Summary
Este protocolo describe el túnel de viento de experimentos diseñados para estudiar la transición de un fuego de la tierra a las copas de los arbustos de chaparral.
Abstract
El presente Protocolo presenta una técnica de laboratorio diseñada para estudiar la propagación y chaparral corona fuego encendido. Se realizaron experimentos en un túnel de viento de fuego de baja velocidad donde dos capas distintas de combustible fueron construidas para representar la superficie y corona combustibles en chaparral. Chamise, un arbusto común de chaparral, compuesto por la capa corona vivo. La capa superficial de combustible muerto se construyó con excelsior (madera rallada). Hemos desarrollado una metodología para medir la pérdida de masa, temperatura y altura para ambas capas de combustible de la llama. Termopares colocan en cada capa calculada la temperatura. Una cámara de video captó la llama visible. Post-proceso de imágenes digitales rindió flama incluyendo inclinación altura y llama. Un instrumento de la pérdida de masa de corona personalizado desarrollado mide la evolución de la masa de la capa de la corona durante la quemadura. Tendencias de temperatura y pérdida de masa obtienen usando la teoría de la técnica emparejado y otros estudios empíricos. En este estudio, presentamos los procedimientos experimentales detallados e información sobre la instrumentación utilizada. Resultados representativos para la tasa de pérdida de masa de combustible y la temperatura dentro de la cama de combustible también se incluyen y discuten.
Introduction
En 2016, el estado de California experimentó un total de 6.986 incendios forestales, consumo 564.835 acres1, cuesta millones de dólares en daños y arriesgando el bienestar de cientos de personas. Debido a su clima mediterráneo regional, una fuente de combustible importante para estos fuegos son de las comunidades de vegetación de chaparral2. Fuego en chaparral puede considerarse un incendio ya que el principal combustible que se quema es elevado3. Coexistencia con la capa predominante vivo de corona, es la capa de combustible muerta superficial, que consiste en fundido follaje, ramas y plantas herbáceas que crecen bajo y entre los arbustos individuales. Fuego se inicia más fácilmente en la capa de combustible muerto superficial. Una vez que se enciende el fuego de superficie, el fuego puede transición a la capa de la corona en donde la energía liberada por el fuego se incrementa dramáticamente. Mientras que chaparral incendios normalmente se han modelado como un fuego que se separa en combustibles profunda superficie4, ha sido limitado estudio de incendios de chaparral como fuegos de corona.
Características de la corona en chaparral, incluyendo forma de la partícula del follaje, se diferencian de bosque de coníferas boreal, donde se ha producido la mayor parte de la investigación. Numerosos estudios de escala de laboratorio y campo han investigado diversos aspectos de la wildfire dinámica6,5,7,3,8,9,10 ,11,12. Dentro del Reino de pruebas de laboratorio, varios estudios han examinado la influencia de parámetros tales como viento y fuego de propiedades de combustible en corona de chaparral comportamiento. Lozano7 examinada las características de la corona de fuego iniciación en presencia discreta corona combustible camas. En Tachajapong et al. 3, superficie discreta y capas de la corona fueron quemadas dentro de un túnel de viento y el fuego superficial fue caracterizado. Iniciación de fuego corona sólo fue descrito totalmente dejando el análisis completo de la extensión para el trabajo futuro. Li et al. 11 informaron sobre la propagación de una llama aunque arbustos chaparral solo. En trabajos relacionados, Cruz et al. 10 , 9 desarrolló un modelo para predecir la ignición del follaje coníferas sobre un fuego de superficie que se separa. Características de la quema de combustibles de chaparral se han explorado en los estudios experimentales de combustibles a granel e individuo deja13,14,15,16. Dupuy et al. 13 estudió las características ardientes de agujas de Pinus pinaster y excelsior por la quema de los combustibles en las canastas cilíndricas. Observa que en estos combustibles, altura de la llama se relaciona tasa de liberación de calor a través de una ley de potencia de dos quintas partes como se ha divulgado previamente en la literatura17,18. Sun et al. 14 queman combustibles de chaparral en cestas cilíndricas similares a analizar las características ardientes de los tres combustibles de chaparral: chamise (Adenostoma fasciculatum), ceanothus (Ceanothus crassifolius) y manzanita ( Arctostaphylos glandulosa).
Motivado por los resultados de los estudios de laboratorio antes mencionados, nuestro propósito aquí es presentar una metodología para caracterizar la extensión en superficie y arbustos capas de corona. Además, queremos aclarar algunas de las características fundamentales que determinan el grado de interacción de la capa de superficie de corona. Para ello, hemos desarrollado una metodología experimental de laboratorio para estudiar la transición vertical de un fuego ardiendo en incendios forestales superficie combustible para un fuego que se separa en un combustible de elevado arbusto. En estos tipos de incendios, traducción del fuego a la corona de arbusto, conocido como coronación, se puede seguir por la propagación sostenida bajo las condiciones adecuadas. En general, comportamiento del fuego del chaparral es dictada por topografía, clima y combustible19. Se ha demostrado que el viento afecta velocidad de liberación de energía en los combustibles5,3,8,20.
Fuego en combustibles porosos puede considerarse como una serie de transiciones o umbrales que deben cruzar para ser exitoso21. Energéticamente, una partícula de combustible se enciende si la cantidad de calor que recibe los resultados en una mezcla de gases que reaccionan con el oxígeno con éxito. La llama resultante se propaga si el calor de la partícula ardiente enciende una partícula de combustible adyacente. El fuego se extiende por el suelo si es capaz de atravesar boquetes entre elementos combustibles combustibles. Si la llama de un fuego de superficie es capaz de propagar verticalmente en la corona de arbustos y árboles, un cambio significativo en el comportamiento del fuego, incluidas las tasas de liberación de calor creciente, se observa a menudo debido a una mayor disponibilidad de combustible. Dinámica de la energía térmica en incendios forestales abarca varias escalas, desde la escala muy grande, tal en mega-incendios que a menudo requieren modelado climatológico, a la pequeña escala que requieren modelado cinético de la escala química. Aquí, nos ocupamos de comportamiento de escala laboratorio túnel de viento de modelado; para estudios de combustión de la celulosa de escala química, el lector se refiere a obras como Sullivan et al. 22
Desde 2001, hemos llevado a cabo una variedad de experimentos examinando algunos de los laboratorio escala energía umbrales23,8,24,25,26, 27, con un énfasis en vivo combustibles asociados a chaparral. Mientras que al aire libre medidas de fuego pueden dar resultados más realistas, el ambiente controlado del túnel de viento permiten la delineación de los efectos de varios parámetros. Controlar el viento, por ejemplo, es especialmente importante para los fuegos de corona de chaparral que ocurre en regiones como el sur de California donde los vientos de tipo foehn, conocidos como vientos de Santa Ana, son típicos controladores de eventos de fuego. Porque un motivador importante para la metodología descrita aquí es estudiar el efecto del viento y otros parámetros controlados en chaparral fuego propagación, este estudio se realizó en un túnel de viento de escala de laboratorio. El lector es dirigido al trabajo por Silvani et al. 28 para las mediciones de campo de temperatura en chaparral incendios similares a los presentados aquí. Para mediciones de campo sobre el efecto del viento en la propagación del fuego, por favor vea Morandi et al. 29
Varios parámetros que influyen en la propagación en combustibles de chaparral se han analizado experimentalmente mediante la cuantificación de la probabilidadde fuego propagación éxito en camas de combustible elevado8. El presente estudio experimental implica una metodología desarrollada estudiar un incendio chaparral propagada por modelado de superficies combustibles y combustibles de corona dentro de la sección de prueba de un túnel de viento de baja velocidad. El combustible de superficie es modelado con excelsior (madera secada rallado). La cama de combustible superficial se coloca en la planta baja del túnel de viento sobre una escala estándar (ver figura 1). En representación de la cama de combustible de la corona, una cama con chamise se colocó sobre la cama de combustible superficial suspendiendo el combustible desde una plataforma montada en el marco de túnel de viento (ver figura 1). Ambas camas de combustible se instrumentan para la temperatura y las mediciones de pérdida de masa; geometría de la llama se obtiene de grabaciones en vídeo de los experimentos. Los parámetros medidos incluyen tasa de pérdida de masa, contenido de humedad del combustible y la humedad relativa del aire. Parámetros controlados fueron presencia de viento, distancia entre cama de superficie combustible y combustible corona y la presencia de superficie combustible. La tasa de pérdida de masa medido puede utilizarse para calcular la tasa de liberación de calor, que se define como:
donde h es el calor de la combustión, m es la masa de combustible, y t es tiempo.
Figura 1: túnel de viento experimental configuración. Ubicación de la cama de combustible de la corona, la cama de combustible superficial y el ventilador de túnel ha sido etiquetados para conveniencia. La cama de combustible superficial se coloca en la planta baja del túnel de viento sobre una escala estándar. En representación de la cama de combustible de la corona, una cama con chamise se colocó sobre la cama de combustible superficial suspendiendo el combustible desde una plataforma montada en el marco de túnel de viento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Experimentos se han centrado en entender el comportamiento de los fuegos de corona chaparral, particularmente encendido, mecanismos de propagación de la llama y propagación, velocidades de frente de llama y las tasas de consumo de combustible. Para estudiar la interacción entre un fuego de superficie y un incendio, se han quemado seis configuraciones de superficie y corona camas de combustible con y sin flujo de viento aplicada, en el túnel de viento: corona combustible solamente con y sin viento (2), corona y camas de combustible separados por la superficie dos distancias con y sin viento (4). La tabla 1 resume las configuraciones experimentales con las 6 clases experimentales. En la tabla, el parámetro de la cama de combustible superficie denota si superficie combustible estuvo presente durante el experimento, el parámetro de viento se refiere a la presencia de viento y altura de la corona se refiere a la distancia entre la parte inferior de la cama de combustible de la corona y la parte inferior de la superficie cama del combustible. Humedad de combustible fue medido para cada experimento pero no controlado, contenido de humedad del combustible promedio fue 48%, mientras que los valores mínimos y máximos fueron de 18% a 68%, respectivamente.
| Clase | Superficie cama | Viento | Altura de corona |
| A | Ausente | Sin viento | 60 o 70 cm |
| B | Ausente | 1 ms-1 | 60 o 70 cm |
| C | Presente | Sin viento | 60 cm |
| D | Presente | Sin viento | 70 cm |
| E | Presente | 1 ms-1 | 60 cm |
| F | Presente | 1 ms-1 | 70 cm |
Tabla 1: experimentar configuraciones. Aquí el parámetro de la cama de combustible superficie denota si superficie combustible estuvo presente durante el experimento, el parámetro de viento se refiere a la presencia de viento y altura de la corona se refiere a la distancia entre la parte inferior de la cama de combustible de la corona y la parte inferior de la cama de superficie combustible.
Una balanza electrónica mide superficie combustible masa y desarrollamos un sistema personalizado de pérdida de masa de la capa de la corona. El sistema consistió en las células de carga individual conectadas a cada esquina de la cama de combustible suspendidos. Cámaras de vídeo de calidad para consumidores registrados las llamas visuales; proceso de imagen de los datos visuales utilizando un script personalizado generado llama características como altura y ángulo. Se desarrolló un programa para convertir vídeo de RGB (rojo/verde/azul) codificación a blanco y negro mediante un proceso de umbral de intensidad de la luz. El borde de la llama se obtuvo de los fotogramas de video blanco y negro. Altura máxima de la llama fue definido como el punto más alto del borde del fuego, también se obtuvieron alturas llama instantánea. En una imagen, altura de la llama se midió desde la base de la cama de combustible al máximo punto vertical de la llama. Todos los códigos de procesamiento así como la interfaz de control de instrumento diseñado para este protocolo se han hecho disponible por los autores aquí a través de su sitio de software de acceso. Cosecha el combustible vivo localmente y realizar las quemas experimentales dentro de las 24 h reducen al mínimo la pérdida de humedad. Una matriz de termopar registró temperatura del lecho de combustible en la dirección del viento stream-wise que permite el cálculo de la tasa de cobertura. La figura 1 muestra un diagrama de la configuración de la cama de combustible junto con el arreglo de termopares. Siguen los detalles del protocolo experimental.
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Protocol
PRECAUCIÓN: como varios pasos en el siguiente protocolo relacionados con actividades que tienen el potencial de causar lesiones, asegúrese de que el equipo de protección personal apropiado (PPE) se utiliza siguiendo los protocolos de seguridad establecidos incluyendo fuego ropa y gafas protectoras.
1. corona combustible cama carga celular configuración de instrumentación
- 4 modificar las abrazaderas en C colocando doble resorte Mosquetones de cierre (véase Tabla de materiales) a través del agujero en la abrazadera de ' final del tornillo de s (véase figura 2). Utilice los mosquetones para suspender la cama de combustible corona.
- Utilizando un conjunto diferente de las abrazaderas en C, pegue cada celda del calibrador de tensión de carga a la parte superior de la estructura del túnel de viento (ver figura 2).
- Acople modificado las abrazaderas en C al extremo libre de las células de la galga de tensión, con los mosquetones colgando hacia abajo. Colocar las cadenas a la plataforma para la cama de combustible corona.
- Para suspender la plataforma de cama del combustible de corona de la estructura del túnel de viento, Conecte cada una de las cadenas de cama corona combustible a un mosquetón de seguridad.
- Una vez que cada una de las células de cuatro carga son completamente montado y conectado a la cama de combustible, conecte sus cables para el puente de Wheatstone que se utilizará para la adquisición de datos. Las células de carga de la cubierta con material aislante, como el tipo de los utilizados para los abrigos de fuego fuego.
figura 2: instrumentación de la célula de carga de túnel de viento corona combustible cama. (a) vista frontal del túnel de viento (b) modificado C-clamp con mosquetón y corona cadena de cama de combustible que soporta la cama de combustible de la corona. (c) carga celular conectado a la estructura del túnel de viento mediante una abrazadera en C. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
2. calibración de celda de carga
Nota: la señal producida por las células de carga se convierte en una masa equivalente a través de:
donde V es la señal, por lo general en milivoltios, A y B son constantes a determinar a través de la calibración, y m representa la masa en gramos. Todos los parámetros en la ecuación (2) se obtienen a través de la interfaz de control de instrumento personalizado desarrollada para la instrumentación total de la corona en este protocolo. Cuándo utilizar primero el sistema, pesas de precisión se utilizan para calibrar la señal de la célula de carga. Constantes de calibración A y B se obtendrá partiendo de la señal producida al medir la carga de estos pesos de precisión. La constante A se calcula a partir:
donde m t es una masa de peso de la prueba de precisión, un w es la señal producida con el peso cargado en la celda de carga, mientras que una w, o corresponde a la señal se produce cuando ningún peso se aplica en la celda de carga.
- Para obtener la calibración constante A, pesas de precisión de gancho (una buena gama sería 200-500 g) a la primera celda de carga. Utilizar la masa de las pesas de precisión como parámetro m t en la ecuación (3).
- Ajustar la ganancia de la célula de carga a 128 utilizando el campo de entrada # como se muestra en la figura 3b, i.1. Esto corresponde al valor máximo permitido por el dispositivo de.
- Leer la señal de salida en la salida 0 de la interfaz del instrumento (ver figura 3b, i2). Se trata de parámetro una w en la ecuación (3).
- El peso de desenganche y leer el nuevo valor que se muestra en la interfaz del instrumento ( figura 3b, i2). Se trata de parámetro una w, o.
- Calcular A basándose en los parámetros (m t , un w, un w, o) obtenidos en los pasos 2.1 a 2.4 y las ecuaciones presentadas.
- En el interfaz de control, rellene la Ch 0-M valor para cada sensor con el valor obtenido en el paso anterior.
- Para encontrar el valor de desplazamiento, B, quite todos los pesos, leer el valor de la ' salidas calibrado (g) ' de la caja (véase la figura 3 c i2), multiplicar este valor por -1. El número resultante es constante B, escriba este número en el " Además de " Ch 0-una caja (ver figura 3 c, i.3).
- Repita los pasos 2.3-2.8 para cada celda de carga (0, 1, 2, 3), el sistema está ahora completamente calibrado; proceder a cargar las camas de combustible con los combustibles.
figura 3: datos de interfaz de control de instrumento de entrada pasos para celda de carga calibración. (un) ventana de configuración inicial de puente con obtener configuración y activar la casilla (b) ventana para primera etapa de calibración de celda de carga (c) ventana para segunda etapa de calibración de celda de carga (d) ventana para el último etapa de calibración de celda de carga, el archivo se guarda aquí y se inició el registro de datos. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
3. preparación de Chaparral y Excelsior combustible camas
Nota: cada experimento utiliza 2 kg de chamise vivo y 0,5 kg de excelsior (triturado madera álamo temblón).
- De la pila de combustible para quemar, recoge varias botellas de 1 pinta de combustible (3-4 botellas).
- Seguir los procedimientos delineados por la compatriota y Dean para muestras secas de horno y obtener contenido de humedad de combustible 30.
- Recortar ramas individuales de un paquete de chamise recientemente cosechada para quitar el material muerto y material de la rama mayor de 1/4 pulgada de diámetro. Colocar material combustible vivo restante en el recipiente de pesaje.
- Seleccione 2 kg de chamise recortado y 0,5 kg de excelsior utilizando una balanza electrónica. Coloque 0.5 kg de excelsior en la plataforma de la cama de combustible superficial en el piso del túnel de viento, asegurándose de que la densidad aparente es tan uniforme como sea posible. Para ello, coloca una cantidad conocida de excelsior en la profundidad de un área conocida.
- Pull apart (pelusa) el excelsior compactado para reducir su densidad a granel para que se queme fácilmente. carga 2 kg de chamise recortada sobre la plataforma que se cuelgan de las células de carga para crear la cama de combustible elevado. Uniformemente repartidas las ramas chamise toda la plataforma para producir un uniforme cama.
4. Arreglo de termopar
Nota: los termopares tipo K se utilizan para medir la temperatura de ambas camas de combustible. Los datos se recogen mediante un sistema de adquisición de datos controlado con una gráfica personalizada interfaz (véase tabla de materiales para diseño de software de controlador). Los termopares recomendados para el uso son termopares AWG 24 con un tiempo de respuesta de 0.9 s.
- Conectar un conjunto de dieciséis 24 termopares AWG (diámetro del conductor: 0,51054 mm) a un registrador de datos (tiempo de respuesta: 0.9 s).
- Insertar 6 termopares en la capa de combustible de la corona. Coloque estos termopares 20 cm de separación y evitar el contacto de termopares con ramas. Introduzca 10 termopares en la capa de superficie combustible. Coloque estos termopares de superficie combustible 10 cm entre ellos y evitar el contacto de termopares con ramas (ver figura 4).
- Activar el registro de datos haciendo clic en el " Inicio " botón en la interfaz de software de control termopar.
figura 4: Diagrama de superficie y corona combustible camas con variedad de termopar Ubicación. Aquí 6 termopares fueron insertados en la capa de combustible corona 20 cm una de otra. 10 termopares fueron insertados en la capa de superficie combustible 10 cm de separación. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
5. configuración de la adquisición de imagen
- montaje visual objetivo de referencia que tiene marcas rojas en intervalos de 10 cm por encima de la ventana del túnel de viento. Utilice este objetivo como referencia para determinar la altura de la llama en el video del experimento de.
Nota: Altura de llama de muestra se presenta en la figura 5.
Colección - datos fotográficos de configuración. Centrándose en el área de prueba de túnel de viento, ajuste el enfoque de la cámara para capturar el objetivo de referencia vertical así como el área de la cama de combustible.
- Recopilación de datos de configuración cámara de vídeo. Montaje de la cámara de vídeo con un montaje de pared universal de la cámara en la pared para proporcionar una vista completa de la sección de túnel de viento prueba.
figura 5: fotografía de alturas de llama muestra de un experimento típico. El objetivo visual azul con marca roja sirve como referencia para determinar la altura de la llama en el video del experimento. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
6. configuración de flujo
Nota: el túnel de viento está equipado con un ventilador de velocidad variable. El flujo de aire en el túnel de viento ha sido previamente calibrado a la velocidad del ventilador. Para alcanzar la velocidad del viento deseado, se selecciona la velocidad de rotación del ventilador (en Hz). En los presentes experimentos, no se estudiaron viento y casos de flujo de viento de 1 m/s.
- Ajustar la velocidad del ventilador a 1 m/s en el regulador de velocidad. Encienda el ventilador para asegurarse de que funciona correctamente.
- Apagar el ventilador. Ahora está listo para uso.
Nota: El edificio de la quemadura está diseñado para llevar a cabo experimentos de fuego con seguridad mientras que evacuar humo del espacio de trabajo. Notificar a las autoridades locales del fuego que los experimentos se llevan a cabo para eliminar la ocurrencia de falsas alarmas. - Cerrar todas las puertas del edificio para asegurar que los respiraderos de techo son la única salida para evacuación de humos.
- Encienda el suministro de aire ventiladores para traer aire fresco desde el exterior a nivel del suelo. Encienda los ventiladores de escape para evacuar el humo a través de los orificios de ventilación de techo.
Nota: Esto establecerá una velocidad baja, flujo de aire de alto volumen desde fuera del edificio que se eleva verticalmente debido a la diferencia de presión suave y las aberturas de techo. - Antes de cada experimento, use un higrómetro de bulbo húmedo para medir la humedad relativa y la temperatura del aire ambiente.
7. Ignición (implementar simultáneamente con el paso 8)
Nota: el proceso de encendido se realizará como sigue por el miembro del equipo de encendido. Para mayor seguridad, se recomienda que un segundo miembro de la tripulación permanecen cerca de la zona de pruebas durante la ignición.
- Cuando se le indique a ' encender ', remojar el borde de la cama de combustible superficial excelsior con alcohol etílico desnaturalizado. Coloque la botella de alcohol de la zona de ignición y con un soplete de butano, encender el extremo de la cama de combustible superficial en una línea paralela al borde de la cama de combustible. Estar atentos como el combustible empapada en alcohol se enciende fácilmente.
- Una vez que la cama de combustible ha sido encendida, salir de la sección de prueba y cierre la puerta del túnel. Si el viento es necesario para el experimento, encienda el ventilador de túnel de viento.
8. Iniciar ejecución Experimental
Nota: al comprobar el experimento está correctamente configurado, las cámaras se deben comenzar.
- Encender la cámara de vídeo para grabar.
- Hablar en voz alta el número/código del experimento, la fecha y configuración experimental para el micrófono de la cámara de video registra esta información.
- Instruir a la tripulación de la computadora para iniciar registro de datos por tictac el " activar el registro de datos " opción en la interfaz de control de instrumentos (ver Figura 3d, i.1). Instruir a la persona de ignición para encender el combustible. Una vez que el miembro de la tripulación de encendido sale del túnel de viento, instruir al miembro de la tripulación de viento para empezar el ventilador de túnel de viento. Esto será el comienzo del experimento, donde el tiempo es cero (t = 0).
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Representative Results
Corona y llama superficie altura datos se obtuvieron de los datos de vídeo. Tendencias de altura llama típico para los experimentos se presenta en la figura 6. Llama altura comportamiento seguido que se encuentra en Sun et al. 14
Figura 6: calcula la altura de la llama corona. Aquí U = 1 m/s, separación de la superficie de la corona d = 70 cm. Esto corresponde a un experimento representativo de la clase E. Altura de la llama se obtiene mediante el procesamiento de imágenes en el video del experimento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La evolución de la altura de la llama en la figura 6 fue elegida porque demuestra a comportamiento de altura llama típico para los experimentos con el viento. En estos tipos de experimentos, las llamas empezar con poco, haz grandes cerca de la mitad de la cama de combustible, luego decaen con el tiempo como llamas acercarse al final de la cama de combustible. El experimento de la figura presentada es caso F (viento en la distancia entre la corona y la superficie combustible en 70 cm y 1m/s). En este caso, el viento ayuda a la llama se incline. Debido a la inclinación de la llama, transferencia de calor radiativa de la llama a la cama de combustible es mayor31. Como la llama viaja a través de la cama de combustible pre-calentará el combustible delante de él. La cama de combustible medio parece ser un lugar óptimo donde precalentamiento suficiente se ha producido sobre una gran cantidad de combustible para crear una llama grande. Al final de la cama de combustible es precalentado también, sin embargo, la cantidad de combustible llega a ser limitada para que se liberan menos gases de pirólisis que se traduce en la altura de la llama disminuida.
Se obtuvieron las tasas de consumo de combustible para el grado entero de ambas camas de combustible. La evolución de la pérdida de masa de experimentos seleccionados se presenta en la figura 7. El parámetro adimensional M es la relación instantánea masa m y la masa inicial m0. Tiempo adimensional Τ es la relación entre el tiempo experimental t y el total a quemar tiempo tf, donde el tiempo total se define como el tiempo cuando ha dejado el fuego encendido. La evolución de la pérdida de masa a través de experimentos siguieron el comportamiento esperado. Se identificaron tres regiones generales de las características de la curva de pérdida de masa: encendido, llameante y ardiendo, vea la figura 7. Esto fue un experimento de caso F (viento 1 m/s, distancia entre la superficie y corona de 70 cm). El contenido de humedad de combustible era de 45%, humedad relativa fue del 66% y el tiempo total fue de 2,5 min pérdida de masa total y tendencias de la tasa de pérdida de masa los presentados por Rothermel32 y Freeborn et al. 33
Figura 7: tendencia de consumo de combustible. Representado es un experimento representativo de la clase F, donde U = 1 m/s y corona de la superficie de separación d = 70 cm. combustión regiones están marcadas en la parcela (encendido, llameante y ardiendo). Se observó la tendencia generalizada con estas tres regiones para la mayoría de los experimentos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Para ilustrar las tendencias de pérdida de masa para las capas de la superficie y corona obtenidas de experimentos descritos a través de esta metodología, los resultados de cuatro experimentos se presentan en la figura 8 y figura 9. Medio quemar veces para categorías experimentales representadas por figura 8 fueron los siguientes: 4,5 minutos un promedio de la clase C y D y clase E y F un promedio de 2,5 minutos. Como puede observarse, viento había mejorado la tasa de pérdida de masa y total autonomía.
Figura 8: superficie de pérdida de masa de cama combustible para experimentos representativos. Se muestran datos de experimentos con el viento en 1 m/s y sin viento, así como las dos distancias de la superficie corona probadas: d = 60, 70 cm. pérdida de masa aquí los datos se obtienen de la escala digital utilizada para la cama de superficie combustible. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9: corona combustible cama pérdida para experimentos representativos. Los datos muestran experimentos con viento y sin viento, así como las dos distancias de la superficie corona probadas. Aquí los datos de pérdida de masa se obtienen de la instrumentación de célula de carga utilizada para la cama de combustible de la corona. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Se midieron temperaturas del gas de fase para dos camas de combustible utilizando 16 termopares dentro de las camas de combustible. Los termopares están etiquetados T0-T15, figura 4 muestra el arreglo de termopares. Termopares T0-T09 fueron colocados dentro de la cama de combustible de superficie, mientras que T10 - T15 se colocaron dentro de la cama de combustible de la corona. Las temperaturas de la cama del combustible de corona para un experimento seleccionado se presentan en la figura 10.
Figura 10: coronan de temperaturas del gas de combustible cama cama. Arreglo de termopares se indica en la figura 4. Muestra es un experimento de clase B sin cama superficial y una velocidad del viento de 1 m/s. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 11: las lecturas de temperatura resultantes de la incorrecta colocación de los termopares. Arreglo de termopares se indica en la figura 4. Representado, son datos para corona combustible temperatura donde los termopares colocaron indebidamente como es evidente por las temperaturas anormalmente bajas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Es importante tener en cuenta que si los termopares no estén insertados correctamente en la cama de combustible, las lecturas de temperatura serán inexactas. Por ejemplo, al examinar las lecturas de temperatura en el experimento representado por la figura 11, se observó que las temperaturas de uno de los termopares de cama del combustible de corona (T15) estaba debajo de lo normal para la grabación en condiciones. Estos temperatures estaban más cercano a las condiciones ambientales que a las temperaturas de la fase de gas de combustión chamise. Por lo tanto, se infiere que en este caso, termopar T15 permanecía fuera de la cama de combustible mediante el experimento.
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Discussion
La capacidad de medir la masa de combustible elevado durante todo el experimento fue una de las principales ventajas de la técnica presentada aquí. Fuego del chaparral de abordar los estudios anteriores se han centrado en cualquier iniciación de fuego corona sólo o solamente en la superficie de extensión, pero no ambos. Tales estudios han cuantificado la posibilidad de ignición de la capa de la corona y han dejado el estudio de propagación para la labor futura23. Nuestra metodología permite medición de pérdida de masa, distribución de la temperatura y geometría de la llama para ambas capas en corona de arbusto de fuego encendido y propagación. Proporciona un medio para inferir indirectamente el flujo de energía de la tasa de pérdida de masa. Otros estudios han demostrado las ventajas de la medición directa de flujo de calor en experimentos de propagación del fuego. Finney et al. , presentada varios ejemplos de mediciones de flujo de calor en wildfire difundir experimentos34. A través de este trabajo, fueron capaces de hacer importantes observaciones sobre los papeles convectivo y traspaso térmico radiativo jugar en propagación de incendios forestales. La metodología presentada aquí permite observaciones de la base de la energía dinámica en incendios forestales en el chaparral. Un siguiente paso beneficioso implicaría un análisis más detallado de las aportaciones particulares de transferencia de calor radiativa y convectiva. Para estudios futuros, se recomienda explorar la medida directa de flujos de calor.
Para asegurar precisión en las mediciones allí son varios pasos críticos. La calibración de las células de carga, medición de pérdida de masa de corona es quizás el paso más crítico y el paso que toma más tiempo. Esto es porque al final de cada día del experimento, la cama de combustible de corona debe ser desmontada y ligero movimiento en la configuración puede provocar alteraciones en las lecturas de masa. Por lo tanto, la calibración debe hacerse al principio de cada día del experimento. Para futuros experimentos, una configuración más permanente sería lo ideal. En esta configuración futura, las células de carga individual se colocará en la disposición experimental.
Además el paso de calibración, un paso crítico en el protocolo es la preparación de los combustibles. La intención de todo el programa experimental es desarrollar una mejor comprensión de la combustión en combustibles vivos con el fin de mejorar nuestra capacidad para predecir el comportamiento del fuego prescrito. Tiempo viven ramas hasta 1/2 pulgada (1,27 cm) puede ser consumido en el frente de llama de alta intensidad quema en chaparral prescrita (véase verde35), combustibles de diámetro mayor por lo general no se queman en el frente de llama. Quemaduras de laboratorio usando combustibles de chaparral se han centrado sobre el uso de combustibles que generalmente se consumiría por frente de llama que se separa de una quema prescrita (véase Cohen y Bradshaw36, Weise et al. 37). especies de chaparral principales incluyen chamise (Adenostoma fasciculatum), mientras que otros chaparral combustibles incluyen manzanita (Arctostaphylos glandulosa) y ceanothus hoaryleaf (Ceanothus crassifolius). Aquí chamise fue el combustible elegido porque es más inflamable de estas especies. El protocolo puede ser modificado para incluir otras especies como el tamaño de la rama se mantiene por debajo de 1/4 pulgada.
En general, independientemente de la especie elegida como combustible, ramas deben recortarse tal que todos los diámetros de rama < 1/4 pulgada (0,63 cm) con el fin de mantener la uniformidad. No realizar este paso o realiza incorrectamente afectaría negativamente a la reproducibilidad de los resultados. Sobre recorte las ramas también pueden ser una desventaja porque las camas de combustible con tamaños muy pequeña rama tienden a tienen mayor densidad y por lo tanto también Arden diferentemente. En el procedimiento descrito aquí, después de Omodan38, la densidad se mantuvo en un promedio de 9,2 kg/m3.
Cabe señalar debido a la escala de este experimento, un equipo de 4 o más personas es necesaria para asegurar la eficiencia durante el experimento. Tener una persona a cargo de la tripulación con el protocolo visible en todos tiempos es importante cumplimiento de todos los pasos correctamente. Esta persona es responsable de la seguridad de la tripulación así como la coordinación del experimento. Es importante que esta persona y el resto de la tripulación prestan atención a su seguridad y la de medio ambiente, lo que significa tener visibilidad de extintor de incendios, garantizando la ventilación está en y las puertas están cerradas durante el experimento.
Además, sería ventajoso para sincronizar todos los instrumentos con un solo gatillo. Esto haría que procesamiento y análisis de datos más eficiente. Por último, una progresión natural después de que se domina la técnica aquí sería integrar algunas de las capacidades restantes del túnel de viento como el control de la temperatura que se ha demostrado en otros estudios que otro factor importante a considerar. Esto permitiría una gama más amplia de control de las condiciones ambientales. Los resultados presentados aquí provienen de experimentos llevados a cabo durante los meses de verano cuando los combustibles son generalmente más secos; este período también corresponde a una porción del año cuando se producen incendios forestales. Si, sin embargo, una amplia gama de las estaciones deben ser analizadas durante un período experimental, se puede emplear el control de temperatura del túnel de viento. Del mismo modo, variación de contenido de humedad del combustible sería proporcionar la penetración sobre la influencia de este parámetro en chaparral corona fuego transición y difusión. En el diseño de un estudio ampliado para incluir el contenido de humedad del combustible y densidad como parámetros controlados, análisis de errores como la proporcionada por Mulvaney et al. serían a ayudante en el diseño de una metodología experimental uniformidad39.
La técnica aquí descrita permite un examen del comportamiento del fuego corona que integra las mediciones de masa, temperatura y geometría de la llama para ambas capas del combustible involucrado. Resultante de esta metodología de análisis pueden conducir a una mayor comprensión de chaparral fuego como fuego corona especialmente dentro de los límites del comportamiento del fuego corona independiente, pasivo o activo como presentado por Wagner Van5, proporcionando conocimiento ayudar en la predicción de incendios y control.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Los autores desean reconocer Benjamin Sommerkorn, Gabriel Dupont, Jake Eggan y Chirawat Sanpakit que con los experimentos aquí presentados. Iñiguez Cobian Jeanette agradece apoyo por número de autorización de la NASA MUREP institucional investigación oportunidad (MIRO) NNX15AP99A. Este trabajo fue financiado también por el USDA/USDI Plan Nacional de fuego a través de un acuerdo entre el servicio forestal del USDA, centro de investigación de PSW y la Universidad de 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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