Учёные рассчитали, как на лесной пожар влияет водная заградительная полоса

Ученые Томского политеха разработали новую комплексную математическую модель для расчета физико-химических процессов, происходящих при воздействии лучистого потока от пламени пожара на поверхность лесных горючих материалов – растений, мхов, опавших веток и листвы, часть которой увлажнена водой или специальными тушащими составами. Модель позволяет просчитать распределение температур в каждой точке горючего материала и скорость движения газов вблизи его поверхности. Особенность предложенной политехниками модели заключается  в том, что здесь учтено большинство физических процессов проходящих при нагреве увлажненных лесных горючих  материалов, оказывающих прямое влияние на теплообмен и пиролиз лесного топлива. Получаемые с помощью нее данные в перспективе помогут составлять более оптимальную схему тушения лесных пожаров.

Исследование проводится при поддержке гранта Российского научного фонда под руководством профессора Гения Кузнецова. Результаты работы ученых [[опубликованы]] в журнале Fire (Q1; IF: 2,726).

Один из перспективных способов борьбы с лесными пожарами – создание перед фронтом горения линии торможения, это можно сделать за счет смачивания слоя лесных горючих материалов на определенную глубину водой или специализированными составами на водной основе. Такую линию можно сделать, распыляя воду с самолета или наземного оборудования. Фронт горения, достигая этой контрольной линии, останавливается до тех пор, пока смоченная часть лесного топлива не станет полностью сухой, после чего продолжает движение с меньшей скоростью. Эта скорость зависит от глубины увлажнения, концентрации влаги в лесном топливе и протяженности контрольной линии.  Математическое моделирование в данном случае может стать действенным инструментом анализа условий и характеристик локализации лесных пожаров.

Ученые Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова и Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политеха предложили принципиально новый подход к созданию математической модели для прогнозирования физико-химических процессов распространения лесных пожаров. Они описали комплекс ключевых физико-химических процессов, протекающих во влажном слое лесного топлива при быстром нагреве. Анализ проводился с использованием полученных экспериментальных данных. Модель является комплексной. Она учитывает одновременно процесс конвективного массопереноса в области газовой фазы и процесс фазового перехода испарения жидкости, которая используется в качестве увлажняющего материала.

«Особенность нашей модели заключается в том, что при ее постановке был учтен важный фактор – влияние лучистого потока к поверхности лесного горючего материала. С помощью такой модели можно рассчитывать внутренние нестационарные процессы, происходящие под его воздействием. К ним относятся конвекция и теплопроводность, излучение, испарение воды или жидкостей специального состава, фильтрация паров к нагреваемой поверхности, вдув паров воды в околоповерхностную область, а также термическое разложение лесного топлива. Кроме того, модель учитывает изменяющиеся во времени параметры и свойства процесса горения. Это позволяет производить расчеты для разных высот пламени», — комментирует ассистент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Александр Кондаков.

Используя предложенную численную модель, можно с достаточной точностью определить распределения температуры и других важных для анализа процесса физических характеристик в лесном горючем материале за определенный промежуток времени. Это дает возможность оценить протяженность водной заградительной полосы, необходимой для локализации пожара. Кроме того, в рамках предложенной модели можно проводить аналогичные расчеты для других тушащих веществ на основе воды и различных видов лесного горючего материала.

На следующем этапе исследования политехники планируют увеличить масштаб процесса и рассчитать физико-химические процессы для ситуаций, когда высота пламени достигает 15 метров. Также ученые хотят проанализировать при помощи модели  различные свойства тушащих материалов, которые могут быть использованы для создания мокрой линии и перед фронтом горения, способной локализовать пожар.