Summary
Этот протокол описывает аэродинамической эксперименты, предназначенных для изучения переход пожара от земли к сенью чапараль кустарников.
Abstract
Настоящий Протокол представляет технику лаборатории, предназначенных для изучения чапараль Корона возгорания и распространения. Эксперименты были проведены в низкой скорости аэродинамической огонь где были построены два четко различимых слоя топлива представить поверхность и Корона топлива в Чапараль. Chamise, общий чапараль кустарник, состоит из слоя живой короны. Поверхностный слой мертвых топлива был построен с Эксельсиор (измельченной древесины). Мы разработали методологию для измерения потери массы, температуры и пламя высоту для обоих слоев топлива. Термопары помещены в каждый слой оценкам температуры. Видео камеры захватили видимых пламени. Пост-обработки цифровых изображений принесли пламени характеристики, включая высоту и пламя наклона. Пользовательских Корона потери массы инструмента, разработанного измеряется эволюция массы Корона слоя во время записи. Массовые потери и температуры тенденции, полученные с помощью техники соответствует теории и других эмпирических исследований. В этом исследовании мы представляем подробные экспериментальной процедуры и информация о приборы, используемые. Представитель результаты для скорости потери массы топлива и температуры, подала в постели топлива также включены и обсуждены.
Introduction
В 2016 году в штате Калифорния опытных в общей сложности 6,986 лесных пожаров, потребляя 564,835 акров1, стоимостью в миллионы долларов ущерба и, рискуя оздоровительный сотни людей. Из-за региональный средиземноморский климат источник основных топлива для этих пожаров являются чапараль растительности сообществ2. Огонь распространился в Чапараль можно считать Корона огонь так как основным топливом, которое горит повышенных3. Живущее с преимущественно живут слой короны, является мертвым поверхности топлива слой, который состоит из литой листья, ветви и травянистых растений, которые растут под и между отдельными кустарников. Огонь будет более легко инициировать в слое мертвые от поверхности топлива. После того, как поверхности пожар возгорание, огонь может переход на корону слой, где энергия, высвобождаемая в огне резко возрастает. Хотя обычно построены чапараль пожары как огонь распространяется в глубокой поверхности топлива4, был ограниченное исследование чапараль пожаров как Корона пожаров.
Корона характеристики в Чапараль, включая формы частиц листва, отличаются от бореальных хвойных лесов, где произошло большинство исследований. Многочисленные лабораторные и полевые исследования изучили различные аспекты пожар динамика6,5,7,3,8,9,10 ,,1112. В области лабораторных экспериментов несколько исследований изучили влияние параметров, таких как ветер и свойства топлива на корону чапараль огонь поведение. Лосано7 рассмотрены характеристики короны огонь посвящения в присутствии двух дискретных Корона топлива кровати. В Tachajapong и др. 3, дискретные поверхности и кроны слоев были сожжены внутри аэродинамической трубе и характеризовалась поверхности огонь. Только посвящение короны огонь был полностью описаны, оставляя полный анализ распространения для будущей работы. Li et al. 11 сообщили на распространение пламени хотя единого чапараль кустарников. В соответствующей работе, Крус и др. 10 , 9 разработал модель предсказать, зажигания хвойных листвой выше распространяя огонь поверхности. Сжечь характеристики чапараль топлива были изучены в ходе экспериментальных исследований сыпучих видов топлива и индивидуальные оставляет13,14,,1516. Дюпюи и др. 13 изучал горения характеристики Pinus pinaster иглы и Эксельсиор путем сжигания топлива в цилиндрических корзины. Они отметили, что в этих видов топлива, высота пламени был связан с выпуска расхода тепла через две пятых власть закона, как уже сообщалось ранее, в литературе17,18. Солнце и др. 14 сожгли чапараль топлива в аналогичных цилиндрических корзины для анализа горения характеристики трех чапараль топлива: chamise (Adenostoma метельчатый), Краснокоренник (Краснокоренник crassifolius) и "Manzanita" ( Толокнянка glandulosa).
Руководствуясь результатами вышеупомянутого лабораторных исследований, наша цель здесь заключается в представлении методологии квалифицировать распространение в поверхность и кустарников кроны слоев. Кроме того мы стремимся прояснить некоторые из ключевых характеристик, которые определяют степень взаимодействия поверхности Корона слоя. С этой целью мы разработали методологию экспериментальная лаборатория для изучения вертикальный переход огонь, горящий в лесных поверхности топлива в огонь распространяется в повышенных кустарник топлива. В этих типах пожаров перевод огонь кустарник короны, известный как Увенчивая, может сопровождаться устойчивого распространения при правильных условиях. В общем колючий кустарник огонь поведение диктуется рельеф местности, погоды и топлива19. Было показано, что ветер влияет на скорость выхода энергии топлива5,3,8,20.
Огонь распространился в пористых топлива можно рассматривать как серию переходы или пороговые значения, которые необходимо пройти для быть успешным21. Энергетически частицы топлива воспламеняется, если количество тепла, что он получает результаты в смеси газов, которые успешно реагирует с кислородом. Результате пламя распространяется если тепло от сжигания частиц возгорание прилегающих топливо частиц. Огонь распространяется по всей земле, если это возможность пересекать пробелы между элементами горючего топлива. Если пламя костра поверхности способен переносить вертикально в кроны деревьев и кустарников, значительные изменения в поведение огня, включая увеличение тепла цены выпуска, часто наблюдается за счет большей доступности топлива. Тепловой энергии динамика пожаров охватывают несколько шкал, от очень больших масштабах, такие в мега пожары, которые часто требуют климатологических моделирования, чтобы небольшой масштаб требующих химической масштаба кинетического моделирования. Здесь мы имеем дело с аэродинамической лаборатории шкалы поведения моделирования; для химической целлюлозы сгорания исследования читатель отсылался к работ, таких как Салливан и др. 22
Начиная с 2001 года мы провели ряд экспериментов, изучения некоторых из лабораторного масштаб энергии порогов23,8,24,25,26, 27, с акцентом на живой топлива, связанных с колючий кустарник. Хотя на открытом воздухе измерения огня может обеспечить более реалистичные результаты, контролируемой среде аэродинамической позволяют для определения влияния различных параметров. Управление ветра, например, особенно важно для чапараль Корона пожаров в таких регионах, как Южной Калифорнии, где foehn типа ветра, известный как Санта-Ана ветры, являются типичными водителями пожара событий. Поскольку основным стимулом для методологии, описанной здесь является изучение влияния ветра и других контролируемых параметров на колючий кустарник огонь распространения, это исследование было проведено в аэродинамической лаборатории масштаба. Читатель отсылается к работе Сильвани и др. 28 для полевых измерений температуры в Чапараль пожары, аналогичные тем, которые представлены здесь. Для полевых измерений на эффект ветра на распространение огня смотрите Моранди и др. 29
Несколько параметров, влияющих на распространение в Чапараль топлива были экспериментально проанализированы количественной оценки вероятностиогонь распространился успех в повышенных топлива кровати8. Текущий экспериментальное исследование включает в себя методологию разработан для изучения чапараль Корона огонь распространения путем моделирования поверхности топлива и Корона топлива внутри раздела тестирования низкой скорости аэродинамической трубе. Поверхности топлива моделируется с Эксельсиор (высушенные измельченные древесины). Поверхности топлива кровать находится на уровне земли в аэродинамическую трубу над стандартной шкалы (см. Рисунок 1). Представляя Корона топлива кровать, кровать топлива с chamise был помещен над кроватью поверхности топлива путем приостановления топлива от платформы, на раме аэродинамической (см. Рисунок 1). Обе кровати топлива инструментирования для температуры и потери массы измерений; геометрия пламя получается из видеозаписи экспериментов. Измеряемые параметры включают скорости потери массы, топлива содержание влаги и относительной влажности воздуха. Контролируемые параметры были Ветер присутствие, расстояние между поверхности топлива кровать и кровать топлива короны и присутствие поверхности топлива. Измеренной потери массы ставка может использоваться для расчета ставки выхода тепла, которая определяется как:
где h — тепло сгорания топлива, m — масса топлива, и t — время.
Рисунок 1: экспериментальная установка аэродинамической. Для удобства были помечены места Корона топлива кровать, кровать поверхности топлива и туннельного вентилятора. Поверхности топлива кровать находится на уровне земли в аэродинамическую трубу над стандартной шкалы. Представляя Корона топлива кровать, кровать топлива с chamise был помещен над кроватью поверхности топлива путем приостановления топлива от платформы, на раме аэродинамической. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Эксперименты были сосредоточены на понимание поведения чапараль Корона пожаров, особенно зажигания, механизмы распространения пламени и распространение, скорости фронта пламени и расхода топлива. Изучение взаимодействия между поверхности огонь и огонь короны, шесть конфигураций поверхности и корона кроватях топлива с и без прикладной ветер поток, были сожжены в аэродинамической трубе: Корона топлива только с и без ветра (2), Корона и поверхности кровати топлива, разделенных два расстояния с и без ветра (4). В таблице 1 приведены экспериментальные конфигураций с 6 экспериментальных классов. В таблице параметр кровать поверхности топлива означает ли поверхности топлива присутствовал во время эксперимента, ветер параметр относится к присутствию ветра и Высота коронки относится к расстоянию между нижней части топочной короны и в нижней части поверхности топлива кровать. Влажности топлива измеряется для каждого эксперимента, но не контролируется, средний топлива содержание влаги 48%, в то время как минимальные и максимальные значения были 18% до 68%, соответственно.
| Класс | Поверхности топлива кровать | Ветер | Высота коронки |
| A | Отсутствует | Не Ветер | 60 или 70 см |
| B | Отсутствует | 1 мс-1 | 60 или 70 см |
| C | Настоящее время | Не Ветер | 60 см |
| D | Настоящее время | Не Ветер | 70 см |
| E | Настоящее время | 1 мс-1 | 60 см |
| F | Настоящее время | 1 мс-1 | 70 см |
Таблица 1: эксперимент конфигураций. Здесь параметр кровать поверхности топлива означает ли поверхности топлива присутствовал во время эксперимента, ветер параметр относится к присутствию ветра и Корона высота относится к расстояние между нижней части топочной короны и в нижней части кровати поверхности топлива.
Электронные весы измеряется поверхности топлива массы и мы разработала систему пользовательского потери массы для слоя короны. Система состояла из отдельных тензодатчики, подключен к каждому углу кровати условного топлива. Потребительского класса видеокамеры Записанная визуального пламени; Обработка изображений с помощью пользовательского сценария визуальных данных генерируется пламени характеристики, включая высоту и угол. Программа была разработана с конвертировать видео кадры из RGB (красный/зеленый/синий) кодирования в черно-белые через процесс порога интенсивности света. Край пламени был получен из черно-белых кадров видео. Высота максимальная пламени был определен как высшая точка пламени края, мгновенно пламени высот также были получены. В изображении высота пламени была измерена от основания топочной максимальный вертикальный точке пламени. Все коды обработки, а также интерфейс управления инструмент, предназначенный для этого протокола предоставлены авторами здесь через их сайт доступа программного обеспечения. Уборки живой топлива на местах и проведение экспериментальных Бернс в течение 24 часов к минимуму потерю влаги. Термопара массив записанная температура топлива кровать в направлении выравнивания ветер, позволяя расчет ставки спред. На рисунке 1 показана схема установки кровати топлива наряду с термопарой договоренности. Подробная информация о экспериментальный протокол следовать.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
осторожностью: как несколько шагов в следующий протокол включают мероприятия, которые могут послужить причиной травмы, убедитесь, что надлежащие средства индивидуальной защиты (СИЗ) используется после установленной безопасности протоколов, включая пожар стойкую одежду и защитные очки.
1. Корона топлива кровать нагрузки ячейки инструментария установки
- изменить 4 C-зажимы, прикрепив двойной весной ворот карабинов (см. Таблицу материалы) через отверстие в зажим ' s винтовой конец (см. Рисунок 2). Используйте карабинов приостановить Корона топочной.
- С использованием другого набора С-образные зажимы, аффикс каждой ячейки Тензометрический датчик нагрузки к верхней части аэродинамической трубе рамы (см. Рисунок 2).
- Присоединения изменен С-образные зажимы к свободному концу Тензодатчики клеток, с карабинов, висит вниз. Приложите цепи на платформу для короны топочной.
- Приостановить Корона топлива кровать платформы от аэродинамической трубе рамы, подключите каждый из короны топлива кровать цепи к карабин.
- Когда каждый из четырех Тензодатчики полностью установлены и подключены к постели топлива, подключите их провода к моста Уитстона, который будет использоваться для сбора данных. Обложка Тензодатчики с огнем, изоляционные материалы, такие как используемые для укрытий огонь.
Рисунок 2: аэродинамической Корона топлива кровать нагрузки ячейки приборостроение. () аэродинамической вид спереди (b) изменение C-образный зажим с карабина и Корона топлива кровать цепь, которая поддерживает топочной короны. (c) нагрузки ячейки крепится к раме аэродинамической трубе с помощью C-образный зажим. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
2. нагрузки ячейки калибровки
Примечание: сигнал, производимые Тензодатчики преобразуется в эквивалентные массы через:
где V — сигнал, обычно в милливольтах, A и B — константы определены путем калибровки, и m представляет Масса в граммах. Все параметры в уравнение (2) получаются через интерфейс управления пользовательский инструмент разработан для массового инструментария короны в настоящем Протоколе. Когда сначала с помощью системы, точность весов используются для калибровки сигнал нагрузки ячейки. Калибровочные константы, которые A и B будет обеспечиваться на основе сигнала, производимых при измерении нагрузки этих точность весов. Константа В рассчитывается от:
где m t является масса судебных точность веса, w — сигнал производится с Вес загрузки на динамометр, тогда как w, o соответствует сигналу производится при применении не вес на динамометр.
- Для получения калибровки постоянной A, крюк точность весов (хороший диапазон будет 200-500 g) к первой ячейке нагрузки. Использование массы точность весов как параметр m t в уравнение (3).
- Равным 128, используя поле ввода #, как показано на рисунке 3b, клетки усиления нагрузки i.1. Это соответствует максимальное значение, разрешенное платформой устройства.
- Читать выходного сигнала на выходе 0 из инструмента интерфейса (см. Рисунок 3b, i2). Это параметр w в уравнение (3).
- Отцепить вес и прочитать новое значение, отображаемое в интерфейсе инструмента ( рис. 3Б, i2). Это параметр w, о.
- Расчет A на основе параметров (m t , w, w, o) получил в шаги 2.1 до 2,4 и представлены уравнения.
- В интерфейса контроллера, заполните Ch, значение 0-M для каждого датчика с значение A, полученные на предыдущем шаге.
- Найти значение смещения, B, удалите все весов, прочитать значение в ' выходы калиброванные (g) ' (см. рис. 3 c i2), умножить это значение на -1. Полученное число-константа B, введите этот номер в " того " Ch 0-A-box (см. рис. 3 c, i.3).
- Повторите шаги 2.3-2.8 для каждой нагрузки ячейки (0, 1, 2, 3), система полностью теперь откалиброван; перейти для загрузки топлива кровати с топливами.
Рисунок 3: инструмент управления интерфейс данных ввода шаги для нагрузки ячейки Калибровка. () мост первоначальной настройки окно с получить установки и включить поле (b) окна для первого этапа нагрузки ячейки калибровки (c) окна для второго этапа нагрузки ячейки калибровки (d) окно за последние этап загрузки ячейки калибровки, файл сохраняется здесь и было начато протоколирование данных. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
3. Подготовка Chaparral и Excelsior топлива кровать
Примечание: каждый эксперимент использует 2 кг живой chamise и 0,5 кг Эксельсиор (измельченной древесины осины).
- Из кучи собранного для сжигания топлива, собирать несколько бутылок 1 пинта топлива (3-4 флакона).
- Следовать процедурам, разделенное земляк и Дин печь сухой образцы и получения топлива содержание влаги 30.
- Отделки отдельных ветвей от пучок недавно собранный chamise для удаления мертвых и отделение материалов больше, чем диаметр ¼ дюйма. Поместите оставшийся материал живой топлива в контейнере для взвешивания.
- Выбрать 2 кг из обрезанных chamise и 0,5 кг Эксельсиор, используя электронные весы. Место 0,5 кг excelsior на платформу кровати поверхности топлива на дне аэродинамической трубе, обеспечивая максимально однородные насыпная плотность. Сделать это путем размещения известно количество Эксельсиор над глубиной известный район.
- Тянуть друг от друга (пух) уплотненного excelsior уменьшить ее насыпной плотности, поэтому он будет гореть легко. нагрузка 2 кг подстриженные chamise на платформу, висит от Тензодатчики для создания повышенной топлива кровать. Равномерно chamise ветви над всей платформы для получения единообразных топочной.
4. Термопара договоренности
Примечание: термопары K-типа используются для измерения температуры обоих топлива кровать. Данные собираются через систему сбора данных, контролируемые с графический пользовательский интерфейс (см. таблицу материалов для разработки программного обеспечения контроллера). Рекомендуется термопары для использования являются 24 AWG термопары с временем отклика 0,9 s.
- Соединяют массив из шестнадцати 24 AWG термопары (Диаметр проводника: 0.51054 мм) для ведения журнала данных (время отклика: 0.9 s).
- Вставить 6 термопар в слой топлива короны. Поместите эти термопары 20 см друг от друга и избегать контакта термопар с филиалами. Вставка 10 термопар в слой поверхности топлива. Поместите эти поверхности топлива термопары 10 см друг от друга и избегать контакта термопар с филиалами (см. Рисунок 4).
- Активировать регистрацию данных, нажав кнопку " начало " кнопку в интерфейсе программного обеспечения управления термопара.
Рисунок 4: Схема поверхностных и Корона топлива кровати с термопарой массива расположение. Здесь 6 термопары были вставлены в слое топлива корону 20 см друг от друга. 10 термопары были вставлены в поверхности топлива слоя 10 см друг от друга. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
5. приобретение установки образа
- горе visual ссылка целевой объект, который имеет красные знаки промежутки 10-cm-над окном аэродинамической. Используйте этот целевой объект в качестве справочника для определения высоты пламени от видео эксперимента.
Примечание: Образец пламени высот представлены на рис. 5. - Установки фотографических данных коллекции. Упором на области испытания аэродинамических, Отрегулируйте фокус камеры таким образом, чтобы захватить цель всей вертикальной ссылки, а также области топлива кровать.
- Сбора данных видео камеры установки. Смонтировать видео камеры с универсальной камеры настенное крепление на стене, чтобы обеспечить полное представление о разделе Испытание аэродинамической.
Рисунок 5: фотография образца пламени высот от типичной эксперимент. Синий целевой визуальный объект с красной маркировкой служит ориентиром для определения высоты пламени от видео эксперимента. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
6. Настройка потока
Примечание: ветер туннель оснащен вентилятор с переменной скоростью. Поток воздуха в ветровом ранее откалиброван для скорости вентилятора. Для достижения желаемого ветра скоростью, скорость вращения вентилятора (в Гц) выбран. В настоящее время экспериментов, были изучены не ветер и случаях поток ветра 1 м/с.
- Равным 1 м/сек скорость вентилятора на регулятор скорости. Включите вентилятор, чтобы обеспечить, что он функционирует должным образом.
- Выключить вентилятор. Теперь она готова к использованию.
Примечание: Сжечь здание предназначено для проведения экспериментов пожарной безопасно во время эвакуации дыма из рабочего пространства. Уведомлять власти местные пожарные, что в настоящее время проводятся эксперименты для устранения возникновения ложной тревоги. - Закройте все двери в здание для обеспечения того, чтобы вентиляционные отверстия на крыше единственно возможный выход дыма эвакуации.
- Включите подачу воздуха Вентиляторы принести в свежем воздухе от снаружи здания на уровне пола. Включите вытяжные вентиляторы для эвакуации дыма через вентиляционные отверстия на крыше.
Примечание: Это создаст низкой скорости, большой объем воздушного потока из вне здания, которое поднимается вертикально, из-за разницы небольшое давление и крыша отверстия. - До каждого эксперимента, используйте влажные лампы гигрометр для измерения относительной влажности и температуры окружающего воздуха.
7. Зажигания (осуществлять одновременно с шага 8)
Примечание: процесс зажигания должны проводиться следующим члена экипажа зажигания. Для повышенной безопасности, рекомендуется, чтобы второй член экипажа остаются в районе испытаний во время зажигания.
- Проинструктировано ' Воспламенение ', Замочите переднего края кровати поверхности топлива excelsior с денатурированного этилового спирта. Поместите бутылку алкоголя от зоны зажигания и с помощью бутан факел, разжечь к концу кровати поверхности топлива в линии, параллельной переднего края кровати топлива. Будьте наблюдательны, как топливо алкоголя пропитанной легко возгораются.
- , Когда возгорание топлива кровать, выйдя из секции теста и закрыть дверь туннеля. Если ветер требуется для эксперимента, включите вентилятор аэродинамической.
8. Инициировать экспериментальные запустить
Примечание: при проверке эксперимент правильно настроено, должен быть запущен камер.
- Включите видео-камеры для записи.
- Говорить вслух эксперимент номер/код, Дата и экспериментальной конфигурации так что микрофон на видеокамера записывает эту информацию.
- Проинструктировать экипаж компьютер начать протоколирование данных путем тикать " включить протоколирование данных " в интерфейсе управления инструментом (см. Рисунок 3d, i.1). Поручить зажигания лицо воспламенить топливо. После того, как член экипажа зажигания выходит из аэродинамической трубе, поручить члену экипажа ветер для запуска воздушного потока вентилятора. Это будет началом эксперимента, где время равно нулю (t = 0).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Корона и поверхности пламени высота данные были получены из видео данных. Типичный пламени высота тенденции для экспериментов представлена на рисунке 6. Высота пламени поведение следует, что в Sun et al. 14
Рисунок 6: оценкам высота Корона пламени. Здесь U = 1 м/с, поверхность Корона разделения d = 70 см. Это соответствует представитель класса E эксперимент. Высота пламени получается путем обработки изображений из видео эксперимента. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Эволюция высота пламени на рисунке 6 был выбран потому что он показывает типичный пламени высота поведение для экспериментов с ветром. В подобных экспериментов пламя начать с малого, получить большой недалеко от середины кровати топлива, а затем распадается со временем, как пламя ближе к концу кровати топлива. Эксперимент в диаграмме представлены — дело F (ветер 1 м/с и расстояние между Короной и поверхности топлива на 70 см). В этом случае Ветер помогает пламени для наклона. Из-за наклона пламени передача радиационного тепла пламени топлива кровать является расширенной31. Как пламя проходит через кровать топлива он будет нагреть топлива впереди него. Середины кровати топлива, как представляется, оптимальное расположение, где достаточно подогрева произошла за большое количество топлива для создания большого пламени. К концу кровати топлива также предварительного подогрева, однако, количество топлива становится ограниченным так что меньше пиролизные газы выпускаются что приводит к снижению пламени высоту.
Нормы потребления топлива были получены для всей степени обоих топлива кровать. Эволюция потери массы для отдельных экспериментов представлен на рисунке 7. Безразмерный параметр M является соотношение мгновенной массы m и первоначальной массы m0. Безразмерные время Τ это соотношение экспериментальной времени t и общая записать время tf, где всего сжечь время определяется как время, когда остановился пылающий зажигания. Эволюция потери массы всей эксперименты вслед за ожидаемое поведение. Были выявлены три общие районы от характеристики потери массы кривой: зажигания, пылающий и тление, смотрите Рисунок 7. Это был случай F эксперимент (ветер 1 м/с, расстояние между поверхностью и Корона 70 см). Содержание влаги топлива было 45%, относительная влажность воздуха составила 66% и всего сжечь время было 2,5 мин общая потеря массы и потери массы ставки тенденции соответствуют представленные Ротермель32 и Фриборн и др. 33
Рисунок 7: тенденции потребления топлива. Изображен представитель класса F эксперимент, где U = 1 м/сек и поверхности Корона разделения d = 70 см. сгорания регионах помечены в заговоре (зажигания, пылающий и тление). Обобщенные тенденции с этими тремя регионами была для большинства экспериментов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Чтобы проиллюстрировать тенденции потери массы для поверхности и кроны слоев, экспериментов описанных через эту методологию, результаты для четырех экспериментов представлены в рисунке 8 и 9 рис. Среднее сжечь раз для экспериментальной категории представлены на рисунке 8 были следующим: класса C и D в среднем 4,5 минуты и класса E и F в среднем 2,5 минут. Как можно наблюдать, Ветер более стабильную потерю массы и общее время работы.
Рисунок 8: поверхности потери массы топлива кровать для представителя экспериментов. Приводятся данные от экспериментов с ветер 1 м/с и без ветра, а также двух расстояний поверхность Корона испытания: d = 60, 70 см. потеря массы, здесь данные получаются из цифровой шкале, используемой для поверхности топлива кровать. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 9: Корона потери массы топлива кровать для представителя экспериментов. Данные показывают эксперименты с ветром и без ветра, а также двух расстояний поверхность Корона испытания. Потеря массы данных здесь получается из нагрузки ячейки приборы, используемые для топочной короны. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Температуры газовой фазы были измерены для обоих топлива кровати с помощью шестнадцать термопар в кровати топлива. Термопары обозначаются T0-T15, Рисунок 4 изображает термопара договоренности. Термопары T0-T09 были размещены внутри поверхности топлива кровать, хотя T10 - T15 были размещены внутри топочной короны. Корона топлива кровать температур для выбранного эксперимента представлены на рисунке 10.
Рисунок 10: температуры газов топлива кровать Корона топочной. Термопара договоренности указывается на рисунке 4. Показано это класса B эксперимент без поверхности топлива кровать и скорость ветра 1 м/с. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 11: показания температуры в результате неправильного размещения термопар. Термопара договоренности указывается на рисунке 4. Изображены данные для короны кровать температура топлива где термопар неправильно были размещены, как это видно при аномально низких температурах. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Важно отметить, что если термопары не вставлен должным образом на кровати топлива, температуры будет неточным. Например после рассмотрения показаний температуры в эксперименте, представлены на рисунке 11, было отмечено, что температуры для одного из короны топлива кровать термопары (T15) ниже обычного для сжигания условий. Эти temperatures были ближе к температуре чем в газовой фазе температур горения chamise. Таким образом был вывод, что в этом случае, термопара T15 оставался вне постели топлива через эксперимент.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Возможность измерения массы повышенных топлива на протяжении всего эксперимента был одним из главных преимуществ техники, представленные здесь. Предыдущие исследования, касающиеся чапараль пожара были сосредоточены на либо только огонь посвящение короны или только на поверхности распространения, но не оба. Такие исследования количественно возможность возгорания в слое короны и оставили исследование распространения для будущей работы23. Наша методология позволяет для измерения потери массы, распределение температуры и пламя геометрии для обоих слоёв, участвующих в короне кустарник огонь возгорания и распространения. Она предоставляет средства для косвенно выведение поток энергии от скорости потери массы. Другие исследования показали, что преимущества непосредственно измерения теплового потока в огонь распространение экспериментов. Финни et al. представил несколько примеров измерения потоков тепла в пожар распространился эксперименты34. Через такую работу они смогли сделать важные замечания о роли конвективный и радиационный теплообмен играть в быстротой распространения. Методологии, представленные здесь допускается для базовых наблюдений динамики энергии в пожар распространился в Чапараль. Выгодно следующим шагом будет включать более углубленный анализ конкретного вклада радиационного и конвективный теплообмен. Для будущих исследований мы рекомендуем изучить прямое измерение потоков тепла.
Для обеспечения точности измерений там находятся несколько важных шагов. Калибровка Тензодатчики измерения потери массы короны является, пожалуй, наиболее важным этапом и шаг, который занимает больше всего времени. Это потому, что в конце каждого дня эксперимента, короны топлива кровать должна быть демонтирована, и легким движением в конфигурации может вызвать изменения в массовых чтений. Следовательно калибровки должно быть сделано в начале каждого дня эксперимент. Для дальнейших экспериментов более постоянной конфигурации будет идеальным. В этой будущей конфигурации отдельных Тензодатчики будет наноситься экспериментальной установки.
В дополнение к калибровке шаг еще один важный шаг в протоколе является подготовка топлива. Цель всей экспериментальной программы является обеспечение более глубокого понимания сгорания в прямом топлива с целью повышения нашей способности прогнозировать поведение предписанные огонь. Время жить ветви до ½ дюйма (1,27 см) может быть использован в фронт пламени высокой интенсивности предписанные сжечь в Чапараль (см. зеленый35), большего диаметра топлива обычно не сожгли в фронт пламени. Бернс лаборатории с использованием чапараль топлива были сосредоточены на использование топлива, которые как правило будет потребляться предписанные записи распространения фронта пламени (см. Коэн и Брэдшоу36, Вайзе и др. 37). крупные чапараль видов включают в себя chamise (Adenostoma метельчатый), в то время как другие чапараль топлива включают manzanita (Толокнянка glandulosa) и hoaryleaf Краснокоренник (Краснокоренник crassifolius). Здесь chamise был выбран потому, что это наиболее легковоспламеняющиеся этих видов топлива. Протокол может быть изменен для включения других видов, до тех пор, как филиал размер поддерживается ниже ¼ дюйма.
В целом, независимо от вида, выбран в качестве топлива, ветви должны быть сокращены таким образом, чтобы все ветви диаметры < ¼ дюйма (0,63 см) в целях сохранения единообразия. Не выполнение этого шага или выполнения он неправильно отрицательно скажется на воспроизводимость результатов. Над обрезки ветвей может быть невыгодно потому что топлива кровати с очень малых размеров, как правило, имеют большую плотность и следовательно также записать по-разному. В процедуре, описанной здесь, после Omodan38плотность упаковки была сохранена в среднем на 9,2 кг/м3.
Стоит отметить, что из-за масштаба этого эксперимента, экипаж из 4 или более человек обязан обеспечить эффективность во время эксперимента. Имея ответственный экипаж с протоколом видны на всех раз важно, чтобы убедиться, что правильно выполнены все шаги. Этот человек отвечает за безопасность экипажа, а также координации эксперимента. Важно, что этот человек и остальной экипаж уделять внимание их безопасность и безопасность окружающей среды, который означает, что видимость огнетушитель, обеспечивая выхлопных жерл на и двери закрыты во время эксперимента.
Кроме того было бы выгодно для синхронизации всех инструментов с кнопкой одного триггера. Это будет сделать анализа и обработки данных более эффективным. Наконец естественной прогрессии после освоили технику здесь бы интегрировать некоторые из оставшихся аэродинамической возможности, такие как контроль температуры, который был показан в других исследованиях будет еще одним важным фактором для рассмотрения. Это позволило бы более широкий спектр контроля состояния окружающей среды. Результаты, представленные здесь, от экспериментов, проведенных в летние месяцы, когда топлива обычно осушитель; Этот период также соответствует к части года при возникновении пожаров. Если, однако, большое количество сезонов должны быть проанализированы в течение одного экспериментального периода, могут использоваться регулятор температуры воздушного потока. Аналогичным образом вариации содержания влаги топлива обеспечит представление о влиянии этого параметра на колючий кустарник Корона огонь перехода и распространение. В разработке расширенного исследования включают топлива содержание влаги и насыпная плотность как контролируемых параметров, анализ ошибок, такие как одно предоставленный Mulvaney et al. будет помощником в разработке методологии с экспериментальной единообразия39.
Метод, описанный здесь включает изучение поведения огонь короны, которая интегрирует измерения массы, температуры и пламя геометрии для обоих слоев топлива участвует. Результате этой методологии анализа может привести к увеличению понимания чапараль огонь как Корона огонь специально в рамках независимой, пассивной или активной короной огонь поведения, представленный Ван Вагнер5, таким образом обеспечивая знания помощь в огонь прогнозирования и управления.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Авторы хотели бы признать, Бенджамин Sommerkorn, Габриэль Dupont, Джейк Eggan и Chirawat Sanpakit, который помогал с экспериментами, представленные здесь. Жанетт Cobian Ингес признает поддержку, номер гранта НАСА MUREP институциональных исследований возможностей (MIRO) NNX15AP99A. Эта работа финансировалась USDA/подпись Национальный план огонь через соглашение между Лесная служба МСХ США, PSW научно-исследовательская станция и университета Калифорнии - Риверсайд.
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).
