Summary
Denne protokollen beskriver vindtunnel eksperimenter designet overgangen av brann fra bakken til kalesjen av chaparral busker.
Abstract
Nåværende protokollen presenterer en laboratorium teknikk for å undersøke chaparral crown brann tenning og spredning. Eksperimenter ble utført i en lav hastighet brann vindtunnel der to forskjellige sjiktene av drivstoff ble bygget representerer overflaten og krone brensel i chaparral. Chamise, en vanlig chaparral busk, består live krone laget. Død drivstoff overflatelag ble bygget med excelsior (makulert tre). Vi utviklet en metode for å måle masse tap, temperatur, og flamme høyde for begge drivstoff lag. Thermocouples plassert i hvert lag anslått temperatur. Et videokamera fanget synlig flammen. Post-prosessering av digitale bilder gitt flamme egenskaper, inkludert høyde og flamme tilt. En egendefinert crown masse tap instrument egenutviklede målt utviklingen av masse krone laget under brenningen. Masse tap og temperaturendringer trender får teknikk matchet teorien og andre empiriske studier. I denne studien presenterer vi detaljerte eksperimentelle prosedyrer og informasjon om instrumentering brukes. Representant resultatene for drivstoff masse tap rate og temperatur innlevert innen drivstoff sengen er også inkludert og diskutert.
Introduction
I 2016 opplevd staten California en total av 6,986 wildland branner, forbruker 564,835 dekar1, koster millioner av dollar i skade, og risikere velvære til hundrevis av mennesker. På grunn av det regionale middelhavsklimaet, store drivstoff kilde for disse brannene er chaparral vegetasjon samfunn2. Brann i chaparral kan betraktes som en krone brann siden viktigste drivstoff som brenner er opphøyet3. Co-eksisterende med overveiende live krone laget, er død overflaten drivstoff laget, som består av cast løv, greiner og urteaktige planter som vokser under og mellom de enkelte busker. Brann starte lettere i død overflaten drivstoff laget. Når overflaten brannen antenning, kan brannen overgangen til kronen lag der energien som frigjøres ved bålet øker dramatisk. Mens chaparral branner modellen har vanligvis som en brann sprer seg i dype overflaten brensel4, har det vært begrensede studien chaparral branner som crown branner.
Crown egenskaper chaparral, inkludert løvverk partikkel form, forskjellig fra boreal barskog, der mesteparten av forskningen har oppstått. Mange laboratory og felt skala studier har undersøkt ulike aspekter av ild dynamics6,5,7,3,8,9,10 ,11,12. Innan laboratorieforsøk, flere studier har undersøkt påvirkning av parametere som vind og drivstoff egenskapene på chaparral krone brann atferd. Lozano7 undersøkt kjennetegner crown brann innvielse i nærvær av to separate crown drivstoff senger. I Tachajapong et al. 3, diskret overflate og kronen lag ble brent i en vindtunnel og overflate brannen var preget. Eneste krone brann innvielse ble fullt beskrevet forlate full analyse av spredning for fremtiden. Li et al. 11 rapportert på overføring av en flamme selv enkelt chaparral busker. I relaterte arbeid, Cruz et al. 10 , 9 utviklet en modell for å forutsi tenningen av barskog løvverk over spre overflaten brann. Brenne kjennetegner chaparral brensel utforsket i eksperimentelle studier av bulk brensel og enkelte forlater13,14,15,16. Dupuy et al. 13 studerte brennende karakteristikkene av Pinus pinaster nåler og excelsior ved brenning brensel i sylindriske kurver. De observerte at i disse brensel, var flamme høyde knyttet til varme utgivelsen rate via en to femtedeler strøm lov som har rapportert tidligere litteratur17,18. Sun et al. 14 brent chaparral brensel i lignende sylindriske kurver til å analysere de brennende egenskapene av tre chaparral brensel: chamise (Adenostoma fasciculatum), ceanothus (Ceanothus crassifolius) og manzanita ( Arctostaphylos glandulosa).
Motivert av resultater fra de nevnte laboratoriestudier, vårt formål her er å presentere en metodikk for å karakterisere spredning i både overflaten og busk crown lag. Videre, vi ønsker å avklare noen av de viktigste kjennetegnene dikterer graden av overflaten-kronen lag interaksjon. Til dette formålet utviklet vi en eksperimentell laboratorium metodikk for å studere loddrett overgangen til en ild brenner i wildland overflaten drivstoff til brann sprer seg i et forhøyet busk drivstoff. I disse typer branner, kan oversettelse av for busk kronen, kalles kronen, være etterfulgt av vedvarende spredning under de rette forholdene. Generelt er chaparral brann atferd diktert av topografi, vær og drivstoff19. Det har vist at vinden påvirker energi utgivelse rate i brensel5,3,8,20.
Brann i porøse brensel kan vises som en rekke overganger eller terskler som må krysses for å være vellykket21. Energisk, antenning en drivstoff partikkel hvis mengden varme som den mottar en blanding av gasser som vellykket reagerer med oksygen. Resulterende flammen sprer hvis varmen fra brennende partikkel antenning en tilstøtende drivstoff partikkel. Brann sprer på bakken Hvis det er å krysse gapene mellom brennbart drivstoff elementer. Hvis flammen av overflaten brann er kjøpedyktig Overfør loddrett i kronen av busker og trær, er en betydelig endring i brann opptreden, inkluderer økt varme utgivelsen priser, ofte observert på grunn av en større tilgjengelighet av drivstoff. Termisk energi dynamikken i wildland branner omfatte flere skalaer, fra den svært stor skalaen, slik i mega-branner som ofte krever klimatologiske modellering, til små skala krever kjemiske skala kinetic modellering. Her avtale vi med laboratoriet vindtunnel skala atferd modellering; for kjemiske skala cellulose forbrenning studier kalles leseren verker som Sullivan et al. 22
Siden 2001 har vi har gjennomført en rekke eksperimenter undersøker noen av laboratoriet skala energi terskler23,8,24,25,26, 27, med hovedvekt på live brensel tilknyttet chaparral. Mens utendørs målinger av brann kan gi mer livaktig resultater, tillate kontrollert miljø av vindtunnel avgrensning av effekten av ulike parametere. Kontrollere vind, for eksempel er spesielt viktig for chaparral crown branner oppstår i regioner som Sør-California der foehn type vind, kjent som Santa Ana vind, er typisk drivere av brann hendelser. Fordi en stor motivator for metodikk beskrevet her er å studere effekten av vind, og uteffekt kontrollert på chaparral brannen spredte seg ble denne studien utført i et laboratorium skala vindtunnel. Leseren er rettet til arbeidet ved Silvani et al. 28 for feltet målinger av temperaturen i chaparral branner ligner på de som presenteres her. For feltet målinger på effekten av vinden på brann spredning, kan du se Morandi et al. 29
Flere parametere påvirke spredning i chaparral brensel har vært eksperimentelt analysert av kvantifisere sannsynlighetensprer suksess i opphøyet drivstoff senger8brann. Aktuelle eksperimentelle studien innebærer en metode utviklet å studere chaparral crown brann spredt av modellering overflaten brensel og kronen brensel i delen test i en lav hastighet vindtunnel. Overflaten drivstoff er modellert med excelsior (tørket makulert tre). Overflaten drivstoff sengen er plassert på bakken av vindtunnel over en standard skala (se figur 1). Representerer crown drivstoff sengen, en drivstoff seng med chamise ble plassert over overflaten drivstoff sengen ved å stenge drivstoff fra en plattform montert på vindtunnel rammen (se figur 1). Både drivstoff senger, kan brukes for temperatur og masse tap mål; flammen geometri hentes fra videoopptak av eksperimenter. Målte parametere inkluderer masse tap rate, drivstoff fuktighetsinnhold og relativ fuktighet i luften. Parametere kontrollert var vinden tilstedeværelse, avstanden mellom overflaten drivstoff seng og kronen drivstoff seng, og tilstedeværelsen av overflaten drivstoff. Den målte masse tap rate kan brukes til å beregne varme utgivelsen prisen, som er definert som:
hvor h er varmen av drivstoff forbrenning, m er drivstoff massen, og t er tid.
Figur 1: vindtunnel eksperimentelle oppsett. Plasseringen av kronen drivstoff sengen, overflate drivstoff sengen og tunnel viften er merket for bekvemmelighet. Overflaten drivstoff sengen er plassert på bakken av vindtunnel over en standard skala. Representerer crown drivstoff sengen, ble en drivstoff seng med chamise plassert over overflaten drivstoff sengen ved å stenge drivstoff fra en plattform montert på vindtunnel rammen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Eksperimenter har fokusert på å forstå virkemåten til chaparral crown branner, spesielt tenning, mekanismer flamme forplantning og spredning, flammen foran hastigheter og drivstoff forbruk priser. For å studere samspillet mellom overflaten brann og kronen brann, seks konfigurasjoner av overflaten og krone drivstoff senger med og uten anvendt vind flyt, har blitt brent i vindtunnel: crown drivstoff bare med og uten vind (2), krone og overflaten drivstoff-senger som er adskilt av to distanser med og uten vind (4). Tabell 1 oppsummerer de eksperimentelle konfigurasjonene med 6 eksperimentelle klassene. I tabellen angir overflaten drivstoff seng parameteren om overflaten drivstoff var til stede under eksperimentet, vind parameteren refererer til tilstedeværelsen av vind og kronen høyde refererer til avstanden mellom bunnen av kronen drivstoff sengen og bunnen av overflaten drivstoff seng. Drivstoff fuktighet var målt for hvert eksperiment, men ikke kontrollert, gjennomsnittlig drivstoff fuktighetsinnhold var 48%, mens de laveste og høyeste verdiene var 18 68%, henholdsvis.
| Klassen | Overflaten drivstoff seng | Vind | Crown høyde |
| A | Fraværende | Ingen vind | 60 eller 70 cm |
| B | Fraværende | 1 ms-1 | 60 eller 70 cm |
| C | Nåtid | Ingen vind | 60 cm |
| D | Nåtid | Ingen vind | 70 cm |
| E | Nåtid | 1 ms-1 | 60 cm |
| F | Nåtid | 1 ms-1 | 70 cm |
Tabell 1: eksperimentere konfigurasjoner. Her angir parameteren overflaten drivstoff seng om overflaten drivstoff var til stede under eksperimentet, vind parameteren refererer til tilstedeværelsen av vind og kronen høyde refererer til avstanden mellom bunnen av kronen drivstoff sengen og bunnen av overflaten drivstoff sengen.
En elektronisk skala målt overflaten drivstoff masse og vi utviklet et egendefinert masse tap for krone laget. Systemet bestod av personlige veieceller koblet til hvert hjørne av suspendert drivstoff seng. Forbruker-grade videokameraer registrert visuelle flammene; bildebehandling visuelle data bruker et egendefinert skript generert flamme egenskaper, inkludert høyde og vinkel. Et program utviklet for å konvertere videobilder fra RGB (rød/grønn/blå) koding til svart-hvitt gjennom en lysintensiteten terskelverdi. Kanten av flammen er Hentet fra svart-hvitt videobilder. Maksimal flamme høyde ble definert som det høyeste punktet på flamme kanten, øyeblikkelig flamme høyder ble også innhentet. I et bilde, ble flamme høyde målt fra bunnen av drivstoff sengen til maksimal loddrett poenget med flammen. Alle behandling koder samt instrument kontroll grensesnittet designet for denne protokollen er gjort tilgjengelig av forfatterne her gjennom deres programvare access-området. Høsting live drivstoff lokalt og gjennomføre det eksperimentelle brenner innen 24 timer minimert tap av fuktighet. En thermocouple matrise registrert drivstoff seng temperatur i vinden stream-wise retning aktivere beregningen av spredningen rate. Figur 1 viser et diagram av drivstoff seng med thermocouple ordningen. Detaljer om eksperimentell protokollen følger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
forsiktig: som flere trinn i følgende protokollen involverer aktiviteter som har potensial til å forårsake skade, sikre at riktig personlig beskyttende utstyr (PPE) brukes etter etablerte sikkerhet protokoller inkludert brann motstandsdyktig klær og beskyttelsesbriller.
1. crown drivstoff seng Last celle instrumentering Setup
- endre 4 C-klemmer ved doble våren gate carabiners (se Tabell for materiale) gjennom pin hullet på klemmen ' s skruen ende (se figur 2). Bruke carabiners for å suspendere crown drivstoff sengen.
- Med en annen C-klemmer, fester hver Last belastninger måle celle i den øverste delen av vindtunnel rammen (se figur 2).
- Fest endret C-klemmer til gratis slutten av belastninger måle celler, med carabiners hengende ned. Knytte kjeder til plattformen for kronen drivstoff sengen.
- For å suspendere crown drivstoff sengen plattformen fra vindtunnel rammen, koble hver av kronen drivstoff seng kjeder til en karabinkrok.
- Når hver av de fire veieceller er fullstendig montert og koblet til drivstoff sengen, koble deres ledninger til Wheatstone broen som skal brukes for datainnsamling. Dekke veieceller med ild isolerende materiale, som typen som brukes for brann le.
figur 2: vindtunnel crown drivstoff seng Last celle instrumentering. (en) vindtunnel forfra (b) endret C-klemme med karabinkrok og krone drivstoff seng kjeden som støtter crown drivstoff sengen. (c) Last celle festet til vindtunnel rammen med en C-klemme. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
2. belaste celle kalibrering
Merk: signalet produsert av load cellene blir konvertert til en tilsvarende masse gjennom:
hvor V er signalet, vanligvis i millivolt, A og B er konstanter bestemmes gjennom kalibrering og m representerer massen i gram. Alle parameterne i ligningen (2) er oppnådd gjennom egendefinert instrument kontroll grensesnitt utviklet for kronen masse instrumentering i denne protokollen. Når først å bruke systemet, precision vekter brukes til å kalibrere Last celle signalet. Kalibrering konstanter A og B oppnås basert på signalet produsert når du måler belastningen av disse presisjon vekter. Konstanten en beregnes fra:
der m t er en masse prøve presisjon vekt, en w er signalet med den vekt lastet på Last cellen, mens en w, o tilsvarer signalet produsert når ingen vekt brukes på Last cellen.
- å få kalibrering konstant A, krok presisjon vekter (et godt utvalg ville være 200-500 g) til den første Last-cellen. Bruke masse presisjon vekter som parameteren m t i ligningen (3).
- Angi laste celle forsterkningen til 128 ved hjelp av feltet Input # som vist i figur 3b, i.1. Dette tilsvarer maksimumsverdien tillatt enheten.
- Lese utsignal på Output 0 fra instrument-grensesnittet (se figur 3b, i2). Dette er parameteren en w i ligningen (3).
- Løsne vekten og lese den nye verdien vises i instrumentet grensesnittet ( figur 3b, i2). Dette er parameter en w, o.
- Beregn A basert på parametere (m t , en w, en w, o) fikk i trinn 2.1 til 2,4 og ligningene presentert.
- i kontrolleren grensesnittet, fylles Ch 0-M-verdien for hver sensor med A-verdien innhentet i forrige trinn.
- å finne forskyvningsverdien, B, fjerne alle vekter, lese verdien i den ' utganger kalibrert (g) ' (se Figur 3 c i2), multipliseres denne verdien med -1. Det resulterende tallet er konstanten B, skriver du inn dette nummeret i den " tillegg " Ch 0-A boksen (se Figur 3 c, i.3).
- Gjenta trinn 2.3-2.8 for hver Last celle (0, 1, 2, 3), systemet er nå helt kalibrert; fortsette å belaste de drivstoff sengene med brensel.
Figur 3: instrumentet kontroll grensesnitt data inn trinnene for Last celle kalibrering. (en) Bridge første oppsettsvinduet med få installasjonsprogrammet og aktivere (b) vindu for første Last celle kalibrering (c) vindu for andre trinn i Last celle kalibrering (d) vindu siste scenen av Last celle kalibrering, filen lagres her og datalogging ble startet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
3. forberedelse av Chaparral og Excelsior drivstoff senger
Merk: hvert eksperiment bruker 2 kg av levende chamise og 0,5 kg excelsior (makulert aspen tre).
- En haug av drivstoff samlet for brenning, samle flere 1 pint flasker drivstoff (3-4 flasker).
- Følg fremgangsmåtene preget av landsmannen og Dean til ovnen tørr prøver og få drivstoff fuktighet innhold 30.
- Trim personlige grener fra en bunt av nylig høstet chamise fjerne dødt materiale og gren materiale større enn ¼ tomme diameter. Plasser gjenstående live drivstoff materialet i beholderen for veiing.
- Velg 2 kg trimmet chamise og 0,5 kg excelsior med en elektronisk skala. Plass 0,5 kg excelsior på overflaten drivstoff seng plattformen på vindtunnel gulvet, slik at bulktetthet er som uniform som mulig. Gjør dette ved å plassere en kjent mengde excelsior over en kjent områdedybde.
- Trekke fra hverandre (fluff) komprimerte excelsior for å redusere tettheten bulk slik det vil brenne lett. laste 2 kg av trimmet chamise på plattformen hengende fra veieceller opprette opphøyet drivstoff sengen. Jevnt fordelt chamise grenene hele plattformen å produsere en ensartet drivstoff seng.
4. Thermocouple Arrangement
Merk: K-Type thermocouples brukes til å måle temperaturen i både drivstoff senger. Data samles en data oppkjøpet system kontrollert med en egendefinert grafisk bruker grenseflate (se tabell av materialer for design programvaren). Thermocouples anbefales Bruk er 24 AWG thermocouples med en responstid på 0,9 s.
- Koble en rekke seksten 24 AWG thermocouples (dirigent diameter: 0.51054 mm) til en datalogger (responstid: 0,9 s).
- Inn crown drivstoff laget 6 thermocouples. Plasser disse thermocouples 20 cm fra hverandre og unngå kontakt av thermocouples med grener. 10 thermocouples inn overflaten drivstoff laget. Plasser disse overflaten drivstoff thermocouples 10 cm fra hverandre og unngå kontakt av thermocouples med avdelinger (se Figur 4).
- Aktivere datalogging ved å klikke på " Start " knappen i thermocouple kontroll programvaregrensesnittet.
Figur 4: Diagram over overflaten og kronen senger med thermocouple matrise plasseringen. Her 6 thermocouples ble satt inn i kronen drivstoff laget 20 cm fra hverandre. 10 thermocouples ble satt inn i overflaten drivstoff laget 10 cm fra hverandre. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
5. bilde oppkjøpet Setup
- Mount visuelle referanse målet som har røde merkene på 10-cm-intervaller over vinduet vindtunnel. Bruk dette målet som referanse til å fastsette flamme høyde fra eksperimentet videoen.
Merk: Utvalg flamme høyder presenteres i figur 5. - Fotografiske oppsettsdata samling. Fokuserer på testområdet vindtunnel, justerer kameraet fokuset for å ta hele loddrett referansen målet som drivstoff sengen området.
- Installasjon video kameraet datainnsamling. Montere videokameraet med en universell kameraet veggfeste på veggen for å gi en full oversikt over delen vindtunnel test.
figur 5: fotografi for eksempel flamme høyder fra et typisk eksperiment. Blå visuelle målet med rød merking fungerer som en referanse til fastsette flamme høyde fra eksperimentet videoen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
6. flow Setup
Merk: vindtunnel er utstyrt med varierende viftehastighet. Luftstrømmen i vindtunnel er tidligere kalibrert til viftehastighet. For å oppnå ønsket vind hastigheten, er fan rotasjonshastigheten (i Hz) valgt. De nåværende eksperimenter, ingen vind og 1 m/s vind flyt tilfeller ble studert.
- Sett viftehastigheten til 1 m/s på hastighet kontrolleren. Slå på viften slik at den fungerer riktig.
- Slå av viften. Det er nå klar til bruk.
Merk: Brenne bygningen er utformet for å utføre brann eksperimenter trygt mens evakueringen røyk fra arbeidsområde. Varsle lokale brann myndigheter at eksperimenter er gjennomført for å eliminere forekomsten av falske alarmer. - Lukk alle dører i bygningen for å sikre at taket luftinntakene er bare mulig exit røyk evakuering.
- Slå på lufttilførselen fans til å bringe inn frisk luft fra utenfor bygningen på gulvnivå. Aktiverer eksos fans å evakuere røyk gjennom taket vents.
Merk: Dette vil opprette en lav hastighet, høy luftstrøm fra utenfor bygningen som stiger vertikalt skyldes lett trykk forskjellen og taket åpningene. - Før hvert eksperiment, kan du bruke et svin influensa-Termisk hygrometer for å måle luftfuktigheten og temperaturen i luften.
7. Tenning (implementere fra samtidig med trinn 8)
Merk: tenning prosessen skal utføres som følger av tenningen besetningsmedlem. For økt sikkerhet, anbefales det at andre mannskapet forblir nær test under tenning.
- Når bedt om å ' antennes ', suge forkanten av excelsior overflaten drivstoff sengen med denaturert etylalkohol. Plasser alkohol flasken fra sonen tenningen og bruker en butan fakkel, antennes slutten av overflaten drivstoff seng i en linje parallell til forkanten av drivstoff sengen. Være observante som drivstoff alkohol-gjennomvåt gjerne vil antennes.
- Når drivstoff sengen har blitt antent, forlate delen test og stenge tunnel. Hvis vinden kreves for eksperimentet, aktivere vindtunnel fan.
8. Starte eksperimentelle kjøre
Merk: på verifisere eksperimentet er riktig oppsett, kameraene skal startes.
- Slå på videokameraet registrere.
- Snakke høyt eksperiment nummer/koden, dato og eksperimentelle konfigurasjonen så mikrofonen på videokameraet registreres informasjonen.
- Be datamaskinen mannskapet å begynne datalogging ved tikkende på " aktiverer datalogging " alternativet i instrumentet kontroll grensesnittet (se figur 3d, i.1). Be personen som tenningen å antennes drivstoffet. Når tenningen besetningsmedlem avslutter vindtunnel, instruere vind besetningsmedlem starte vindtunnel fan. Dette vil være begynnelsen av eksperimentet der tid er null (t = 0).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Kronen og overflate flamme høyde data ble innhentet fra videoen data. Typisk flamme høyde trender for eksperimenter vises i figur 6. Flammen høyde atferd fulgte i sola et al. 14
Figur 6: anslått crown flamme høyde. Her U = 1 m/s, overflate-kronen separasjon d = 70 cm. Dette tilsvarer en representant klasse E-eksperimentet. Flammen høyde oppnås ved behandling av bilder fra eksperimentet videoen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Utviklingen av flammen høyde i figur 6 ble valgt fordi det viser typisk flamme høyde virkemåten for eksperimenter med vind. I disse typer eksperimenter, flammene starte liten, blir stor nær midten av drivstoff sengen, så vil forfalle tid som flammer kommer nærmere slutten av drivstoff sengen. Eksperimentet i presentert figuren er tilfelle F (vind på 1m/s og avstanden mellom krone og overflate drivstoff på 70 cm). I dette tilfellet hjelper vinden flammen å vippe. Flamme-tilt er strålingspådriv varmeoverføring flammen til drivstoff sengen forbedret31. Flammen går gjennom drivstoff sengen vil det Forvarm drivstoff foran den. Midten av drivstoff sengen synes å være en optimal beliggenhet der tilstrekkelig forvarming har oppstått over mye drivstoff for å skape en stor flamme. Slutten av drivstoff sengen er også pre-oppvarmet, men mengden drivstoff blir begrenset slik at mindre pyrolyse gasser er utgitt som resulterer i redusert flamme høyde.
Drivstoff forbruk priser ble oppnådd for hele omfanget av både drivstoff senger. Utviklingen av masse tap for valgte eksperimenter vises i figur 7. Parameteren ikke-dimensjonale M er forholdet mellom momentant masse m og første masse m0. Dimensjonsløs tid Τ er forholdet mellom eksperimentelle tiden t og totale brenne tid tf, der totalt brenntid er definert som tiden da flaming tenning har stoppet. Utviklingen av masse tap gjennom eksperimenter fulgte forventet virkemåte. Tre generelle regioner ble identifisert fra egenskapene til masse tap kurven: tenning, flammende og ulmende, se figur 7. Dette var et tilfelle F eksperiment (vind på 1 m/s, avstanden mellom overflaten og krone av 70 cm). Fuktighetsinnhold drivstoff var 45%, luftfuktigheten var 66%, og total brenntid var 2,5 min. totale masse tap og masse tap trendene matchet de presentert av Rothermel32 og Freeborn et al. 33
Figur 7: drivstoff forbruk trenden. Avbildet er en representant klasse F eksperiment, hvor U = 1 m/s og overflaten-krone separasjon d = 70 cm. forbrenning regioner er merket i plottet (tenning, flammende og ulmende). Generalisert trenden med disse tre områdene ble observert i de fleste eksperimenter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
For å illustrere masse tap trender for både overflaten og kronen lag fra eksperimenter beskrevet gjennom denne metodikken, presenteres resultatene for fire eksperimenter i Figur 8 og figur 9. Gjennomsnittlig brenne ganger for eksperimentell kategorier representert ved Figur 8 var som følger: klasse C og D gjennomsnitt 4,5 minutter og klasse E og F gjennomsnitt 2,5 minutt. Som kan observeres, vind forbedret av masse tapet og totalen virketid.
Figur 8: overflaten drivstoff seng masse tap for representant eksperimenter. Data vises fra eksperimenter med vinden på 1 m/s og uten vind, samt to overflaten-crown avstanden testet: d = 60, 70 cm. masse tap her hentes fra digital målestokk for overflate drivstoff sengen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9: krone drivstoff seng masse tap for representant eksperimenter. Dataene viser eksperimenter med vind og uten vind samt to overflaten-crown avstanden testet. Masse tapt data her hentes fra Last celle instrumentering brukes for kronen drivstoff sengen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Gass fase temperaturer ble målt for både drivstoff senger bruker seksten thermocouples i drivstoff senger. Thermocouples er merket T0-T15, Figur 4 viser thermocouple ordningen. Thermocouples T0-T09 var plassert inne overflate drivstoff sengen, mens T10 - T15 ble plassert i kronen drivstoff sengen. Crown drivstoff seng temperaturer for en valgt eksperiment presenteres i Figur 10.
Figur 10: drivstoff seng gass temperaturer krone drivstoff seng. Thermocouple ordningen er angitt i Figur 4. Vist er et klasse B-eksperiment uten overflaten drivstoff seng og en vindhastighet på 1 m/s. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 11: temperaturavlesninger skyldes feil plassering av thermocouples. Thermocouple ordningen er angitt i Figur 4. Avbildet er data for kronen drivstoff seng temperatur hvor thermocouples ble feilaktig plassert som er åpenbart av unormalt lave temperaturer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Det er viktig å merke seg at hvis thermocouples er ikke riktig drivstoff sengen, temperaturavlesninger er unøyaktig. For eksempel ved å undersøke temperaturavlesninger i eksperimentet representert ved Figur 11, ble det bemerket at temperaturen for en av kronen drivstoff seng thermocouples (T15) var under normal for brenning forhold. Disse temperatures var nærmere omgivelsesforhold enn til gass fase temperaturene brennende chamise. Dermed ble det antatt at i dette tilfellet thermocouple T15 forble utenfor drivstoff sengen gjennom eksperimentet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Muligheten til å måle opphøyet drivstoff massen hele eksperimentet var en av de viktigste fordelene med teknikken presenteres her. Tidligere studier chaparral brann har fokusert på hver eneste krone brann initiering eller bare på overflaten spredt, men ikke begge. Slike studier har kvantifisert muligheten for tenningen i kronen laget og har forlatt studie av spredningen for fremtidig23. Vår metode gir måling av masse tap, temperatur distribusjon og flamme geometrien for begge lag involvert i busk krone brann tenning og spredning. Det gir et middel for indirekte inferring energi flux fra av masse tapet. Andre studier har vist fordelene med direkte måle varme forandring i brann spredning eksperimenter. Finney et al. presentert flere eksempler på varme flux målinger i wildfire spre eksperimenter34. Gjennom slikt arbeid, klarte de å gjøre viktige observasjoner på roller konvektive og strålingspådriv varmeoverføring spille i wildfire spredt. Metodikken presenteres her tillatt for planlagte observasjoner av energi dynamikk i ild i chaparral. En gunstig neste trinnet vil innebære en mer detaljert analyse av bestemt bidrag av strålingen og konvektive varmeoverføring. For fremtidige studier anbefaler vi å utforske direkte måling av varme flukser.
For å sikre nøyaktighet i målingene det er flere viktige trinn. Kalibrering av veieceller måle crown masse tap er kanskje det mest kritiske trinnet og den som tar mest tid. Dette er fordi på slutten av hver eksperiment dag, crown drivstoff sengen må demonteres og svak bevegelse i konfigurasjonen kan forårsake endringer i masse målingene. Derfor må kalibrering gjøres i begynnelsen av hver eksperiment dag. For senere eksperimenter, ville en mer permanent konfigurasjon være ideelt. I denne fremtidige konfigurasjonen, ville de personlige veieceller være festet til eksperimentelle oppsett.
I tillegg kalibrering trinn er et viktig skritt i protokollen utarbeidelse av brensel. Hensikten med hele eksperimentelle programmet er å utvikle en bedre forståelse av forbrenning i live drivstoff for å forbedre vår evne til å forutsi foreskrevet brann atferd. Stund live grener opptil ½ tomme (1.27 cm) kan brukes i flammen foran en høy intensitet foreskrevet brenne i chaparral (se grønne35), større diameter brensel er vanligvis ikke brent flammen foran. Laboratoriet burns bruker chaparral brensel har fokusert på å bruke brensel som vanligvis ville bli fortært av en foreskrevet brenne spre flammen foran (se Cohen og Bradshaw36, Weise et al. 37). store chaparral arter omfatter chamise (Adenostoma fasciculatum), mens andre chaparral brensel inkluderer manzanita (Arctostaphylos glandulosa) og hoaryleaf ceanothus (Ceanothus crassifolius). Her var chamise drivstoff valgt fordi det er den mest brennbare av disse artene. Protokollen kan endres for å inkludere andre arter som gren størrelse holdt under ¼ tomme.
Generelt, uavhengig av arten valgt som drivstoff, grener skal trimmes slik at alle gren diameter < ¼ tomme (0.63 cm) for å opprettholde ensartethet. Ikke utføre dette trinnet eller utføre det feil vil negativt påvirke reproduserbarhet resultatene. Over trimming kan også grenene være uheldig fordi drivstoff senger med svært liten gren størrelser pleier å ha høyere pakking tetthet og dermed også brenne annerledes. I fremgangsmåten som er beskrevet her, etter Omodan38, ble pakking tetthet opprettholdt til en gjennomsnittspris på 9,2 kg/m3.
Det er verdt å merke seg at på grunn av omfanget av dette eksperimentet, et mannskap på 4 eller flere personer er nødvendig for å sikre effektivitet under eksperimentet. Å ha en person ansvarlig for mannskapet med protokollen synlig på alle tider er viktig å sikre alle trinnene blir fulgt riktig. Denne personen er ansvarlig for sikkerheten til mannskapet, samt koordinering av eksperimentet. Det er viktig at denne personen og resten av mannskapet betaler oppmerksomhet til deres sikkerheten og det av miljøet, som betyr å ha synligheten av brannslukningsapparat, sikre eksos ventiler på og dørene er lukket under eksperimentet.
I tillegg vil det være en fordel å synkronisere alle instrumenter med en enkelt utløse knapp. Dette ville gjøre dataanalyse og behandlingen mer effektiv. Endelig vil en naturlig progresjon etter teknikken her er mastret være å integrere noen av gjenværende vindtunnel egenskapene som temperaturkontroll som har blitt vist i andre studier å være en annen viktig faktor å vurdere. Dette vil muliggjøre et bredere spekter av kontroll over miljøforhold. Resultatene presenteres her er fra eksperimenter utført i sommermånedene når drivstoff er vanligvis tørrere; denne perioden også tilsvarer en del av året når wildland branner oppstår. Hvis imidlertid en rekke sesonger som skal analyseres i en eksperimentell perioden, kan vindtunnel temperaturkontroll anvendes. Tilsvarende vil variant av drivstoff fuktighet gi innsikt på påvirkning av denne parameteren på chaparral crown brann overgang og spredt. Utforme en utvidet studie inkludere drivstoff fuktighetsinnhold og bulk tetthet som kontrollerte parametere, ville feilanalyse som den som Mulvaney et al. aide designe en metodikk med eksperimentelle ensartethet39.
Teknikken er beskrevet her gjør en undersøkelse av kronen brann atferd som integrerer målinger av masse, temperatur og flamme geometrien for begge lag drivstoff involvert. Analyse fra denne metodikken kan føre til en økt forståelse av chaparral brann som crown brann spesielt innenfor grensene av uavhengige, passive eller aktive crown brann atferd som presenteres av Van Wagner5, noe som gir kunnskap hjelp i brann prediksjon og kontroll.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne ønsker å erkjenne Benjamin Sommerkorn, Gabriel Dupont, Jake Eggan og Chirawat Sanpakit som hjalp med eksperimenter presenteres her. Jeanette Cobian Iñiguez erkjenner støtte ved NASA MUREP institusjonelle forskning mulighet (MIRO) bevilgning nummer NNX15AP99A. Dette arbeidet ble også finansiert av USDA/USDI National Fire Plan gjennom en avtale mellom USDA Forest Service, PSW forskningsstasjon 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).
