Artykuł metodologiczny

Eksperymenty w tunelu aerodynamicznym w celu zbadania pożarów korony Chaparral

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W 2016 roku stan Kalifornia doświadczył łącznie 6 986 pożarów dzikich terenów, które pochłonęły 564 835 akrów1, kosztując miliony dolarów szkód i ryzykując zdrowie setek ludzi. Ze względu na regionalny klimat śródziemnomorski, głównym źródłem paliwa dla tych pożarów są zbiorowiska roślinne chaparral2. Ogień rozprzestrzeniający się w chaparral może być uważany za pożar korony, ponieważ głównym paliwem, które się pali, jest elevated3. Współistniejąca z przeważająco żywą warstwą korony jest martwa powierzchniowa warstwa paliwa, która składa się z odlanych liści, gałęzi i roślin zielnych, które rosną pod i między poszczególnymi krzewami. Pożar łatwiej zainicjuje się w warstwie paliwa na martwej powierzchni. Gdy pożar powierzchniowy się zapali, ogień może przejść do warstwy korony, gdzie energia uwalniana przez ogień dramatycznie wzrasta. Podczas gdy pożary chaparral były zazwyczaj modelowane jako pożary rozprzestrzeniające się w głębokich powierzchniach fuels4, przeprowadzono ograniczone badania nad pożarami chaparral jako pożarami korony.

Cechy korony w chaparral, w tym kształt cząsteczek liści, różnią się od borealnych lasów iglastych, gdzie przeprowadzono większość badań. Liczne badania laboratoryjne i terenowe badały różne aspekty dynamiki pożarów lasów6,5,7,3,8,9,10,11,12. W ramach eksperymentów laboratoryjnych w kilku badaniach zbadano wpływ parametrów, takich jak właściwości wiatru i paliwa, na zachowanie się ognia korony chaparral. Lozano7 zbadał charakterystykę inicjacji pożaru korony w obecności dwóch dyskretnych pokładów paliwa koronowego. W Tachajapong i wsp.3, dyskretne warstwy powierzchni i korony zostały spalone w tunelu aerodynamicznym i scharakteryzowano pożar powierzchniowy. Jedynie inicjacja pożaru korony została w pełni opisana, pozostawiając pełną analizę rozprzestrzeniania się na potrzeby przyszłych prac. Li i wsp.11 poinformował o rozprzestrzenianiu się płomienia wśród pojedynczych krzewów chaparral. W pokrewnych pracach Cruz i wsp.10,9 opracował model do przewidywania zapłonu liści iglastych nad rozprzestrzeniającym się pożarem powierzchniowym. Charakterystyka spalania paliw chaparral została zbadana w badaniach eksperymentalnych paliw luzem i poszczególnych liści13,14,15,16. Dupuy i wsp.13 badał charakterystykę spalania igieł pinaster i excelsior, spalając paliwa w cylindrycznych koszach. Zaobserwowali, że w tych paliwach wysokość płomienia była związana z szybkością wydzielania ciepła za pomocą prawa dwóch piątych potęgi, jak opisano wcześniej w literaturze17,18. Sun i wsp.14 spalił paliwa chaparral w podobnych cylindrycznych koszach, aby przeanalizować charakterystykę spalania trzech paliw chaparral: chamise (Adenostoma fasciculatum), ceanothus (Ceanothus crassifolius) i manzanita (Arctostaphylos glandulosa).

Motywowani wynikami wyżej wymienionych badań laboratoryjnych, naszym celem jest przedstawienie metodologii charakteryzującej rozprzestrzenianie się zarówno w warstwach koron powierzchniowych, jak i krzewów. Ponadto staramy się wyjaśnić niektóre z kluczowych cech, które decydują o stopniu interakcji między powierzchnią a warstwą korony. W tym celu opracowaliśmy eksperymentalną metodologię laboratoryjną do badania pionowego przejścia pożaru palącego się w paliwie powierzchniowym na dzikich terenach do ognia rozprzestrzeniającego się w paliwie z wyżej położonych krzewów. W tego typu pożarach przelanie się ognia na koronę krzewu, znane jako koronowanie, może nastąpić trwałe rozprzestrzenianie się w odpowiednich warunkach. Ogólnie rzecz biorąc, zachowanie ognia chaparral jest podyktowane topografią, pogodą i paliwem19. Wykazano, że wiatr wpływa na szybkość uwalniania energii w fuels5,3,8,20.

Rozprzestrzenianie się ognia w porowatych paliwach może być postrzegane jako seria przejść lub progów, które muszą zostać przekroczone, aby odnieść sukces21. Energetycznie cząstka paliwa zapala się, jeśli ilość ciepła, którą otrzymuje, powoduje mieszaninę gazów, które z powodzeniem reagują z tlenem. Powstały płomień rozprzestrzenia się, jeśli ciepło z palącej się cząstki zapali sąsiednią cząstkę paliwa. Ogień rozprzestrzenia się po ziemi, jeśli jest w stanie przekroczyć szczeliny między palnymi elementami paliwowymi. Jeśli płomień pożaru powierzchniowego jest w stanie rozprzestrzeniać się pionowo w koronie krzewów i drzew, często obserwuje się znaczącą zmianę w zachowaniu ognia, w tym zwiększoną szybkość wydzielania ciepła, ze względu na większą dostępność paliwa. Dynamika energii cieplnej w pożarach na terenach dzikich obejmuje kilka skal, od bardzo dużej, takiej jak megapożary, które często wymagają modelowania klimatycznego, do małej skali wymagającej modelowania kinetycznego na skalę chemiczną. Tutaj mamy do czynienia z laboratoryjnym modelowaniem zachowań w skali tunelu aerodynamicznego; w przypadku badań nad spalaniem celulozy na skalę chemiczną czytelnik jest odsyłany do prac takich jak Sullivan i wsp.22

Od 2001 roku przeprowadziliśmy różnorodne eksperymenty badając niektóre z progów energetycznych skali laboratoryjnej23,8,24,25,26,27, z naciskiem na żywe paliwa związane z chaparral. Podczas gdy pomiary ognia na zewnątrz mogą dostarczyć bardziej realistycznych wyników, kontrolowane środowisko tunelu aerodynamicznego pozwala na określenie wpływu różnych parametrów. Kontrolowanie wiatru, na przykład, jest szczególnie ważne w przypadku pożarów koron chaparral występujących w regionach takich jak południowa Kalifornia, gdzie wiatry typu foehn, znane jako wiatry Santa Ana, są typowymi czynnikami powodującymi pożary. Ponieważ głównym czynnikiem motywującym do opracowania opisanej tutaj metodologii jest zbadanie wpływu wiatru i innych kontrolowanych parametrów na rozprzestrzenianie się ognia chaparral, badanie to przeprowadzono w tunelu aerodynamicznym w skali laboratoryjnej. Czytelnik kierowany jest do pracy Silvaniego i wsp.28 dla pomiarów terenowych temperatury w pożarach chaparral podobnych do tych przedstawionych tutaj. Aby zapoznać się z pomiarami terenowymi dotyczącymi wpływu wiatru na rozprzestrzenianie się ognia, zobacz Morandi i wsp.29

Kilka parametrów wpływających na rozprzestrzenianie się paliw chaparral zostało eksperymentalnie przeanalizowanych poprzez ilościowe określenie prawdopodobieństwa powodzenia rozprzestrzeniania się ognia na podwyższonych złożach paliwa8. Obecne badanie eksperymentalne obejmuje metodologię opracowaną w celu zbadania rozprzestrzeniania się ognia korony chaparral poprzez modelowanie paliw powierzchniowych i paliw koronowych wewnątrz odcinka testowego tunelu aerodynamicznego o niskiej prędkości. Paliwo powierzchniowe jest modelowane za pomocą excelsior (suszonego rozdrobnionego drewna). Powierzchniowe złoże paliwa jest umieszczone na poziomie gruntu tunelu aerodynamicznego w standardowej skali (patrz Rysunek 1). Reprezentujące koronę łoża paliwowego, złoże paliwowe z chamise zostało umieszczone nad powierzchniowym łożem paliwa poprzez zawieszenie paliwa na platformie zamontowanej na ramie tunelu aerodynamicznego (patrz Rysunek 1). Oba złoża paliwowe są przystosowane do pomiarów temperatury i ubytku masy; Geometrię płomienia uzyskuje się z nagrań wideo z eksperymentów. Mierzone parametry obejmują szybkość ubytku masy, zawartość wilgoci w paliwie i wilgotność względną powietrza. Kontrolowanymi parametrami były: obecność wiatru, odległość między powierzchniowym złożem paliwa a koronowym złożem paliwa oraz obecność paliwa powierzchniowego. Zmierzony współczynnik ubytku masy można wykorzystać do obliczenia szybkości wydzielania ciepła, która jest zdefiniowana jako:
figure-introduction-1
gdzie h jest ciepłem spalania paliwa, m jest masą paliwa, a t jest czasem.

figure-introduction-2
Rysunek 1: Konfiguracja eksperymentalna w tunelu aerodynamicznym. Lokalizacje koronowego łoża paliwowego, powierzchniowego łoża paliwa i wentylatora tunelowego zostały oznaczone dla wygody. Powierzchniowe złoże paliwowe jest umieszczone na poziomie gruntu tunelu aerodynamicznego w standardowej skali. Reprezentujące złoże paliwowe korony, złoże paliwowe z chamise zostało umieszczone nad powierzchniowym łożem paliwowym poprzez zawieszenie paliwa na platformie zamontowanej na ramie tunelu aerodynamicznego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Eksperymenty skupiały się na zrozumieniu zachowania pożarów koron chaparral, szczególnie zapłonu, mechanizmów rozprzestrzeniania się i rozprzestrzeniania płomienia, prędkości frontu płomienia i wskaźników zużycia paliwa. W celu zbadania interakcji między pożarem powierzchniowym a pożarem korony, w tunelu aerodynamicznym spalono sześć konfiguracji powierzchniowych i koronowych pokładów paliwa z zastosowanym przepływem wiatru i bez niego (4). Tabela 1 podsumowuje konfiguracje eksperymentalne z 6 klasami eksperymentalnymi. W tabeli parametr powierzchniowego złoża paliwa oznacza, czy paliwo powierzchniowe było obecne podczas eksperymentu, parametr wiatru odnosi się do obecności wiatru, a wysokość korony odnosi się do odległości między dnem koronowego złoża paliwa a dnem powierzchniowego złoża paliwowego. Wilgotność paliwa była mierzona dla każdego eksperymentu, ale nie była kontrolowana, średnia zawartość wilgoci w paliwie wynosiła 48%, podczas gdy wartości minimalne i maksymalne wynosiły odpowiednio od 18% do 68%.

klasaPowierzchniowe złoże paliwawiatrWysokość korony
ZAnieobecnyBrak wiatru60 lub 70 cm
Wnieobecny1 ms-160 lub 70 cm
ZprezentowaćBrak wiatru60 cm
DprezentowaćBrak wiatru70 cm
Eprezentować1 ms-160 cm
Zprezentować1 ms-170 cm

Tabela 1: Konfiguracje eksperymentalne. Tutaj parametr powierzchniowego złoża paliwa oznacza, czy paliwo powierzchniowe było obecne podczas eksperymentu, parametr wiatru odnosi się do obecności wiatru, a wysokość korony odnosi się do odległości między dnem koronowego złoża paliwa a dnem powierzchniowego złoża paliwowego.

Elektroniczna waga mierzyła powierzchniową masę paliwa i opracowaliśmy niestandardowy system utraty masy dla warstwy korony. System składał się z indywidualnych ogniw obciążnikowych połączonych z każdym rogiem podwieszanego łoża paliwowego. Kamery wideo klasy konsumenckiej zarejestrowały wizualne płomienie; Przetwarzanie obrazu danych wizualnych za pomocą niestandardowego skryptu generowało charakterystykę płomienia, w tym wysokość i kąt. Opracowano program do konwersji klatek wideo z kodowania RGB (czerwony/zielony/niebieski) na czarno-biały w procesie progowania natężenia światła. Krawędź płomienia została uzyskana z czarno-białych klatek wideo. Maksymalną wysokość płomienia określono jako najwyższy punkt krawędzi płomienia, uzyskano również chwilowe wysokości płomienia. Na zdjęciu wysokość płomienia została zmierzona od podstawy złoża paliwa do maksymalnego pionowego punktu płomienia. Wszystkie kody przetwarzania, jak również interfejs sterowania instrumentem zaprojektowany dla tego protokołu, zostały udostępnione przez autorów tutaj za pośrednictwem ich strony dostępu do oprogramowania. Miejscowe zbieranie żywego paliwa i przeprowadzanie eksperymentalnych wypaleń w ciągu 24 godzin zminimalizowało utratę wilgoci. Układ termopar rejestrował temperaturę złoża paliwa w kierunku strumienia wiatru, umożliwiając obliczenie szybkości rozsiewu. Rysunek 1 pokazuje schemat konfiguracji łoża paliwa wraz z układem termopary. Szczegóły protokołu eksperymentalnego znajdują się poniżej.

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

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Uwaga: Ponieważ kilka kroków w poniższym protokole obejmuje działania, które mogą potencjalnie spowodować obrażenia, upewnij się, że używany jest odpowiedni sprzęt ochrony osobistej (PPE) zgodnie z ustalonymi protokołami bezpieczeństwa, w tym odzież ognioodporna i okulary ochronne.

1. Ustawienia oprzyrządowania ogniwa obciążnikowego Crown Fuel Bed

  1. Zmodyfikuj 4 zaciski C, mocując karabinki z podwójną sprężyną (patrz Tabela materiałów) przez otwór na sworzeń na końcu zacisku (patrz Rysunek 2). Użyj karabińczyków, aby zawiesić złoże paliwa korony.
  2. Używając innego zestawu zacisków C, przymocuj każdą komórkę tensometryczną obciążenia do górnej części ramy tunelu aerodynamicznego (patrz Rysunek 2).
  3. Przymocuj zmodyfikowane zaciski C do wolnego końca komórek tensometrycznych, z karabinkami zwisającymi w dół. Przymocuj łańcuchy do platformy łoża paliwa korony.
  4. Aby zawiesić platformę łoża paliwa korony na ramie tunelu aerodynamicznego, połącz każdy z łańcuchów łoża paliwa korony do karabińczyka.
  5. Gdy każde z czterech ogniw obciążnikowych zostanie w pełni zamontowane i podłączone do złoża paliwowego, podłącz ich przewody do mostka Wheatstone'a, który będzie używany do pozyskiwania danych. Przykryj ogniwa obciążnikowe materiałem przeciwpożarowym, takim jak ten używany w schronach przeciwpożarowych.

figure-protocol-1
Rysunek 2: Oprzyrządowanie ogniwa obciążnikowego w koronie tunelu aerodynamicznego. (a) Widok z przodu tunelu aerodynamicznego (b) Zmodyfikowany zacisk C z karabińczykiem i łańcuchem koryta paliwa, który podtrzymuje koronowe łoże paliwa. c) Ogniwo obciążnikowe przymocowane do ramy tunelu aerodynamicznego za pomocą zacisku C. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Kalibracja ogniwa obciążnikowego

UWAGA: Sygnał wytwarzany przez ogniwa obciążnikowe jest przekształcany na równoważną masę przez:
figure-protocol-2
gdzie V jest sygnałem, zwykle w miliwoltach, A i B są stałymi, które należy określić za pomocą kalibracji, a m oznacza masę w gramach. Wszystkie parametry w równaniu (2) są uzyskiwane za pomocą niestandardowego interfejsu sterowania instrumentem opracowanego dla oprzyrządowania masy korony w tym protokole. Przy pierwszym użyciu systemu do kalibracji sygnału czujnika wagowego używane są precyzyjne wzorce masy. Stałe kalibracji A i B zostaną uzyskane na podstawie sygnału wytwarzanego podczas pomiaru obciążenia tych precyzyjnych wzorców masy. Stała A jest obliczana ze wzoru:
figure-protocol-3
gdzie mt jest masą próbnego ciężaru precyzyjnego, aw jest sygnałem wytwarzanym przez ciężar załadowany na ogniwo obciążnikowe, podczas gdyw,o odpowiada sygnałowi wytwarzanemu, gdy na ogniwo obciążnikowe nie jest przykładany żaden ciężar.

  1. Aby uzyskać stałą kalibracji A, należy przymocować precyzyjne wzorce masy (dobry zakres to 200 - 500 g) do pierwszego czujnika wagowego. Użyć masy precyzyjnych odważników jako parametru mt w równaniu (3).
  2. Ustaw wzmocnienie ogniwa obciążnikowego na 128 za pomocą pola Wejście #, jak pokazano w Rysunek 3b, i.1. Odpowiada to maksymalnej wartości dozwolonej przez urządzenie.
  3. Odczyt sygnału wyjściowego na wyjściu 0 z interfejsu przyrządu (patrz Rysunek 3b, i2). Jest to parametr aw równaniu (3).
  4. Odczep ciężarek i odczytaj nową wartość wyświetlaną w interfejsie przyrządu ( Rysunek 3b, i2). Jest to parametr aw,o.
  5. Obliczyć A na podstawie parametrów (mt, aw, aw, o) uzyskanych w krokach od 2.1 do 2.4 i przedstawionych równań.
  6. W interfejsie sterownika wypełnij wartość Ch 0-M dla każdego czujnika wartością A uzyskaną w poprzednim kroku.
  7. Aby znaleźć wartość przesunięcia, B, usuń wszystkie wagi, odczytaj wartość w polu "Skalibrowane wyjścia (g)" (patrz Rysunek 3c, i2), pomnóż tę wartość przez -1. Otrzymana liczba jest stałą B, wpisz tę liczbę w polu "Dodawanie" Ch 0-A (patrz Rysunek 3c, i.3).
  8. Powtórz kroki 2.3 - 2.8 dla każdego ogniwa obciążnikowego (0, 1, 2, 3), system jest teraz w pełni skalibrowany; przystąp do ładowania złoża paliwa.

figure-protocol-4
Rysunek 3: Kroki wprowadzania danych interfejsu sterowania przyrządem do kalibracji czujnika wagowego. (a) Okno początkowej konfiguracji mostka z polem ustawień wzmocnienia i włączania (b) Okno dla pierwszego etapu kalibracji czujnika wagowego (c) Okno dla drugiego etapu kalibracji czujnika wagowego (d) Okno dla ostatniego etapu kalibracji czujnika wagowego, file jest zapisywany tutaj i rozpoczęto rejestrowanie danych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

3. Przygotowanie pokładów paliwowych Chaparral i Excelsior

UWAGA: W każdym eksperymencie używa się 2 kg żywego chamise i 0,5 kg excelsior (rozdrobnionego drewna osikowego).

  1. Ze stosu paliwa zebranego do spalenia zbierz kilka 1-litrowych butelek paliwa (3 - 4 butelki).
    1. Postępuj zgodnie z procedurami opisanymi przez Countrymana i Deana, aby wysuszyć próbki w piecu i uzyskać zawartość wilgoci w paliwie30.
  2. Przytnij pojedyncze gałęzie z wiązki niedawno zebranych chamise, aby usunąć martwy materiał i materiał gałęzi o średnicy większej niż 1/4 cala. Umieść pozostały żywy materiał opałowy w pojemniku do zważenia.
  3. Wybierz 2 kg przyciętego chamise i 0,5 kg excelsiora za pomocą wagi elektronicznej. Umieść 0,5 kg excelsiora na powierzchniowej platformie złoża paliwowego na podłodze tunelu aerodynamicznego, upewniając się, że gęstość nasypowa jest tak jednolita, jak to tylko możliwe. Zrób to, umieszczając znaną ilość excelsiora na znanej głębokości obszaru.
  4. Rozerwij (spulchnij) zagęszczony excelsior, aby zmniejszyć jego gęstość nasypową, aby łatwo się palił. Załaduj 2 kg przyciętego chamise na platformę zwisającą z ogniw obciążnikowych, aby utworzyć podwyższone złoże paliwowe. Równomiernie rozłóż gałęzie chamise na całej platformie, aby uzyskać jednolite złoże paliwa.

4. Układ termopary

UWAGA: Termopary typu K są używane do pomiaru temperatury obu złoży paliwa. Dane są zbierane za pomocą systemu akwizycji danych sterowanego za pomocą niestandardowego graficznego interfejsu użytkownika (patrz tabela materiałów do projektowania sterowników). Zalecane do stosowania termopary to termopary 24 AWG o czasie reakcji 0,9 s.

  1. Podłącz zestaw szesnastu termopar 24 AWG (średnica przewodu: 0,51054 mm) do rejestratora danych (czas reakcji: 0,9 s).
  2. Włóż 6 termopar do koronowej warstwy paliwa. Umieść te termopary w odległości 20 cm od siebie i unikaj kontaktu termopar z gałęziami. Włóż 10 termopar do powierzchniowej warstwy paliwa. Umieść te powierzchniowe termopary paliwowe w odległości 10 cm od siebie i unikaj kontaktu termopar z gałęziami (patrz Rysunek 4).
  3. Aktywuj rejestrowanie danych, klikając przycisk "Start" w interfejsie oprogramowania sterującego termoparą.

figure-protocol-5
Rysunek 4: Schemat powierzchniowych i koronowych pokładów paliwa z rozmieszczeniem układu termopar. W tym przypadku 6 termopar zostało umieszczonych w warstwie paliwa korony w odległości 20 cm od siebie. 10 termopar umieszczono w powierzchniowej warstwie paliwa w odległości 10 cm od siebie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

5. Ustawienia akwizycji obrazu

  1. Zamontuj wizualny cel odniesienia z czerwonymi znacznikami w odstępach 10 cm nad oknem tunelu aerodynamicznego. Użyj tego celu jako punktu odniesienia, aby określić wysokość płomienia na podstawie filmu z eksperymentu.
    UWAGA: Przykładowe wysokości płomienia są przedstawione w Rysunek 5.
  2. Konfiguracja zbierania danych fotograficznych. Skupiając się na obszarze testowym w tunelu aerodynamicznym, wyreguluj ostrość kamery tak, aby uchwycić cały pionowy cel odniesienia, a także obszar złoża paliwa.
  3. Skonfiguruj zbieranie danych z kamery wideo. Zamontuj kamerę wideo za pomocą uniwersalnego uchwytu ściennego kamery na ścianie, aby zapewnić pełny view sekcji testowej tunelu aerodynamicznego.

figure-protocol-6
Rysunek 5: Zdjęcie wysokości płomienia próbki z typowego eksperymentu. Niebieski cel wizualny z czerwonym oznaczeniem służy jako odniesienie do określenia wysokości płomienia na podstawie filmu z eksperymentu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

6. Ustawienia przepływu

UWAGA: Tunel aerodynamiczny jest wyposażony w wentylator o zmiennej prędkości. Przepływ powietrza w tunelu aerodynamicznym został wcześniej skalibrowany do prędkości wentylatora. Aby osiągnąć pożądaną prędkość wiatru, dobierana jest prędkość obrotowa wentylatora (w Hz). W niniejszych eksperymentach nie badano przypadków wiatru i przepływu wiatru 1 m/s.

  1. Ustaw prędkość wentylatora na 1 m/s na regulatorze prędkości. Włącz wentylator, aby upewnić się, że działa prawidłowo.
  2. Wyłącz wentylator. Jest teraz gotowy do użycia.
    UWAGA: Budynek do spalania jest przeznaczony do bezpiecznego przeprowadzania eksperymentów przeciwpożarowych podczas odprowadzania dymu z przestrzeni roboczej. Powiadom lokalne władze straży pożarnej, że prowadzone są eksperymenty mające na celu wyeliminowanie występowania fałszywych alarmów.
  3. Zamknij wszystkie drzwi w budynku, aby upewnić się, że wywietrzniki dachowe są jedynym możliwym wyjściem do odprowadzania dymu.
  4. Włącz wentylatory nawiewne, aby doprowadzać świeże powietrze z zewnątrz budynku na poziomie podłogi. Włącz wentylatory wyciągowe, aby usunąć dym przez otwory wentylacyjne dachowe.
    UWAGA: Spowoduje to powstanie przepływu powietrza o niskiej prędkości i dużej objętości z zewnątrz budynku, który unosi się pionowo z powodu niewielkiej różnicy ciśnień i otworów dachowych.
  5. Przed każdym eksperymentem użyj higrometru mokrego termometru, aby zmierzyć wilgotność względną i temperaturę otaczającego powietrza.

7. Zapłon (Implementacja równocześnie z krokiem 8)

UWAGA: Proces zapłonu powinien być prowadzony w następujący sposób przez członka załogi zapłonowej. W celu zwiększenia bezpieczeństwa zaleca się, aby drugi członek załogi pozostawał w pobliżu obszaru badania podczas zapłonu.

  1. Po otrzymaniu polecenia "zapłonu" należy namoczyć krawędź natarcia powierzchniowego złoża paliwa excelsior denaturowanym alkoholem etylowym. Umieść butelkę z alkoholem z dala od strefy zapłonu i za pomocą palnika butanowego zapal koniec powierzchniowego łoża paliwa w linii równoległej do krawędzi natarcia łoża paliwowego. Bądź uważny, ponieważ paliwo nasączone alkoholem łatwo się zapali.
  2. Po zapaleniu łoża paliwowego wyjdź z sekcji testowej i zamknij drzwi tunelu. Jeśli do eksperymentu wymagany jest wiatr, włącz wentylator tunelu aerodynamicznego.

8. Rozpocznij eksperymentalny bieg

UWAGA: Po sprawdzeniu, czy eksperyment jest poprawnie skonfigurowany, kamery powinny zostać uruchomione.

  1. Włącz kamerę wideo, aby nagrywać.
  2. Wypowiedz na głos numer/kod eksperymentu, datę i konfigurację eksperymentu, aby mikrofon w kamerze wideo zarejestrował te informacje.
  3. Poinstruuj załogę komputerową, aby rozpoczęła rejestrowanie danych, zaznaczając opcję "Włącz rejestrowanie danych" w interfejsie sterowania przyrządem (patrz Rysunek 3d, i.1). Poinstruuj osobę palącą, aby zapaliła paliwo. Gdy członek załogi zapłonowej opuści tunel aerodynamiczny, poinstruuj członka załogi wiatrowej, aby uruchomił wentylator tunelu aerodynamicznego. Będzie to początek eksperymentu, w którym czas wynosi zero (t = 0).

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

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dane dotyczące wysokości płomienia korony i powierzchni uzyskano z danych wideo. Typowe trendy wysokości płomienia dla eksperymentów przedstawiono w Rysunek 6. Zachowanie wysokości płomienia było zgodne z tym, które stwierdzono w Sun i wsp.14

figure-results-1
Rysunek 6: Szacowana wysokość pł...

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

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

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

Powiązane artykuły