Summary
Este protocolo descreve experiências de túnel de vento projetadas para estudar a transição de um fogo de chão para o dossel de arbustos de chaparral.
Abstract
O presente protocolo apresenta uma técnica de laboratório projetada para estudar a propagação e ignição de fogo do chaparral coroa. Experimentos foram conduzidos em um túnel de vento de fogo de baixa velocidade onde duas camadas distintas de combustível foram construídas para representar os combustíveis de superfície e coroa no chaparral. Chamise, um arbusto de chaparral comum, composto por camada de coroa ao vivo. A camada de superfície do combustível morto foi construída com excelsior (madeira picada). Desenvolvemos uma metodologia para medir a perda de massa, temperatura e a altura para ambas as camadas de combustível da flama. Termopares colocados em cada camada estimada de temperatura. Uma câmera de vídeo capturou a chama visível. Pós-processamento de imagens digitais rendeu chama características incluindo inclinação altura e chama. Um instrumento de perda de massa de coroa personalizado desenvolvido pela medida da evolução da massa da camada de coroa durante a queima. Tendências em massa de perda e temperatura obtidos usando a teoria de técnica de correspondência e outros estudos empíricos. Neste estudo, apresentamos os procedimentos experimentais detalhados e informações sobre a instrumentação utilizada. Os resultados representativos para a taxa de perda de massa de combustível e temperatura arquivado dentro da cama de combustível também incluídos e discutidos.
Introduction
Em 2016, o estado da Califórnia experimentou um total de 6.986 incêndios na floresta, consumindo 564.835 acres1, custando milhões de dólares em danos e põe em risco o bem-estar de centenas de pessoas. Por causa do clima mediterrâneo regional, uma fonte de combustível principais para estes incêndios são de comunidades de vegetação de chaparral2. Fogo no chaparral pode ser considerado um fogo de coroa desde o principal combustível que queima é elevada3. Co-existentes com a camada de coroa predominantemente ao vivo, é a camada de combustível morto de superfície, que consiste de elenco folhagem, galhos e plantas herbáceas que crescem sob e entre os arbustos individuais. Fogo mais facilmente se iniciará na camada de superfície morta de combustível. Uma vez que o fogo de superfície inflama, o fogo pode transição para a camada de coroa, onde a energia liberada pelo fogo aumenta dramaticamente. Enquanto chaparral fogos normalmente tem sido modelados como um fogo se espalhando em combustíveis profunda superfície4, houve estudo limitado de chaparral incêndios como fogos de coroa.
Características de coroa no chaparral, incluindo a forma das partículas de folhagem, diferem de floresta boreal de conífera, onde ocorreu a maioria das pesquisas. Numerosos estudos de escala de laboratório e de campo têm investigado vários aspectos de um incêndio dinâmica6,5,7,3,8,9,10 ,11,12. Dentro do Reino de experimentos de laboratório, vários estudos examinaram a influência dos parâmetros tais como vento e propriedades de combustível na coroa de chaparral fogo comportamento. Iniciação na presença de duas camas de combustível discreta coroa de fogo Lozano7 analisado características da coroa. Em Tachajapong et al . 3, superfície discreto e coroa camadas foram queimadas dentro de um túnel de vento e o fogo de superfície foi caracterizado. Iniciação de fogo coroa única foi totalmente descrita deixando a análise completa de propagação para o futuro trabalho. Li et al. 11 informou sobre a propagação da chama embora arbustos único chaparral. Em trabalhos relacionados, Cruz et al . 10 , 9 desenvolveu um modelo para prever a ignição de conífera folha acima um espalhando fogo de superfície. Características de queima de combustíveis de chaparral tem sido exploradas em estudos experimentais de combustíveis em massa e indivíduo deixa13,14,15,16. Dupuy et al 13 estudou as características ardentes de agulhas do Pinus pinaster e excelsior pela queima de combustíveis em cestas cilíndricas. Observaram que destes combustíveis, chama altura foi relacionada a taxa de liberação de calor através de uma lei de potência de dois quintos, como foi noticiado anteriormente na literatura17,18. Sun et al . 14 queimar combustíveis chaparral em cestas cilíndricas semelhantes para analisar as características de queima de combustíveis de chaparral três: chamise (Adenostoma fasciculatum), ceanothus (Ceanothus crassifolius) e manzanita ( Arctostaphylos glandulosa).
Motivado pelos resultados de estudos de laboratório acima mencionado, nosso objetivo aqui é apresentar uma metodologia para caracterizar a propagação nas camadas de superfície tanto arbusto coroa. Além disso, pretendemos esclarecer algumas das principais características que determinam o grau de interação da camada de superfície-coroa. Para este fim, nós desenvolvemos uma metodologia de laboratório experimental para estudar a transição vertical de um fogo que arde em um combustível de superfície florestal para um fogo se espalhando em um combustível elevado do arbusto. Esses tipos de incêndios, tradução do fogo para a coroa de arbusto, conhecido como coroamento, pode ser seguida por propagação sustentada sob certas condições. Em geral, comportamento de fogo do chaparral é ditado pela topografia, clima e combustível19. Tem sido demonstrado que vento afeta a taxa de liberação de energia em combustíveis5,3,8,20.
Fogo que se espalhou em combustíveis porosas pode ser visto como uma série de transições ou limites que devem ser cruzados para ser bem sucedido,21. Energeticamente, uma partícula de combustível inflama-se a quantidade de calor que ele recebe resulta em uma mistura de gases que reagem com êxito com o oxigênio. A chama resultante se espalha-se o calor de partícula ardente incendeia uma partícula de combustível adjacentes. O fogo se espalha pelo chão se é capaz de atravessar as lacunas entre os elementos de combustível combustíveis. Se a chama de um fogo de superfície é capaz de propagar-se verticalmente para a coroa de arbustos e árvores, uma mudança significativa no comportamento do fogo, incluindo taxas de liberação de calor aumentada, é frequentemente observada devido a uma maior disponibilidade de combustível. Energia térmica dinâmica nos fogos do wildland abrange várias escalas, a partir da escala muito grande, tanto em megaincêndios que geralmente exigem modelagem climatológica, a pequena escala que exigem modelagem de cinética química escala. Aqui, nós lidamos com comportamento de escala de túnel de vento laboratório de modelagem; para estudos de combustão de celulose em escala química, o leitor é referido por obras como Sullivan et al 22
Desde 2001, temos realizado uma variedade de experimentos, examinando alguns do laboratório escala energia limiares23,8,24,25,26, 27, com ênfase em combustíveis vivos associados chaparral. Enquanto ao ar livre, medições de fogo podem fornecer resultados mais naturais, o ambiente controlado de túnel de vento permitem delineação do impacto dos vários parâmetros. Por exemplo, controlar o vento, é especialmente importante para chaparral coroa incêndios ocorrem em regiões como o sul da Califórnia, onde os ventos tipo foehn, conhecidos como ventos de Santa Ana, são drivers típicos de eventos de fogo. Porque um grande motivador para a metodologia descrita aqui é estudar o efeito do vento e outros parâmetros controlados no chaparral propagação de fogo, este estudo foi realizado em um túnel de vento de escala de laboratório. O leitor é direcionado para o trabalho por Silvani et al 28 para medições de campo de temperatura em chaparral incêndios semelhantes aos aqui apresentados. Para medições de campo sobre o efeito do vento na propagação do fogo, por favor consulte Morandi et al 29
Vários parâmetros que influenciam a propagação nos combustíveis chaparral foram analisados experimentalmente através da quantificação da probabilidadede fogo espalhou-se sucesso no combustível elevado camas8. O estudo experimental atual envolve uma metodologia desenvolvida estudar o fogo coroa de chaparral espalhados por modelagem de superfície combustíveis e combustíveis coroa dentro da seção de teste de um túnel de vento de baixa velocidade. O combustível de superfície é modelado com excelsior (madeira secada desfiada). A cama de combustível superfície é colocada no nível do solo de túnel de vento sobre uma escala padrão (ver Figura 1). Representando a cama de combustível de coroa, uma cama de combustível com chamise foi colocada sobre a cama de combustível superfície suspendendo o combustível de uma plataforma montada sobre o quadro de túnel de vento (ver Figura 1). Ambas as camas de combustível são instrumentadas para temperatura e medições de perda de massa; geometria da flama é obtida a partir de gravações em vídeo das experiências. Parâmetros medidos incluem a taxa de perda de massa, teor de umidade do combustível e a umidade relativa do ar. Parâmetros controlados foram a presença de vento, a distância entre a superfície do combustível cama e cama de combustível de coroa e a presença de combustível de superfície. A taxa de perda de massa medido pode ser usada para calcular a taxa de liberação de calor, que é definida como:
onde h é o calor de combustão do combustível, m é a massa de combustível, e t é o tempo.
Figura 1: configuração experimental de túnel de vento. Locais da coroa combustível cama, a cama de combustível de superfície e o ventilador do túnel foram chamadas para sua conveniência. A cama de combustível superfície é colocada no nível do solo de túnel de vento sobre uma escala padrão. Representando a cama de combustível de coroa, uma cama de combustível com chamise foi colocada sobre a cama de combustível superfície suspendendo o combustível de uma plataforma montada sobre o quadro de túnel de vento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Experimentos têm-se centrado na compreensão do comportamento do chaparral coroa fogos, particularmente a ignição, mecanismos de propagação da chama e propagação de chama velocidades frontal e taxas de consumo de combustível. Para estudar a interação entre um fogo de superfície e um fogo da coroa, foram queimados seis configurações de superfície e coroa camas de combustível com e sem fluxo de vento aplicada, no túnel de vento: coroa combustível somente com e sem vento (2), coroa e camas de combustível separadas por de superfície duas distâncias com e sem vento (4). A tabela 1 resume as configurações experimentais com as 6 classes experimentais. Na tabela, o parâmetro de cama de combustível superfície denota se superfície combustível esteve presente durante o experimento, o parâmetro de vento refere-se à presença de vento e altura de coroa refere-se a distância entre o fundo da cama de combustível a coroa e a parte inferior da superfície cama de combustível. Umidade do combustível foi medida para cada experimento mas não controlada, teor de umidade média de combustível foi 48%, Considerando que os valores mínimos e máximo foram 18% para 68%, respectivamente.
| Classe | Cama de superfície de combustível | Vento | Altura da coroa |
| A | Ausente | Sem vento | 60 ou 70 cm |
| B | Ausente | 1 ms-1 | 60 ou 70 cm |
| C | Presente | Sem vento | 60 cm |
| D | Presente | Sem vento | 70 cm |
| E | Presente | 1 ms-1 | 60 cm |
| F | Presente | 1 ms-1 | 70 cm |
Tabela 1: experimentar configurações. Aqui o parâmetro de cama de combustível superfície denota se superfície combustível esteve presente durante o experimento, o parâmetro de vento refere-se à presença de vento e altura de coroa refere-se a distância entre o fundo da cama de combustível a coroa e a parte inferior da cama superfície combustível.
Uma balança electrónica medido superfície combustível massa e nós desenvolveu um sistema de perda de massa personalizada para a camada de coroa. O sistema consistia de células de carga individual conectadas a cada canto da cama suspensa de combustível. Câmeras de vídeo do consumidor da classe gravou as chamas visuais; processamento de imagem de dados visuais usando um script personalizado gerado chama características incluindo altura e ângulo. Foi desenvolvido um programa para converter quadros de vídeo do RGB (vermelho/verde/azul) codifica para preto e branco através de um processo de limiarização de intensidade da luz. A borda da chama foi obtida os quadros de vídeo preto e brancos. Altura máxima de chama foi definida como o ponto mais alto da borda chama, alturas chama instantânea também foram obtidas. Em uma imagem, chama altura foi medida a partir da base da cama combustível ao ponto máximo vertical da chama. Todos os códigos de processamento, bem como a interface de controle de instrumento projetado para este protocolo foram disponibilizada pelos autores aqui através de seu site de acesso do software. Recolher o combustível ao vivo localmente e conduzindo as queimaduras experimentais dentro de 24 h minimizar a perda de umidade. Uma matriz de termopar gravou a temperatura do combustível cama em direção stream-wise do vento, permitindo o cálculo da taxa de propagação. A Figura 1 mostra um diagrama da instalação de cama do combustível junto com o arranjo de termopar. Acompanhar os detalhes do protocolo experimental.
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Protocol
atenção: como várias etapas no seguinte protocolo envolvem atividades que têm o potencial de causar lesões, certifique-se de que o equipamento apropriado de proteção pessoal (PPE) é usado na sequência de protocolos de segurança estabelecidos, incluindo incêndio roupas resistentes e óculos de proteção.
1. coroa combustível cama carga instalação de instrumentação de célula
- Modificar 4 pinças, anexando mola dupla portão carabiners (ver Tabela de materiais) através do furo de pino no grampo ' fim de parafuso s (ver a Figura 2). Use os mosquetões para suspender a cama de combustível coroa.
- Usando um conjunto diferente de pinças, apor a cada célula do calibre de tensão de carga para a parte superior do quadro de túnel de vento (ver Figura 2).
- Anexar modificado pinças à extremidade livre das células do calibre de tensão, com os mosquetões pendurado para baixo. Anexar as correntes para a plataforma para a cama de combustível coroa.
- Para suspender a plataforma de cama coroa combustível a partir do quadro de túnel de vento, cada uma das cadeias de cama de combustível coroa conectem um mosquetão.
- , Uma vez que cada uma das células de quatro carga são totalmente montado e ligado para a cama de combustível, conectar os fios para a ponte de Wheatstone, que será usada para aquisição de dados. Cobrir as células de carga com isolante, tais como o tipo usado para abrigos de incêndio de fogo.
Figura 2: túnel de vento coroa combustível cama carga celular instrumentação. (a) vista frontal (b) pinça modificada de túnel de vento com mosquetão e coroa corrente de cama de combustível que apoia a cama de combustível de coroa. (c) carga celular ligado ao quadro de túnel de vento usando uma pinça. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
2. calibração de célula de carga
Nota: O sinal produzido pelas células carga é convertido em uma massa equivalente através de:
onde V é o sinal, normalmente em milivolts, A e B são constantes a determinar através de calibração, e m representa a massa em gramas. Todos os parâmetros na equação (2) são obtidos através da interface de controle personalizado instrumento desenvolvida para a instrumentação em massa da coroa no presente protocolo. Quando o primeiro usando o sistema, pesos de precisão são usados para calibrar o sinal da célula de carga. Constantes de calibração A e B serão obtidos com base no sinal produzido quando a carga destes pesos de precisão de medição. A constante A é calculada a partir de:
onde m t é um a massa do peso de precisão experimental, w é o sinal produzido com o peso carregado na célula de carga, Considerando que um w, ó corresponde ao sinal produzido quando nenhum peso é aplicado na célula de carga.
- Para obter a calibração constante A, pesos de precisão de gancho (uma boa variedade seria 200-500 g) para a primeira célula de carga. Usar a massa dos pesos de precisão como parâmetro m t na equação (3).
- Definir o ganho de célula de carga para 128 usando o campo de # entrada como mostrado na Figura 3b, i. 1. Isso corresponde ao valor máximo permitido pelo dispositivo.
- Ler a saída de sinal em saída 0 a partir da interface de instrumento (ver Figura 3b, i2). Este é o parâmetro w na equação (3).
- Desenganchar o peso e ler o novo valor exibido na interface do instrumento ( Figura 3b, i2). Este é o parâmetro um w, o.
- Calcular A baseada nos parâmetros (m t , w, um w, ó) obtidos em passos 2.1 a 2.4 e as equações apresentadas.
- Na interface do controlador, preencha o Ch 0-M valor para cada sensor com o valor obtido na etapa anterior.
- Para encontrar o valor de deslocamento, B, remova todos os pesos, leia o valor no ' saídas calibrado (g) ' caixa (ver Figura 3 c i2), multiplique este valor por -1. O número resultante é constante B, digite este número no " adição " Ch 0-uma caixa (ver Figura 3 c, i. 3).
- Repita os passos 2,3-2,8 para cada célula de carga (0, 1, 2, 3), o sistema agora é totalmente calibrado; proceder para carregar as camas de combustível com os combustíveis.
Figura 3: passos para célula de carga de entrada de dados de interface de controle de instrumento calibração. (uma) janela de configuração inicial de ponte com ganho de configuração e habilitar caixa (b) janela para primeira fase de calibração de célula de carga (c) janela para segunda fase de calibração de célula de carga (d) janela por último fase de calibração de célula de carga, o arquivo é salvo aqui e registro de dados foi iniciado. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
3. preparação do Chaparral e Excelsior combustível camas
Nota: cada experimento usa 2 kg de chamise ao vivo e 0,5 kg de excelsior (madeira de álamo tremedor desfiada).
- Da pilha de combustível coletado para gravação, coletar várias garrafas de cerveja-1 de combustível (3-4 garrafas).
- Siga os procedimentos delineados pelo compatriota e Dean para amostras secas de forno e obter combustível umidade conteúdo 30.
- Aparar ramos individuais de um pacote de chamise recentemente colhido para remover o material morto e ramo material maior que ¼ de polegada de diâmetro. Coloque o material ao vivo de combustível restante no recipiente para pesagem.
- Selecione 2 kg da chamise aparada e 0,5 kg de excelsior usando uma balança electrónica. Lugar 0,5 kg da excelsior para a plataforma de cama de superfície combustível no piso do túnel de vento, garantindo que a densidade é mais uniforme possível. Para fazer isso, uma quantidade conhecida da excelsior, colocando sobre uma área conhecida profundidade.
- Puxar separado (buço) excelsior compactado para diminuir sua densidade, assim ele vai queimar prontamente. carregar 2kg de chamise aparada na plataforma pendurado as células de carga para criar a cama de combustível elevados. Distribuídas regularmente os ramos chamise sobre a plataforma inteira para produzir uma cama de combustível uniforme.
4. Arranjo de termopar
Nota: Termopares tipo K são usados para medir a temperatura de ambas as camas de combustível. Os dados são coletados através de um sistema de aquisição de dados controlado com um gráfica personalizada do usuário interface (consulte a tabela de materiais para o software de projeto do controlador). Os termopares recomendados para uso são 24 pares termoeléctricos AWG, com um tempo de resposta de 0,9 s.
- Conectar uma matriz de dezesseis 24 termopares AWG (diâmetro do condutor: 0,51054 mm) para um registrador de dados (tempo de resposta: 0,9 s).
- Inserir a camada de combustível coroa 6 termopares. Coloque esses pedaços de 20 cm de termopares e evitar o contato de termopares com ramos. Insira 10 termopares na camada de superfície do combustível. Coloque estes termopares de superfície combustível 10cm separados e evitar o contato de termopares com ramos (ver Figura 4).
- Ativar o registro de dados clicando o " iniciar " botão na interface do software de controle do termopar.
Figura 4: diagrama de superfície e coroa combustível camas com matriz de termopar localização. Aqui 6 termopares foram inseridos na camada de combustível coroa 20 cm afastados uns dos outros. 10 termopares foram inseridos na camada de superfície de combustível 10 centímetros distante. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
5. configuração de aquisição de imagem
alvo de referência- monte o visual que tem marcas vermelhas com intervalos de 10 cm acima da janela do túnel de vento. Use este destino como referência para determinar a altura da chama do experimento vídeo.
Nota: Alturas de flama de amostra são apresentadas na Figura 5.
Coleção de - dados fotográficos de instalação. Com foco na área de testes de túnel de vento, ajustar o foco da câmera a fim de capturar o alvo de toda referência vertical, bem como a área da cama combustível.
- Coleta de dados de câmera de vídeo de instalação. Montar a câmera de vídeo com uma câmera universal de montagem de parede na parede para fornecer uma visão completa da seção de teste do túnel de vento.
Figura 5: fotografia de altura de chama amostra de uma típica experiência. O alvo visual azul com marcação vermelha serve como referência para determinar a altura da chama do vídeo experimento. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
6. configuração de fluxo
Nota: O túnel de vento é equipado com um ventilador de velocidade variável. O fluxo de ar no túnel de vento foi previamente calibrado para a velocidade do ventilador. Para atingir a velocidade desejada do vento, a velocidade de rotação do ventilador (em Hz) está selecionada. Nas experiências presentes, foram estudados sem vento e casos de fluxo de vento 1 m/s.
- Definir a velocidade do ventilador de 1 m/s no controlador de velocidade. Ligue o ventilador para garantir que ele está funcionando corretamente.
- Desligar o ventilador. Agora está pronto para uso.
Nota: O edifício de queimadura é projetado para realizar experimentos de fogo com segurança enquanto evacuando fumaça do espaço de trabalho. Notificar as autoridades locais do fogo que os experimentos estão sendo realizados para eliminar a ocorrência de falsos alarmes. - Fechar todas as portas no edifício para garantir que as aberturas de ventilação do telhado são a única possível saída para fumos. Fãs de
- Ligue a alimentação de ar para trazer ar fresco de fora do prédio no nível do chão. Ligar os exaustores para evacuar fumo através da ventilação do telhado.
Nota: Isto irá estabelecer uma baixa velocidade, o fluxo de ar de alto volume de fora do edifício que se eleva verticalmente devido à diferença de pressão ligeira e as aberturas do telhado. - Antes de cada experiência, use um higrômetro de bulbo úmido para medir a umidade relativa e temperatura do ar ambiente.
7. Ignição (implementar simultaneamente com a etapa 8)
Nota: O processo de ignição deve ser conduzido da seguinte maneira por membro da equipa de ignição. Para maior segurança, recomenda-se que um segundo tripulante permanecem perto da área de teste durante a ignição.
- Quando instruído a ' inflamar ', mergulhe a ponta da cama excelsior superfície combustível com álcool etílico desnaturado. Coloque a garrafa de álcool longe da zona de ignição e usando uma tocha de butano, inflamar o fim da cama em uma linha paralela à borda da cama combustível combustível de superfície. Ser observador como o encharcada de álcool combustível prontamente vai inflamar.
- , Uma vez que a cama de combustível tem sido incendiada, saia a seção de teste e feche a porta do túnel. Se o vento é necessário para o experimento, ligue o ventilador de túnel de vento.
8. Iniciar Executar Experimental
Nota: após verificar o experimento está corretamente configurado, as câmaras devem ser iniciadas.
- Ligue a câmera de vídeo para gravar.
- Falar em voz alta o número/código do experimento, a data e configuração experimental para o microfone da câmera de vídeo grava essas informações.
- Instruir a tripulação do computador para iniciar o registro de dados marcando o " habilitar o log de dados " opção na interface de controle do instrumento (ver Figura 3d, i. 1). Instrua a pessoa de ignição para inflamar o combustível. Uma vez que o membro da tripulação de ignição saídas do túnel de vento, instruir o tripulante de vento para começar o fã de túnel de vento. Este será o início do experimento, onde o tempo é zero (t = 0).
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Representative Results
Coroa e superfície chama altura dados foram obtidos a partir dos dados de vídeo. Tendências de altura típica chama para experiências é apresentada na Figura 6. Comportamento de altura chama seguido que encontrou no sol et al 14
Figura 6: estimada a altura de chama coroa. Aqui U = 1 m/s, separação de superfície-coroa d = 70 cm. Isso corresponde a uma experiência de classe E representativa. Altura da chama é obtida por processamento de imagens de vídeo do experimento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A evolução da altura de chama na Figura 6 foi escolhida porque ele mostra o comportamento de altura típica chama para experimentos com o vento. Esses tipos de experiências, as chamas começam pequenas, receber grandes perto no meio da cama combustível, irão decair com o tempo, como chamas chegar perto do fim da cama combustível. O experimento na figura apresentada é caso F (vento em 1m/s e distância entre a coroa e superfície combustível a 70 cm). Neste caso, o vento ajuda a chama para inclinar. Por causa da inclinação da flama, transferência de calor por radiação da chama para a cama de combustível é melhorada31. Como a chama percorre a cama de combustível vai pré-aquecer o combustível mais à frente. A cama de combustível médio parece ser um local ideal onde pré-aquecimento suficiente ocorreu ao longo de uma grande quantidade de combustível para criar uma grande chama. O fim da cama combustível também é pré-aquecido, no entanto, a quantidade de combustível torna-se limitado para que menos gases de pirólise são liberados que resulta em uma altura de diminuição da flama.
Taxas de consumo de combustível foram obtidas por toda a extensão de ambas as camas de combustível. A evolução da perda de massa para experimentos selecionados é apresentada na Figura 7. O parâmetro não-dimensional M é a proporção de massa instantânea m e a massa inicial m0. Tempo adimensional Τ é a razão entre o tempo experimental t e o total de queimar tempo tf, onde o tempo de queima total é definido como o tempo quando parou de ignição em chamas. A evolução da perda de massa ao longo de experiências seguiu o comportamento esperado. Três regiões gerais foram identificadas a partir das características da curva de perda de massa: ignição, em chamas e latente, veja a Figura 7. Isto foi um experimento caso F (vento em 1 m/s, a distância entre a superfície e a coroa de 70 cm). O teor de umidade do combustível foi de 45%, umidade relativa era de 66% e o tempo de queima total foi de 2,5 min. perda de massa global e tendências de taxa de perda de massa combinado aqueles apresentados por Rothermel32 e Freeborn et al. 33
Figura 7: tendência de consumo de combustível. Retratado é uma experiência representativa de classe F, onde U = 1 m/s e superfície-coroa separação d = 70 cm. combustão regiões são rotuladas na trama (ignição, flamejante e latente). A tendência generalizada com estas três regiões observou-se para a maioria dos experimentos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Para ilustrar as tendências de perda de massa para a superfície e a coroa camadas obtidas de experimentos descritos através desta metodologia, os resultados para quatro experimentos são apresentados na Figura 8 e Figura 9. Média queimar vezes para categorias experimentais representadas pela Figura 8 foram as seguintes: classe C e D em média 4,5 minutos e classe E e F em média, 2,5 minutos. Como pode ser observado, o vento melhorada a taxa de perda de massa e o total queimar tempo.
Figura 8: perda em massa de combustível cama para experiências representativas de superfície. Dados são mostrados de experimentos com vento a 1 m/s e sem vento, bem como as duas distâncias de superfície-coroa testadas: d = 60, 70 cm. os dados aqui são obtidos a partir da balança digital utilizada para a cama de combustível superfície de perda de massa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9: coroa perda em massa de combustível cama para experimentos representativos. Os dados mostram experimentos com vento e sem vento, bem como as duas distâncias de superfície-coroa testadas. Dados de perda de massa aqui são obtidos da instrumentação de célula de carga usada para a cama de combustível de coroa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Temperaturas de fase de gás foram medidas para ambas as camas de combustível usando dezesseis termopares dentro das camas de combustível. Termopares são rotulados T0-T15, a Figura 4 mostra o arranjo de termopar. T0-T09 de termopares foram colocados dentro da cama de superfície do combustível, enquanto T10 - T15 foram colocados dentro da cama de combustível de coroa. Temperaturas de cama coroa combustível para um experimento selecionado são apresentadas na Figura 10.
Figura 10: temperaturas de gás combustível cama coroa cama combustível. Arranjo de termopar é indicado na Figura 4. Mostrada é uma experiência de classe B, sem cama de combustível de superfície e uma velocidade de vento de 1 m/s. , por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 11: leituras de temperatura resultante da colocação incorrecta dos termopares. Arranjo de termopar é indicado na Figura 4. Retratado, são dados para coroa cama temperatura do combustível onde os termopares foram colocadas de forma inadequada como é evidente pelas temperaturas anormalmente baixas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
É importante notar que, se os termopares não são devidamente inseridas na cama combustível, leituras de temperatura será imprecisas. Por exemplo, ao analisar as leituras de temperatura no experimento representado pela Figura 11, observou-se que as temperaturas para um dos termopares de cama de combustível a coroa (T15) estava abaixo do normal para as condições de queima. Estes temperatures eram mais perto de condições ambientais do que para as temperaturas de fase de gás de combustão chamise. Assim, ele foi inferido que, neste caso, termopar T15 permaneceu fora da cama de combustível através do experimento.
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Discussion
A capacidade de medir a massa de combustível elevados durante todo o experimento foi uma das principais vantagens da técnica aqui apresentada. Estudos anteriores abordando o fogo do chaparral concentraram-se em qualquer início de incêndio coroa única ou apenas em superfície espalhar, mas não ambos. Tais estudos têm quantificado a possibilidade de ignição na camada de coroa e tem deixado o estudo da propagação de futuro trabalho23. Nossa metodologia permite a medição da perda de massa, distribuição de temperatura e chama a geometria para ambas as camadas envolvidas na coroa de arbusto fogo ignição e propagação. Ele fornece um meio para inferir indiretamente o fluxo de energia da taxa de perda de massa. Outros estudos têm demonstrado as vantagens de medir diretamente o fluxo de calor em experimentos de propagação de fogo. Finney et al . apresentada vários exemplos de medições de fluxo de calor em wildfire espalhar experimentos34. Através desse trabalho, eles foram capazes de fazer observações importantes sobre os papéis convectiva e transferência de calor por radiação jogar em um incêndio que se espalhou. A metodologia apresentada aqui permitidos para observações de base da energia dinâmica em um incêndio que se espalhou no chaparral. Um próximo passo benéfico envolveria uma análise mais aprofundada das contribuições particulares de transferência de calor convectiva e radiativa. Para estudos futuros, recomendamos explorar a medição direta dos fluxos de calor.
Para garantir a precisão nas medições lá são várias etapas críticas. A calibração das células de carga, medir a perda de massa de coroa é talvez o passo mais crítico e o passo que leva mais tempo. Isso ocorre porque no final de cada dia de experiência, a cama de combustível coroa deve ser desmontada, e ligeiro movimento na configuração pode causar alterações nas leituras em massa. Daí, a calibração deve ser feita no início de cada dia de experimento. Para experiências futuras, uma configuração mais permanente seria o ideal. Nesta configuração futura, as células de carga individual poderia apor a instalação experimental.
Além da etapa de calibração, mais um passo crítico no protocolo é a preparação dos combustíveis. A intenção do programa experimental completo é desenvolver uma melhor compreensão da combustão de combustíveis ao vivo com a finalidade de melhorar nossa capacidade de prever o comportamento do fogo prescrito. Enquanto vivem ramos até ½ polegada (1,27 cm) pode ser consumida na parte dianteira de flama de alta intensidade prescrita arder no chaparral (ver verde35), combustíveis de diâmetro maiores são normalmente não queimados na parte dianteira de flama. Queimaduras de laboratório usando combustíveis chaparral centraram-se sobre o uso de combustíveis que seria geralmente consumidos pela frente de chama espalhando um burn é prescrita (ver Cohen e Bradshaw36, Weise et al 37). chaparral principais espécies incluem chamise (Adenostoma fasciculatum), enquanto outro chaparral combustíveis incluem manzanita (Arctostaphylos glandulosa) e hoaryleaf ceanothus (Ceanothus crassifolius). Aqui chamise era o combustível escolhido porque é o mais inflamável destas espécies. O protocolo pode ser modificado para incluir outras espécies, como o tamanho do ramo é mantido abaixo de ¼ de polegada.
Em geral, independentemente da espécie escolhida como combustível, ramos devem ser aparados tal que todos os diâmetros de ramo são < ¼ de polegada (0,63 cm) a fim de manter a uniformidade. Não executar este passo ou realizá-lo incorretamente afectaria negativamente a reprodutibilidade dos resultados. Para aparar os ramos também podem ser desvantajosas porque camas de combustível com tamanhos muito pequeno ramo tendem a ter maior densidade de embalagem e, portanto, também queimam diferente. O procedimento descrito aqui, na sequência de genivaldo38, manteve-se a densidade de embalagem em uma média de 9,2 kg/m3.
É interessante notar que devido a escala deste experimento, uma tripulação de 4 ou mais pessoas é necessário para garantir a eficiência durante o experimento. Ter uma pessoa encarregada da tripulação com o protocolo visível em todos os tempos é importante assegurar-se de todas as etapas são seguidas corretamente. Esta pessoa é responsável pela segurança da tripulação, bem como a coordenação do experimento. É importante que esta pessoa e o resto da tripulação atenção à sua segurança e do ambiente, que significa ter visibilidade de extintor de incêndio, garantindo ventilação de exaustão está a e as portas estão fechadas durante o experimento.
Além disso, seria vantajoso para sincronizar todos os instrumentos com um botão de disparo único. Isto faria processamento e análise de dados mais eficiente. Finalmente, uma progressão natural após a técnica aqui é dominada seria integrar alguns dos restantes recursos tais como controle de temperatura, que tem sido mostrado em outros estudos para ser um outro fator importante a considerar túnel de vento. Isso permitiria uma maior gama de controle das condições ambientais. Os resultados aqui apresentados são de experiências realizadas durante os meses de verão, quando os combustíveis são normalmente mais secos; Este período corresponde também a uma parte do ano quando ocorrem incêndios na floresta. Se, no entanto, uma grande gama de estações devem ser analisados durante um período experimental, o controle de temperatura do túnel de vento pode ser empregado. Da mesma forma, variação do teor de umidade do combustível forneceria uma visão sobre a influência deste parâmetro na transição de fogo do chaparral coroa e propagação. Na concepção de um estudo expandido para incluir o conteúdo de umidade do combustível e do volume densidade como parâmetros controlados, análise de erro como aquele fornecido pelo Mulvaney et al iria auxiliar na criação de uma metodologia com uniformidade experimental39.
A técnica descrita aqui permite uma análise de comportamento de fogo do coroa que integra medições de massa, temperatura e chama geometria para ambas as camadas de combustível envolvido. Resultantes desta metodologia de análise pode levar a uma maior compreensão do chaparral fogo como um fogo de coroa especialmente dentro dos limites do comportamento do fogo de coroa independente, passivo ou ativo tal como apresentado por Wagner Van5, proporcionando conhecimento para ajuda na previsão de fogo e controle.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Os autores gostaria de reconhecer Benjamin Sommerkorn, Gabriel Dupont, Jake Eggan e Chirawat Sanpakit que ajudou com as experiências aqui apresentadas. Jeanette Cobian Iñiguez reconhece suporte pelo número de concessão da NASA MUREP institucional pesquisa oportunidade (MIRO) NNX15AP99A. Este trabalho também foi financiado pelo USDA/USDI fogo plano nacional através de convênio entre o USDA Forest Service, estação de pesquisa PSW e da Universidade da Califórnia - 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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