chamise のバンドルからの個々 の枝をトリミングします。計量容器に残りのライブ燃料物質を配置します。 は、トリミングされた chamise、エクセルシ オールの電子スケールを使用しての 0.5 kg 2 kg を選択します。場所風洞階表面燃料ベッド プラットフォームにエクセルシ オールの 0.5 kg バルク密度ができるだけ均一であることを確保します。知られている地域の深さ上のエクセルシ オールの既知の量を置くことによってこれを行うにします。 プル離れて (綿毛) それは容易に燃焼されますのでその密度を小さく圧縮されたエクセルシ オール。 温の燃料のベッドを作成するロードセルからぶら下がっているプラットフォーム上にトリミングされた chamise の 2 kg をロードします。均等に均一燃料ベッドを生成するプラットフォーム全体に chamise 枝を広がっています。 4。熱電対配置 注: K 型熱電対は、両方の燃料のベッドの温度を測定する使用されます。データはカスタム グラフィカル ユーザーに制御データ収集システムを通じて収集したインターフェイス (コント ローラー設計ソフトウェアのための材料の表を参照してください)。熱電対をお勧めします24 AWG 電 0.9 の応答時間は、使用米 16 のアレイ接続 24 AWG 熱電対 (導体径: 0.51054 mm) データロガーに (応答時間: 0.9 s). は、クラウンの燃料層に 6 熱電対を挿入します。これらの熱電対 20 cm 離れてを置き、熱電対の枝との接触を避けます。燃料の表面層に 10 の熱電対を挿入します。これら表面燃料熱電対 10 cm 離れて置き、枝 (参照してください 図 4) 熱電対の接触を避ける。 をクリックしてデータ ・ ログをアクティブにする、" 開始 " 熱電対コントロール ソフトウェア インターフェイスのボタン。 図 4: 表面とクラウンの燃料の図熱電対アレイのベッド場所。ここで 6 熱電対は、クラウンの燃料層 20 cm 離れてお互いに挿入されました。10 熱電対は、表面の燃料層 10 cm に挿入されました。 この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 5。 イメージ取得セットアップ 風洞ウィンドウの上部 10 cm 間隔の赤いマークは、マウント視覚参照ターゲット。実験ビデオからの炎の高さを決定するための参照としてこのターゲットを使用します 。 注: サンプル火炎高さは 図 5 に記載しています。 セットアップ写真データのコレクションです。燃料ベッドエリアと同様、全体の垂直参照対象をキャプチャするためにカメラのフォーカスを調整する風洞テスト領域に焦点を当てています。 セットアップ ビデオ カメラのデータのコレクション。風洞テスト セクションの完全なビューを提供するために壁に普遍的なカメラの壁のマウント ビデオ カメラをマウントします。 図 5: 典型的な実験からサンプル炎ハイツの写真。赤いマーキングの青視対象は実験ビデオからの炎の高さを決定するための参照として機能します。 この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 6。 フロー設定 注: 風洞は可変速ファンを搭載。風洞実験における気流を以前ファンの速度を調整しています。希望の風の速度を達成するために (Hz) のファンの回転速度が選択されます。現在の実験では風と 1 m/s の風流れのケースを調べたない。 は、スピード コント ローラーで 1 m/s にファン速度を設定します。ファンが正常に動作していることを確認するを有効にします。 ファンをオフにします。使用できるようになっています 。 注: 書き込み建物は、作業スペースから煙を避難させている間火災実験を安全に行うに設計されています。誤警報の発生を排除するために実験が行われていることを地元の消防当局に通知します。 屋根通気口が煙避難のための唯一の可能な出口であることを保障する建物のすべてのドアを閉じる。 空気の供給をオン ファン床レベルで建物の外から新鮮な空気をもたらす。屋根通気孔を介して煙を避難する排気ファンをオンにします 。 注: これは低速度、微妙な圧力差により垂直に上昇建物と屋根の開口部の外から大量の空気の流れを確立します。 各実験の前に周囲の空気の温度と相対湿度を測定する湿球湿度計を使用します。 7。点火 (実装する同時に手順 8) 注: 点火プロセスは点火の乗組員メンバーによって次のように行われるべき。2 番目のクルー メンバーが点火中にテスト付近まま勧め安全性が向上します。 指示されたときに ' に火を付ける '、変性エチルアルコールとエクセルシ オールの表面燃料ベッドのリーディング エッジを浸します。点火ゾーンからアルコール ボトルを置き、ブタンのトーチを使用すると、燃料ベッドのリーディング エッジに平行な線で表面燃料ベッドの端に火を付けます。アルコールに浸した燃料は容易に発火として観察される。 燃料ベッドが点火されて、一度テスト セクションを出るし、トンネルのドアを閉じます。風は、実験のために必要がある場合は風洞のファンをオンにします。 8。実験的実行を開始 注: が正しくセットアップされて実験、検証する時にカメラを起動する。 を記録するビデオカメラを有効にします。 試験番号/コード、日付、および実験構成ビデオ カメラのマイクは、この情報を記録、声を出して話す。 カチカチいう音によってデータのロギングを開始するコンピューターの乗組員に指示する、" のデータ ・ ログを有効にする " 計測器制御インタ フェースのオプション ( 図 3 d を参照してください i.1)。燃料を点火するため点火人を指示します。一度点火の乗員は、風洞ファンを開始する風の乗組員を指示する風洞実験を終了します。これは実験の開始時間がゼロになります (t = 0) です。

Representative Results

クラウンと表面の炎の高さデータは、ビデオのデータから得られました。実験のための典型的な火炎高さ動向を図 6に示します。火炎高さ挙動続いて太陽らで発見14 図 6: クラウン炎の高さを推定します</stro…

Discussion

実験を通して高い燃料の質量を測定する能力は、ここで示した手法の主な利点の 1 つでした。シャパラル火災に対処前の研究は、いずれかのみの王冠火開始か広がり、表面が、両方ではなくにのみに焦点を当てています。このような研究は樹冠層の点火の可能性を定量化しているし、今後の作業23のための広がりの研究を残しています。私たちの方法論の質量損失の測定温?…

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

著者は、ベンジャミン ・ Sommerkorn、ガブリエル ・ デュポン、ジェイク Eggan、ここで示した実験と Chirawat Sanpakit を認めたいと思います。ジャネット Cobian Iñiguez は、NASA MUREP 制度研究の機会 (ミロ) 許可番号 NNX15AP99A によるサポートを認めています。この作品は、米国農務省森林サービス、PSW 研究所およびカリフォルニア大学リバーサイド間の協定により米国農務省/USDI 国立消防計画に資金を供給されました。

Materials

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 コメント
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 コメント
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 コメント
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 コメント
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

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記事を引用
Cobian-Iñiguez, J., Aminfar, A., Chong, J., Burke, G., Zuniga, A., Weise, D. R., Princevac, M. Wind Tunnel Experiments to Study Chaparral Crown Fires. J. Vis. Exp. (129), e56591, doi:10.3791/56591 (2017).

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