Summary
Questo protocollo descrive esperimenti di Galleria del vento progettati per studiare la transizione di un fuoco da terra per il baldacchino di arbusti chaparral.
Abstract
Il presente protocollo presenta una tecnica di laboratorio progettata per studiare la diffusione e l'accensione del fuoco del chaparral corona. Gli esperimenti sono stati condotti in una galleria del vento di fuoco bassa velocità dove due strati distinti di carburante sono stati costruiti per rappresentare la superficie e corona del combustibile in chaparral. Chamise, un arbusto comune chaparral, compreso lo strato della parte superiore in tensione. Lo strato superficiale di carburante morto è stato costruito con l'excelsior (legno tagliuzzato). Abbiamo sviluppato una metodologia per misurare la perdita di massa, temperatura e fiamma altezza per entrambi i livelli carburante. Termocoppie esposto a ogni temperatura di strato stimato. Una videocamera catturato la fiamma visibile. Post-elaborazione di immagini digitali ha reso fiamma caratteristiche tra cui inclinazione altezza e fiamma. Uno strumento di perdita di massa corona personalizzato sviluppato internamente misurato l'evoluzione della massa dello strato corona durante la masterizzazione. Tendenze di perdita e temperatura massa ottenute utilizzando la teoria tecnica abbinato e altri studi empirici. In questo studio, presentiamo dettagliate procedure sperimentali e informazioni della strumentazione utilizzata. I risultati rappresentativi per il tasso di perdita di massa di combustibile e la temperatura depositata entro il letto del combustibile sono anche inclusi e discusso.
Introduction
Nel 2016, lo stato della California ha avvertito un totale di 6.986 incendi boschivi, consumando acri 564.8351, costano milioni di dollari di danni e rischiare il benessere di centinaia di persone. A causa del clima Mediterraneo regionale, una fonte di combustibile importante per questi fuochi sono chaparral vegetazione comunità2. Fuoco si diffuse in chaparral può essere considerato un incendio corona poiché il principale combustibile che brucia è elevato3. Coesiste con il livello di corona principalmente live, è lo strato di morta superficie combustibile, che si compone di cast fogliame, rami e piante erbacee che crescono sotto e tra gli arbusti individuali. Fuoco si avvierà più facilmente nello strato morta superficie combustibile. Una volta che si accende il fuoco di superficie, il fuoco può transizione allo strato corona dove l'energia rilasciata dal fuoco aumenta drammaticamente. Mentre chaparral incendi sono stati modellati in genere come un fuoco diffusione in superficie profonda combustibili4, c'è stato limitato studio di chaparral incendi come fuochi di corona.
Caratteristiche di corona in chaparral, tra cui la forma delle particelle di fogliame, differiscono dalla foresta boreale di conifera, dove si è verificata la maggior parte della ricerca. Numerosi studi su scala di laboratorio e sul campo hanno studiato i vari aspetti di wildfire dynamics6,5,7,3,8,9,10 ,11,12. All'interno del Regno di esperimenti di laboratorio, parecchi studi hanno esaminato l'influenza di parametri quali vento e proprietà del combustibile sulla corona chaparral comportamento al fuoco. Lozano7 ha esaminato le caratteristiche della corona fuoco iniziazione in presenza di due letti di carburante corona discreti. In Tachajapong et al. 3, superficie discreti e strati di corona sono stati bruciati all'interno di una galleria del vento e il fuoco di superficie è stato caratterizzato. Solo l'inizio di fuoco di corona è stato descritto completamente lasciando completa analisi della diffusione per il lavoro futuro. Li et al. 11 segnalato sulla propagazione di una fiamma però arbusti singolo chaparral. Nel lavoro relativo, Cruz et al. 10 , 9 hanno sviluppato un modello per prevedere l'accensione di conifere fogliame sopra un fuoco diffusione superficiale. Caratteristiche di ustione dei combustibili chaparral sono state esplorate negli studi sperimentali di combustibili di massa e individuo lascia13,14,15,16. Dupuy et al. 13 ha studiato le caratteristiche di combustione di Pinus pinaster aghi ed excelsior bruciando i combustibili in cestini di forma cilindriche. Essi hanno osservato che in questi combustibili, altezza della fiamma è stato correlato al tasso di rilascio di calore tramite una legge di potenza di due quinti come è stata segnalata precedentemente nella letteratura17,18. Sun et al. 14 bruciato combustibili chaparral in cesti cilindrici simili per analizzare le caratteristiche di combustione dei combustibili chaparral tre: chamise (Adenostoma Apiarius), ceanothus (Ceanothus crassifolius) e manzanita ( Glandulosa di Arctostaphylos).
Motivato dai risultati degli studi di laboratorio di cui sopra, il nostro scopo qui è di presentare una metodologia per caratterizzare la diffusione negli strati corona sia di superficie che di arbusto. Inoltre, ci proponiamo di chiarire alcune delle caratteristiche chiave che determinano il grado di interazione di strato di superficie-corona. A questo scopo, abbiamo sviluppato una metodologia di laboratorio sperimentale per studiare la transizione verticale di un fuoco che brucia in un wildland superficie combustibile ad un fuoco diffusione in un combustibile di arbusto con privilegi elevati. In questi tipi di fuochi, traduzione del fuoco per la corona di arbusto, noto come coronamento, può essere seguita da sostenuta diffusione nelle giuste condizioni. In generale, comportamento al fuoco chaparral è dettata dalla topografia, meteo e carburante19. È stato dimostrato che il vento influisce sulla velocità di rilascio di energia a combustibili5,3,8,20.
Fuoco diffuso nei combustibili porosi può essere vista come una serie di transizioni o soglie che devono essere attraversate per essere successo21. Energico, una particella di carburante si accende se la quantità di calore che riceve si traduce in una miscela di gas che con successo reagiscono con l'ossigeno. La fiamma risultante si diffonde se il calore dalla combustione particella si accende una particella di carburante adiacente. Il fuoco si propaga attraverso il terreno se è in grado di attraversare spazi vuoti tra gli elementi combustibili. Se la fiamma di un fuoco di superficie è in grado di propagarsi verticalmente nella corona di alberi e arbusti, un cambiamento significativo nel comportamento al fuoco, tra cui velocità di rilascio di calore aumentato, è osservato spesso a causa di una maggiore disponibilità di carburante. Energia termica dinamica degli incendi boschivi comprende diverse scale, dalla scala molto grande, ad esempio in mega-incendi che spesso richiedono modellistica climatologica, alla piccola scala che richiedono modellistica cinetica chimica scala. Qui, abbiamo a che fare con il comportamento di laboratorio Galleria del vento scala modellazione; per studi a scala chimica cellulosa combustione, si rimanda il lettore alle opere come Sullivan et al. 22
Dal 2001, abbiamo condotto una varietà di esperimenti esaminando alcuni del laboratorio scala energia soglie23,8,24,25,26, 27, con un'enfasi sui combustibili live associato chaparral. Mentre all'aperto misure di fuoco possono fornire risultati più realistici, l'ambiente controllato della galleria del vento consentono delineazione dell'impatto dei vari parametri. Controllo vento, ad esempio, è particolarmente importante per chaparral corona incendi che si verificano in regioni come la California meridionale dove foehn tipo venti, noti come venti di Santa Ana, sono driver tipico degli eventi di incendio. Perché una motivazione importante per la metodologia descritta qui è quello di studiare l'effetto del vento e altri parametri controllati su chaparral propagazione del fuoco, questo studio è stato svolto in galleria del vento scala laboratorio. Il lettore è diretto al lavoro da Silvani et al. 28 per misure in campo di temperatura in chaparral incendi simili a quelli qui presentati. Per misure in campo sull'effetto del vento sulla diffusione di fuoco, vedere Morandi et al. 29
Diversi parametri che influenzano la diffusione nei combustibili chaparral sono stati analizzati sperimentalmente da quantificare la probabilitàdi fuoco diffuso successo in carburante elevati letti8. L'attuale studio sperimentale prevede una metodologia sviluppata per studiare fuoco corona chaparral diffuse da modellazione superficiale carburanti e combustibili di corona all'interno della sezione di prova della galleria del vento a bassa velocità. Il combustibile di superficie è modellato con excelsior (legno secco tagliuzzato). Il letto di superficie combustibile è collocato al piano terra della galleria del vento sopra una scala standard (Vedi Figura 1). Che rappresenta il letto del combustibile di corona, un letto di combustibile con chamise era posizionato sopra il letto di superficie combustibile sospendendo il carburante da una piattaforma montata sul telaio di Galleria del vento (Vedi Figura 1). Entrambi i letti carburante vengono instrumentati per temperatura e misure di perdita di massa; geometria di fiamma è ottenuta da registrazioni video degli esperimenti. Parametri misurati includono perdita di massa, contenuto di umidità del combustibile e l'umidità relativa dell'aria. Parametri controllati sono stati la presenza di vento, distanza tra superficie combustibile letto e letto di combustibile di corona e la presenza di superficie combustibile. Il tasso di perdita di massa misurato può essere utilizzato per calcolare il tasso di rilascio di calore, che è definito come:
dove h è il calore di combustione di combustibile, m è la massa di combustibile, e t è il tempo.
Figura 1: messa a punto sperimentale Wind tunnel. Posizioni del letto del combustibile di corona, il letto di superficie combustibile e la ventola di tunnel sono stati etichettati per la comodità. Il letto di superficie combustibile è collocato al piano terra della galleria del vento sopra una scala standard. Che rappresenta il letto del combustibile di corona, un letto di combustibile con chamise era posizionato sopra il letto di superficie combustibile sospendendo il carburante da una piattaforma montata sul telaio di Galleria del vento. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Gli esperimenti si sono concentrati sulla comprensione del comportamento di chaparral corona incendi, in particolare dell'accensione, meccanismi di propagazione della fiamma e diffusione, fiamma su velocità e tassi di consumo di carburante. Per studiare l'interazione tra un fuoco di superficie e un fuoco di corona, sei configurazioni di letti di carburante di superficie e corona con e senza flusso di vento applicata, sono stati bruciati nella galleria del vento: carburante corona solo con e senza vento (2), la corona e letti di combustibile separati da in superficie due distanze con e senza vento (4). La tabella 1 riassume le configurazioni sperimentali con le 6 classi sperimentali. Nella tabella, il parametro di letto superficie combustibile denota se superficie combustibile era presente durante l'esperimento, il parametro di vento fa riferimento alla presenza di vento e altezza corona si riferisce alla distanza tra il fondo del letto di combustibile corona e la parte inferiore della superficie letto di combustibile. Umidità del combustibile è stato misurato per ogni esperimento ma non controllato, contenuto di umidità medio di carburante era 48%, mentre i valori minimi e massimo erano 18% al 68%, rispettivamente.
| Classe | Letto di superficie combustibile | Vento | Altezza corona |
| A | Assente | Senza vento | 60 o 70 cm |
| B | Assente | 1 ms-1 | 60 o 70 cm |
| C | Presente | Senza vento | 60 cm |
| D | Presente | Senza vento | 70 cm |
| E | Presente | 1 ms-1 | 60 cm |
| F | Presente | 1 ms-1 | 70 cm |
Tabella 1: sperimentare configurazioni. Qui il parametro letto superficie combustibile denota se superficie combustibile era presente durante l'esperimento, il parametro di vento fa riferimento alla presenza di vento e altezza corona si riferisce alla distanza tra il fondo del letto di combustibile corona e il fondo del letto superficie combustibile.
Una bilancia elettronica misurato superficie combustibile massa e abbiamo sviluppato un sistema di perdita di massa personalizzata per lo strato di corona. Il sistema è costituito da singole celle di carico collegate ad ogni angolo del letto sospeso carburante. Videocamere di livello consumer registrato le fiamme visual; elaborazione di immagini dei dati visual utilizzando uno script personalizzato generato fiamma caratteristiche tra cui altezza e angolazione. Un programma è stato sviluppato per convertire i fotogrammi video da RGB (rosso/verde/blu) codifica in bianco e nero attraverso un processo di soglia di intensità della luce. Il bordo della fiamma è stato ottenuto dai fotogrammi video bianchi e nero. Altezza massima della fiamma è stato definito come il punto più alto del bordo della fiamma, altezze di fiamma istantanea inoltre sono state ottenute. In un'immagine, altezza della fiamma è stata misurata dalla base del letto di combustibile per il punto verticale massimo della fiamma. Tutti i codici di elaborazione così come l'interfaccia di controllo dello strumento progettato per questo protocollo è stati resi disponibile dagli autori qui attraverso il loro sito di accesso del software. Raccolta del combustibile dal vivo localmente e conducendo le ustioni sperimentale entro 24 h ridotto al minimo la perdita di umidità. Una matrice di termocoppia registrato temperatura del letto di combustibile nella direzione stream-wise del vento, che permette il calcolo del tasso di diffusione. La figura 1 Mostra un diagramma dell'installazione letto combustibile insieme con la disposizione di termocoppia. Seguono dettagli del protocollo sperimentale.
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Protocol
Attenzione: come diversi passaggi nel seguente protocollo implicano attività che hanno il potenziale di causare lesioni, assicurarsi che i dispositivi di protezione personale (PPE) sono utilizzato a seguito di protocolli di sicurezza stabilite tra cui fuoco Abbigliamento resistente e occhiali protettivi.
1. Corona carburante letto Load Cell strumentazione Setup
- modificare 4 C-morsetti collegando moschettoni doppia molla (Vedi Tabella materiali) attraverso il foro del perno al morsetto ' estremità di s della vite (Vedi Figura 2). Utilizzare i moschettoni per sospendere il letto del combustibile corona.
- Con un diverso insieme di C-morsetti, apporre ogni cella di carico estensimetrica alla porzione superiore del telaio Galleria del vento (Vedi Figura 2).
- Allega modificato C-morsetti all'estremità libera delle cellule strain-gauge, con i moschettoni penzoloni. Fissare le catene alla piattaforma per il letto di combustibile corona.
- Per sospendere la piattaforma letto di combustibile corona dal telaio della galleria del vento, collegare ciascuna delle catene letto combustibile corona ad un moschettone.
- Una volta ciascuno le quattro celle di carico sono completamente montato e collegato al letto di combustibile, fili al ponte di Wheatstone che verrà utilizzato per l'acquisizione dati. Coprire le celle di carico con materiale isolante, come ad esempio il tipo utilizzato per i rifugi di fuoco fuoco.
Figura 2: strumentazione di Galleria del vento corona carburante letto carico cell. (un) Wind tunnel vista frontale (b) Modified C-clamp con moschettone e corona catena del letto di combustibile che supporta il letto del combustibile di corona. (c) carico cella collegata al telaio di Galleria del vento con un C-clamp. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
2. calibrazione della cella di carico
Nota: il segnale prodotto dalle celle di carico viene convertito in una massa equivalente attraverso:
dove V è il segnale, in genere espresso in millivolt, A e B sono costanti da determinarsi mediante calibrazione e m rappresenta la massa in grammi. Tutti i parametri nell'equazione (2) vengono ottenuti tramite l'interfaccia di controllo dello strumento personalizzato sviluppato per la strumentazione di massa corona in questo protocollo. Quando il primo utilizzando il sistema, pesi di precisione sono usati per calibrare il segnale di cella di carico. Le costanti di calibrazione A e B saranno ottenuti basato sul segnale prodotto quando il carico di questi pesi di precisione di misura. La costante A è calcolata da:
dove m t è una la massa del peso di prova di precisione, w è il segnale producerat con la peso caricato sulla cella di carico, mentre un w, o corrisponde al segnale prodotto quando nessun peso è applicato sulla cella di carico.
- Per ottenere la calibrazione costante A, gancio pesi di precisione (una buona gamma sarebbe 200-500 g) alla prima cella di carico. Utilizzare la massa dei pesi di precisione come parametro m t nell'equazione (3).
- Impostare il guadagno di cella di carico a 128 utilizzando il campo di Input #, come illustrato in Figura 3b, i. 1. Ciò corrisponde al valore massimo consentito dal dispositivo.
- Leggere l'output di segnale in uscita 0 dall'interfaccia dello strumento (Vedi Figura 3b, i2). Questo è il parametro w nell'equazione (3).
- Sganciare il peso e leggere il nuovo valore visualizzato nell'interfaccia dello strumento ( Figura 3b, i2). Questo parametro è un w, o.
- Calcola A in base ai parametri (m t , w, a w, o) ottenuti in passaggi 2.1 a 2.4 e le equazioni presentate.
- Nell'interfaccia del controller, riempia il Ch 0-M valore per ogni sensore con il valore ottenuto nel passaggio precedente.
- Per trovare il valore di offset, B, rimuovere tutti i pesi, leggere il valore nella ' uscite calibrato (g) ' (vedere Figura 3 c i2), moltiplicare questo valore per -1. Il numero risultante è costante B, digitare questo numero nella " aggiunta " Ch cassetta 0-A (Vedi Figura 3 c, i. 3).
- Ripetere i passaggi da 2.3-2.8 per ogni cella di carico (0, 1, 2, 3), il sistema è ora completamente calibrato; procedere per caricare i letti di carburante con i combustibili.
Figura 3: ingresso strumento controllo interfaccia dati passi per cella di carico calibrazione. (un) finestra di setup iniziale di ponte con installazione di guadagno e attivare la casella (b), finestra per la prima fase di calibrazione di cella di carico (c) finestra per la seconda fase di calibrazione di cella di carico (d) finestra per ultimo fase di calibrazione della cella di carico, il file viene salvato qui e registrazione dei dati è stata avviata. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
3. preparazione del Chaparral ed Excelsior carburante letti
Nota: ogni esperimento utilizza 2 kg di chamise live e 0,5 kg di excelsior (legno aspen tagliuzzato).
- Dal mucchio di carburante raccolti per la masterizzazione, raccogliere diverse bottiglie 1-pinta di carburante (3-4 bottiglie).
- Seguire le procedure delineate dal suo connazionale ed Dean a esempi asciutto in forno e ottenere carburante umidità contenuto 30.
- Tagliare singoli rami da un fascio di chamise recentemente raccolto per rimuovere materiale morto e ramo superiore a ¼ di pollice di diametro. Posizionare il materiale live carburante residuo nel contenitore per la pesatura.
- Selezionare 2 kg della chamise profilati e 0,5 kg di excelsior usando una bilancia elettronica. Posto 0,5 kg di excelsior sulla piattaforma letto superficie combustibile al piano della galleria del vento, assicurando che la densità di massa è più uniforme possibile. Farlo inserendo una quantità nota di excelsior sopra una profondità conosciuta area.
- Tirare apart (lanugine) l'excelsior compattato per diminuire la densità di massa così prontamente brucerà. carico 2 kg di profilati chamise sulla piattaforma appese le celle di carico per creare il letto del combustibile con privilegi elevati. Uniformemente i rami chamise sopra l'intera piattaforma per produrre un letto di combustibile uniforme.
4. Disposizione di termocoppia
Nota: termocoppie di tipo K sono utilizzate per misurare la temperatura di entrambi i letti carburante. I dati vengono raccolti attraverso un sistema di acquisizione dati controllato con un utente grafica personalizzata interfaccia (Vedi tabella materiali per software di progettazione del controller). Le termocoppie consigliate per l'uso sono 24 termocoppie AWG con un tempo di risposta di 0,9 s.
- Collegano una matrice di sedici anni 24 termocoppie AWG (diametro del conduttore: 0,51054 mm) a un data logger (tempo di risposta: 0.9 s).
- Inserire 6 termocoppie per il livello di carburante di corona. Posizionare queste termocoppie 20cm a pezzi ed evitare il contatto delle termocoppie con rami. Inserire 10 termocoppie nello strato superficiale del combustibile. Posizionare queste termocoppie di superficie combustibile 10 cm di distanza ed evitare il contatto delle termocoppie con rami (Vedi Figura 4).
- Attivare la registrazione dei dati facendo il " Start " pulsante nell'interfaccia del software di controllo termocoppia.
Figura 4: diagramma della superficie e corona del combustibile letti con matrice di termocoppia posizione. Qui 6 termocoppie sono state inserite nel livello di carburante corona 20 cm l'una da altra. 10 termocoppie sono state inserite nello strato superficiale carburante 10 cm di distanza. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
5. installazione di acquisizione di immagini
- Monte visual target di riferimento che ha segni rossi a intervalli di 10 cm sopra la finestra della galleria del vento. Utilizzare questa destinazione come riferimento per determinare l'altezza della fiamma dal video esperimento.
Nota: Altezze di fiamma del campione sono presentate nella Figura 5.
Collezione - dati fotografici setup. Concentrandosi sulla zona di prova di Galleria del vento, regolare la messa a fuoco in modo da catturare il target di riferimento verticale intero così come la zona del letto di combustibile.
- Raccolta dei dati di configurazione videocamera. Montare la videocamera con un supporto da parete universale fotocamera sul muro per fornire una visione completa della sezione di prova di Galleria del vento.
Figura 5: fotografia di esempio fiamma altezze da un tipico esperimento. La destinazione visiva blu con marcatura rossa serve come riferimento per determinare l'altezza della fiamma dal video esperimento. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
6. flow Setup
Nota: Galleria del vento è dotata di una ventola a velocità variabile. Il flusso d'aria nella galleria del vento è stato calibrato in precedenza per la velocità della ventola. Per raggiungere la velocità desiderata del vento, la velocità di rotazione del ventilatore (in Hz) è selezionata. Negli esperimenti attuali, sono stati studiati senza vento e casi di flusso di vento 1 m/s.
- Impostare la velocità della ventola a 1 m/s il regolatore di velocità. Accendere il ventilatore per assicurarsi che funzioni correttamente.
- Spegnere il ventilatore. È ora pronto per l'uso.
Nota: L'edificio di ustione è progettato per condurre esperimenti di fuoco in modo sicuro durante l'evacuazione fumo dallo spazio di lavoro. Notificare alle autorità locali di fuoco che si stia conducendo esperimenti per eliminare la presenza di falsi allarmi. - Chiudere tutte le porte dell'edificio per garantire che le prese d'aria sul tetto sono l'unica possibile uscita per evacuazione fumi. Appassionati di
- accendere l'alimentazione dell'aria di portare aria fresca dall'esterno l'edificio a livello del pavimento. Accendere i ventilatori di scarico per evacuare fumo attraverso le prese d'aria sul tetto.
Nota: Questo stabilirà a bassa velocità, ad alto volume aria flusso dall'esterno l'edificio che si innalza verticalmente a causa della differenza di pressione lieve e le aperture del tetto. - Prima di ogni esperimento, utilizzare un igrometro a bulbo umido per misurare l'umidità relativa e la temperatura dell'aria ambiente.
7. Accensione (implementare contemporaneamente con passaggio 8)
Nota: il processo di accensione dovrebbe essere condotta come segue da membro dell'equipaggio di accensione. Per una maggiore sicurezza, è consigliabile che un secondo membro dell'equipaggio rimangono nei pressi dell'area di prova durante l'accensione.
- Quando richiesto ' ignite ', bagnare il bordo del letto superficie combustibile excelsior con alcool etilico denaturato. Posizionare la bottiglia di alcool lontano dalla zona di accensione e utilizza una torcia butano accendere alla fine del letto superficie combustibile in una linea parallela al bordo del letto di combustibile. Essere attento come il combustibile imbevuto d'alcol prontamente si infiamma.
- Una volta che il letto del combustibile è stato bruciato, passo fuori la sezione test e chiudere la porta del tunnel. Se il vento è necessaria per l'esperimento, accendere il ventilatore di Galleria del vento.
8. Avviare eseguire sperimentale
Nota: al momento di verificare l'esperimento è correttamente configurato, le telecamere devono essere avviate.
- Accendere la videocamera per registrare.
- Parlare ad alta voce il numero/codice dell'esperimento, la data e configurazione sperimentale quindi il microfono della videocamera registra queste informazioni.
- Istruire l'equipaggio di computer per iniziare la registrazione dei dati barrando la " attivare la registrazione di dati " opzione nell'interfaccia di controllo dello strumento (vedere figura 3d, i. 1). Istruire la persona di accensione per accendere il combustibile. Una volta che il membro dell'equipaggio di accensione esce dalla Galleria del vento, istruire il membro dell'equipaggio di vento per avviare la ventola di Galleria del vento. Questo sarà l'inizio dell'esperimento, dove il tempo è zero (t = 0).
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Representative Results
Corona e fiamma superficie altezza dati sono stati ottenuti dai dati dei video. Tendenze di altezza di fiamma tipico per gli esperimenti è presentato nella Figura 6. Fiamma altezza comportamento seguito che trovato in sole et al. 14
Figura 6: corona fiamma altezza stimata. Qui U = 1 m/s, separazione di superficie-Corona d = 70 cm. Ciò corrisponde ad un esperimento di classe E rappresentativo. Altezza della fiamma è ottenuto dalla lavorazione di immagini dal video esperimento. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
L'evoluzione dell'altezza della fiamma nella Figura 6 è stato scelto perché mostra fiamma tipico comportamento di altezza per gli esperimenti con il vento. In questi tipi di esperimenti, le fiamme iniziare in piccole, ottenere grande vicino al centro del letto di combustibile, quindi decadranno con tempo come fiamme si avvicina alla fine del letto di combustibile. L'esperimento nella figura presentata è caso F (vento a 1m/s e distanza tra corona e superficie combustibile a 70 cm). In questo caso, il vento aiuta la fiamma per inclinare. A causa dell'inclinazione della fiamma, trasferimento di calore radiativo della fiamma per il letto del combustibile è rafforzata31. Come la fiamma viaggia attraverso il letto di combustibile si riscalda il combustibile davanti a sé. Il letto di combustibile metà sembra essere una posizione ottima dove è sufficiente preriscaldamento verificato su una grande quantità di combustibile per creare una grande fiamma. Alla fine del letto di combustibile viene pre-riscaldata, tuttavia, la quantità di carburante diventa limitata in modo che meno gas di pirolisi vengono rilasciati che si traduce in altezza della fiamma in diminuzione.
Tassi di consumo di carburante sono stati ottenuti per l'intero ambito di entrambi i letti carburante. L'evoluzione della perdita di massa per esperimenti selezionati è presentato nella Figura 7. Il parametro adimensionale M è il rapporto tra massa istantanea m e la massa iniziale m0. Tempo adimensionale Τ è il rapporto tra il tempo sperimentale t e il totale bruciare tempo tf, dove autonomia totale è definito come il tempo quando ha smesso di accensione fiammeggiante. L'evoluzione della perdita di massa nel corso di esperimenti seguita al comportamento previsto. Tre regioni generali sono state identificate dalle caratteristiche della curva di perdita di massa: accensione, fiammeggiante e fumanti, veda la Figura 7. Questo è stato un esperimento di caso F (vento a 1 m/s, la distanza tra la superficie e corona di 70 cm). Il contenuto di umidità del combustibile era 45%, umidità relativa è stata del 66% e la totale autonomia era 2,5 min. perdita di massa totale e tendenze del tasso di perdita di massa corrispondevano a quelli presentati da Rothermel32 e Freeborn et al. 33
Figura 7: andamento dei consumi carburante. È raffigurato un esperimento rappresentanza di classe F, dove U = 1 m/s e superficie-Corona separazione d = 70 cm. combustione regioni sono etichettate nella trama (accensione, fiammeggiante e fumante). Per la maggior parte degli esperimenti è stata osservata la tendenza generalizzata con queste tre regioni. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Per illustrare le tendenze di perdita di massa per la superficie e la corona strati ottenuti da esperimenti descritti attraverso questa metodologia, i risultati per quattro esperimenti sono presentati nella Figura 8 e Figura 9. Media masterizzare volte per categorie sperimentale rappresentate dalla Figura 8 erano come segue: classe C e D in media 4,5 minuti e classe E e F in media 2,5 minuti. Come si può osservare, vento ha migliorato il tasso di perdita di massa e la totale autonomia.
Figura 8: perdita di massa del letto combustibile per esperimenti rappresentativi in superficie. I dati sono mostrati dagli esperimenti con vento a 1 m/s e senza vento, così come le due distanze di superficie-Corona testate: d = 60, 70 cm. perdita di massa dati qui sono indicati dalla bilancia digitale utilizzata per il letto di superficie combustibile. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9: Crown perdita di massa del letto combustibile per esperimenti rappresentante. I dati mostrano esperimenti con vento e senza vento come pure le due distanze di superficie-Corona testate. Perdita di massa dati qui viene ottenuta dalla strumentazione di cella di carico utilizzata per il letto di combustibile di corona. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Temperature del gas di fase sono state misurate per entrambi i letti carburante utilizzando sedici termocoppie entro i letti di carburante. Termocoppie sono etichettate T0-T15, Figura 4 raffigura la disposizione di termocoppia. Termocoppie T0-T09 sono stati collocati all'interno del letto di superficie combustibile, mentre T10 - T15 sono stati collocati all'interno del letto di combustibile di corona. Temperature di letto di combustibile corona per un esperimento selezionato sono presentate nella Figura 10.
Figura 10: le temperature del gas di combustibile letto coronano letto combustibile. Disposizione di termocoppia è indicato nella Figura 4. Mostrato è un esperimento di classe B senza letto superficie combustibile e una velocità del vento di 1 m/s. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 11: letture di temperatura derivanti dall'immissione non corretta delle termocoppie. Disposizione di termocoppia è indicato nella Figura 4. Raffigurati sono dati per corona letto temperatura del carburante dove le termocoppie sono state collocate in modo non corretto come risulta dalle temperature anormalmente basse. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
È importante notare che se le termocoppie non vengono inserite correttamente nel letto del combustibile, letture di temperatura sarà imprecise. Per esempio, dopo aver esaminato le letture di temperatura nell'esperimento rappresentato dalla Figura 11, è stato notato che le temperature per una delle termocoppie di letto di combustibile di corona (T15) era sotto il normale per la masterizzazione di condizioni. Queste ttemperature erano più vicini alle condizioni ambientali rispetto alle temperature fase gas di combustione chamise. Così, esso è stato arguito che in questo caso, la termocoppia T15 è rimasto fuori dal letto di combustibile attraverso l'esperimento.
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Discussion
La capacità di misurare la massa di carburante elevati in tutto l'esperimento è stato uno dei principali vantaggi della tecnica presentata qui. Gli studi precedenti indirizzamento fuoco chaparral sono concentrati sia solo l'inizio di fuoco di corona o solo su superficie diffuse, ma non entrambi. Tali studi hanno quantificato la possibilità di accensione nello strato corona e hanno lasciato il studio di diffusione per lavori futuri23. La nostra metodologia permette per la misura della perdita di massa, la distribuzione della temperatura e la geometria di fiamma per entrambi i livelli coinvolti nella corona di arbusto fuoco accensione e diffusione. Fornisce un mezzo per dedurre indirettamente il flusso di energia dal prezzo della perdita di massa. Altri studi hanno dimostrato i vantaggi di misurare direttamente il flusso di calore in esperimenti di diffusione del fuoco. Finney et al ha presentato diversi esempi di misure di flusso di calore a macchia d'olio sparso esperimenti34. Attraverso tale lavoro, erano in grado di effettuare importanti osservazioni sui ruoli convettivo e trasferimento di calore radiativo divertirti a macchia d'olio si sono diffuse. La metodologia presentata qui ammessi per le osservazioni della linea di base di energia dinamica a macchia d'olio si diffuse nella chaparral. Un passo successivo benefico comporterebbe un'analisi più approfondita dei contributi particolare di trasferimento di calore radiante e convettivo. Per gli studi futuri, si consiglia di esplorare la misura diretta dei flussi di calore.
Per garantire la precisione nelle misurazioni ci sono diversi passaggi critici. La taratura delle celle di carico misura la perdita di massa corona è forse la fase più critica e il passo che richiede più tempo. Infatti, alla fine di ogni giornata di esperimento, il letto del combustibile corona dovrà essere smontato e leggero movimento nella configurazione può causare alterazioni nelle letture di massa. Quindi, calibrazione deve essere eseguita all'inizio di ogni giornata di esperimento. Per gli esperimenti futuri, una configurazione più permanente sarebbe l'ideale. In questa configurazione futura, le singole celle di carico sarebbero essere apposto per la messa a punto sperimentale.
Oltre il passo di calibrazione, un altro passo fondamentale nel protocollo è la preparazione dei combustibili. L'intento dell'intero programma sperimentale è quello di sviluppare una migliore comprensione della combustione nei combustibili dal vivo allo scopo di migliorare la nostra capacità di prevedere il comportamento del fuoco prescritto. Mentre vivono rami fino a ½ pollice (1,27 cm) può essere consumata nella parte anteriore di fiamma di un'ad alta intensità prescritta ustione in chaparral (vedere verde35), più grande diametro combustibili sono in genere non bruciati nella parte anteriore di fiamma. Ustioni di laboratorio utilizzando combustibili chaparral si sono concentrati sull'utilizzo di combustibili consumati generalmente da spalmare fronte di fiamma di un'ustione prescritta (Vedi Cohen e Bradshaw36, Weise et al. 37). specie di chaparral principali includono chamise (Adenostoma Apiarius), mentre altri chaparral combustibili includono manzanita (Arctostaphylos glandulosa) e hoaryleaf ceanothus (Ceanothus crassifolius). Qui chamise era il carburante scelto perché è la più infiammabile di queste specie. Il protocollo può essere modificato per includere altre specie, purché le dimensioni del ramo sono mantenuta di sotto da ¼ di pollice.
In generale, indipendentemente dalla specie scelto come combustibile, devono essere tagliati rami tale che tutti i diametri di filiale sono < ¼ di pollice (0,63 cm) al fine di mantenere l'uniformità. Non eseguire questo passaggio o eseguirla in modo non corretto potrebbe influenzare negativamente la riproducibilità dei risultati. Sopra il taglio i rami possono anche essere svantaggiosi perché letti di carburante con dimensioni molto piccolo ramo tendono ad avere una maggiore densità di intasamento e quindi anche masterizzare in modo diverso. Nella procedura descritta qui, a seguito di Giancarlo38, la densità di imballaggio è stata mantenuta a una media di 9,2 kg/m3.
Vale la pena notare che a causa della scala di questo esperimento, un equipaggio di 4 o più persone è necessario per garantire l'efficienza durante l'esperimento. Avere una persona responsabile della squadra con il protocollo visibile affatto volte è importante per garantire tutti i passaggi sono seguiti correttamente. Questa persona è responsabile della sicurezza dell'equipaggio, nonché il coordinamento dell'esperimento. È importante che questa persona e il resto dell'equipaggio prestare attenzione alla loro sicurezza e quella dell'ambiente, che significa avere visibilità di estintore, garantendo le aperture di scarico è su e le porte sono chiuse durante l'esperimento.
Inoltre, sarebbe vantaggioso per sincronizzare tutti gli strumenti con un pulsante grilletto singolo. Ciò renderebbe più efficiente elaborazione e analisi dei dati. Infine, una naturale progressione dopo la tecnica qui è masterizzata sarebbe integrare alcune delle funzionalità rimanenti Galleria del vento come il controllo della temperatura che altri studi ha dimostrato di essere un altro fattore importante da considerare. Ciò consentirebbe una gamma più ampia di controllo delle condizioni ambientali. I risultati presentati qui sono da esperimenti condotti durante i mesi estivi quando i combustibili sono in genere più asciutto; questo periodo corrisponde anche ad una parte dell'anno quando si verificano gli incendi boschivi. Se, tuttavia, sono una vasta gamma delle stagioni per essere analizzata durante un periodo sperimentale, il controllo di temperatura di Galleria del vento può essere impiegato. Allo stesso modo, variazione del contenuto di umidità del combustibile sarebbe forniscono informazioni sull'influenza di questo parametro su chaparral corona fuoco transizione e diffusione. Nella progettazione di uno studio esteso per includere il contenuto di umidità del combustibile e densità come parametri controllati, analisi dell'errore come quello fornito da Mulvaney et al sarebbero aiutante nella progettazione di una metodologia con uniformità sperimentale39.
La tecnica qui descritta consente un esame del comportamento al fuoco corona che integra misure di massa, temperatura e la geometria di fiamma per entrambi i livelli di carburante coinvolti. Analisi risultanti da questa metodologia possono portare a una maggiore comprensione del chaparral fuoco come un fuoco di corona appositamente all'interno dei limiti di comportamento al fuoco corona indipendente, attiva o passiva come presentato da Van Wagner5, fornendo così conoscenza per aiuto nella previsione del fuoco e controllo.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Gli autori si desidera ringraziare Benjamin Sommerkorn, Gabriel Dupont, Jake Eggan e Chirawat Sanpakit che ci ha assistito con gli esperimenti presentati qui. Jeanette Cobian Iñiguez riconosce sostegno per numero di opportunità di ricerca istituzionali (MIRO) di NASA MUREP grant NNX15AP99A. Questo lavoro è stato finanziato anche dal USDA/USDI fuoco piano nazionale attraverso un accordo tra USDA Forest Service, stazione di ricerca di PSW e la 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
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