Summary
Det här protokollet beskriver vindtunnel experiment för att studera övergången av en eld från grunden till tak av chaparral buskar.
Abstract
Protokolls presenterar en laboratorium teknik utformad för att studera chaparral crown brand tändning och spridning. Experiment utfördes på en låg hastighet brand vindtunnel där två distinkta lager av bränsle byggdes för att representera yta och krona bränslen i chaparral. Chamise, en gemensamma chaparral buske, består det levande krona lagret. Döda bränsle ytskiktet byggdes med excelsior (strimlad trä). Vi utvecklade en metod för att mäta massförlust, temperatur, och flame höjd för både bränsle lager. Termoelement placerat i varje lager Beräknad temperatur. En video kamera fångade synliga lågan. Efterbearbetning av digital bildbehandling gav lågan egenskaper inklusive höjd och lågan tilt. En anpassad krona massförlust instrument egenutvecklade mätt utvecklingen av massan av crown lagret under bränningen. Massa förlust och temperatur trender erhållet med teknik som matchade teorin och andra empiriska studier. I denna studie presenterar vi detaljerade experimentella rutiner och information om de instrument som används. De representativa resultat för bränsle massförlust hastighet och temperatur inom bränsle sängen ingår även och diskuterade.
Introduction
I 2016 erfor delstaten Kalifornien sammanlagt 6,986 Nitti bränder, konsumerar 564,835 tunnland1, kostar miljontals dollar i skador, och riskera wellness av hundratals människor. På grund av det regionala medelhavsklimatet är en viktig energikälla för dessa bränder chaparral vegetation samhällen2. Brand spred sig i chaparral kan anses en crown brand eftersom det huvudsakliga bränslet som brinner är förhöjda3. Samexisterande med övervägande levande krona lagret, är det döda yta bränsle lager, som består av gjutna blad, grenar och örtartade växter som växer under och mellan de enskilda buskarna. Brand startar lättare i döda yta bränsle lagret. När surface elden antänder, kan elden övergång till crown lager där den energi som frigörs vid elden ökar dramatiskt. Chaparral bränder har vanligtvis varit modelleras som en brand sprider sig i djupa ytan bränslen4, har det varit begränsade studie av chaparral bränder som crown bränder.
Crown egenskaper i chaparral, inklusive lövverk partikelform, skiljer sig från boreala barrskogen, där forskningen har inträffat. Ett flertal laboratorie- och skala studier har undersökt olika aspekter av wildfire dynamics6,5,7,3,8,9,10 ,11,12. Inom sfären av laboratorieexperiment, flera studier har undersökt påverkan av parametrar såsom vind och bränslets egenskaper på chaparral crown brandegenskaper. Lozano7 undersökt egenskaperna hos crown brand initiering i närvaro av två diskreta crown bränsle sängar. I Tachajapong et al. 3, diskreta yta och crown lager brändes inne en vindtunnel och ytan elden präglades. Enda crown brand inledande beskrevs fullt lämnar fullständig analys av spridningen för framtida arbete. Li et al. 11 rapporterade om en flamutbredning dock enda chaparral buskar. I relaterade arbete, Cruz o.a. 10 , 9 utvecklat en modell för att förutsäga antändning av barrträd bladverk ovanför en fördelande yta brand. Burn kännetecken för chaparral bränslen har utforskats i experimentella studier av bulk bränslen och individen lämnar13,14,15,16. Dupuy o.a. 13 studerade Pinus pinaster nålar och excelsior brännande egenskaper vid förbränning av bränslen i cylindriska korgar. De konstaterade att i dessa bränslen, var flame höjd relaterad till värmeeffekt via en två femtedelar makt lag som har rapporterats tidigare i litteratur17,18. Solen o.a. 14 brände chaparral bränslen i liknande cylindriska korgar att analysera tre chaparral bränslen brännande egenskaper: chamise (Adenostoma fasciculatum), ceanothus (Ceanothus crassifolius) och manzanita ( Arctostaphylos glandulosa).
Motiveras av resultat från de ovan nämnda laboratoriestudierna, vårt syfte här är att presentera en metod för att karakterisera spridningen i både ytan och buske crown lager. Dessutom vill vi klargöra några av de viktigaste egenskaperna som bestämmer graden av surface-crown lager interaktion. Till detta ändamål har vi utvecklat en experimentell laboratoriemetodik för att studera vertikala övergången av en eld brinnande i Nitti ytan bränsle till en brand sprider sig i en förhöjd buske bränsle. I dessa typer av bränder, kan översättning av elden till buske kronan, känd som kröna, följas av varaktig spridning under rätt förutsättningar. Chaparral elden beteende styrs i allmänhet av topografi, väder och bränsle19. Det har visat att vinden påverkar energi Frisättningshastigheten i bränslen5,3,8,20.
Brand sprids i porösa bränslen kan ses som en serie övergångar eller tröskelvärden som måste passeras för att vara framgångsrik21. Energiskt, antänder en bränsle partikel om mängden värme som den erhåller resulterar i en blandning av gaser som framgångsrikt reagerar med syre. Resulterande lågan sprider om värmen från brinnande partikeln antänder en intilliggande bränsle partikel. Elden sprider sig över marken om det ska kunna korsa luckor mellan brännbart bränsleelement. Om lågan av en yta brand ska kunna propagerar vertikalt i kronan av buskar och träd, observeras ofta en betydande förändring i elden beteende, inklusive ökad värme release priser, på grund av en större tillgång till bränsle. Värmeenergi dynamics i Nitti bränder omfattar flera skalor, från de mycket stor skalan, sådan i mega-bränder som kräver ofta klimatologiska modellering, till lilla skala som kräver kemiska skala kinetiska modellering. Här, behandlar vi laboratorium vindtunnel skala beteende modellering; för kemiska skala cellulosa förbränning studier hänvisas till verk såsom Sullivan et al. 22
Sedan 2001 har vi genomfört en mängd experiment att undersöka några av laboratoriet skala energi tröskelvärden23,8,24,25,26, 27, med betoning på levande bränslen är associerad med chaparral. Medan utomhus mätningar av brand kan ge mer verklighetstrogna resultat, tillåter den Kontrollera miljön i vindtunneln för avgränsning av effekterna av olika parametrar. Styra vinden, är exempelvis särskilt viktig för chaparral crown bränder som inträffar i områden som södra Kalifornien där foehn typ vindar, känd som Santa Ana-vindarna, är typiska förare av brand händelser. Eftersom en viktig drivkraft för den metod som beskrivs här är att studera effekten av vind och andra kontrollerade parametrar på chaparral brandspridning, utfördes denna studie i ett laboratorium skala vindtunnel. Läsaren är riktad till arbetet av Silvani et al. 28 för fältmätningar av temperatur i chaparral bränder liknar de som presenteras här. För fältmätningar på effekten av vinden på brand sprids, vänligen se Morandi o.a. 29
Flera parametrar påverkar spridningen i chaparral bränslen har analyserats experimentellt av kvantifiera sannolikhetenav brand sprider framgång i förhöjda bränsle sängar8. Den nuvarande experimentell studien innebär en metod utvecklats att studera chaparral crown brand sprids genom modellering ytan bränslen och crown bränslen släpper avsnittet test i en låg hastighet vindtunnel. Yta bränslet är modellerad med excelsior (torkad strimlad trä). Yta bränsle sängen placeras på marknivå i vindtunneln över en standardskala (se figur 1). Som representerar crown bränsle sängen, en bränsle säng med chamise placerades över ytan bränsle sängen genom att avbryta bränslen från en plattform som monteras på ramen vindtunnel (se figur 1). Både bränsle sängar är instrumenterad för temperatur och massförlust mätningar. lågan geometri erhålls från videoinspelningar av experiment. Uppmätta parametrar inkluderar massförlust hastighet, bränsle fukthalt och den relativa fuktigheten i luften. Parametrar kontrolleras var vinden närvaro, avståndet mellan surface bränsle säng och kronan bränsle, och förekomsten av surface bränsle. Den uppmätta massförlust som kan användas för att beräkna den värmeeffekt, vilket definieras som:
där h är värmen i bränsleförbränning, m är massan av bränsle, och t är tiden.
Figur 1: vindtunnel experiment. Platser av crown bränsle sängen, surface bränsle sängen och tunnel fläkten har märkts för bekvämlighet. Yta bränsle sängen placeras på marknivå i vindtunneln över en standardskala. Som representerar crown bränsle sängen, placerades en bränsle säng med chamise över ytan bränsle sängen genom att avbryta bränslen från en plattform som monteras på ramen vindtunnel. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Experiment har fokuserat på att förstå beteendet hos chaparral crown bränder, särskilt tändning, mekanismer för brandspridning och spridning, flame främre hastigheter och bränsleförbrukning. För att studera interaktionen mellan en yta brand och en crown brand, sex konfigurationer av ytan och crown bränsle bäddar med och utan tillämpad vind flöde, har bränts i vindtunneln: crown bränsle endast med och utan vind (2), crown och ytan bränsle sängar åtskilda av två sträckor med och utan vind (4). Tabell 1 sammanfattar de experimentella konfigurationerna med 6 experimentella klasser. I tabellen betecknar surface bränsle säng parametern om surface bränsle var närvarande under experimentet, vind parametern refererar till förekomsten av vind och kronan höjd avser avståndet mellan botten av crown bränsle sängen och botten av ytan bränsle-säng. Bränsle fukt var mätt för varje experiment men inte kontrolleras, genomsnittlig bränsleförbrukning fukthalten var 48%, medan de lägsta och högsta värden var 18 till 68%, respektive.
| Klass | Yta bränsle säng | Vind | Crown höjd |
| A | Frånvarande | Ingen vind | 60 eller 70 cm |
| B | Frånvarande | 1 ms-1 | 60 eller 70 cm |
| C | För närvarande | Ingen vind | 60 cm |
| D | För närvarande | Ingen vind | 70 cm |
| E | För närvarande | 1 ms-1 | 60 cm |
| F | För närvarande | 1 ms-1 | 70 cm |
Tabell 1: experimentera konfigurationer. Här betecknar parametern ytan bränsle säng om surface bränsle var närvarande under experimentet, vind parametern refererar till förekomsten av vind och kronan höjd avser avståndet mellan botten av crown bränsle sängen och längst ned på surface bränsle sängen.
En elektronisk våg mäts ytan bränsle massa och vi utvecklat en anpassad massförlust system för crown skiktet. Systemet bestod av enskilda lastceller ansluten till varje hörn av suspenderade bränsle sängen. Konsument-grade videokameror registreras de visuella lågorna; bildbehandling av visuella data med hjälp av ett anpassat skript genereras lågan egenskaper inklusive höjd och vinkel. Ett program har utvecklats för att konvertera video ramar från RGB (röd/grön/blå) kodning till svartvitt genom en process av ljusintensiteten tröskelvärde. Kanten av lågan erhölls från de svarta och vita videobildrutorna. Maximala lågan höjd definierades som den högsta punkten av lågan kanten, momentana låga höjder erhölls också. I en bild mättes flame höjd från basen av bränsle sängen till den maximala vertikala punkten av lågan. Alla bearbetning koder samt de instrument kontroll gränssnitt utformat för detta protokoll har gjorts tillgängliga av författarna här genom sin programvara access-webbplatsen. Skörda den levande bränslen lokalt och genomföra experimentella brännskador inom 24 h minimerat fuktförlust. Ett termoelement matris in bränsle bäddtemperatur i stream-wise vindriktningen möjliggör beräkning av grundfaktor. Figur 1 visar ett diagram över inställningen bränsle säng tillsammans med termoelement arrangemanget. Detaljer i experimentell protokollet följer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
försiktighet: eftersom flera steg i följande protokoll innefattar aktiviteter som har potential att orsaka skada, se till att lämplig personlig skyddsutrustning (PPE) används efter etablerade säkerhet protokoll inklusive brand resistenta kläder och skyddsglasögon.
1. crown bränsle Bed Last Cell Instrumentation Setup
- ändra 4 C-klämmor genom att fästa dubbla våren gate carabiners (se Tabell för material) genom pin-hål på klämman ' s skruv slutet (se (se figur 2). Använd carabiners för att avbryta crown bränsle sängen.
- Med en annan C-klämmor, anbringa varje lastcell anstränga mätinstrumentet till den övre delen av ramen vindtunnel (se figur 2).
- Bifoga modifierad C-klämmor till den fria änden av töjningsmätaren cellerna, med de carabiners som hänger ner. Fästa kedjor till plattformen för crown bränsle sängen.
- För att avbryta crown bränsle säng plattformen från vindtunneln ramen, ansluta varje krona bränsle säng kedjorna till en karbinhake.
- När var och en av de fyra lastcellerna är fullt monterade och anslutna till bränsle sängen, Anslut deras sladdar till Wheatstone-brygga som kommer att användas för datainsamling. Täcka lastcellerna med elden som isolerande material, såsom typ används för brand skyddsrum.
figur 2: vindtunnel crown bränsle bed Last cell instrumentation. (en) Wind tunnel framifrån (b), ändrad C-clamp med karbinhake och krona bränsle säng kedja som stöder crown bränsle sängen. (c), belastning cell bifogas vindtunnel ramen med en C-clamp. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
2. lasta Cell kalibrering
Obs: den signalen som produceras av lastcellerna omvandlas till en motsvarande massa genom:
där V är signalen, vanligtvis i millivolt, A och B är konstanter som bestäms genom kalibrering och m betecknar massan i gram. Alla parametrar i ekvation (2) erhålls genom anpassade instrument styrgränssnittet utvecklats för crown massa instrumenteringen i detta protokoll. När första använder systemet, precision vikter används för att kalibrera belastning cell signalen. Kalibrering konstanter A och B kommer att erhållas utifrån signalen produceras när mäta belastningen av dessa precision vikter. Konstanten A beräknas från:
där m t är en massa prov precision vikt, en w är signalen produceras med den vikt laddad på belastning cell, medan en w, o motsvarar signalen produceras när ingen vikt appliceras på lastcell.
- Att få kalibrering konstant A, krok precision vikter (ett bra utbud skulle vara 200-500 g) till den första last-cellen. Använda massan av precision vikter som parametern m t i ekvation (3).
- Ställa in förstärkning av cell belastning till 128 med hjälp av Input # fältet som visas i figur 3b, i.1. Detta motsvarar till det högsta värdet som tillåts av enheten.
- Läsa signal utdata vid utgång 0 från gränssnittet instrumentet (se figur 3b, i2). Detta är parametern ett w i ekvation (3).
- Haka vikt och läsa det nya värdet visas i gränssnittet instrument ( figur 3b, i2). Detta är parametern en w, o.
- Beräkna A baserat på parametrar (m t , ett w, en w, o) erhålls i steg 2.1-2.4 och ekvationer presenteras.
- Fyll i Ch 0-M-värdet för varje sensor med A värdet erhållits i föregående steg i gränssnittet controller,.
- Att hitta förskjutningsvärdet, B, ta bort alla vikter, läsa värdet i den ' utgångar kalibrerad (g) ' (se figur 3 c i2), multiplicera detta värde av -1. Resultatet är konstanten B, ange detta nummer i den " tillägg " Ch 0-A låda (se figur 3 c, i.3).
- Upprepa steg 2,3-2.8 för varje lastcell (0, 1, 2, 3), systemet är nu helt kalibrerad; fortsätta att ladda bränsle sängar med bränslen.
figur 3: kontroll gränssnitt instrumentdata ingång steg för lastcell kalibrering. (en) Bridge första konfigurationen fönster med få inställningar och aktivera rutan (b), fönster för första etappen av belastning cell kalibrering (c) fönster för andra etappen av belastning cell kalibrering (d), fönster för sista skede av belastning cell kalibrering, sparas filen här och dataloggning startades. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
3. förberedelse av Chaparral och Excelsior bränsle sängar
Obs: varje experiment använder 2 kg levande chamise och 0,5 kg excelsior (strimlad aspen trä).
- Från högen av bränsle samlas för att bränna, samla flera 1-pint flaskor bränsle (3-4 flaskor).
- Följ anvisningarna avgränsas av landsman och Dean till ugn torra prover och få bränsle fukt innehåll 30.
- Trimma enskilda grenar från en bunt av nyligen skördade chamise att ta bort döda material och gren material större än ¼ tums diameter. Placera de återstående levande bränsle materialet i behållaren för vägning.
- Välj 2 kg den trimmade chamise och 0,5 kg excelsior med hjälp av en elektronisk våg. Placera 0,5 kg excelsior på ytan bränsle säng plattformen på golvet vindtunnel, garanterar bulkdensitet så enhetlig som möjligt. Gör detta genom att placera en känd mängd excelsior över en känd områdesdjupet.
- Dra isär (fluff) komprimerad excelsior för att minska dess bulkdensitet så det kommer att bränna lätt. belastning 2 kg av trimmade chamise på plattformen hängande från belastning cellerna att skapa förhöjda bränsle sängen. Jämnt fördelade chamise grenar över hela plattformen att producera en enhetlig bränsle säng.
4. Termoelement arrangemang
Obs: K-typ termoelement används för att mäta temperaturen både bränsle bäddar. Data samlas in via ett system för datainsamling kontrolleras med en anpassad grafiska gränssnitt (se tabell av material för controller design mjukvara). De termoelement rekommenderas för användning är 24 AWG termoelement med en svarstid på 0,9 s.
- Ansluta en array av sexton 24 AWG termoelement (dirigent diameter: 0.51054 mm) till en datalogger (svarstid: 0,9 s).
- In 6 termoelement crown bränsle lagret. Placera dessa termoelement 20 cm mellanrum och Undvik kontakt av termoelement med grenar. Sätt in 10 termoelement i lagrets yta bränsle. Placera dessa surface bränsle termoelement 10 cm isär och Undvik kontakt av termoelement med grenar (se figur 4).
- Aktivera dataloggning genom att klicka den " Start " knappen i termoelement kontroll programvarugränssnitt.
figur 4: Diagram över ytan och krona bränsle sängar med termoelement array läge. 6 termoelement fördes här in i kronan bränsle lagret 20 cm ifrån varandra. 10 termoelement fördes in i ytan bränsle lagret 10 cm mellanrum. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
5. bild förvärv Setup
- Mount visuellt hänvisningens mål som har röda märken på 10-cm-intervaller ovanför fönstret vindtunnel. Använda detta mål som referens för att bestämma låga höjd från experiment video.
Obs: Urvalet låga höjder presenteras i figur 5. - Inställningsdata fotografisk samling. Med fokus på området vindtunnel test, justera kamerans fokus för att fånga hela vertikala referensen målet samt området bränsle säng.
- Setup videokamera datainsamling. Montera videokameran med en universal kamera väggfäste på väggen för att ge en fullständig bild av avsnittet vindtunnel test.
figur 5: fotografi av provet låga höjder från en typisk experiment. Den blå visuella mål med röd märkrand fungerar som en referens att bestämma låga höjd från experiment video. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
6. flow Setup
Obs: vindtunneln är utrustad med en fläkt med variabel hastighet. Luftflödet i vindtunneln har kalibrerats tidigare att fläkthastigheten. För att uppnå önskad lindahastigheten, är fläkt rotationshastigheten (i Hz) markerad. I de nuvarande experiment, ingen vind och 1 m/s vind flöde fall studerades.
- Inställd fläkthastighet på 1 m/s på styrningen. Slå på fläkten för att säkerställa att den fungerar korrekt.
- Stäng av fläkten. Det är nu klar för användning.
Obs: Bränna byggnaden är utformad att utföra brand experiment säkert medan evakuera rök från arbetsrymden. Meddela lokala brandmyndigheterna att experiment genomförs för att eliminera förekomsten av falsklarm. - Stäng alla dörrar i byggnaden för att se till att taket ventilerna är avfarten endast möjligt för rök evakuering.
- Aktivera lufttillförseln fans att få in frisk luft från utanför byggnaden på golvnivå. Slå på frånluftsfläktarna att evakuera rök genom taket ventilerna.
Obs: Detta kommer att upprätta en låg hastighet, hög volym luftflödet från utanför byggnaden som stiger lodrätt på grund av liten tryckskillnaden och taket öppningarna. - Före varje experiment, använda en våt-termometer hygrometer för att mäta relativ fuktighet och temperatur på luften.
7. Tändning (implementera samtidigt med steg 8)
Obs: tändning processen bör utföras enligt följande av tändning besättningsmedlemmen. För ökad säkerhet, det rekommenderas att en andra besättningsmedlem förbli nära testområdet under tändning.
- När uppdrag att ' antända ', Blötlägg framkanten av excelsior ytan bränsle sängen med denaturerad etylalkohol. Placera flaskan alkohol från zonen tändning och använder butan ficklampa, antända slutet av surface bränsle sängen i en linje som är parallell till framkant av bränsle sängen. Vara observant som alkohol-indränkt bränslet antänds lätt.
- När bränsle sängen har varit antänts, kliva ur avsnittet test och Stäng luckan till tunneln. Om vind krävs för experimentet, aktivera vindtunnel fläkten.
8. Initiera experimentella kör
Obs: vid verifiering av experimentet är korrekt setup, kamerorna ska inledas.
- Slå på videokameran att registrera.
- Upplästa i experiment nummer/kod, datum och experimentella konfiguration så mikrofonen på den video kameran registrerar informationen.
- Instruera datorn besättningen börja dataloggning med tickande den " aktivera dataloggning " alternativ i gränssnittet instrument kontroll (se figur 3d, i.1). Instruera tändning personen att antända bränslet. När tändningen besättningsmedlemmen avslutar vindtunneln, instruera vind besättningsmedlemmen att starta vindtunnel fläkten. Detta kommer att vara i början av experimentet där tid är noll (t = 0).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Krona och ytan lågan höjd data erhölls från videodata. Typiska låga höjd trender för experiment presenteras i figur 6. Lågan höjd beteende följt som hittas i Sun et al. 14
Figur 6: beräknad crown lågan höjd. Här U = 1 m/s, surface-crown separation d = 70 cm. Detta motsvarar en representativ klass E-experiment. Lågan höjd erhålls genom bearbetning av bilder från experiment video. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Utvecklingen av lågan höjd i figur 6 valdes eftersom det visar typiska låga höjd beteende för experiment med vind. I dessa typer av experiment, lågorna börja smått, få stora nära mitten av bränsle sängen, då kommer att sönderfalla med tiden som lågorna komma närmare slutet av bränsle sängen. Experimentet i presenterade figuren är fallet F (vind 1m/s och avståndet mellan kronan och ytan bränsle på 70 cm). I det här fallet hjälper vinden lågan att luta. På grund av den låga lutningen är strålnings värmeöverföringen flamman till bränsle sängen förbättrad31. När lågan färdas genom bränsle sängen kommer det Förvärm bränslet före det. Mitten av bränsle sängen verkar vara ett optimalt läge där tillräcklig förvärmning inträffade över en stor mängd bränsle för att skapa en stor flamma. I slutet av bränsle sängen är också förvärms, men mängden bränsle blir begränsad så att mindre pyrolys gaser frigörs vilket resulterar i minskad lågan höjd.
Bränsleförbrukning erhölls för hela omfattningen av båda bränsle sängar. Utvecklingen av massförlust för valda experiment presenteras i figur 7. Parametern icke-dimensionell M är förhållandet mellan momentana massan m och den ursprungliga massa m0. Dimensionslös tid Τ är förhållandet mellan experimentella tiden t och totalen bränna tid tf, där total brinntid definieras som den tid när flammande tändning har slutat. Utvecklingen av massförlust hela experiment följde förväntat beteende. Tre allmänna områden identifierades från egenskaperna hos massförlust kurvan: tändning, flambering och pyra, se figur 7. Detta var ett fall F experiment (vind 1 m/s, avståndet mellan ytan och kronan på 70 cm). Bränsle fukthalten var 45%, relativ luftfuktighet var 66%, och den totala brinntiden var 2,5 min. totalt massförlust och massförlust rate trender matchade dem presenteras av Rothermel32 och friboren et al. 33
Figur 7: bränsle förbrukning trend. Skildras är en representativ klass F experiment, där U = 1 m/s och surface-crown separation d = 70 cm. förbränning regioner är märkta på tomt (tändning, flambering och pyrande). Generaliserad trenden med dessa tre regioner observerades för de flesta experiment. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
För att illustrera massförlust trender för både ytan och crown lager erhållits från experiment som beskrivs genom denna metod, presenteras resultaten för fyra experiment i figur 8 och figur 9. Genomsnittliga bränna gånger för experimentell kategorier representeras av figur 8 var följande: klass C och D i genomsnitt 4,5 minuter och klass E och F i genomsnitt 2,5 minuter. Som kan observeras, vind förbättrade massa förlusten och totalen brinntid.
Figur 8: Surface bränsle säng massförlust för representativa experiment. Uppgifterna presenteras från experiment med vind 1 m/s och utan vind, samt två yta-crown avstånden testade: d = 60, 70 cm. vikt förlust data här erhålls från den digital scale används för surface bränsle sängen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9: Crown bränsle säng massförlust för representativa experiment. Data visar experiment med vind och utan vind samt två yta-crown avstånden testade. Massförlust data här erhålls från belastning cell instrumenteringen används för crown bränsle sängen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Gas fas temperaturer mättes i både bränsle sängar med sexton termoelement inom bränsle sängar. Termoelement är märkta T0-T15, figur 4 skildrar termoelement arrangemanget. Termoelement T0-T09 placerades inuti ytan bränsle sängen, medan T10 - T15 placerades inuti kronan bränsle sängen. Crown bränsle säng temperaturer för en valda experiment presenteras i figur 10.
Figur 10: bränsle säng gas temperaturer crown bränsle säng. Termoelement arrangemang indikeras i figur 4. Visas är en klass B experiment utan ytan bränsle säng och en vindhastighet på 1 m/s. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 11: temperaturmätningar som följd av felaktig placering av termoelement. Termoelement arrangemang indikeras i figur 4. Skildras finns data för crown bränsle bäddtemperatur där termoelement placerades felaktigt som framgår av de onormalt låga temperaturerna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Det är viktigt att notera att om termoelement inte är ordentligt i bränsle sängen, temperaturavläsningar blir felaktig. Exempelvis vid undersöker temperaturavläsningar i experimentet representeras av figur 11, konstaterades det att temperaturer för en av de crown bränsle säng termoelement (T15) var lägre än normalt för att bränna villkor. Dessa temperatures var närmare omgivningsförhållanden än att gas fas temperaturerna av brinnande chamise. Det var således slutsatsen att i det här fallet termoelement T15 förblev utanför bränsle sängen genom experiment.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Förmågan att mäta förhöjda bränsle massan i hela experimentet var en av de främsta fördelarna med tekniken presenteras här. Tidigare studier adressering chaparral brand har fokuserat på antingen bara crown brand initiering eller bara på ytan sprids, men inte båda. Sådana studier har kvantifierade risken för antändning i crown lager och har lämnat studien av spridningen för framtida arbete23. Vår metodik tillåter mätning av massförlust, temperaturfördelning och lågan geometri för båda lagren som är inblandade i buske crown brand tändning och spridning. Det är ett sätt att indirekt inferring energi flux från massa förlusten. Andra studier har visat fördelarna med att direkt mäta värmeflödet i brand sprids experiment. Finney et al. presenteras flera exempel på heat flux mätningar i wildfire sprida experiment34. Genom sådant arbete, de skulle kunna göra viktiga iakttagelser på roller konvektiv och strålningstransport värmeöverföring spela i wildfire sprida. Den metod som presenteras här tillåtet för baslinjen observationer av energi dynamik i en löpeld spred sig i chaparral. En välgörande nästa steg skulle innebära en mer djupgående analys av de särskilda bidragen radiative och konvektiv värmeöverföring. För framtida studier rekommenderar vi att utforska direkt mätning av värme flussmedel.
För att säkerställa noggrannhet i mätningarna det finns flera kritiska steg. Kalibrering av de lastceller mäta crown massförlust är kanske det mest kritiska steget och den som tar mest tid. Detta beror på att i slutet av varje experiment dag, crown bränsle sängen måste avmonteras och liten rörelse i konfigurationen kan orsaka förändringar i massa avläsningar. Kalibrering måste därför göras i början av varje experiment dag. För framtida experiment, skulle en mer permanent konfiguration vara perfekt. I denna framtida konfiguration, skulle de enskilda lastcellerna anbringas till experimentella setup.
Förutom kalibreringsläge är en annan avgörande steg i protokollet utarbetandet av bränslen. Avsikten med hela experimentella programmet är att utveckla en bättre förståelse för förbränning i levande bränslen i syfte att förbättra vår förmåga att förutse föreskrivna elden beteende. Tag leva grenar upp till ½ tum (1,27 cm) kan konsumeras i flammans främre av en hög intensitet föreskrivna bränna i chaparral (se grön35), större diameter bränslen förbränns normalt inte i flammans främre. Laboratoriet burns använder chaparral bränslen har fokuserat på att använda bränslen som skulle allmänt konsumeras av en föreskriven burn's fördelande flamfront (se Cohen och Bradshaw36, Weise o.a. 37). stora chaparral arter inkluderar chamise (Adenostoma fasciculatum), medan andra chaparral bränslen inkluderar manzanita (Arctostaphylos glandulosa) och hoaryleaf ceanothus (Ceanothus crassifolius). Här var chamise bränslet valt eftersom det är den mest brandfarliga av dessa arter. Protokollet kan ändras för att inkludera andra arter så länge gren storleken bibehålls under ¼ tum.
I allmänhet, oavsett arten valt som bränsle, grenar bör trimmas så att alla gren diametrar är < ¼ tum (0.63 cm) för att upprätthålla enhetlighet. Inte utföra det här steget eller utför det felaktigt skulle negativt påverka reproducerbarheten för resultaten. Över trimning kan grenar också ofördelaktigt eftersom bränsle sängar med mycket liten gren storlekar tenderar att ha större förpackning täthet och därmed också bränna annorlunda. I proceduren som beskrivs här, efter Omodan38, underhölls packning tätheten i genomsnitt 9,2 kg/m3.
Det är värt att notera att på grund av detta experiment, en besättning på 4 eller fler personer krävs för att säkerställa effektivitet under experimentet. Att ha en person som ansvarar för besättningen med protokollet synliga på alla gånger är viktigt att se till att alla åtgärder följs korrekt. Denna person ansvarar för säkerheten för besättningen samt samordning av experimentet. Det är viktigt att denna person och resten av besättningen uppmärksamma deras säkerhet och för miljön, som innebär att ha synbarheten av brandsläckare, säkerställa luftutsläppen på och dörrarna är stängda under experimentet.
Dessutom skulle det vara fördelaktigt att synkronisera alla instrument med en enda trigger knappen. Detta skulle effektivisera dataanalys och bearbetning. Slutligen, en naturlig utveckling efter tekniken här behärskas skulle vara att integrera vissa återstående vindtunnel funktioner såsom temperaturkontroll som har visats i andra studier vara en annan viktig faktor att beakta. Detta skulle möjliggöra ett bredare utbud av kontroll av miljöförhållanden. De resultat som presenteras här är från experiment som utförs under sommarmånaderna när bränslen är vanligtvis torrare; denna period motsvarar också en del av året när Nitti bränder inträffar. Om emellertid ett stort antal säsonger ska analyseras under en försöksperiod, kan vindtunnel temperaturkontroll användas. Likaså skulle variant av bränsle fukthalt ge insikt om påverkan av denna parameter på chaparral crown brand övergången och spridning. Designa en utökad studie att inkludera bränsle fukthalt och bulk densitet som kontrollerade parametrar, skulle felanalys som den som tillhandahålls av Mulvaney et al. medhjälpare i utforma en metod med experimentella enhetlighet39.
Den teknik som beskrivs här gör en undersökning av crown elden beteende som integrerar mätningar av massa, temperatur och lågan geometri för båda lagren av bränsle inblandade. Analys som följer av denna metod kan leda till en ökad förståelse för chaparral eld som crown brand speciellt inom gränserna för oberoende, passiv eller aktiv crown elden beteende som presenterades av Van Wagner5, vilket ger kunskap till stöd i brand prediktion och kontroll.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Författarna vill erkänna Benjamin Sommerkorn, Gabriel Dupont, Jake Eggan och Chirawat Sanpakit som bistod med de experiment som presenteras här. Jeanette Cobian Iñiguez erkänner stöd av NASA MUREP institutionella forskning möjlighet (MIRO) licensnummer NNX15AP99A. Detta arbete har också finansierats av USDA/USDI nationella brand Plan genom en överenskommelse mellan USDA Forest Service, PSW forskningsstation och 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).
