Лесные пожары ежегодно охватывают огромные площади. Чтобы остановить распространение огня, используют водную заградительную полосу: увлажняют водой или специальными водными составами слой лесных горючих материалов — растений, мхов, опавших веток и листвы. Такую линию контроля можно сделать, распыляя воду с самолёта или с помощью ручных водомётов и другого наземного оборудования. Фронт горения, достигая этой заградительной полосы, останавливается и не продвигается дальше до тех пор, пока смоченная часть лесного топлива не станет полностью сухой. По мере выгорания древесного горючего длина пламени и, следовательно, лучистый тепловой поток уменьшаются. Одновременно снижается скорость прогрева и пиролиза лесного топлива. Фронт пламени замедляется вплоть до полного прекращения горения. При этом скорость движения фронта горения зависит от глубины увлажнения, концентрации влаги в топливе и протяжённости (ширины) заградительной полосы.
Чтобы научиться прогнозировать поведение лесных пожаров, в последние годы проводят много исследований — изучают, как происходят теплообмен и физико-химические превращения в лесных топливах. Однако большинство этих экспериментов проводят в лабораторных условиях, используя макеты лесных пожаров с относительно небольшим горением на маленьких площадях в десятки сантиметров. Но годятся ли результаты таких экспериментов для оценки протяжённости заградительной полосы, способной удержать крупные лесные пожары (с длиной пламени до 10—15 м) от дальнейшего распространения?
На сегодняшний день есть различные программы, с помощью которых можно моделировать процессы распространения лесных пожаров. Но эти модели не учитывают влияние жидкости, содержащейся в лесном топливе заградительных полос, на происходящий в нём теплообмен и пиролиз.
Учёные из Научно-образовательного центра И. Н. Бутакова и Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета под руководством профессора Гения Владимировича Кузнецова предложили новый подход к созданию математической модели для прогнозирования процессов распространения лесных пожаров. Они описали ключевые физико-химические процессы, протекающие во влажном слое лесного топлива при быстром нагреве. Анализ проводили с использованием экспериментальных данных. При этом модель учитывает одновременно конвективный массоперенос в области газовой фазы и фазовые переходы, происходящие при испарении увлажняющей жидкости.
В разработанной модели учли такой важный фактор, как лучистый поток тепла от пламени к поверхности горючего материала. Как результат, можно достаточно точно определять распределение температуры и других важных физических характеристик в лесном горючем материале за определённый промежуток времени, а значит, оценивать, какая должна быть протяжённость водной заградительной полосы, чтобы локализовать пожар.
На данном этапе математическая задача решалась при температуре пламени 900 К и высоте 0,15 м — типичной для начальной стадии низовых пожаров. Ширина заградительной полосы при анализе составляла 0,3 м, толщина слоя лесного топлива — 0,05 м. В дальнейшем планируется провести расчёты для ситуаций, когда высота пламени достигает 15 м.
Результаты работы опубликованы в журнале «Fire».
По информации пресс-службы Томского политехнического университета.
