Summary
Denne protokol beskriver vindtunnel eksperimenter designet til at studere overgangen af en brand fra jorden til canopy chaparral buske.
Abstract
Denne protokol udgør en laboratorium teknik udviklet til at studere chaparral crown brand tænding og spredning. Eksperimenter blev udført i en lav hastighed brand vindtunnel hvor to forskellige lag af brændstof var konstrueret til at repræsentere overflade og crown brændstoffer i chaparral. Chamise, en fælles chaparral busk, består det levende crown lag. Døde brændstof overflade lag blev bygget med excelsior (strimlet træ). Vi udviklet en metode til at måle massetab, temperatur, og flammen højde for både brændstof lag. Termoelementer placeret i hvert lag anslået temperatur. Et videokamera erobrede den synlige flammer. Efterbehandling af digitale billeder givet flamme egenskaber herunder højde og flamme tilt. En brugerdefineret crown massetabet instrument udviklet in-house målt udviklingen af massen af crown lag under brændingen. Massive tab og temperaturændringer tendenser fremstillet ved hjælp af den teknik matchede teori og andre empiriske undersøgelser. I denne undersøgelse præsenterer vi detaljerede eksperimentelle procedurer og oplysninger om instrumenterne anvendes. De repræsentative resultater for brændstof masse tab sats og temperatur indgives inden brændstof sengen er også inkluderet og drøftet.
Introduction
I 2016 oplevede staten Californien 6,986 wildland brande, forbrugende 564,835 acres1, koster millioner af dollars i skader, og risikere wellness af hundredvis af mennesker i alt. På grund af den regionale middelhavsklima er en væsentlig brændselskilde for disse brande chaparral vegetation samfund2. Brandspredning i chaparral kan betragtes en krone brand, da det vigtigste brændstof, der brænder er forhøjet3. Co-eksisterende med overvejende live crown-laget, er laget døde overflade brændstof, som består af kaste blade, grene og urteagtige planter, der vokser under og mellem de enkelte buske. Brand vil lettere indlede i laget døde overflade brændstof. Når overfladen ilden antænder, kan ilden overgang til kronen lag hvor den energi, der frigives ved ilden stiger dramatisk. Mens chaparral brande har typisk været modelleret som en brand spredes i dybe overflade brændstoffer4, har der været begrænset undersøgelse af chaparral brande som crown brande.
Crown karakteristika i chaparral, herunder løv partikel form, adskiller sig fra boreale nåleskov, hvor de fleste af forskningen er opstået. Talrige laboratorium og område skala undersøgelser har undersøgt forskellige aspekter af wildfire dynamics6,5,7,3,8,9,10 ,11,12. Inden for grænserne af laboratorieforsøg, flere studier har undersøgt parametres som vind og brændstof egenskaber på chaparral crown brand adfærd. Lozano7 undersøgt Karakteristik af crown brand indledning i overværelse af to diskrete crown brændstof senge. I Tachajapong et al. 3, diskrete overflade og crown lag blev brændt inde i en vindtunnel og overflade ilden var karakteriseret. Eneste krone brand indledning var fuldt beskrevet forlader fuld analyse af spredning for det fremtidige arbejde. Li et al. 11 rapporterede om udbredelsen af en flamme selv enkelt chaparral buske. I relateret arbejde, Cruz et al. 10 , 9 udviklet en model for at forudsige antændelse af nåletræ løv over en spredning overflade brand. Brænde Karakteristik af chaparral brændstoffer har været udforsket i eksperimentelle undersøgelser af bulk brændstoffer og enkelte blade13,14,15,16. Dupuy et al. 13 studerede Pinus pinaster nåle og excelsior brændende karakteristika ved forbrænding af brændsel i cylindrisk kurve. De bemærkede, at i disse brændstoffer, var flamme højde relateret til varme frigivelse sats via en to-femtedele magt lov, som tidligere har været rapporteret i litteraturen17,18. Solen et al. 14 brændt chaparral brændstoffer i lignende cylindrisk kurve til at analysere tre chaparral brændstoffer brændende karakteristika: chamise (Adenostoma fasciculatum), ceanothus (Ceanothus crassifolius) og manzanita ( Melbærris glandulosa).
Motiveret af resultaterne fra de førnævnte laboratorieundersøgelser, vores formål her er at præsentere en metode til at karakterisere spredning i både overflade og busk crown lag. Derudover tilstræber vi at afklare nogle af de vigtigste karakteristika, der er bestemmende for graden af overflade-crown lag interaktion. Til dette formål udviklet vi et forsøgslaboratorium metode til at studere den lodrette overgangen af en ild brændende i en wildland overflade brændstof til en brand spredes i et ophøjet busk brændstof. I disse typer af brande, kan oversættelse af brand busk krone, kendt som kroning, efterfølges af vedvarende spredning under de rette betingelser. I almindelighed, er chaparral brand adfærd dikteret af topografi, vejr og brændstof19. Det har vist sig at vinden påvirker energi frigivelse sats i brændstoffer5,3,8,20.
Brandspredning i porøse brændstoffer kan ses som en række overgange eller tærskler, der skal krydses for at være vellykket21. Energisk, antænder et brændstof partikel hvis mængden varme, som det modtager, resulterer i en blanding af gasser, der med held reagerer med ilt. Den resulterende flamme spreder hvis varmen fra den brændende partikel antænder en tilstødende brændstof partikel. Ilden spreder sig over hele jorden hvis det er i stand til at krydse huller mellem brændbart fuel elementer. Hvis flammen af en overflade brand er i stand til at udbrede lodret i kronen af buske og træer, observeret en betydelig ændring i brand adfærd, herunder øget varme release priser, ofte på grund af en større tilgængelighed af brændstof. Termisk energi dynamics i wildland brande omfatte flere skalaer, fra de meget store skala, sådan i mega-brande, som ofte kræver klimatologiske modellering, til lille skala som kræver kemiske skala kinetic modellering. Her, vi beskæftiger os med laboratoriet vindtunnel skala adfærd modellering; for kemiske skala cellulose forbrænding undersøgelser henvises læseren til værker som Sullivan et al. 22
Siden 2001, har vi gennemført en lang række eksperimenter undersøger nogle af laboratoriet skala energi tærskler23,8,24,25,26, 27, med en vægt på live brændstoffer tilknyttet chaparral. Mens udendørs målinger af brand kan give mere virkelighedstro resultater, det kontrollerede miljø af vindtunnel mulighed for afgrænsning af virkningen af forskellige parametre. Styre vinden, for eksempel, er især vigtigt for chaparral crown brande forekommer i områder som sydlige Californien hvor foehn type vind, kendt som Santa Ana vind, er typisk chauffører af brand begivenheder. Fordi en stor motivator for metoden beskrevet her er at studere effekten af vind og andre kontrollerede parametre på chaparral brand spredning, blev denne undersøgelse udført i et laboratorium skala vindtunnel. Læseren er rettet til arbejde af Silvani et al. 28 for feltmålinger af temperatur i chaparral brande svarende til dem, der præsenteres her. For feltmålinger på effekten af vinden på brand opslag, se venligst Morandi et al. 29
Flere parametre påvirker spredningen i chaparral brændstoffer har været eksperimentelt analyseret af kvantificere sandsynlighedenaf brand spredes succes i forhøjede brændstof senge8. Den nuværende eksperimentel undersøgelse indebærer en metode udviklet til at studere chaparral crown brand spredes ved modellering overflade brændstoffer og crown brændstoffer inde i afsnittet test af et lav hastighed vindtunnel. Den overflade brændstof er modelleret med excelsior (tørret hakket træ). Overflade brændstof sengen er placeret i stueplan i vindtunnelen over en standard skala (Se figur 1). Der repræsenterer crown brændstof seng, en brændstof seng med chamise var placeret over overflade brændstof bed ved at suspendere brændstof fra en platform, der er monteret på vindtunnel rammen (Se figur 1). Både brændstof senge er instrumenteret for temperatur og massetabet målinger; flammen geometri er fremstillet af videooptagelser af eksperimenter. Parametre måles omfatter massetabet sats, brændstof vandindhold og relative fugtigheden i luften. Parametre kontrolleret var vinden tilstedeværelse, afstand mellem overflade brændstof seng og crown brændstof bed, og tilstedeværelsen af overflade brændstof. Den målte massetab sats kan bruges til at beregne den varme frigivelse sats, der er defineret som:
hvor h er varmen fra brændstofforbrænding, m er brændstof massen, og t er tiden.
Figur 1: Wind tunnel eksperimentel opsætning. Placeringer af crown brændstof seng, overflade brændstof seng og tunnel fan er blevet stemplet for bekvemmelighed. Overflade brændstof sengen er placeret i stueplan af vindtunnel over en standard skala. Der repræsenterer crown brændstof seng, var en brændstof seng med chamise placeret over overflade brændstof bed ved at suspendere brændstof fra en platform, der er monteret på rammen vindtunnel. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Eksperimenter har fokuseret på at forstå opførslen af chaparral crown brande, især antændelse, flammespredning og spredning og flamme front hastigheder og brændstof forbrug satser. For at studere samspillet mellem en overflade brand og en krone brand, seks konfigurationer af overfladen og crown brændstof senge med og uden anvendte vind flow, være blevet brændt i vindtunnel: crown brændstof kun med og uden vind (2), krone og overflade brændstof senge adskilt af to afstande med og uden vind (4). Tabel 1 sammenfatter de eksperimentelle konfigurationer med de 6 eksperimentelle klasser. I tabellen angiver overflade brændstof bed parameter om overflade brændstof var til stede under eksperimentet, vind parameter henviser til tilstedeværelsen af vinden og krone højde henviser til afstanden mellem bunden af crown brændstof seng og bunden af overfladen brændstof seng. Brændstof fugt blev målt til hvert eksperiment men ikke kontrolleret, gennemsnitlige brændstof vandindhold var 48%, mens de minimale og maksimale værdier var 18% og 68%, henholdsvis.
| Klasse | Overflade brændstof Bed | Vind | Krone højde |
| A | Fraværende | Ingen vind | 60 eller 70 cm |
| B | Fraværende | 1 ms-1 | 60 eller 70 cm |
| C | Nuværende | Ingen vind | 60 cm |
| D | Nuværende | Ingen vind | 70 cm |
| E | Nuværende | 1 ms-1 | 60 cm |
| F | Nuværende | 1 ms-1 | 70 cm |
Tabel 1: eksperimentere konfigurationer. Her betegner parameteren overflade brændstof bed om overflade brændstof var til stede under eksperimentet, vind parameter henviser til tilstedeværelsen af vinden og krone højde henviser til afstanden mellem bunden af crown brændstof seng og bunden af overflade brændstof bed.
En elektronisk skala målt overflade brændstof masse og vi udviklet et brugerdefineret massetabet system for crown lag. Systemet bestod af individuelle vejeceller forbundet til hvert hjørne af suspenderede brændstof seng. Forbruger-grade videokameraer indspillet de visuelle flammer; billedbehandling af de visuelle data ved hjælp af et brugerdefineret script genereres flamme egenskaber herunder højde og vinkel. Et program blev udviklet til at konvertere videobilleder fra RGB (rød, grøn, blå) kodning til sort og hvid gennem en proces af lysintensiteten tærskel. Kanten af flammen blev indhentet fra de sorte og hvide videobilleder. Maksimale flamme højde blev defineret som det højeste punkt af den flamme kant, øjeblikkelige flamme højder blev også indhentet. I et billede, var flammen højden målt fra bunden af brændstof seng til den maksimale lodrette punkt af flammen. Alle forarbejdning koder samt instrument kontrol interface designet til denne protokol er gjort tilgængelige af forfatterne her gennem deres software adgang site. Høst det levende brændstof lokalt og gennemføre de eksperimentelle burns inden for 24 timer minimeret fugttab. Et termoelement array indspillet brændstof bed temperatur i den stream-wise Vindretning muliggør beregningen af spredningen. Figur 1 viser et diagram over opsætningen brændstof seng sammen med termoelement arrangement. Nærmere oplysninger om den forsøgsplan følge.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
forsigtighed: som flere trinnene i følgende protokol omfatter aktiviteter, der har potentiale til at forårsage skade, sikre at den korrekte personlige værnemidler (PPE) bruges efter etablerede sikkerhed protokoller inklusive brand resistente tøj og beskyttelsesbriller.
1. crown brændstof Bed belastning celle Instrumentation Setup
- ændre 4 C-klemmer ved at knytte dobbelt spring gate carabiners (Se Tabel af materialer) gennem pin hul på klemme ' s skrue ende (jf. figur 2). Bruge carabiners for at suspendere crown brændstof bed.
- Ved hjælp af et andet sæt af C-klemmer, anbringer hver belastning strain gauge celle til den øverste del af vindtunnel rammen (Se figur 2).
- Vedhæft modificeret C-klemmer til den frie ende af strain gauge celler, med carabiners hængende ned. Tillægger platform for crown brændstof bed kæder.
- For at suspendere crown brændstof seng platform fra rammen vindtunnel, tilslutte hver af crown brændstof bed kæder til en karabinhage.
- Når hver af de fire vejeceller er fuldt monteret og tilsluttet brændstof seng, forbinde deres ledninger til Wheatstone broen, som vil blive anvendt til dataopsamling. Dække load celler med brand isolerende materiale, såsom den art der anvendes til brand krisecentre.
figur 2: Wind tunnel crown brændstof bed belastning celle instrumentation. (en) vindtunnel forfra (b) ændret C-clamp med karabinhage og crown brændstof bed kæde, som understøtter crown brændstof seng. (c) belastning celle knyttet til vindtunnel rammen ved hjælp af en C-clamp. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
2. indlæse celle kalibrering
Bemærk: signalet produceret af vejeceller er konverteret til en tilsvarende masse gennem:
hvor V er signalet, typisk i millivolt, A og B er konstanter skal fastlægges gennem kalibrering, og m er massen i gram. Alle parametre i ligning (2) er opnået gennem den brugerdefinerede instrument kontrol interface udviklet crown masse Instrumentation i denne protokol. Når først ved hjælp af system, præcision vægt bruges til at kalibrere mobilsignal belastning. Kalibrering konstanterne A og B vil blive opnået baseret på signalet produceret ved måling af belastningen af disse præcision vægte. Konstanten A beregnes ud fra:
hvor m t er en masse af retssag præcision vægt, en w er signalet produceret med den vægt lastet på vejecelle, mens et w, o svarer til signalet produceret når ingen vægt anvendes på vejecelle.
- At opnå kalibrering konstant A, krog præcision vægte (en god vifte ville være 200-500 g) til den første vejecelle. Brug præcision lodders masser som parameter m t i ligning (3).
- Indstillet belastning celle gevinst til 128 ved hjælp af feltet Input #, som vist i figur 3b, i.1. Dette svarer til den maksimale værdi tilladt af enheden.
- Læse udgangssignal på udgang 0 fra instrument grænseflade (Se figur 3b, i2). Dette er parameter en w i ligning (3).
- Krogen vægten og læse den nye værdi vises i grænsefladen instrument ( figur 3b, i2). Dette er parameter en w, o.
- Beregn A baseret på parametrene (m t , et w, et w, o) er fremstillet i trin 2.1 til 2.4 og ligninger præsenteret.
- Controller interface, Udfyld i Ch 0-M værdi for hver sensor med A værdien opnået i det forrige trin.
- At finde forskydningsværdi, B, fjerne alle vægte, læse værdien i den ' udgange kalibreret (g) ' (Se figur 3 c i2), formere denne værdi af -1. Det resulterende tal er konstanten B, skrive dette nummer i den " tilsætning " Ch 0-A box (Se figur 3 c, i.3).
- Gentag trin 2,3-2,8 for hver vejecelle (0, 1, 2, 3), systemet er nu helt kalibreret; gå videre til at indlæse brændstof senge med brændstofferne.
figur 3: Instrument kontrol interface data input trin for vejecelle kalibrering. (en) bro indledende opsætningsvindue med få installationsprogrammet og aktivere box (b) vindue for første etape af load cell kalibrering (c) vindue for anden fase af load cell kalibrering (d) vindue for sidste etape af load cell kalibrering, filen er gemt her og datalogning blev startet. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
3. forberedelse af Chaparral og Excelsior brændstof senge
Bemærk: hvert eksperiment bruger 2 kg af levende chamise og 0,5 kg af excelsior (strimlet aspen træ).
- Fra bunken af brændstof indsamlet til brænding, indsamle flere 1-pint flasker af brændstof (3-4 flasker).
- Følger de procedurer, der er afgrænset af landsmand og Dean til ovnen tørre prøver og få brændstof fugt indhold 30.
- Trim enkelte grene fra et bundt af nylig høstet chamise til at fjerne dødt materiale og gren materiale større end ¼ tommer diameter. Placer de resterende live Brændselsmateriale i beholderen til vejning.
- Vælg 2 kg af den klippede chamise og 0,5 kg af excelsior ved hjælp af en elektronisk skala. Sted 0,5 kg af excelsior på overfladen brændstof seng platform i stueetagen vindtunnel sikrer, at bulk-tæthed er så ensartede som muligt. Gøre dette ved at placere en kendt mængde af excelsior over kendte området dybde.
- Trækker fra hinanden (fnug) den komprimerede excelsior for at mindske dens bulk-tæthed, så det vil brænde let. indlæse 2 kg afpudset chamise på platform hængende fra vejeceller til at skabe den forhøjede brændstof seng. Jævnt fordelt chamise filialer over hele platformen til at producere en ensartet brændstof seng.
4. Termoelement Arrangement
Bemærk: K-Type termoelementer anvendes til at måle temperaturen i både brændstof senge. Data er indsamlet via et dataoptegningssystem, kontrolleret med en brugerdefineret anskuelighed bruger grænseflade (se tabel af materialer til controller design software). Termoelementer anbefales til brug er 24 AWG termoelementer med en responstid på 0,9 s.
- Tilslut et array af seksten 24 AWG termoelementer (dirigent diameter: 0.51054 mm) til en datalogger (responstid: 0,9 s).
- Indsæt 6 termoelementer i crown brændstof lag. Placer disse termoelementer 20 cm fra hinanden og undgå kontakt med termoelementer med grene. Indsæt 10 termoelementer i laget overflade brændstof. Placer disse overflade brændstof termoelementer 10 cm fra hinanden og undgå kontakt med termoelementer med grene (Se figur 4).
- Aktivere logføring af data ved at klikke på " Start " knappen i termoelement kontrol software interface.
figur 4: Diagram over overflade og crown brændstof senge med termoelement array placering. Her blev 6 termoelementer indsat i crown brændstof lag 20 cm fra hinanden. 10 termoelementer blev indsat i overfladen brændstof lag 10 cm fra hinanden. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
5. billede erhvervelse Setup
- Mount visuelle reference mål, der har røde mærker på 10-cm-intervaller over vinduet vindtunnel. Bruge dette mål som reference til at bestemme flamme højde fra eksperimentet video.
Bemærk: Prøve flamme højder er præsenteret i figur 5. - Opsætningsdata fotografiske samling. Med fokus på området vindtunnel test justere kameraet fokus for at fange hele lodret reference mål samt området brændstof bed.
- Opsætning videokamera dataindsamling. Montere video kamera med en universel kamera wall mount på væggen for at give et fuldt overblik over afsnittet vindtunnel test.
figur 5: fotografi af prøven flamme højder fra en typisk eksperiment. Den blå visuelle mål med rød markering serverer som reference til at bestemme flamme højde fra eksperimentet video. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
6. flow Setup
Bemærk: vindtunnel er udstyret med en variabel blæserhastighed. Luftstrømmen i vindtunnel er tidligere kalibreret til blæserhastighed. For at opnå den ønskede Vind hastighed, er fan rotationshastighed (i Hz) markeret. I de nuværende eksperimenter, ingen vind og 1 m/s vind flow tilfælde blev undersøgt.
- Sæt fan hastighed til 1 m/s på hastighed controller. Tænd ventilatoren for at sikre, at det fungerer korrekt.
- Slukke fan. Det er nu klar til brug.
Bemærk: Brænde bygning er designet til at udføre brand eksperimenter sikkert mens evakuere røg fra arbejdsrum. Underrette de lokale brand myndigheder at eksperimenter udføres for at eliminere forekomsten af falske alarmer. - Lukke alle døre i bygningen for at sikre, at tag udluftninger er den eneste mulige udgang for røg evakuering.
- Tænd lufttilførslen fans til at bringe i frisk luft udefra bygning i gulvhøjde. Tænde udsugnings at evakuere røg gennem tag ventilationskanaler.
Bemærk: Dette vil etablere en lav hastighed, høj lydstyrke luftstrøm fra uden for den bygning, der stiger lodret på grund af den lille trykforskellen og tag åbninger. - Før hvert forsøg, bruge en våd-pære hygrometer til måling af relativ fugtighed og temperatur i den omgivende luft.
7. Tænding (gennemføre samtidigt med trin 8)
Bemærk: tænding processen bør foretages som følger af tænding besætningsmedlem. For øget sikkerhed, anbefales det, at et andet besætningsmedlem forblive i nærheden af prøveområdet under tænding.
- Når instrueres i at ' antænde ', sættetid forkanten af excelsior overflade brændstof seng med denatureret ethanol. Placer alkohol flaske fra zonen tænding og bruger en butan fakkel, antænde slutningen af overflade brændstof bed i en linje parallel med forkant af brændstof seng. Være opmærksom, da den alkohol-dyppet brændstof vil let antænde.
- Når brændstof sengen har været antændt, træde ud af afsnittet test og luk tunnel. Hvis vinden er påkrævet for eksperimentet, tænde vindtunnel fan.
8. Indlede eksperimentelle køre
Bemærk: ved kontrol af eksperimentet er korrekt opsætning, kameraer bør startes.
- Tænde videokameraet til at optage.
- Tale højt eksperiment antal/code, dato og eksperimenterende konfiguration, så mikrofonen på video-kameraet registrerer oplysningerne.
- Instruere computer besætningen at starte logføring af data ved at afkrydse den " aktiverer logføring af data " indstilling i instrument kontrol interface (Se figur 3d, i.1). Instruere tænding personen til at antænde brændstoffet. Når tænding besætningsmedlem afslutter vindtunnel, instruere vind besætningsmedlem at starte vindtunnel fan. Dette vil være begyndelsen af eksperimentet hvor tid er nul (t = 0).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Kronen og overflade flamme højde data blev indhentet fra de video data. Typiske flamme højde tendenser for eksperimenter er præsenteret i figur 6. Flammen højde adfærd følges, findes i solen et al. 14
Figur 6: anslået crown flamme højde. Her U = 1 m/s, overflade-crown adskillelse d = 70 cm. Dette svarer til en repræsentant klasse E eksperiment. Flammen højde er fremkommet ved forarbejdning af billeder fra eksperimentet video. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Udviklingen i flamme højde i figur 6 blev valgt, fordi det viser typiske flamme højde adfærd for eksperimenter med vinden. I disse typer af forsøg, flammerne begynde i det små, får store tæt på midten af brændstof sengen, så vil henfalde med tid som flammer komme tættere på slutningen af brændstof seng. Eksperiment i præsenteres figuren er tilfældet F (vind på 1m/s og afstanden mellem kronen og overflade brændstof på 70 cm). I dette tilfælde hjælper vinden flammen til at vippe. På grund af den flamme tilt er radiative varmeoverførsel af flammen til brændstof sengen forbedret31. Da flammen rejser gennem brændstof seng vil det pre varme brændstof foran det. Midten af brændstof sengen synes at være en optimal placering hvor tilstrækkelig forvarmning er sket over en stor mængde af brændstof til at skabe en stor flamme. Slutningen af brændstof bed også forvarmet, men mængden af brændstof bliver begrænset, således at mindre pyrolyse gasser er udgivet som resulterer i nedsat flamme højde.
Brændstof forbrug satser blev indhentet for hele omfanget af både brændstof senge. Udviklingen af massetab til udvalgte forsøg er præsenteret i figur 7. Parameteren ikke-dimensional M er forholdet mellem øjeblikkelige masse m og indledende massen m0. Dimensionsløs tid Τ er forholdet mellem den eksperimentelle tid t og samlet brænde tid tf, hvor samlede brænde tid defineres som den tid når flammende tænding har stoppet. Udviklingen af massetab hele eksperimenter fulgte forventede funktionsmåde. Tre generelle områder blev identificeret fra Karakteristik af massetab kurve: tænding, flammende, og Ulmer, se figur 7. Det var en sag F eksperiment (vind på 1 m/s, afstand mellem overfladen og kronen af 70 cm). Vandindhold brændstof var 45%, relativ luftfugtighed var 66%, og den samlede brænde tid var 2,5 min. samlet massetabet og massetabet sats tendenser matchede dem, der præsenteres af Rothermel32 og fribaarne mfl. 33
Figur 7: brændstof forbrug tendens. Afbildet er en repræsentant klasse F eksperiment, hvor U = 1 m/s og overflade-crown adskillelse d = 70 cm. forbrænding regioner er mærket i plot (tænding, flammende og Ulmer). Den generelle tendens med disse tre regioner blev observeret for de fleste eksperimenter. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
For at illustrere massetabet tendenser for både overflade og crown lag fremstillet af eksperimenter beskrevet gennem denne metode, er resultater for fire forsøg præsenteret i figur 8 og figur 9. Gennemsnit brænde gange for eksperimenterende kategorier repræsenteres af figur 8 var som følger: klasse C og D i gennemsnit 4,5 minutter og klasse E og F i gennemsnit 2,5 minutter. Som kan iagttages, vind forbedret massive tab og samlet brænde tid.
Figur 8: overflade brændstof bed massetabet for repræsentative eksperimenter. Data er vist fra eksperimenter med vinden på 1 m/s og uden vind, samt to overflade-crown afstandene testet: d = 60, 70 cm. masse tab data her er fremstillet af den digitale skala brugt til overflade brændstof seng. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9: krone brændstof bed massetabet for repræsentative eksperimenter. Data viser eksperimenter med vinden og uden vind samt de to overflade-crown afstande testet. Massetabet data her er fremstillet af belastning celle instrumentering brugt til crown brændstof seng. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Gas fase temperaturer blev målt til både brændstof senge ved hjælp af seksten termoelementer inden for brændstof senge. Termoelementer er mærket T0-T15, figur 4 skildrer termoelement arrangement. Termoelementer T0-T09 var placeret inde overflade brændstof seng, mens T10 - T15 blev placeret inde i kronen brændstof seng. Crown brændstof bed temperaturer for en valgte eksperiment er præsenteret i figur 10.
Figur 10: brændstof bed gas temperaturer krone brændstof bed. Termoelement arrangement er angivet i figur 4. Vist er et klasse B-eksperiment uden overflade brændstof seng og en vindhastighed på 1 m/s. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 11: temperaturmålinger som følge af forkert anbringelse af termoelementer. Termoelement arrangement er angivet i figur 4. Afbildet er data for crown bed Brændstoftemperaturen hvor termoelementer var forkert placeret som det fremgår af de unormalt lave temperaturer. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Det er vigtigt at bemærke, at hvis termoelementer ikke er indsat korrekt i brændstof bed, temperaturmålinger vil være unøjagtige. For eksempel, efter behandlingen temperaturmålinger i eksperimentet repræsenteret ved Figur 11, blev det bemærket, at temperaturer for et af crown brændstof bed termoelementer (T15) var under normal til brænding betingelser. Disse temperatures var tættere på omgivende betingelser end til gas fase temperaturer med brændende chamise. Således var det udledes at i dette tilfælde termoelement T15 forblev udenfor brændstof sengen gennem forsøget.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Evnen til at måle den forhøjede brændstof masse i hele eksperimentet var en af de største fordele af teknikken præsenteret her. Tidligere undersøgelser adressering chaparral brand har fokuseret på enten eneste krone brand indledning eller kun på overfladen spredt, men ikke begge. Sådanne undersøgelser har kvantificeret mulighed for antændelse i laget krone og har forladt studiet af spredning for fremtidige arbejde23. Vores metode giver mulighed for måling af massetab, temperaturfordelingen og flamme geometri for begge lag involveret i busk crown brand tænding og spredning. Det giver mulighed for indirekte udlede energi flux fra massive tab. Andre undersøgelser har vist fordelene ved direkte måling af heat flux i brand spredning eksperimenter. Finney et al. præsenteret flere eksempler på varme fluksmålinger i wildfire sprede eksperimenter34. Gennem dette arbejde, de var i stand til at gøre vigtige bemærkninger om roller konvektive og radiative varmeoverførsel spille i wildfire spredes. Den metode, der præsenteres her tilladt for baseline observationer af energi dynamics i wildfire spredt i chaparral. En gavnlig næste skridt ville indebære en mere dybtgående analyse af de særlige bidrag af strålings og konvektive varmeoverførsel. Fremtidige studier anbefaler vi at udforske direkte måling af varme strømme.
For at sikre nøjagtigheden i målingerne der er flere kritiske trin. Kalibrering af vejeceller måling crown massetabet er måske den mest kritiske trin og trin, der tager mest tid. Dette er fordi for enden af hvert eksperiment dag crown brændstof seng skal afmonteres, og let bevægelse i konfigurationen kan forårsage ændringer i masse aflæsninger. Derfor skal kalibreringen udføres ved begyndelsen af hvert eksperiment dag. Til fremtidige eksperimenter, ville en mere permanent konfiguration være ideelt. I denne fremtidige konfiguration, vil de enkelte vejeceller anbringes på opsætningen af eksperimenterende.
Ud over trinnet kalibrering er endnu et kritisk skridt i protokollen forberedelsen af brændstoffer. Hensigten med den hele eksperimentelle program er at skabe en bedre forståelse af forbrænding i live brændstoffer med henblik på at forbedre vores evne til at forudsige foreskrevne brand opførsel. Mens live grene op til ½ tomme (1,27 cm) kan indtages i en høj intensitet ordineret brænde i chaparral flammefronten (Se grøn35), større diameter brændstoffer er typisk ikke brændt i flammefronten. Laboratorium burns bruger chaparral brændstoffer har fokuseret på ved hjælp af brændstoffer, der vil generelt blive indtaget af en foreskrevne brænde sprede flammefronten (Se Cohen og Bradshaw36, Weise et al. 37). store chaparral arter inkluderer chamise (Adenostoma fasciculatum), mens andre chaparral brændstoffer omfatter manzanita (Arctostaphylos glandulosa) og hoaryleaf ceanothus (Ceanothus crassifolius). Her var chamise brændstof valgt, fordi det er den mest brændbare af disse arter. Protokollen kan ændres til at omfatte andre arter, så længe gren størrelsen bevares under ¼ tommer.
I almindelighed, uanset arten valgt som brændstof, grene bør være trimmet sådan, at alle gren diametre < ¼ tommer (0,63 cm) for at opretholde ensartethed. Ikke udføre dette trin eller udfører det forkert ville indvirke negativt reproducerbarhed af resultaterne. Over trimning kan grenene også skyldes ufordelagtige brændstof senge med meget lille filial størrelser har tendens til at have større pakning tæthed og dermed også brænde forskelligt. I proceduren beskrevet her, efter Omodan38, blev pakning tæthed opretholdt på et gennemsnit på 9,2 kg/m3.
Det er værd at bemærke, at på grund af omfanget af dette eksperiment, en besætning af 4 eller flere personer er forpligtet til at sikre effektivitet under eksperimentet. At have en person med ansvar for besætningen med den protokol, der er synlige på alle tidspunkter er vigtigt at sikre, at alle trin er fulgt korrekt. Denne person er ansvarlig for sikkerheden i besætningen samt koordinering af eksperimentet. Det er vigtigt, at denne person og resten af besætningen være opmærksomme på deres sikkerhed og miljø, som betyder at have synlighed af brandslukker, sikre udstødningsgas ventilationskanaler er på og dørene er lukkede under eksperimentet.
Derudover ville det være en fordel at synkronisere alle instrumenterne med en enkelt udløser knap. Dette ville gøre dataanalyse og behandling mere effektiv. Endelig vil være en naturlig progression efter teknikken her er mestret at integrere nogle af de resterende vindtunnel kapaciteter såsom temperaturkontrol, som har været vist i andre undersøgelser at være en anden vigtig faktor til at overveje. Dette ville give en bredere vifte af kontrol med miljøforhold. Resultaterne præsenteres her er fra eksperimenter udført i sommermånederne når brændstoffer er typisk tørrere; denne periode svarer også til en del af året når wildland brande opstår. Men hvis en lang række sæsoner skal analyseres under ét forsøgsperioden, kan vindtunnel temperaturkontrol være ansat. Tilsvarende ville variation af brændstof vandindhold give indsigt på denne parameter indflydelse på chaparral crown brand overgang og spredning. I udformningen af en udvidet undersøgelse til at omfatte brændstof vandindhold og bulk tæthed som kontrollerede parametre, ville fejlanalyse som det leveres af Mulvaney et al. aide i at designe en metode med eksperimentelle ensartethed39.
Den teknik beskrevet her giver mulighed for en gennemgang af crown brand adfærd, der integrerer målinger af massen, temperatur, og flammen geometri for begge lag af brændstof involveret. Analyse som følge af denne metode kan føre til en øget forståelse af chaparral brand som en krone brand specielt inden for rammerne af selvstændige, aktive eller passive crown brand adfærd som fremlagt af Van Wagner5, hvilket giver viden til støtte i ilden forudsigelse og kontrol.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne anerkende Benjamin Sommerkorn, Gabriel Dupont, Jake Eggan og Chirawat Sanpakit der har bistået med eksperimenterne præsenteret her. Jeanette Cobian Iñiguez anerkender støtte af NASA MUREP institutionelle forskning mulighed (MIRO) tilskud antal NNX15AP99A. Dette arbejde blev også støttet af den USDA/USDI nationale brand Plan gennem en aftale mellem USDA Forest Service, PSW Research Station og University of California - Riverside.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Wind Tunnel Instrumentation | |||
| cDAQ-9178 CompactDAQ Chassis | National Instruments | 781156-01 | |
| NI-9213 C Series Temperature Input Module | National Instruments | 785185-01 | |
| NI SignalExpress for Windows | National Instruments | 779037-35 | Newest version, older version used for experiment |
| High Temperature Nextel Insulated Thermocouple Elements | Omega | XC-24-K-18 | |
| Thermocouple Extension Wire with Polyvinyl Coated Wire and Tinned Copper Overbraid | Omega | EXPP-K-24S-TCB-P | |
| Ultra High Temperature Miniature Connectors | Omega | SHX-K-M | |
| CompuTrac MAX 2000XL | Arizona Instruments | MAX-2000XL | Discontinued, Newer Model Out |
| Kestrel 3000 Pocket Weather Meter | Nielsen-Kellerman | 0830 | |
| Satorius CPA 34001S | Sartorius | 25850314 | Discontinued Model |
| 5 Kg Micro Load Cell (X4) | Robotshop.com | RB-Phi-118 | Strain Gauge Load Cell |
| Phidget PhidgetBridge Wheatstone Bridge Sensor Interface | Robotshop.com | RB-Phi-107 | Interfaces with 4 load cells, performs signal amplification |
| #2 Stainless S-Biner (X4) | Home Depot | SB2-03-11 | Dual spring gate carabiners used to mount load cells |
| 2 in. Malleable Iron C-Clamp | Home Depot | # 4011 | Used to mount load cells |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Personal Protective Equipment | |||
| Wildland Firefighter Nomex Shirt | GSA Advantage | SH35-5648 | |
| Fireline 6 oz Wildland Fire Pants | GSA Advantage | 139702MR SEV16 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Fuels | |||
| Chamise | Collected in situ | N/A | |
| Natural Shredded Wood Excelsior – Natural Coarse 50 lbs bail | Paper Mart | 21-711-88 | |
| Bernzomatic UL100 Basic Propane Torch Kit | Home Depot | UL100KC | |
| Isopropyl alcohol | Convenience store | N/A | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Video and Photography | |||
| Nikon D3000 10.2-MP DSLR camera with DX-format sensor and 3x 18x55mm Zoon-NIKKOR VR Image Stabilization Lens | |||
| Sony Handycam Camcorder DCR-SX85 | Amazon.com | DCR-SX85 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Software | |||
| NI LabView | National Instruments | Student Version | Used for instrument control and interfacing |
| MATLAB Student Version (MATLAB_R2014a) | Mathworks | Student Version | Used for data post-processing including image processing |
References
- California Department of Forestry and Fire Protection. Incident Information, 2016. , Available from: http://cdfdata.fire.ca.gov/incidents/ (2016).
- Minnich, R. A. Fire mosaics in southern California and northern Baja California. Science. 219 (4590), 1287-1294 (1983).
- 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).
- Rothermel, R. C., Philpot, C. W. Predicting changes in chaparral flammability. J. For. 71 (10), 640-643 (1973).
- Van Wagner, C. E. Conditions for the start and spread of crown fire. Can. J. For. Res. 7, 23-34 (1977).
- Fons, W. L. Analysis of Fire Spread in Light Forest Fuels. J. Agric. Res. (3), (1946).
- Lozano, J. An investigation of surface and crown fire dynamics in shrub fuels [dissertation]. , University of California-Riverside. 222 (2011).
- Weise, D., Zhou, X., Sun, L., Mahalingam, S. Fire spread in chaparral-'go or no-go?'. Int. J. Wildl. Fire. 14, 99-106 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- Byram, G. M. Combustian of Forest Fuels. For. Fire Control Use. , 61-89 (1959).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zukoski, E. Fluid Dynamic Aspects Of Room Fires. Fire Saf. Sci. 1, 1-30 (1986).
- Thomas, P. H., Webster, C. T., Raftery, M. M. Some experiments on buoyant diffusion flames. Combust. Flame. 5, 359-367 (1961).
- 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).
- 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).
- Williams, F. A. Mechanisms of fire spread. Symp. Combust. 16 (1), 1281-1294 (1977).
- Sullivan, A. L., Ball, R. Thermal decomposition and combustion chemistry of cellulosic biomass. Atmospheric Environment. 47, 133-141 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Silvani, X., Morandini, F. Fire spread experiments in the field: Temperature and heat fluxes measurements. Fire Safety J. 44 (2), 279-285 (2009).
- 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).
- 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).
- Albini, F. A. A Model for Fire Spread in Wildland Fuels by- Radiation. Combust. Flame. 42, (1985).
- Rothermel, R. C. A Mathematical Model for Predicting Fire Spread in Wildland Fuels. USDA For. Serv. Res. Pap. INT-115. , 40 (1972).
- 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).
- 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).
- Green, L. R. Burning by prescription in chaparral. USDA For. Serv. Gen. Tech. Rep. PSW-51. , 36 (1981).
- Cohen, J., Bradshaw, B. Fire behavior modeling - a decision tool. Proc. Prescr. Burn. Midwest State Art. , 1-5 (1986).
- 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).
- Omodan, S. Fire Behavior Modeling - Experiment on Surface Fire Transition to the Elevated Live Fuel A. , (2015).
- 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).
