Vindtunnel eksperimenter til at studere Chaparral Crown brande

Summary

Denne protokol beskriver vindtunnel eksperimenter designet til at studere overgangen af en brand fra jorden til canopy chaparral buske.

Abstract

Denne protokol udgør en laboratorium teknik udviklet til at studere chaparral crown brand tænding og spredning. Eksperimenter blev udført i en lav hastighed brand vindtunnel hvor to forskellige lag af brændstof var konstrueret til at repræsentere overflade og crown brændstoffer i chaparral. Chamise, en fælles chaparral busk, består det levende crown lag. Døde brændstof overflade lag blev bygget med excelsior (strimlet træ). Vi udviklet en metode til at måle massetab, temperatur, og flammen højde for både brændstof lag. Termoelementer placeret i hvert lag anslået temperatur. Et videokamera erobrede den synlige flammer. Efterbehandling af digitale billeder givet flamme egenskaber herunder højde og flamme tilt. En brugerdefineret crown massetabet instrument udviklet in-house målt udviklingen af massen af crown lag under brændingen. Massive tab og temperaturændringer tendenser fremstillet ved hjælp af den teknik matchede teori og andre empiriske undersøgelser. I denne undersøgelse præsenterer vi detaljerede eksperimentelle procedurer og oplysninger om instrumenterne anvendes. De repræsentative resultater for brændstof masse tab sats og temperatur indgives inden brændstof sengen er også inkluderet og drøftet.

Introduction

I 2016 oplevede staten Californien 6,986 wildland brande, forbrugende 564,835 acres¹, koster millioner af dollars i skader, og risikere wellness af hundredvis af mennesker i alt. På grund af den regionale middelhavsklima er en væsentlig brændselskilde for disse brande chaparral vegetation samfund². Brandspredning i chaparral kan betragtes en krone brand, da det vigtigste brændstof, der brænder er forhøjet³. Co-eksisterende med overvejende live crown-laget, er laget døde overflade brændstof, som består af kaste blade, grene og urteagtige planter, der vokser under og mellem de enkelte buske. Brand vil lettere indlede i laget døde overflade brændstof. Når overfladen ilden antænder, kan ilden overgang til kronen lag hvor den energi, der frigives ved ilden stiger dramatisk. Mens chaparral brande har typisk været modelleret som en brand spredes i dybe overflade brændstoffer⁴, har der været begrænset undersøgelse af chaparral brande som crown brande.

Crown karakteristika i chaparral, herunder løv partikel form, adskiller sig fra boreale nåleskov, hvor de fleste af forskningen er opstået. Talrige laboratorium og område skala undersøgelser har undersøgt forskellige aspekter af wildfire dynamics^{6,5,7,3,8,9,10 ,11,12}. Inden for grænserne af laboratorieforsøg, flere studier har undersøgt parametres som vind og brændstof egenskaber på chaparral crown brand adfærd. Lozano⁷ undersøgt Karakteristik af crown brand indledning i overværelse af to diskrete crown brændstof senge. I Tachajapong et al. ³, diskrete overflade og crown lag blev brændt inde i en vindtunnel og overflade ilden var karakteriseret. Eneste krone brand indledning var fuldt beskrevet forlader fuld analyse af spredning for det fremtidige arbejde. Li et al. ¹¹ rapporterede om udbredelsen af en flamme selv enkelt chaparral buske. I relateret arbejde, Cruz et al. ^{10 , 9} udviklet en model for at forudsige antændelse af nåletræ løv over en spredning overflade brand. Brænde Karakteristik af chaparral brændstoffer har været udforsket i eksperimentelle undersøgelser af bulk brændstoffer og enkelte blade^13,14,15,16. Dupuy et al. ¹³ studerede Pinus pinaster nåle og excelsior brændende karakteristika ved forbrænding af brændsel i cylindrisk kurve. De bemærkede, at i disse brændstoffer, var flamme højde relateret til varme frigivelse sats via en to-femtedele magt lov, som tidligere har været rapporteret i litteraturen^17,18. Solen et al. ¹⁴ brændt chaparral brændstoffer i lignende cylindrisk kurve til at analysere tre chaparral brændstoffer brændende karakteristika: chamise (Adenostoma fasciculatum), ceanothus (Ceanothus crassifolius) og manzanita ( Melbærris glandulosa).

Motiveret af resultaterne fra de førnævnte laboratorieundersøgelser, vores formål her er at præsentere en metode til at karakterisere spredning i både overflade og busk crown lag. Derudover tilstræber vi at afklare nogle af de vigtigste karakteristika, der er bestemmende for graden af overflade-crown lag interaktion. Til dette formål udviklet vi et forsøgslaboratorium metode til at studere den lodrette overgangen af en ild brændende i en wildland overflade brændstof til en brand spredes i et ophøjet busk brændstof. I disse typer af brande, kan oversættelse af brand busk krone, kendt som kroning, efterfølges af vedvarende spredning under de rette betingelser. I almindelighed, er chaparral brand adfærd dikteret af topografi, vejr og brændstof¹⁹. Det har vist sig at vinden påvirker energi frigivelse sats i brændstoffer^5,3,8,20.

Brandspredning i porøse brændstoffer kan ses som en række overgange eller tærskler, der skal krydses for at være vellykket²¹. Energisk, antænder et brændstof partikel hvis mængden varme, som det modtager, resulterer i en blanding af gasser, der med held reagerer med ilt. Den resulterende flamme spreder hvis varmen fra den brændende partikel antænder en tilstødende brændstof partikel. Ilden spreder sig over hele jorden hvis det er i stand til at krydse huller mellem brændbart fuel elementer. Hvis flammen af en overflade brand er i stand til at udbrede lodret i kronen af buske og træer, observeret en betydelig ændring i brand adfærd, herunder øget varme release priser, ofte på grund af en større tilgængelighed af brændstof. Termisk energi dynamics i wildland brande omfatte flere skalaer, fra de meget store skala, sådan i mega-brande, som ofte kræver klimatologiske modellering, til lille skala som kræver kemiske skala kinetic modellering. Her, vi beskæftiger os med laboratoriet vindtunnel skala adfærd modellering; for kemiske skala cellulose forbrænding undersøgelser henvises læseren til værker som Sullivan et al. ²²

Siden 2001, har vi gennemført en lang række eksperimenter undersøger nogle af laboratoriet skala energi tærskler^{23,8,24,25,26, 27}, med en vægt på live brændstoffer tilknyttet chaparral. Mens udendørs målinger af brand kan give mere virkelighedstro resultater, det kontrollerede miljø af vindtunnel mulighed for afgrænsning af virkningen af forskellige parametre. Styre vinden, for eksempel, er især vigtigt for chaparral crown brande forekommer i områder som sydlige Californien hvor foehn type vind, kendt som Santa Ana vind, er typisk chauffører af brand begivenheder. Fordi en stor motivator for metoden beskrevet her er at studere effekten af vind og andre kontrollerede parametre på chaparral brand spredning, blev denne undersøgelse udført i et laboratorium skala vindtunnel. Læseren er rettet til arbejde af Silvani et al. ²⁸ for feltmålinger af temperatur i chaparral brande svarende til dem, der præsenteres her. For feltmålinger på effekten af vinden på brand opslag, se venligst Morandi et al. ²⁹

Flere parametre påvirker spredningen i chaparral brændstoffer har været eksperimentelt analyseret af kvantificere sandsynlighedenaf brand spredes succes i forhøjede brændstof senge⁸. Den nuværende eksperimentel undersøgelse indebærer en metode udviklet til at studere chaparral crown brand spredes ved modellering overflade brændstoffer og crown brændstoffer inde i afsnittet test af et lav hastighed vindtunnel. Den overflade brændstof er modelleret med excelsior (tørret hakket træ). Overflade brændstof sengen er placeret i stueplan i vindtunnelen over en standard skala (Se figur 1). Der repræsenterer crown brændstof seng, en brændstof seng med chamise var placeret over overflade brændstof bed ved at suspendere brændstof fra en platform, der er monteret på vindtunnel rammen (Se figur 1). Både brændstof senge er instrumenteret for temperatur og massetabet målinger; flammen geometri er fremstillet af videooptagelser af eksperimenter. Parametre måles omfatter massetabet sats, brændstof vandindhold og relative fugtigheden i luften. Parametre kontrolleret var vinden tilstedeværelse, afstand mellem overflade brændstof seng og crown brændstof bed, og tilstedeværelsen af overflade brændstof. Den målte massetab sats kan bruges til at beregne den varme frigivelse sats, der er defineret som:

hvor h er varmen fra brændstofforbrænding, m er brændstof massen, og t er tiden.

Figur 1: Wind tunnel eksperimentel opsætning. Placeringer af crown brændstof seng, overflade brændstof seng og tunnel fan er blevet stemplet for bekvemmelighed. Overflade brændstof sengen er placeret i stueplan af vindtunnel over en standard skala. Der repræsenterer crown brændstof seng, var en brændstof seng med chamise placeret over overflade brændstof bed ved at suspendere brændstof fra en platform, der er monteret på rammen vindtunnel. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Eksperimenter har fokuseret på at forstå opførslen af chaparral crown brande, især antændelse, flammespredning og spredning og flamme front hastigheder og brændstof forbrug satser. For at studere samspillet mellem en overflade brand og en krone brand, seks konfigurationer af overfladen og crown brændstof senge med og uden anvendte vind flow, være blevet brændt i vindtunnel: crown brændstof kun med og uden vind (2), krone og overflade brændstof senge adskilt af to afstande med og uden vind (4). Tabel 1 sammenfatter de eksperimentelle konfigurationer med de 6 eksperimentelle klasser. I tabellen angiver overflade brændstof bed parameter om overflade brændstof var til stede under eksperimentet, vind parameter henviser til tilstedeværelsen af vinden og krone højde henviser til afstanden mellem bunden af crown brændstof seng og bunden af overfladen brændstof seng. Brændstof fugt blev målt til hvert eksperiment men ikke kontrolleret, gennemsnitlige brændstof vandindhold var 48%, mens de minimale og maksimale værdier var 18% og 68%, henholdsvis.

Klasse	Overflade brændstof Bed	Vind	Krone højde
A	Fraværende	Ingen vind	60 eller 70 cm
B	Fraværende	1 ms-1	60 eller 70 cm
C	Nuværende	Ingen vind	60 cm
D	Nuværende	Ingen vind	70 cm
E	Nuværende	1 ms-1	60 cm
F	Nuværende	1 ms-1	70 cm

Tabel 1: eksperimentere konfigurationer. Her betegner parameteren overflade brændstof bed om overflade brændstof var til stede under eksperimentet, vind parameter henviser til tilstedeværelsen af vinden og krone højde henviser til afstanden mellem bunden af crown brændstof seng og bunden af overflade brændstof bed.

En elektronisk skala målt overflade brændstof masse og vi udviklet et brugerdefineret massetabet system for crown lag. Systemet bestod af individuelle vejeceller forbundet til hvert hjørne af suspenderede brændstof seng. Forbruger-grade videokameraer indspillet de visuelle flammer; billedbehandling af de visuelle data ved hjælp af et brugerdefineret script genereres flamme egenskaber herunder højde og vinkel. Et program blev udviklet til at konvertere videobilleder fra RGB (rød, grøn, blå) kodning til sort og hvid gennem en proces af lysintensiteten tærskel. Kanten af flammen blev indhentet fra de sorte og hvide videobilleder. Maksimale flamme højde blev defineret som det højeste punkt af den flamme kant, øjeblikkelige flamme højder blev også indhentet. I et billede, var flammen højden målt fra bunden af brændstof seng til den maksimale lodrette punkt af flammen. Alle forarbejdning koder samt instrument kontrol interface designet til denne protokol er gjort tilgængelige af forfatterne her gennem deres software adgang site. Høst det levende brændstof lokalt og gennemføre de eksperimentelle burns inden for 24 timer minimeret fugttab. Et termoelement array indspillet brændstof bed temperatur i den stream-wise Vindretning muliggør beregningen af spredningen. Figur 1 viser et diagram over opsætningen brændstof seng sammen med termoelement arrangement. Nærmere oplysninger om den forsøgsplan følge.

Protocol

forsigtighed: som flere trinnene i følgende protokol omfatter aktiviteter, der har potentiale til at forårsage skade, sikre at den korrekte personlige værnemidler (PPE) bruges efter etablerede sikkerhed protokoller inklusive brand resistente tøj og beskyttelsesbriller. 1. crown brændstof Bed belastning celle Instrumentation Setup ændre 4 C-klemmer ved at knytte dobbelt spring gate carabiners (Se Tabel af materialer) gennem pin hul på klemme ' s skrue end…

Representative Results

Kronen og overflade flamme højde data blev indhentet fra de video data. Typiske flamme højde tendenser for eksperimenter er præsenteret i figur 6. Flammen højde adfærd følges, findes i solen et al. 14 Figur 6: anslået crown flamme højde. Her U = 1 m/…

Discussion

Evnen til at måle den forhøjede brændstof masse i hele eksperimentet var en af de største fordele af teknikken præsenteret her. Tidligere undersøgelser adressering chaparral brand har fokuseret på enten eneste krone brand indledning eller kun på overfladen spredt, men ikke begge. Sådanne undersøgelser har kvantificeret mulighed for antændelse i laget krone og har forladt studiet af spredning for fremtidige arbejde²³. Vores metode giver mulighed for måling af massetab, temperaturfordeli…

Materials

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