КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 20-71-10068

НазваниеСреднемасштабные исследования влияния различных видов источников зажигания на условия возникновения и распространения природных пожаров с применением современных методов термографии и математического моделирования

РуководительКасымов Денис Петрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет", Томская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2023 

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 01-316 - Методы математического моделирования, оценивания и управления механическими и биомеханическими системами

Ключевые словаприродные пожары, пожарная опасность, распространение фронта пожара, горящие частицы, турбулентность, выбросы в атмосферу

Код ГРНТИ30.51.23


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Данный проект направлен на решение комплекса актуальных научных проблем, связанных с исследованием механизма возникновения и распространения природных пожаров в результате переноса горящих частиц, исследованием процессов турбулентности в зоне пожара, а также количественным и качественным анализом выбросов в атмосферу. Актуальность этих задач очевидна и обусловлена ростом числа природных пожаров, вызванных ростом антропогенной нагрузки на биогеоценозы, опасным влиянием крупных пожаров на населенные пункты и объекты хозяйственной деятельности человека. В настоящее время получила мировую известность теория лесных пожаров профессора А.М. Гришина. На ее основе построен ряд национальных систем прогноза пожарной опасности (в США и Канаде). Теория лесных пожаров профессора А.М. Гришина основывается на подходах и методологии механики многофазных реагирующих сред. Тем не менее в ней явным образом не учитывается сложный механизм переноса горящих частиц, который при определенных условиях может приводить к образованию пятнистых пожаров и скачкообразному распространению фронта пожара. Также следует отметить, что перенос потока горящих частиц зачастую является определяющим механизмом перехода природных пожаров в поселковые и городские. Необходимо отметить, что перенос горящих частиц из зоны горения при природном пожаре обусловлен действием ветра и конвективными потоками, турбулентная структура которых остается мало изучена до сих пор. В данном проекте будет исследована турбулентная структура пламени фронта пожара и конвективной колонки над ним. Стойкость отделочных и конструкционных материалов к воспламенению и горению играют решающую роль в борьбе с огнем и снижении последствий пожара. Одним из направлений исследований в проекте станет изучение влияния разных видов теплового воздействия (радиационный и конвективный тепловой поток, точечный источник зажигания, поток горящих частиц) на воспламенение и горение ряда конструкционных горючих материалов с применением различных огнезащитных составов. В качестве конструкционных материалов будут использоваться древесина с различной формой поверхности и обработкой огнезащитными составами, пластики и прессованные материалы, применяемые в отделке жилых и общественных помещений. Полученные с помощью методов термографии и математического моделирования результаты внесут вклад в развитие теории горения, в частности тлеющего и пламенного горения некоторых видов конструкционных материалов при различных тепловых воздействиях, что позволит сформулировать научно-обоснованные требования к пожароопасным материалам.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут получены новые фундаментальные знания о возникновении и распространении природных пожаров в результате воздействия потока горящих частиц. Эти данные позволят в будущем разработать математические модели нового поколения, учитывающие механизм переноса фронта горения потоком горящих частиц и фрагментов растительности, в результате чего значительно возрастает скорость распространения пожара и образуются так называемые пятнистые пожары. При выполнении проекта будут получены условия и тепловые характеристики зажигания конструкционных материалов из древесины и пластиковых облицовочных панелей в результате воздействия потока горящих частиц. Полученные с помощью методов термографии и математического моделирования результаты внесут вклад в развитие теории горения, в частности тлеющего и пламенного горения некоторых видов конструкционных материалов при различных тепловых воздействиях, что позволит сформулировать научно-обоснованные требования к пожароопасным материалам. Также при выполнении проекта будут исследованы турбулентные структуры в зоне пожара, что позволит расширить фундаментальные знания о процессах горения и турбулентности в зоне горения.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


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.

 

Публикации

1. - Ученые ММФ нашли способ обнаруживать лесные пожары на ранней стадии Пресс-служба Национального исследовательского Томского государственного университета, дата публикации новости на сайте 27января 2021 года (год публикации - ).

2. - Ученые выяснили, как степные пожары меняют состав воздуха ТАСС, информационное агентство, 25 ЯНВ, 17:04, вразделе ТАСС, НАУКА (год публикации - ).

3. - Умные выходные: онлайн-лекции для взрослых и детей в День науки Пресс-служба Национального исследовательского Томского государственного университета, дата публикации новости на сайте 12 февраля 2021 года (год публикации - ).

4. Касымов Д.П., Агафонцев М.В., Лобода Е.Л., Лобода Ю.А., Рейно В.В. Integrated experimental study using infrared thermography method on behavior of wood constructional materials in fire conditions Nonequilibrium processes: recent accomplishments /edited by: S. M. Frolov, A. I. Lanshin, p. 89-92 (год публикации - 2020).

5. Касымов Д.П., Агафонцев М.В., Мартынов П.С., Орлов К.Е., Голубничий Е.Н., Рейно В.В. Инфракрасная термография в оценке огнестойкости строительных материалов и конструкций в условиях пожара Проблемы механики: Теория, эксперимент и новые технологии. Тезисы докладов XV Всероссийской школы-конференции молодых ученых 25 февраля – 5 марта 2021 г., Новосибирск – Шерегеш, с. 105-106 (год публикации - 2021).

6. Касымов Д.П., Агафонцев М.В., Перминов В.В., Рейно В.В., Лобода Е.Л. Experimental Investigation of the Effect of Heat Flux on the Fire Behavior of Engineered Wood Samples Fire, Fire 2020, 3(4), 61 (год публикации - 2020).

7. Касымов Д.П., Агафонцев М.В., Тараканова В.А., Лобода Е.Л., Мартынов П.С., Орлов К.Е., Рейно В.В. Effect of wood structure geometry during firebrand generation in laboratory scale and semi-field experiments Journal of Physics: Conference Series, Volume 1867, article number 012020 (год публикации - 2021).

8. Касымов Д.П., Орлов К.Е., Агафонцев М.В., Мартынов П.С. Некоторые подходы экспериментального изучения генерации и переноса горящих и тлеющих частиц природного происхождения и методов их детектирования Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики : сборник трудов Международной научной конференции, Воронеж, 7-9 декабря 2020 г., с. 372-377 (год публикации - 2021).

9. Лобода Е.Л., Агафонцев МВ., Климентьев А.С., Касымов Д.П., Лобода Ю.А., Мартынов П.С., Рейно В.В. Investigation of the turbulent structure in a flame and the effect of small infrasonic exposure on it using IR thermography methods Journal of Physics: Conference Series, Volume 1709, article number 012018 (год публикации - 2020).

10. Лобода Е.Л., Касымов Д.П., Агафонцев М.В., Рейно В.В., Гордеев Е.В., Тараканова В.А., Мартынов П.С., Лобода Ю.А., Орлов К.Е., Савин К.В., Дутов А.И. Effect of Small-Scale Wildfires on the Air Parameters near the Burning Centers Atmosphere, 12, no. 1: 75. (год публикации - 2021).

11. Лобода Е.Л., Касымов Д.П.,Агафонцев М.В., Рейно В.В., Гордеев Е.В., Тараканова В.А., Мартынов П.С., Орлов К.Е., Савин К.В., Дутов А.И. Some results of seminatural researches of small seat of wildland fire Proceedings of SPIE, № 11560-116 (год публикации - 2020).