Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Eksperymenty w tunelu aerodynamicznym w celu zbadania pożarów korony Chaparral

9.4K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/56591

⸱

14 listopada 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, University of California, Riverside, 2Pacific Southwest Research Station, USDA Forest Service

W tym artykule

Podsumowanie

Ten protokół opisuje eksperymenty w tunelu aerodynamicznym mające na celu zbadanie przejścia ognia z ziemi na baldachim krzewów chaparral.

Streszczenie

Niniejszy protokół przedstawia technikę laboratoryjną przeznaczoną do badania zapłonu i rozprzestrzeniania się ognia korony chaparral. Eksperymenty przeprowadzono w tunelu aerodynamicznym o niskiej prędkości, w którym skonstruowano dwie odrębne warstwy paliwa, które reprezentowały paliwa powierzchniowe i koronowe w chaparralu. Chamise, pospolity krzew chaparral, stanowił żywą warstwę korony. Warstwa wierzchnia martwego paliwa została zbudowana z excelsiora (rozdrobnionego drewna). Opracowaliśmy metodologię pomiaru ubytku masy, temperatury i wysokości płomienia dla obu warstw paliwa. Termopary umieszczone w każdej warstwie oszacowały temperaturę. Kamera wideo uchwyciła widoczny płomień. Końcowe przetwarzanie obrazów cyfrowych pozwoliło uzyskać charakterystykę płomienia, w tym wysokość i nachylenie płomienia. Opracowany przez nas niestandardowy przyrząd do pomiaru utraty masy korony mierzył ewolucję masy warstwy korony podczas spalania. Utrata masy i trendy temperatury uzyskane za pomocą tej techniki były zgodne z teorią i innymi badaniami empirycznymi. W niniejszej pracy przedstawiono szczegółowe procedury eksperymentalne oraz informacje o zastosowanym oprzyrządowaniu. Uwzględniono również i omówiono reprezentatywne wyniki dotyczące szybkości ubytku masy paliwa i temperatury w łożu paliwowym.

Wprowadzenie

W 2016 roku w stanie Kalifornia odnotowano łącznie 6 986 pożarów obszarów dzikich, które strawiły 564 835 akrów1, spowodowały szkody opiewające na miliony dolarów i zagroziły zdrowiu oraz życiu setek ludzi. Ze względu na regionalny klimat śródziemnomorski głównym źródłem paliwa dla tych pożarów są społeczności roślinności chaparral2. Rozprzestrzenianie się ognia w chaparral można uznać za pożar wierzchołkowy, ponieważ główne spalane paliwo znajduje się na podwyższeniu3. Równolegle z dominującą warstwą żyjących koron występuje warstwa martwego paliwa powierzchniowego, składająca się z opadłych liści, gałęzi oraz roślin zielnych rosnących pod i pomiędzy poszczególnymi krzewami. Ogień łatwiej zainicjuje w warstwie martwego paliwa powierzchniowego. Po zapłonie pożaru powierzchniowego ogień może przejść do warstwy koron, gdzie energia uwalniana przez pożar gwałtownie wzrasta. Choć pożary chaparral były zazwyczaj modelowane jako ogień rozprzestrzeniający się w głębokich paliwach powierzchniowych4, badania nad pożarami chaparral jako pożarami wierzchołkowymi były ograniczone.

Charakterystyka koron w zaroślach typu chaparral, w tym kształt cząstek ulistnienia, różni się od charakterystyki borealnych lasów iglastych, w których przeprowadzono większość badań. Liczne badania w skali laboratoryjnej i polowej analizowały różne aspekty dynamiki pożarów lasów6,5,7,3,8,9,10,11,12. W ramach eksperymentów laboratoryjnych kilka badań oceniło wpływ takich parametrów jak wiatr i właściwości paliwa na zachowanie pożarów koron w chaparral. Lozano7 badał charakterystykę inicjacji pożaru koron w obecności dwóch rozdzielnych warstw paliwa koronowego. W pracy Tachajapong et al.3 spalano rozdzielne warstwy ściółki i koron w tunelu aerodynamicznym, a następnie określono charakterystykę pożaru powierzchniowego. W pełni opisano jedynie inicjację pożaru koron, pozostawiając pełną analizę rozprzestrzeniania się na przyszłe badania. Li et al.11 opisali propagację płomienia przez pojedyncze krzewy chaparral. W pokrewnych pracach Cruz et al.10,9 opracowali model przewidujący zapłon ulistnienia iglastego nad rozprzestrzeniającym się pożarem powierzchniowym. Charakterystyka spalania paliw w chaparral była badana w eksperymentach dotyczących paliw masowych oraz pojedynczych liści13,14,15,16. Dupuy et al.13 badali charakterystykę spalania igieł Pinus pinaster oraz papieru pakowego, spalając te materiały w cylindrycznych koszach. Zaobserwowano, że w tych paliwach wysokość płomienia była powiązana z szybkością wydzielania ciepła zgodnie z prawem potęgowym dwóch piątych, co zgłaszano wcześniej w literaturze17,18. Sun et al.14 spalali paliwa z chaparral w podobnych cylindrycznych koszach, aby przeanalizować charakterystykę spalania trzech rodzajów paliw: chamise (Adenostoma fasciculatum), ceanothus (Ceanothus crassifolius) oraz manzanita (Arctostaphylos glandulosa).

Zmotywowani wynikami wspomnianych badań laboratoryjnych, naszym celem jest tutaj przedstawienie metodologii charakteryzacji rozprzestrzeniania się ognia zarówno w warstwie powierzchniowej, jak i w koronach krzewów. Ponadto dążymy do wyjaśnienia niektórych kluczowych cech, które determinują stopień interakcji między warstwą powierzchniową a koronami. W tym celu opracowaliśmy laboratoryjną metodologię eksperymentalną do badania pionowego przejścia pożaru palącego się w powierzchniowym paliwie obszarów dzikich do pożaru rozprzestrzeniającego się w wyniesionym paliwie krzewiastym. W tego typu pożarach przeniesienie ognia do koron krzewów, znane jako przejście w korony, może w odpowiednich warunkach prowadzić do utrzymującego się rozprzestrzeniania. Generalnie zachowanie pożaru w zaroślach typu chaparral jest determinowane przez topografię, pogodę i paliwo19. Wykazano, że wiatr wpływa na szybkość uwalniania energii w paliwach5,3,8,20.

Rozprzestrzenianie się ognia w paliwach porowatych można postrzegać jako serię przejść lub progów, które muszą zostać przekroczone, aby proces przebiegł pomyślnie21. Pod kątem energetycznym cząsteczka paliwa zapala się, jeśli ilość otrzymanego ciepła doprowadzi do powstania mieszaniny gazów, która ulegnie reakcji z tlenem. Powstały płomień rozprzestrzenia się, jeśli ciepło z palącej się cząsteczki zapali sąsiednią cząsteczkę paliwa. Pożar rozprzestrzenia się po powierzchni gruntu, jeśli jest w stanie pokonać przerwy między łatwopalnymi elementami paliwa. Jeśli płomień pożaru powierzchniowego zdoła przenieść się pionowo do koron krzewów i drzew, często obserwuje się znaczną zmianę zachowania ognia, w tym zwiększone tempo uwalniania ciepła, co wynika z większej dostępności paliwa. Dynamika energii termicznej w pożarach obszarów dzikich obejmuje kilka skal: od bardzo dużej skali, jak w przypadku mega-pożarów, które często wymagają modelowania klimatologicznego, po skalę małą, wymagającą kinetycznego modelowania w skali chemicznej. W niniejszym materiale zajmujemy się modelowaniem zachowania w skali laboratoryjnej tunelu aerodynamicznego; w celu zapoznania się z badaniami nad spalaniem celulozy w skali chemicznej czytelnikowi poleca się prace takie jak Sullivan et al.22

Od 2001 roku przeprowadziliśmy szereg eksperymentów badających niektóre progi energetyczne w skali laboratoryjnej23,8,24,25,26,27, ze szczególnym uwzględnieniem żywych paliw związanych z roślinnością typu chaparral. Choć pomiary pożarów w warunkach terenowych mogą dostarczać bardziej realistycznych wyników, kontrolowane środowisko tunelu aerodynamicznego pozwala na dokładne określenie wpływu poszczególnych parametrów. Kontrola wiatru jest na przykład szczególnie istotna w przypadku pożarów koron w chaparral, występujących w regionach takich jak południowa Kalifornia, gdzie wiatry typu halnego, znane jako wiatry Santa Ana, są typowymi czynnikami wywołującymi pożary. Ponieważ główną motywacją dla opisanej tutaj metodologii jest badanie wpływu wiatru i innych kontrolowanych parametrów na rozprzestrzenianie się ognia w chaparral, badanie to zostało przeprowadzone w tunelu aerodynamicznym w skali laboratoryjnej. W celu zapoznania się z pomiarami temperatury w pożarach chaparral w warunkach terenowych, podobnymi do przedstawionych tutaj, odsyłamy czytelnika do pracy Silvani et al.28. W kwestii pomiarów terenowych dotyczących wpływu wiatru na rozprzestrzenianie się ognia, prosimy zapoznać się z publikacją Morandi et al.29

Kilka parametrów wpływających na rozprzestrzenianie się ognia w paliwach typu chaparral zostało przeanalizowanych eksperymentalnie poprzez ilościowe określenie prawdopodobieństwa sukcesu rozprzestrzeniania się pożaru w podwyższonych złożach paliwa8. Niniejsze badanie eksperymentalne wykorzystuje metodologię opracowaną w celu badania rozprzestrzeniania się pożaru koron w chaparral poprzez modelowanie paliw powierzchniowych i paliw koronnych wewnątrz sekcji testowej tunelu aerodynamicznego o niskiej prędkości. Paliwo powierzchniowe zamodelowano za pomocą ekscelsioru (wysuszonego rozdrobnionego drewna). Złoże paliwa powierzchniowego umieszczono na poziomie gruntu tunelu aerodynamicznego nad standardową skalą (patrz Rysunek 1). Aby reprezentować złoże paliwa koronnego, nad złożem paliwa powierzchniowego umieszczono złoże z krzewu chamise, zawieszając paliwo na platformie zamontowanej na ramie tunelu aerodynamicznego (patrz Rysunek 1). Oba złoża paliwa zostały wyposażone w aparaturę do pomiarów temperatury i ubytku masy; geometrię płomienia uzyskano z nagrań wideo z eksperymentów. Mierzone parametry obejmowały szybkość ubytku masy, wilgotność paliwa oraz względną wilgotność powietrza. Kontrolowane parametry to obecność wiatru, odległość między złożem paliwa powierzchniowego a złożem paliwa koronnego oraz obecność paliwa powierzchniowego. Zmierzona szybkość ubytku masy może zostać wykorzystana do obliczenia szybkości uwalniania ciepła, która jest definiowana jako:
Równanie przekazywania ciepła Q=-h(dm/dt), formuła termodynamiczna.
gdzie h to ciepło spalania paliwa, m to masa paliwa, a t to czas.

Eksperyment z ogniem z użyciem wentylatorów, warstw paliwa w koronach i na powierzchni; schemat i układ do badania spalania.
Rycina 1: Układ eksperymentalny tunelu aerodynamicznego. Dla ułatwienia oznaczono położenie warstwy paliwa w koronach, warstwy paliwa powierzchniowego oraz wentylatora tunelu. Warstwa paliwa powierzchniowego została umieszczona na poziomie gruntu tunelu aerodynamicznego nad standardową skalą. W celu odwzorowania warstwy paliwa w koronach, nad warstwą paliwa powierzchniowego umieszczono warstwę paliwa z krzewu chamise, zawieszając ją na platformie zamontowanej na ramie tunelu aerodynamicznego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

Badania skoncentrowano na zrozumieniu zachowania pożarów koron w zaroślach typu chaparral, w szczególności zapłonu, mechanizmów propagacji i rozprzestrzeniania się płomieni, prędkości frontu płomienia oraz tempa zużycia paliwa. Aby zbadać interakcję między pożarem powierzchniowym a pożarem korony, w tunelu aerodynamicznym spalono sześć konfiguracji warstw paliwa powierzchniowego i koronowego, z zastosowaniem przepływu powietrza oraz bez niego: samo paliwo koronowe z wiatrem i bez wiatru (2), warstwy paliwa koronowego i powierzchniowego rozdzielone dwiema różnymi odległościami, z wiatrem i bez wiatru (4). Tabela 1 podsumowuje konfiguracje eksperymentalne z podziałem na 6 klas doświadczalnych. W tabeli parametr paliwa powierzchniowego określa, czy podczas eksperymentu obecne było paliwo powierzchniowe, parametr wiatru odnosi się do obecności wiatru, a wysokość korony określa odległość między dołem warstwy paliwa koronowego a dołem warstwy paliwa powierzchniowego. Wilgotność paliwa była mierzona dla każdego eksperymentu, ale nie była kontrolowana; średnia zawartość wilgotności paliwa wynosiła 48%, natomiast wartości minimalna i maksymalna wynosiły odpowiednio 18% i 68%.

KlasaPowierzchniowe złoże paliwaWiatrWysokość korony
ANieobecnyBrak wiatru60 lub 70 cm
BNieobecny1 ms-160 lub 70 cm
CPrzedstawićBrak wiatru60 cm
DPrzedstawićBrak wiatru70 cm
EPrzedstawić1 ms-160 cm
FPrzedstawić1 ms-170 cm

Tabela 1: Konfiguracje eksperymentów. W tej tabeli parametr powierzchniowej warstwy paliwa określa, czy podczas eksperymentu występowało paliwo powierzchniowe, parametr wiatru odnosi się do obecności wiatru, a wysokość korony odnosi się do odległości między dolną krawędzią warstwy paliwa w koronie a dolną krawędzią powierzchniowej warstwy paliwa.

Waga elektroniczna służyła do pomiaru masy paliwa powierzchniowego, a dla warstwy koronowej opracowaliśmy niestandardowy system pomiaru ubytku masy. System ten składał się z pojedynczych ogniw obciążnikowych przymocowanych do każdego narożnika zawieszonego złoża paliwa. Kamery wideo klasy konsumenckiej rejestrowały wizualny obraz płomieni; przetwarzanie obrazu danych wizualnych za pomocą autorskiego skryptu pozwoliło wyznaczyć charakterystykę płomieni, w tym ich wysokość i kąt. Opracowano program do konwersji klatek wideo z kodowania RGB (czerwony/zielony/niebieski) na czarno-białe poprzez proces progowania intensywności światła. Krawędź płomienia wyznaczono z czarno-białych klatek wideo. Maksymalną wysokość płomienia zdefiniowano jako najwyższy punkt krawędzi płomienia, wyznaczono również chwilowe wysokości płomieni. Na obrazie wysokość płomienia mierzono od podstawy złoża paliwa do maksymalnego pionowego punktu płomienia. Wszystkie kody przetwarzania, a także interfejs sterowania urządzeniami zaprojektowany dla tego protokołu, zostały udostępnione przez autorów tutaj, za pośrednictwem ich strony dostępu do oprogramowania. Pozyskanie świeżego paliwa lokalnie i przeprowadzenie spalania doświadczalnego w ciągu 24 h zminimalizowało utratę wilgoci. Układ termopar rejestrował temperaturę złoża paliwa w kierunku strumienia wiatru, co umożliwiło obliczenie prędkości rozprzestrzeniania się ognia. Rysunek 1 przedstawia schemat ustawienia złoża paliwa wraz z rozmieszczeniem termopar. Szczegóły protokołu eksperymentalnego znajdują się poniżej.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Ostrzeżenie: Ponieważ kilka etapów poniższego protokołu obejmuje czynności, które mogą spowodować urazy, należy upewnić się, że stosowane są odpowiednie środki ochrony osobistej (ŚOO) zgodnie z ustalonymi protokołami bezpieczeństwa, w tym odzież ognioodporna i okulary ochronne.

1. Konfiguracja aparatury ogniw obciążenia w złożu paliwa typu Crown

  1. Zmodyfikuj 4 zaciski śrubowe w kształcie litery C, mocując karabinki z podwójną sprężyną (patrz Tabela materiałów) przez otwór na sworzeń w końcówce śruby zacisku (patrz Rysunek 2). Użyj karabinków do zawieszenia łoża paliwa koronowego.
  2. Używając innego zestawu zacisków śrubowych w kształcie litery C, przymocuj każdą ogniwo tensometryczne do górnej części ramy tunelu aerodynamicznego (patrz Rysunek 2).
  3. Zamocuj zmodyfikowane zaciski śrubowe w kształcie litery C do wolnego końca ogniw tensometrycznych, tak aby karabinki zwisały w dół. Przymocuj łańcuchy do platformy łoża paliwa koronowego.
  4. Aby zawiesić platformę łoża paliwa koronowego na ramie tunelu aerodynamicznego, połącz każdy z łańcuchów łoża paliwa koronowego z karabinkiem.
  5. Po pełnym zamontowaniu i podłączeniu każdego z czterech ogniw obciążeniowych do łoża paliwa, podłącz ich przewody do mostka Wheatstone'a, który będzie służył do akwizycji danych. Przykryj ogniwa obciążeniowe materiałem ognioizolacyjnym, np. takim, który stosuje się w schronieniach przeciwpożarowych.

Układ eksperymentu odporności ogniowej; ściski C, przetwornik siły, karabińczyk do analizy testów strukturalnych.
Rysunek 2: Instrumentacja przetwornika siły w złożu paliwa koronowego w tunelu aerodynamicznym. (a) Widok przedni tunelu aerodynamicznego (b) Modyfikowany ścisk C z karabińczykiem i łańcuchem złoża paliwa koronowego, który podtrzymuje złożu paliwa koronowego. (c) Przetwornik siły przymocowany do ramy tunelu aerodynamicznego za pomocą ścisku C. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

2. Kalibracja ogniwa obciążnikowego

UWAGA: Sygnał generowany przez przetworniki obciążenia jest przeliczany na równoważną masę według wzoru:
Równanie stanu równowagi statycznej: m = A·V + B, formuła algebraiczna, zastosowanie edukacyjne.
gdzie V to sygnał, zazwyczaj w miliwoltach, A oraz B to stałe wyznaczane podczas kalibracji, a m oznacza masę w gramach. Wszystkie parametry w równaniu (2) są uzyskiwane za pomocą niestandardowego interfejsu sterowania instrumentem, opracowanego dla aparatury do pomiaru masy korony w niniejszym protokole. Podczas pierwszego uruchomienia systemu do kalibracji sygnału przetwornika obciążenia stosuje się odważniki wzorcowe. Stałe kalibracyjne A i B zostaną wyznaczone na podstawie sygnału generowanego podczas pomiaru obciążenia tych odważników wzorcowych. Stała A jest obliczana z:
A=mt/(aw-aw,o) formuła obliczania absorpcji w schemacie analizy chromatograficznej.
gdzie mt to masa użytego odważnika wzorcowego, aw to sygnał generowany przy obciążeniu przetwornika odważnikiem, natomiast aw,o odpowiada sygnałowi generowanemu, gdy przetwornik obciążenia nie jest obciążony.

  1. Aby uzyskać stałą kalibracji A, zawieś odważniki precyzyjne (zalecany zakres to 200 - 500 g) na pierwszym ogniwie obciążnikowym. Masę odważników precyzyjnych przyjmij jako parametr mt w równaniu (3).
  2. Ustaw wzmocnienie ogniwa obciążnikowego na 128, korzystając z pola Input #, jak pokazano na Rysunku 3b, i.1. Odpowiada to maksymalnej wartości dopuszczalnej przez urządzenie.
  3. Odczytaj sygnał wyjściowy z Output 0 w interfejsie instrumentu (patrz Rysunek 3b, i2). Jest to parametr aw w równaniu (3).
  4. Zdejmij odważnik i odczytaj nową wartość wyświetlaną w interfejsie instrumentu (Rysunek 3b, i2). Jest to parametr aw,o.
  5. Oblicz A na podstawie parametrów (mt, aw, aw,o) uzyskanych w krokach 2.1 do 2.4 oraz przedstawionych równań.
  6. W interfejsie kontrolera wpisz dla każdego czujnika wartość Ch 0-M równą wartości A otrzymanej w poprzednim kroku.
  7. Aby wyznaczyć wartość offsetu B, usuń wszystkie odważniki, odczytaj wartość w polu „Outputs Calibrated (g)” (patrz Rysunek 3c, i2) i pomnóż tę wartość przez -1. Otrzymana liczba jest stałą B; wpisz ją w polu „Addition” Ch 0-A (patrz Rysunek 3c, i.3).
  8. Powtórz kroki od 2.3 do 2.8 dla każdego ogniwa obciążnikowego (0, 1, 2, 3). System jest teraz całkowicie skalibrowany; można przystąpić do załadowania paliw do złóż.

Schemat konfiguracji systemu sterowania z mostkiem, ogniwami obciążenia i kalibracją czujników. Rejestrowanie danych włączone.
Rycina 3: Kroki wprowadzania danych w interfejsie sterowania instrumentem dla kalibracji ogniwa obciążenia. (a) Okno wstępnej konfiguracji mostka z ustawieniem wzmocnienia i polem wyboru aktywacji (b) Okno pierwszego etapu kalibracji ogniwa obciążenia (c) Okno drugiego etapu kalibracji ogniwa obciążenia (d) Okno ostatniego etapu kalibracji ogniwa obciążenia, w którym plik zostaje zapisany i rozpoczęto rejestrowanie danych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

3. Przygotowanie podłoży paliwowych z chaparralu i wiórów drzewnych

UWAGA: Każdy eksperyment wykorzystuje 2 kg żywego chamise oraz 0,5 kg wełnianki (szatkowanego drewna osiki).

  1. Z zebranego do spalenia stosu paliwa pobierz kilka butelek o pojemności 1 pinta (3-4 butelki).
    1. Postępuj zgodnie z procedurami opisanymi przez Countrymana i Deana w celu wysuszenia próbek w piecu i wyznaczenia wilgotności paliwa30.
  2. Przytnij poszczególne gałązki z wiązki świeżo zebranej chamise, aby usunąć martwe części oraz materiał gałęzi o średnicy przekraczającej ¼ cala. Umieść pozostały żywy materiał paliwowy w naczyniu do ważenia.
  3. Odważ za pomocą wagi elektronicznej 2 kg przyciętej chamise oraz 0,5 kg wełny drzewnej (excelsior). Rozmieść 0,5 kg wełny drzewnej na platformie powierzchniowego złoża paliwa na podłodze tunelu aerodynamicznego, dbając o to, aby gęstość nasypowa była jak najbardziej jednorodna. Osiągnij to poprzez rozmieszczenie znanej ilości wełny drzewnej na określonej powierzchni i głębokości.
  4. Rozluźnij (spulchnij) zbitą wełnę drzewną, aby zmniejszyć jej gęstość nasypową, co umożliwi łatwiejsze spalanie. Załaduj 2 kg przyciętej chamise na platformę zawieszoną na ogniwach pomiarowych, aby utworzyć wyniesione złoże paliwa. Równomiernie rozłóż gałązki chamise na całej platformie, tworząc jednorodne złoże paliwa.

4. Rozmieszczenie termopar

UWAGA: Termopary typu K są wykorzystywane do pomiaru temperatury obu złóż paliwa. Dane są zbierane za pomocą systemu akwizycji danych sterowanego przez dostosowany interfejs graficzny użytkownika (projekt oprogramowania sterownika znajduje się w tabeli materiałów). Do użytku zaleca się termopary 24 AWG o czasie odpowiedzi 0,9 s.

  1. Podłącz zestaw szesnastu termopar 24 AWG (średnica przewodnika: 0.51054 mm) do rejestratora danych (czas odpowiedzi: 0.9 s).
  2. Wprowadź 6 termopar do warstwy paliwa w koronach drzew. Rozmieść termopary w odstępach 20 cm, unikając ich kontaktu z gałęziami. Wprowadź 10 termopar do powierzchniowej warstwy paliwa. Rozmieść termopary w warstwie powierzchniowej w odstępach 10 cm, unikając kontaktu termopar z gałęziami (patrz Rysunek 4).
  3. Uruchom rejestrację danych, klikając przycisk „Start” w interfejsie oprogramowania sterującego termoparami.

Schemat termopar w powierzchniowym złożu paliwa, analiza rozprzestrzeniania się ognia, układ eksperymentalny, monitorowanie ciepła.
Rycina 4: Schemat powierzchniowego i koronowego złoża paliwa z lokalizacją układu termopar. Tutaj 6 termopar umieszczono w warstwie paliwa koronowego w odstępach 20 cm jedna od drugiej. 10 termopar umieszczono w powierzchniowej warstwie paliwa w odstępach 10 cm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

5. Konfiguracja akwizycji obrazu

  1. Zamontuj wizualny cel referencyjny z czerwonymi oznaczeniami w odstępach 10 cm powyżej okna tunelu aerodynamicznego. Użyj tego celu jako punktu odniesienia do wyznaczenia wysokości płomienia z filmu z eksperymentu.
    UWAGA: Przykładowe wysokości płomieni przedstawiono na Rysunku 5.
  2. Skonfiguruj system zbierania danych fotograficznych. Ustawiając ostrość na obszarze badawczym tunelu aerodynamicznego, dostosuj ją tak, aby uchwycić cały pionowy cel referencyjny oraz obszar złoża paliwa.
  3. Skonfiguruj system zbierania danych z kamery wideo. Zamontuj kamerę wideo na ścianie za pomocą uniwersalnego uchwytu ściennego, aby zapewnić pełny widok sekcji badawczej tunelu aerodynamicznego.

Eksperyment zachowania ognia; pomiar wysokości płomienia; konfiguracja laboratoryjna; analiza spalania; dynamika płomienia.
Rysunek 5: Zdjęcie przykładowych wysokości płomieni z typowego eksperymentu. Niebieski cel wizualny z czerwonym znacznikiem służy jako punkt odniesienia do wyznaczania wysokości płomienia z nagrania wideo z eksperymentu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

6. Konfiguracja przepływu

UWAGA: Tunel aerodynamiczny jest wyposażony w wentylator o zmiennej prędkości. Przepływ powietrza w tunelu został wcześniej skalibrowany względem prędkości wentylatora. Aby uzyskać pożądaną prędkość wiatru, wybierana jest prędkość obrotowa wentylatora (w Hz). W niniejszych eksperymentach badano przypadki braku wiatru oraz przepływu powietrza z prędkością 1 m/s.

  1. Ustaw prędkość wentylatora na 1 m/s na kontrolerze prędkości. Włącz wentylator, aby upewnić się, że działa on prawidłowo.
  2. Wyłącz wentylator. Jest on teraz gotowy do użycia.
    UWAGA: Budynek do wypalania jest zaprojektowany tak, aby bezpiecznie przeprowadzać eksperymenty pożarowe przy jednoczesnym usuwaniu dymu z przestrzeni roboczej. Poinformuj lokalne służby pożarnicze o prowadzeniu eksperymentów, aby wyeliminować ryzyko fałszywych alarmów.
  3. Zamknij wszystkie drzwi w budynku, aby upewnić się, że otwory wentylacyjne w dachu są jedyną możliwą drogą ewakuacji dymu.
  4. Włącz wentylatory nawiewne, aby doprowadzić świeże powietrze z zewnątrz budynku na poziomie podłogi. Włącz wentylatory wyciągowe, aby usunąć dym przez otwory wentylacyjne w dachu.
    UWAGA: Pozwoli to na stworzenie przepływu powietrza z zewnątrz budynku o niskiej prędkości i dużej objętości, który unosi się pionowo ze względu na niewielką różnicę ciśnień oraz otwory w dachu.
  5. Przed każdym eksperymentem użyj higrometru psychrometrycznego do pomiaru wilgotności względnej i temperatury powietrza otaczającego.

7. Zapłon (wykonać jednocześnie z krokiem 8)

UWAGA: Proces zapłonu powinien zostać przeprowadzony przez członka zespołu odpowiedzialnego za zapłon w następujący sposób. W celu zwiększenia bezpieczeństwa zaleca się, aby podczas zapłonu w pobliżu obszaru testowego pozostawał drugi członek zespołu.

  1. W przypadku instrukcji „podpal”, nasącz przednią krawędź powierzchniowego złoża paliwa z wełny drzewnej zdenaturowanym alkoholem etylowym. Odstaw butelkę z alkoholem z dala od strefy zapłonu i za pomocą palnika butanowego podpal koniec powierzchniowego złoża paliwa w linii równoległej do jego przedniej krawędzi. Zachowaj ostrożność, ponieważ paliwo nasączone alkoholem zapala się bardzo łatwo.
  2. Po podpaleniu złoża paliwa wyjdź z sekcji testowej i zamknij drzwi tunelu. Jeśli eksperyment wymaga obecności wiatru, włącz wentylator tunelu aerodynamicznego.

8. Rozpoczęcie pomiaru eksperymentalnego

UWAGA: Po zweryfikowaniu, że eksperyment został poprawnie przygotowany, należy uruchomić kamery.

  1. Włącz kamerę wideo w celu rozpoczęcia nagrywania.
  2. Wypowiedz na głos numer/kod eksperymentu, datę oraz konfigurację doświadczalną, aby mikrofon w kamerze wideo zarejestrował te informacje.
  3. Poleć osobie obsługującej komputer rozpoczęcie rejestracji danych poprzez zaznaczenie opcji „Enable data logging” w interfejsie sterowania urządzeniem (patrz Rycina 3d, i.1). Poleć osobie odpowiedzialnej za zapłon zapalić paliwo. Po wyjściu tej osoby z tunelu aerodynamicznego, poleć osobie obsługującej tunel uruchomić wentylator. Moment ten będzie początkiem eksperymentu, w którym czas wynosi zero (t = 0).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Dane dotyczące wysokości korony i powierzchni płomienia uzyskano z danych wideo. Typowe trendy wysokości płomienia dla przeprowadzonych eksperymentów przedstawiono na Rysunku 6. Zachowanie wysokości płomienia było zgodne z wynikami uzyskanymi przez Sun et al.14

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Możliwość pomiaru podwyższonej masy paliwa przez cały czas trwania eksperymentu była jedną z głównych zalet prezentowanej tu techniki. Wcześniejsze badania dotyczące pożarów chaparral koncentrowały się albo tylko na inicjacji pożaru korony, albo tylko na rozprzestrzenianiu się na powierzchni, ale nie na obu. Badania te pozwoliły określić ilościowo możliwość zapłonu w warstwie korony i pozostawiły badania nad rozprzestrzenianiem się choroby na potrzeby przyszłych prac23. Nasza metodologia pozwala n...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy chcieliby podziękować Benjaminowi Sommerkornowi, Gabrielowi Dupontowi, Jake'owi Egganowi i Chirawatowi Sanpakitowi, którzy pomogli w przedstawionych tutaj eksperymentach. Jeanette Cobian Iñiguez dziękuje za wsparcie ze strony grantu NASA MUREP Institutional Research Opportunity (MIRO) numer NNX15AP99A. Prace te zostały również sfinansowane przez Krajowy Plan Przeciwpożarowy USDA/USDI na mocy umowy między Służbą Leśną USDA, Stacją Badawczą PSW i Uniwersytetem Kalifornijskim - Riverside.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Oprzyrządowanie tunelu aerodynamicznego
cDAQ-9178 Podwozie CompactDAQNational Instruments781156-01
NI-9213 Moduł wejściowy temperatury serii CNational Instruments785185-01
NI SignalExpress dla systemu WindowsNational Instruments779037-35 Najnowsza wersja, starsza wersja używana do eksperymentów
Wysokotemperaturowe elementy termopary izolowane NextelOmegaXC-24-K-18
Przedłużacz termopary z drutem pokrytym poliwinylem i oplotem z cynowanej miedziOmegaEXPP-K-24S-TCB-P
Ultra wysokotemperaturowe miniaturowe złączaOmegaSHX-K-M
CompuTrac MAX 2000XL Arizona InstrumentsMAX-2000XLWycofany, nowszy model
kieszonkowy miernik pogody Kestrel 3000Nielsen-Kellerman0830
Satorius CPA 34001S Sartorius25850314Wycofany model
5 kg Micro Load Cell (X4)Robotshop.comRB-Phi-118Czujnik tensometryczny
Phidget PhidgetBridge Interfejs czujnika mostka Wheatstone'aRobotshop.comRB-Phi-107Interfejsy z 4 ogniwami obciążnikowymi, wykonuje wzmocnienie sygnału
#2 Nierdzewny S-Biner (X4)Home DepotSB2-03-11Karabinki z podwójną sprężyną do bram używane do Zamontuj czujniki wagowe
2 cale. Zacisk z żeliwa ciągliwego C-C-ClampHome Depot# 4011Służy do montażu ogniw obciążnikowych
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
>Środki ochrony osobistej
Wildland Firefighter Nomex ShirtGSA AdvantageSH35-5648
Fireline 6 oz Wildland Fire SpodnieGSA Advantage139702MR SEV16
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Paliwa
ChamiseZebrane in situNie dotyczy
naturalnego drewna rozdrobnionego Excelsior – Naturalny gruboziarnisty kabłąk 50 funtówPaper Mart21-711-88
Bernzomatic UL100 Podstawowy zestaw palnika propanowegoHome DepotUL100KC
Alkohol izopropylowySklep spożywczyNie dotyczy
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Film i fotografia
Nikon D3000 10,2-megapikselowa lustrzanka cyfrowa z matrycą formatu DX i obiektywem stabilizującym obraz 3x 18x55mm Zoon-NIKKOR VR kamera
Sony Handycam DCR-SX85Amazon.comDCR-SX85
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Software
NI LabViewNational InstrumentsWersja studenckaSłuży do sterowania instrumentami i interfejsu
Wersja studencka MATLAB (MATLAB_R2014a)Mathworks Służy do przetwarzania końcowego danych, w tym przetwarzania obrazu
Wersja studencka

Bibliografia

  1. California Department of Forestry and Fire Protection. Incident Information, 2016. , Available from: http://cdfdata.fire.ca.gov/incidents/ (2016).
  2. Minnich, R. A. Fire mosaics in southern California and northern Baja California. Science. 219 (4590), 1287-1294 (1983).
  3. Tachajapong, W., Lozano, J., Mahalingam, S., Weise, D. R. Experimental modelling of crown fire initiation in open and closed shrubland systems. Int. J. Wildl. Fire. 23 (4), 451-462 (2014).
  4. Rothermel, R. C., Philpot, C. W. Predicting changes in chaparral flammability. J. For. 71 (10), 640-643 (1973).
  5. Van Wagner, C. E. Conditions for the start and spread of crown fire. Can. J. For. Res. 7, 23-34 (1977).
  6. Fons, W. L. Analysis of Fire Spread in Light Forest Fuels. J. Agric. Res. (3), (1946).
  7. Lozano, J. An investigation of surface and crown fire dynamics in shrub fuels [dissertation]. , University of California-Riverside. 222 (2011).
  8. Weise, D., Zhou, X., Sun, L., Mahalingam, S. Fire spread in chaparral-'go or no-go?'. Int. J. Wildl. Fire. 14, 99-106 (2005).
  9. Cruz, M. G., Butler, B. W., Alexander, M. E., Forthofer, J. M., Wakimoto, R. H. Predicting the ignition of crown fuels above a spreading surface fire. Part I: Model idealization. Int. J. Wildl. Fire. 15 (1), 47-60 (2006).
  10. Cruz, M. G., Butler, B. W., Alexander, M. E., Forthofer, J. M., Wakimoto, R. H. Predicting the ignition of crown fuels above a spreading surface fire. Part II: Model idealization. Int. J. Wildl. Fire. 15 (1), 47-60 (2006).
  11. Li, J., Mahalingam, S., Weise, D. R. Experimental investigation of fire propagation in single live shrubs. Int. J. Wildl. Fire. 26 (1), 58-70 (2017).
  12. Byram, G. M. Combustian of Forest Fuels. For. Fire Control Use. , 61-89 (1959).
  13. Dupuy, J. L., Maréchal, J., Morvan, D. Fires from a cylindrical forest fuel burner: Combustion dynamics and flame properties. Combust. Flame. 135 (1-2), 65-76 (2003).
  14. Sun, L., Zhou, X., Mahalingam, S., Weise, D. R. Comparison of burning characteristics of live and dead chaparral fuels. Combust. Flame. 144 (1-2), 349-359 (2006).
  15. Fletcher, T. H., Pickett, B. M., et al. Effects of Moisture on Ignition Behavior of Moist California Chaparral and Utah Leaves. Combust. Sci. Technol. 179 (6), 1183-1203 (2007).
  16. Engstrom, J. D., Butler, J. K., Smith, S. G., Baxter, L. L., Fletcher, T. H., WEISE, D. R. Ignition Behavior of Live California Chaparral Leaves. Combust. Sci. Technol. 176 (9), 1577-1591 (2004).
  17. Zukoski, E. Fluid Dynamic Aspects Of Room Fires. Fire Saf. Sci. 1, 1-30 (1986).
  18. Thomas, P. H., Webster, C. T., Raftery, M. M. Some experiments on buoyant diffusion flames. Combust. Flame. 5, 359-367 (1961).
  19. Finney, M. a, Cohen, J. D., McAllister, S. S., Jolly, W. M. On the need for a theory of wildland fire spread. Intl J Wildl Fire. 22 (1), 25-36 (2013).
  20. Mendes-Lopes, J. M. C., Ventura, J. M. P., Amaral, J. M. P. Flame characteristics, temperature-time curves, and rate of spread in fires propagating in a bed of Pinus pinaster needles. Int. J. Wildl. Fire. 12 (1), 67-84 (2003).
  21. Williams, F. A. Mechanisms of fire spread. Symp. Combust. 16 (1), 1281-1294 (1977).
  22. Sullivan, A. L., Ball, R. Thermal decomposition and combustion chemistry of cellulosic biomass. Atmospheric Environment. 47, 133-141 (2012).
  23. Tachajapong, W., Lozano, J., Mahalingam, S., Zhou, X., Weise, D. R. Experimental and Numerical Modeling of Shrub Crown Fire Initiation. Combust. Sci. Technol. , 618-640 (2016).
  24. Tachajapong, W., Lozano, J., Mahalingam, S., Zhou, X., Weise, D. R. An investigation of crown fuel bulk density effects on the dynamics of crown fire initiation in Shrublands. Combust. Sci. Technol. 180 (4), 593-615 (2008).
  25. Zhou, X., Weise, D., Mahalingam, S. Experimental measurements and numerical modeling of marginal burning in live chaparral fuel beds. Proc. Combust. Inst. 30 (2), 2287-2294 (2005).
  26. Pickett, B. M., Isackson, C., Wunder, R., Fletcher, T. H., Butler, B. W., Weise, D. R. Flame interactions and burning characteristics of two live leaf samples. Int. J. Wildl. Fire. 18 (7), 865-874 (2009).
  27. Cobian-Iñiguez, J., Sanpakit, C., et al. Laboratory Experiments to Study Surface to Crown Fire Transition in Chaparral. Fall Meet. West. States Sect. Combust. Inst. , Paper #134HC-0040 (2015).
  28. Silvani, X., Morandini, F. Fire spread experiments in the field: Temperature and heat fluxes measurements. Fire Safety J. 44 (2), 279-285 (2009).
  29. Morandini, F., Silvani, X., et al. Fire spread experiment across Mediterranean shrub: Influence of wind on flame front properties. Fire Safety J. 41 (3), 229-235 (2006).
  30. Countryman, C. M., Dean, W. A. Measuring moisture content in living chaparral: a field user's manual. USDA For. Serv. Gen. Tech. Rep. PSW-36. , Available from: http://www.fs.fed.us/psw/publications/documents/psw_gtr036/ 28(1979).
  31. Albini, F. A. A Model for Fire Spread in Wildland Fuels by- Radiation. Combust. Flame. 42, (1985).
  32. Rothermel, R. C. A Mathematical Model for Predicting Fire Spread in Wildland Fuels. USDA For. Serv. Res. Pap. INT-115. , 40(1972).
  33. Freeborn, P. H., Wooster, M. J., et al. Relationships between energy release, fuel mass loss, and trace gas an aerosol emissions during laboratory biomass fires. J. Geophys. Res. Atmos. 113 (1), 1-17 (2008).
  34. Finney, M. A., Cohen, J. D., et al. Role of buoyant flame dynamics in wildfire spread. Proc Nat Acad Sci USA. 112 (32), 9833-9838 (2015).
  35. Green, L. R. Burning by prescription in chaparral. USDA For. Serv. Gen. Tech. Rep. PSW-51. , 36(1981).
  36. Cohen, J., Bradshaw, B. Fire behavior modeling - a decision tool. Proc. Prescr. Burn. Midwest State Art. , 1-5 (1986).
  37. Weise, D. R., Koo, E., Zhou, X., Mahalingam, S., Morandini, F., Balbi, J. H. Fire spread in chaparral - A comparison of laboratory data and model predictions in burning live fuels. Int. J. Wildl. Fire. 25 (9), 980-994 (2016).
  38. Omodan, S. Fire Behavior Modeling - Experiment on Surface Fire Transition to the Elevated Live Fuel A. , (2015).
  39. Mulvaney, J. J., Sullivan, A. L., Cary, G. J., Bishop, G. R. Repeatability of free-burning fire experiments using heterogeneous forest fuel beds in a combustion wind tunnel. Intl J Wildl Fire. 25 (4), 445-455 (2016).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Ubytek masy paliwapowierzchniowa warstwa paliwakoronowa warstwa paliwapomiar temperatury termoparanaliza wysoko ci p omieniakalibracja tensometrupaliwo z we ny drzewnej z chamiszerozprzestrzenianie si zap onu ognia
Eksperymenty w tunelu aerodynamicznym w celu zbadania pożarów korony Chaparral
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.