Испытательный комплекс для моделирования лесных, степных и торфяных пожаров
Владельцы патента RU 2371220:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) (RU)
Испытательный комплекс может быть использован для изучения процессов зажигания и горения растительных горючих материалов (РГМ), включая элементы крон деревьев, напочвенного покрова и торфа, а также для разработки способов и средств тушения пожаров. Испытательный комплекс содержит поворотный относительно горизонта стол, на котором размещены короб-полигон для РГМ, короб-полигон с гидроизолированным днищем для торфа и многофункциональное устройство зажигания с подвижными высокоомными источниками тепла, имитирующее различные природные инициаторы горения. При возгорании РГМ сигнал от датчика пламени запускает систему сбора и обработки информации. Испытательный комплекс оборудован аэродинамической трубой с регулируемым потоком воздуха до 5 м/с и блоком подготовки образцов РГМ с экспресс-анализом влагосодержания. Испытательный комплекс позволяет проводить эксперименты в автоматизированном режиме, получаемая информация обрабатывается компьютером. Изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей устройства и повышение эффективности исследования пожаров. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к экспериментальному оборудованию для моделирования пожаров и может быть использовано для изучения процессов зажигания и горения растительных горючих материалов (РГМ), включая элементы крон деревьев, напочвенного покрова и торфа, а также для разработки средств и способов тушения пожаров.
Известна экспериментальная установка, моделирующая реальные условия горения и обеспечивающая изучение одновременного влияния ветра и наклона подстилающей поверхности на горение материалов [1]. Установка содержит ветровой тоннель, выполненный с возможностью изменения угла его наклона к горизонту. Внутри ветрового тоннеля установлена платформа с полосой напочвенного покрова, оборудованная механизмом инициирования и тушения пожара и контрольно-измерительной аппаратурой.
Известная установка имеет недостаток, обусловленный тем, что процесс горения моделируется в полузамкнутом объеме (специализированный тоннель), что искажает параметры среды за счет продуктов горения и изменяет скорость фронта распространения пожара за счет появления тяги в зоне горения. Кроме того, размещение платформы с горючим материалом в ветровом тоннеле не позволяет визуально отслеживать динамику процесса горения и распространения фронта пламени, что снижает достоверность результатов испытаний.
Наиболее близким к заявляемому объекту изобретения является комплекс для моделирования низовых лесных пожаров [2]. Он содержит прямоугольный короб-полигон для слоя РГМ, установленный на опорном столе, который может отклоняться на угол до 45° к горизонту. Воспламенение РГМ производится от точечного либо линейного источника тепла, выполненного из высокоомной проволоки, которая укладывается на слой РГМ и нагревается электротоком. Вентилятор обеспечивает воздушный поток в зоне горения. Для регистрации процесса горения используются термопары, датчики тепловых потоков, тепловизор. Информация регистрируется автоматизированной системой на базе ЭВМ.
Недостатком известного устройства является ограниченная область исследований: отсутствует возможность исследований зажигания и горения торфа, отсутствует возможность инициировать пожар от различных природных источников воспламенения, например горящих охвоенных веточек, раскаленных твердых частиц, падающих на РГМ и т.п. Скорость потока воздуха мала, поскольку вентилятор имеет узкий диапазон расходных характеристик. Отсутствует блок проведения экспресс-анализа РГМ на влагосодержание, что снижает достоверность результатов эксперимента. Размеры полигона малы для получения стационарного процесса.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей устройства и повышение эффективности исследования пожаров.
Для решения задачи используется устройство, включающее поворотный опорный стол, короб-полигон для растительных горючих материалов, устройство для создания воздушных потоков, контрольно-измерительную и регистрирующую аппаратуру, систему сбора и обработки информации. Задача решается путем оснащения испытательного комплекса коробом-полигоном с гидроизолированным днищем для моделирования зажигания и горения слоев торфа, многофункциональным устройством зажигания, включающим корпус, бункер для РГМ, высокоомные источники тепла, имеющие возможность перемещаться по направляющим в зону возгорания, и датчик пламени, электрически связанный с системой запуска регистрирующей аппаратуры. Источники тепла выполнены подвижными относительно образца РГМ и зоны возгорания, для чего они кинематически связаны с механизмом перемещения. Кроме того, комплекс оборудован системой подготовки образцов, включая измельчение, сортировку, взвешивание, определение влагосодержания, а устройство для создания воздушных потоков выполнено в виде аэродинамической трубы, вход которой оборудован шибером, а выход - анемометром или расходомером.
На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого испытательного комплекса. На фиг.2 приведена схема устройства зажигания РГМ с механизмом перемещения источников тепла. На фиг.3 приведена схема устройства для создания воздушных потоков. Фиг.4 иллюстрирует результаты обработки экспериментальной информации.
Испытательный комплекс (фиг.1) включает опорный стол, способный отклоняться на угол до 45° к горизонтальной плоскости, на котором закреплены короб-полигон 1 с площадью, достаточной для моделирования стационарного горения РГМ, короб-полигон 2 с гидроизолированным днищем для моделирования горения торфа и подвижное многофункциональное устройство зажигания 3. Комплекс оборудован подвижным устройством для создания воздушных потоков 4, системой получения и обработки информации 5. Для экспресс-анализа РГМ предусмотрена система подготовки образцов 6 с устройством для определения влагосодержания. Запуск процесса и регистрирующей аппаратуры осуществляется от пульта дистанционного управления 7.
Многофункциональное устройство зажигания (фиг.2) содержит загрузочный бункер 9, высокоомные источники тепла 10, которые за счет механизма 11 имеют возможность перемещаться по вертикальным направляющим относительно зоны возгорания. Для синхронного включения регистрирующей аппаратуры предусмотрен датчик пламени 13. Кроме того, устройство зажигания имеет место для крепления различных образцов РГМ, которое может быть снабжено автоматическим зажимом 14. Устройство зажигания крепится над испытательным коробом-полигоном, например, на поперечной балке (см. фиг.1).
Устройство для создания воздушных потоков (фиг.3) выполнено в виде аэродинамической трубы 15, закрепленной на станине 16, включает воздухозаборник 17, генератор воздушного потока 18, расходный канал 19, оборудовано шибером 20 и расходомером 21, например анемометром. Устройство для создания воздушных потоков, как и устройство зажигания, мобильно относительно исследуемой зоны горения.
Работу предлагаемого испытательного комплекса поясняют следующие примеры.
Для моделирования зажигания и горения РГМ используется стальной короб-полигон 1 размерами 2,0×1,5×0,13 м. Подготовка к экспериментам идет в следующей последовательности. На дно короба-полигона укладывается природный грунт, сверху на него размещают слой исследуемого горючего материала. Перед укладкой РГМ в короб-полигон проводят подготовку РГМ в системе подготовки образцов 6 и экспресс-анализ влагосодержания. Высота слоя РГМ определяется типом исследуемого пожара - слабой, средней или высокой интенсивности. На подготовленную поверхность на штативах устанавливают датчики температуры и датчики тепловых потоков, что обеспечивает установку до 6 датчиков на разных высотах с выносом по горизонтали до 0,5 м. Для измерения скорости воздушных потоков устанавливают анемометры. Источник тепла укладывают на слой РГМ или перемещают его в зону возгорания. Измерительные датчики подключают к компьютеру. Процесс фиксируется с помощью видеокамеры и/или тепловизора, например, JADE J530SB, устанавливаемого на директрисе короба-полигона. Частоту и порядок опроса датчиков задают системой дистанционного управления. Испытательный комплекс готов к работе. Оператор запускает систему зажигания, подавая напряжение на источник тепла. Синхронно включается регистрирующая аппаратура и проводится эксперимент с регистрацией времени зажигания в зависимости от влагосодержания РГМ, формы, высоты и скорости распространения пламени, температуры фронта и других характерных параметров. Полученная информация обрабатывается компьютером с помощью специальной программы.
Для исследования зажигания РГМ посредством горящих охвоенных веточек или раскаленных древесных частиц служит устройство зажигания 3 (фиг.2), которое подводится к коробу-полигону и закрепляется над зоной возгорания. Оно имеет корпус 8 и загрузочный бункер для РГМ 9. От пульта 7 подается ток на высокоомный нагреватель 10, который с помощью механизма перемещения 11 перемещается по направляющей к образцу 14 или к зоне возгорания. Нарастание температуры фиксируется термопарами 12. Момент вспышки РГМ фиксируется датчиком пламени 13, например фотодиодом, сигнал которого через исполнительный механизм размыкает зажим и освобождает горящий образец, который падает на слой РГМ. Синхронно включается регистрирующая аппаратура, информация от которой поступает на ЭВМ.
Изучение влияния ветра на процесс горения РГМ обеспечивается устройством для создания воздушных потоков 4. Устройство существенно модернизировано относительно прототипа и обеспечивает скорость ветра в диапазоне 0,8-5 м/с. При проведении эксперимента устройство для создания воздушных потоков 4 подводится к коробу-полигону 1 или 2 (фиг.1), в зависимости от задач исследования, и направляется на зону горения. Подается сигнал на запуск генератора потока 18, воздух через воздухозаборник 17 поступает к расходному каналу 19 и обдувает слой РГМ или торфа. Расход воздуха регулируется с помощью расходного шибера 20, а скорость потока на выходе из канала 19 измеряется с помощью анемометра 21. Для повышения эффективности работы устройства расходный канал может быть плоским. После настройки испытательного комплекса эксперимент проводится в автоматическом режиме.
Для изучения процессов зажигания и горения слоев торфа служит металлический короб-полигон 2 (см. фиг.1) с размерами 1,5×1,5×0,3 м, который имеет гидроизолированное днище и позволяет имитировать реальные условия залегания торфа с разной степенью водонасыщения. Перед экспериментом на дно короба-полигона 2 наливают слой воды и укладывают слой торфа высотой до 0,3 м. Влагосодержание торфа после насыщения водой определяют системой подготовки образцов (позиция 6 фиг.1). Опыт проводят в той же последовательности, что и при исследованиях по зажиганию и горению РГМ. Результаты фиксируются видеокамерой, тепловизором, ЭВМ и представляются в виде снимков, таблиц и графиков.
На фиг.4 в качестве примера приведены графики изменения температуры и энергии низового лесного пожара слабой интенсивности. На фиг.4,а приведена температура пламени в зависимости от времени, измеренная с помощью термопар. На фиг.4, б представлен пример обработки параметров пламени, полученных тепловизионным методом измерений. Показано изменение во времени относительной максимальной температуры ТМ отн и полной энергии Ротн.
Из описания испытательного комплекса и его составных блоков следует, что заявленное устройство, в отличие от прототипа, позволяет автономно проводить практически любые эксперименты по моделированию лесных, степных и торфяных пожаров: наклонные, со встречным и попутным ветром любой интенсивности, при различной влажности РГМ, с различными инициаторами возгорания. Благодаря дистанционному ПУ и синхронизации управляющих сигналов заявленный испытательный комплекс работает в автоматическом режиме. Он позволяет оперативно и с высокой достоверностью проводить исследования пожаров, возникающих в различных природных условиях.
Использованные источники
1. Rothermell R.C. Airflow Characteristics-Wind Tannels and Combustion Facilities Northern Forest Fire Laboratory. Northern Forest Fire Laboratory. Intermountain Forest and Range Experiment Station Forest Service U.S. Department of Agriculture Missoula. Montana, 1967.
2. Гришин A.M., Долгов А.А., Зима В.П., Исаков Г.Н., Рейно В.В., Цвык Р.Ш. Лабораторные исследования возникновения и распространения низового лесного пожара // Физика горения и взрыва. 1996. Т.32, №6. С.3-11 (прототип).
1. Испытательный комплекс для моделирования лесных, степных и торфяных пожаров, содержащий опорный стол, способный отклоняться на угол до 45° к горизонтальной плоскости, короб-полигон для растительных горючих материалов (РГМ), устройство для создания воздушных потоков, контрольно-измерительную и регистрирующую аппаратуру, компьютерную систему сбора и обработки информации, отличающийся тем, что он оборудован системой подготовки образцов, обеспечивающей их измельчение, взвешивание и определение влагосодержания, коробом-полигоном с гидроизолированным днищем для моделирования горения торфа, многофункциональным устройством зажигания, включающим корпус, бункер для РГМ, высокоомные источники тепла, имеющие возможность перемещаться по вертикальным направляющим в зону возгорания, механизм перемещения упомянутых источников тепла и датчик пламени, электрически связанный с системой запуска регистрирующей аппаратуры, а упомянутое устройство для создания воздушных потоков выполнено в виде аэродинамической трубы, вход которой оборудован шибером, а выход - анемометром.
2. Испытательный комплекс по п.1, отличающийся тем, что устройство зажигания снабжено зажимом для удержания образца РГМ, имеющим возможность освобождать упомянутый образец после возгорания, например, по сигналу датчика пламени, и электрически связанным с системой запуска регистрирующей аппаратуры.
3. Испытательный комплекс по п.1, отличающийся тем, что расходный канал устройства для создания воздушных потоков выполнен плоским.
4. Испытательный комплекс по п.1, отличающийся тем, что короб-полигон для РГМ имеет размеры 2,0×1,5×0,13 м.
5. Испытательный комплекс по п.1, отличающийся тем, что короб-полигон для торфа имеет размеры 1,5×1,5×0,3 м.
