Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В соответствии с задачами научного проекта и планом работ на первый год выполнения исследования: 1. Получены экспериментальные данные о распределении температуры во фронте модельного природного пожара и общие характеристики пламени: высота пламени составляет 0,7-1,5 м, максимальная температура во фронте пожара достигает 1150 К. Фронт горения существенно нестационарный и сопровождается развитой крупномасштабной турбулентностью, которая регистрируется при помощи ИК камеры. 2. В спектре пульсации температуры в пламени полунатурного пожара доминируют низкочастотные колебания, которым соответствует крупномасштабная турбулентность с характерными масштабами 20-80 см. В лабораторных условиях регистрируются также существенно меньшие масштабы турбулентности 1,5-4 см. 3. В результате интенсивного тепловыделения в зоне пожара, диссипации турбулентных структур в пламени и выброса газовых и аэрозольных продуктов горения в окрестностях пожара формируется атмосферная турбулентность, которая проявляется как во флуктуациях скорости звука, так и в изменениях показателя преломления атмосферы. Эти эффекты зарегистрированы оптическим и ультразвуковым способами. 4. В окрестностях модельного пожара происходит локальный рост температуры воздуха и скорости ветра (вертикальной и горизонтальной составляющих), что может служить подтверждением гипотезы проф. А.М. Гришина о формировании массовыми лесными пожарами «собственного ветра». 5. В следствие модельного природного пожара возрастает на 2 порядка от фоновых значений концентрация NO2, NO, SO2, в 4 раза снижается концентрация озона и в 20 раз увеличивается концентрация CO. Также зарегистрирован рост концентрации метана и углекислого газа в окрестностях пожара. 6. Зарегистрирован рост концентрации аэрозольных частиц по всему регистрируемому спектру размеров от 0.3 мкм до 20 мкм. Наиболее сильное отличие от фоновых значений соответствует мелким частицам с диаметром меньше 2 мкм. 7. Проведена серия экспериментов по исследованию зажигания слоя растительных горючих материалов в результате воздействия потока горящих частиц, получаемых при помощи генератора горящих частиц оригинальной разработки. По результатам экспериментов определена минимальная температура частиц, имеющих потенциал к зажиганию, а также геометрические и теплофизические характеристики частиц (количество частиц, температура, траектории частиц, геометрические размеры, а также скорость переноса). В частности, для пеллет диапазон изменения температуры составил 297–529 °C, а для веточек сосны 338–629 °C. Максимально достигнутая температура составила 740 оС. Скорость пеллет менялась в интервале 1–5,9 м/с, веточек сосны 0,8–3,3 м/с. Диапазон изменения регистрируемой площади пеллет составил 8–38 мм^2, а для веточек сосны 12–87 мм^2. Анализ скорости генерации частиц показал, что максимальное значение достигается при использовании веточек сосны - 108 частиц в секунду (ч/с), при этом минимальная скорость генерации составила 27 ч/с. Для пеллет скорость генерации составила 19–96 ч/с и 7–39 ч/с соответственно. 8. В лабораторных условиях проведено исследование вероятности зажигания напочвенного покрова одиночными частицами древесных пеллет и веточек, а также группой частиц, различных размеров при наличии переменного воздушного потока, а также переменной плотности соля растительных горючих материалов. Анализ данных показывает, что с ростом плотности снижается вероятность воспламенения одним и тем же количеством частиц, а с ростом скорости ветра вероятность воспламенения напочвенного покрова частицами одного и того же размера растет. Полученные результаты позволяют сделать предположение, что даже 2–3 частицы небольшого размера (длиной > 20 мм при скорости ветра > 1.5 м/с для веточек и длиной > 20 мм при скорости ветра > 2.5 м/с для пеллет) достаточно для воспламенения напочвенного покрова и возникновению новых очагов горения при рассмотренных условиях. 9. В результате проведения экспериментального исследования по оценке энергетических характеристик единичной модельной частицы разной конфигурации и размера были получены усредненные значения теплового потока, которые составили: для древесных пеллет размером 10 мм – 0.097 кВт/м^2, 20мм – 1.439 кВт/м^2, 40 мм – 3.891 кВт/м^2; для сосновых веточек размером 10 мм – 0.734 кВт/м^2, 20мм – 1.107 кВт/м^2, 40 мм – 1.944 кВт/м^2. 10. В рамках выполнения первого этапа проекта опубликовано 8 работ, в том числе 5 статей, индексируемых базами научного цитирования Web of Science, Scopus. Промежуточные результаты проекта представлялись на 4-х международных и 4-х всероссийских конференциях, в том числе на 10-м Европейском совещании по горению/10th European Combustion Meeting (г. Неаполь, Италия), 13-м Международном симпозиуме по наукам о пожарной безопасности/13th International Symposium on Fire Safety Science (г. Ватерлоо, Канада), Девятом международном симпозиуме по неравновесным процессам, плазме, горению и атмосферным явлениями /NEPCAP (г. Сочи, Россия) и других.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В соответствии с задачами научного проекта и планом работ на второй год выполнения исследования: 1. Проведен комплекс экспериментальных исследований воздействия модельного ливня, представляющего собой горящие и тлеющие частицы различного типа и конфигурации, с некоторыми видами горючих строительных материалов и конструкций на основе древесины (модель террасы, ограждение сплошного и продуваемого типа, модель внутреннего угла помещения). По результатам анализа полученных термограмм температура частиц в момент падения находится в интервале 490–650 °C. При этом температура в момент вылета из сопловой части генератора горящих частиц составляет 750–800 °C. Получены оценки теплового потока от тлеющих частиц: для элемента ограждения – 35 кВт/м^2; для элемента внутреннего угла строения–42 кВт/м^2. Сравнение времен зажигания рассматриваемых в экспериментах конструкций показывает, что наиболее пожароопасной является модель деревянного ограждения. Исследовано воздействие стационарного теплового потока в диапазоне 10–30 кВт/м^2 на образец комбинированного материала, состоящего из панели на основе поливинилхлорида (ПВХ) и древесины осины, а также пластиковой сэндвич-панели (внешние слои – твердый ПВХ, внутренний слой – пенополистирол) и древесины осины. Получены оценки изменения площади обугленного участка на торце образца древесины на основе собственной оригинальной методики обработки инфракрасных изображений. При тепловом потоке 10 кВт/м^2 и 20 кВт/м^2 площадь обугленного участка древесины является незначительной, по сравнению с тепловым потоком 30 кВт/м^2, при котором наблюдается рост площади более чем два раза: с 111 мм^2 до 310 мм^2 и с 75 мм^2 до 253 мм^2 для панели ПВХ и сэндвич панели соответственно. Произведена оценка времени деформации при тепловом воздействии. Так, для комбинированного материала, состоящего из панели на основе ПВХ, характерное время находилось в диапазоне 113 – 300 секунд при увеличении мощности теплового потока с 10 кВт/м^2 до 30 кВт/м^2. Для пластиковой сэндвич-панели характерное время деформации при аналогичных условиях теплового воздействия менялось в диапазоне 77–215 секунд, что, вероятно, связано с особенностью строения материалов. Образец ПВХ панели имеет полую ячеистую структуру, которая оказывает дополнительное сопротивление к прогреву образца. 2. Проведены экспериментальные исследования полевых пожаров в условиях полигона на территории Базового экспериментального комплекса Института оптики атмосферы СО РАН. Для экспериментальной площадки выбирался участок растительности размерами 3х15 м. Измерение полей температуры в пламени производилось с применением ИК-камеры FLIR JADE J530SB. Регистрация метеопараметров осуществлялась при помощи двух метеостанций АМК-03, расположенных на мачтах высотой 3 и 10 м. Оценка характеристик турбулентности в атмосфере в окрестности очага горения осуществлялась по изменению флуктуаций показателя преломления Cn^2, флуктуаций скорости звука Cv^2, измеряемых метеостанцией АМК-03, а также по рассчитанным значениям флуктуации температуры воздуха CT^2. Анализ газового и аэрозольного составов атмосферы производился с применением мобильных измерительных комплексов, данные о концентрации аэрозольных частиц регистрировались при помощи датчиков PMS 7003. В результате экспериментов зарегистрировано существенное изменение флуктуации показателя преломления Cn^2 (полученного оптическим и акустическим способом) и флуктуаций температуры CT^2. Измерены концентрации метана и углекислого газа в шлейфе продуктов горения во время проведения эксперимента. Установлено, что вблизи очага горения концентрация метана существенно выше фоновых значений, а при увеличении расстояния от очага горения концентрация метана быстро снижается, что объективно обосновано молекулярной массой газа, которая ниже, чем у воздуха. Данный факт следует учитывать как фактор влияния природных пожаров на состояние атмосферы и глобальные климатические процессы. Регистрация аэрозольных частиц показывает, что на расстоянии до 100 м от фронта горения и на всех высотах от 2 до 30 м наибольшее количество частиц, образующихся при природном пожаре, приходится на частицы размером 0.3–0.5 мкм. Следует отметить, что наиболее значимое отклонение от фоновых значений во время проведения эксперимента соответствовало частицам с диаметром 0.3–1 мкм. Также установлено, что на рассмотренных расстояниях от фронта горения наибольшая концентрация аэрозольных составляющих продуктов горения зарегистрирована на высотах 10–20 м. 3. В полунатурных условиях на Базовом экспериментальном комплексе (БЭК) ИОА СО РАН исследовано влияние масштабного эффекта и количества очагов горения на турбулентность в зоне горения и показатели турбулентности в атмосфере в окрестности зоны горения. Регистрация флуктуации показателя преломления Cn^2 осуществлялась на высоте 3 м, а для оценки турбулентности в пламени применялись методы ИК-термографии. Установлено, что ключевым фактором, влияющим на формирование атмосферной турбулентности в конвективной колонке и в окрестности очага горения, является суммарная длина фронта горения, а не количество экспериментальных участков, на которых происходит горение. Рост максимальных значений флуктуации показателя преломления Cn^2 связан с увеличением длины фронта горения при общей длине фронта горения до 3 м. При дальнейшем увеличении длины фронта горения рост Cn^2 присутствует, но в абсолютной величине не столь значителен. В результате анализа турбулентной структуры в пламени, обработки и анализа термограмм и спектров изменения температуры в пламени, полученных в условиях полигона и в лабораторных условиях, можно сделать следующие выводы, что оценки масштабов турбулентности в пламени при горении в условиях полигона укладываются в интервал 20-80 мм. В лабораторных условиях в пламени присутствуют меньшие масштабы турбулентности, укладывающиеся в интервал 15-50 мм. Обобщая вышенаписанное можно сделать следующий вывод, что в результате воздействия внешних факторов (ветра, неоднородности слоя растительных горючих материалов и др.), в условиях полигона доминирующую роль в горении играет крупномасштабная турбулентность, а мелкомасштабная турбулентность в пламени в условиях полигона практически не реализуется и не оказывает значимого влияния на процесс горения. 4. Разработана математическая модель, описывающая процессы теплообмена и зажигания слоя древесины с одиночной частицей природного происхождения (ветки сосны), а также группой частиц. Характерной особенностью модифицированной модели является то, что в ней учитывается теплообмен между слоем древесины и газовой фазой, испарение влаги в частицах и диффузия водяного пара в зоне пиролиза. Результаты математического моделирования воспламенения древесины ветками сосны показали, что одиночная частица размером L = 50 мм, H = 5 мм, D = 16 мм и температурой T_part ≤ 850 K не инициирует воспламенение слоя древесины. Пламенное горение древесного слоя наблюдалось только при размерах частиц L > 7 см. Установлено, что переход от низкотемпературного режима к зажиганию зависит не только от объема частиц, но и от соотношения длин ее сторон и от ориентации частицы по потоку. Моделирование взаимодействия группы частиц с образцом древесины показало, что в низкотемпературном режиме теплообмена эволюция температурного профиля определяется влиянием только ближайшей частицы. Результаты моделирования показали, что режим зажигания слоя древесины становится возможным при большем расстоянии между частицами с увеличением их количества. При уменьшении длины частиц воспламенение древесины возможно при уменьшении расстояния между частицами. В этом случае воспламенение от мелких частиц возможно только при увеличении их количества. Результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными. 5. В рамках выполнения второго этапа проекта опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи, индексируемых базами научного цитирования Web of Science, Scopus. Промежуточные результаты проекта докладывались на 11 международных и всероссийских конференциях.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. На территории Базового экспериментального комплекса (БЭК) ИОА СО РАН проведены полунатурные эксперименты по переходу низового лесного пожара на модельный полог леса, сконструированный из небольших деревьев и кустарника. В результате проведения экспериментов получен набор экспериментальных данных о структуре пламени в ИК-диапазоне, последовательном переходе низового пожара на кроны деревьев и формирование верхового пожара. В результате применения методов ИК термографии и оригинальной методики определения масштабов турбулентности в пламени установлено, что пламя при верховом пожаре существенно нестационарно и в нем преобладает крупномасштабная турбулентность с характерными масштабами 20–64 мм. При регистрации изменения метеопараметров и характеристик атмосферы, отражающих турбулентные процессы в ней, установлено, что вследствие протекания верхового модельного пожара происходит существенный рост значений структурных показателей изменения показателя преломления Cn2 и пульсаций температуры воздуха CT2. В результате измерения изменения аэрозольного состава атмосферы в окрестности модельного верхового пожара установлено, что в продуктах горения преобладают частицы с диаметром 0.3-0.5 мкм, концентрация которых более, чем в 2 раза превышает концентрацию частиц с диаметром больше 0.5 мкм. Следует отметить, что наибольшая концентрация этих частиц наблюдается на высоте от 10 до 20 м. В результате экстраполяции данных о переносе аэрозолей, состоящих из конденсированных продуктов горения, определено, что концентрация аэрозолей с диаметром частиц 0.3-0.5 мкм при модельном очаге верхового пожара превышает фоновые значения на расстояниях до 2000 м от очага горения. 2. В аналогичной вышеописанному пункту постановке проведения эксперимента проведена серия полунатурных экспериментов по возникновению верхового лесного пожара в результате воздействия модельного потока горящих частиц с помощью установки «Генератор горящих и тлеющих частиц» (ГГЧ). Для проведения экспериментов в условиях полигона был смоделирован полог леса, состоящий из небольших деревьев (сосны высотой до 4–5 м, 2-3 яруса по высоте). В результате установлена последовательность событий, приводящая к возникновению верхового пожара в результате воздействия потока горящих частиц. Для возникновения верхового пожара на деревьях с естественным влагосодержанием необходимо наличие низового пожара, а возникновение верхового пожара на сухостое может происходить без сопутствующего низового пожара. Этот факт следует учитывать при формировании оценки пожарной опасности на территориях, где уже был в текущем пожароопасном периоде низовой пожар. Опытным путем оценены время воздействия и суммарный запас энергии потока горящих и тлеющих частиц, необходимые для возникновения верхового пожара на деревьях с естественным влагосодержанием, а также на сухостое. Время воздействия не менее 25 с (соответствует количеству частиц, попавших на кроны деревьев, подрост и подстилку не менее 73 шт/м^2.) с суммарным запасом энергии 3869 кДж/м^2 в случае естественного влагосодержания; время воздействия не менее 8 с (соответствует количество частиц, попавших на кроны деревьев, подрост и подстилку не менее 25 шт/м^2) с суммарной поверхностной плотностью запаса энергии 1280 кДж/м^2 – в случае сухостоя. 3. Проведено численное моделирование зажигания древесины в результате теплового воздействия различной продолжительности ансамблем горящих частиц. Определено, что для частиц малых размеров, запасенного в них тепла оказывается недостаточным для инициирования процесса зажигания. Если размеры частицы достигают критического значения, то в прилегающей к ней области начинается процесс пиролиза. Если размеры частицы достаточно большие, то после зажигания слоя древесины возникает режим пламенного горения в газовой фазе. Критический объем поджигающей частицы зависит от соотношения длин ее сторон и ориентации частицы по потоку. Проведенные расчеты показывают, что минимальным для инициирования зажигания поверхности объемом обладают частицы с квадратным горизонтальным сечением. Для частиц с прямоугольным горизонтальным сечением величина критического объема увеличивается, тем больше, чем сильнее отношение отличается от единицы. При этом для частиц, ориентированных вдоль потока, величина критического объема выше, чем для частиц, ориентированных поперек потока. В результате проведенных исследований получена зависимость критического времени зажигания слоя древесины в зависимости от размеров частиц, а также расстояния между ними. Полученная зависимость является важной для оценки условий воспламенения поверхности древесного слоя. С уменьшением размеров частиц зажигание древесины возможно при уменьшении расстояния между частицами. При этом зажигание небольшими частицами возможно только при увеличении их количества. С увеличением размеров частиц, режим зажигания становится возможным при большем времени задержки, а с увеличением расстояния между частицами зажигание древесины возможно при уменьшении времени задержки зажигания. Проведено сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными данными, полученными на предыдущем этапе выполнения проекта, а именно – получено качественное и количественное согласование результатов по временам задержки зажигания поверхности слоя древесины в результате воздействия частиц при наличии воздушного потока в зоне их аккумуляции. Кроме того качественное согласование наблюдается и в случае анализа характерных времен прогрева древесины, а также условий теплообмена между частицами и слоем древесины при изменении расстоянии частиц и их геометрических размеров. 4. Проведена систематизация экспериментальных данных и их анализ, сформулированы основные выводы и результаты выполнения проекта. Полученные за период выполнения проекта результаты расширяют знания о влиянии природных пожаров на характеристики атмосферы (турбулентность, метеопараметры, выброс газообразных и конденсированных продуктов горения), переносе конденсированных продуктов горения. Данные сведения могут быть использованы при разработке системы удаленного обнаружения очагов природных пожаров как характерные признаки пожара. Полученные данные о формировании верхового пожара от низового и данные о возникновении верхового пожара в результате воздействия потока горящих и тлеющих частиц должны быть учтены при разработке современной системы оценки пожарной опасности, которая должны учитывать различные факторы, такие как лесотоксационные данные, данные о реальных пожарах, рельефе, метеоданные и пр. Результаты численного моделирования зажигания ансамблем частиц следует использовать для оценки пожарной опасности различных объектов и сооружений из древесины, расположенных в зоне риска воздействия природного пожара. Следует отметить, что, несмотря на общее выполнение плана исследований по проекту и общую завершенность полученных результатов проекта, необходимо продолжение исследований в данной научной области. Например, необходимо продолжить исследования переноса конденсированных продуктов горения и их распределения в пространстве, что позволит заложить основы для создания системы раннего обнаружения пожаров как с применением распределенной сети постов мониторинга, так и оптических систем воздушного базирования с большим радиусом действия. Такого рода системы позволят значительно снизить затраты на мониторинг пожаров и осуществлять обнаружение очагов горения на ранней стадии. Исследования воздействия горящих частиц необходимо продолжить в плоскости оценки рисков пожарной опасности как на хозяйственных объектах, так и на лесных территориях, что может быть использована в системе прогноза пожарной опасности. В рамках выполнения третьего этапа проекта опубликовано 8 работ, в том числе 5 статей, индексируемых базами научного цитирования Web of Science, Scopus. Промежуточные результаты проекта докладывались на 5 международных и всероссийских конференциях.