Главная

Исследовательские группы

Научно-практический журнал
Хвойные бореальной зоны
(в перечне ВАК)

Введение

Тепловое излучение лесного пожара – это электромагнитное излучение инфракрасного диапазона, испускаемое пламенем и горящими углями. Падая на поверхность предмета, излучение поглощается его поверхностью и преобразуется в тепловую энергию, вследствие чего температура предмета (вещества и пр.) повышается (Амосов, 1958).
Доля теплового излучения в тепловом балансе лесного пожара, в зависимости от его вида и интенсивности, находится в пределах 10-40% (Валендик и др.,2006; Гришин и др., 1984; Грузин, 1983; Зигель, Хауэлл, 1975; Исаков, 1977). При верховых пожарах на долю теплового излучения приходится до 90% от общего тепла пожара (Сухинин, Конев, 1972; Anderson, Rothermal, 1965).
Поток теплового излучения в ряде случаев значительно влияет на скорость распространения пожара при ветре или движении вверх по склону. В этих случаях пламя наклонено к поверхности земли и лучистый тепловой поток интенсивно подсушивает горючие материалы перед кромкой пожара и тем самым увеличивает скорость его воспламенения. В случаях, когда пламя находилось бы перпендикулярно поверхности земли. Например, при подлесно-кустарниковых пожарах образуется большое вертикальное пламя и поток излучения воспламеняет подрост хвойных, а также нагревает стволы до повреждения камбия, что иногда приводит к гибели дерева.
Теплового излучения оказывает значительное отрицательное воздействие на людей при тушении пожаров ручными средствами, когда пожарные вынуждены работать в нескольких метрах от горящей кромки пожара.
Воздействие теплового излучения от кромки пожара становится болезненным для незащищенной кожи при интенсивности излучения более 2 кВт/м2 (Braun, 1980). Уровень излучения в 12 кВт/м2 причиняет ожог моментально (Cohen, 2004). Если пожарный полностью облачен в спецодежду из ткани плотностью 200 г/м2, он может получить ожог второй степени приблизительно через 90 секунд (Fang, 1969). Измерения потока теплового излучения на пожарах очень сложно и большую часть экспериментальных данных составляют расчетные и лабораторные исследования.
Так при слабой интенсивности горения с высотой пламени 0,3 м тепловое излучение на расстоянии 0,6 м от горящей кромки составляет 0,4 кВт/м2. С увеличением пламени до 1,2 м интенсивность излучения на расстоянии 1,8 м составляет 4,6 кВт/м2 (Green, 1969), а это уже существенное препятствие для пожарных.
По некоторым расчетам, пламя лесного пожара высотой 2 м должно создавать радиационный поток на расстоянии 6 м от кромки 60 кВт/м2 (King, 1966).
По данным экспериментальных исследований параметров верхового пожара было установлено, что интенсивность излучения на расстоянии 10 м от пожара может достигать 80 кВт/м2, а на расстоянии 40 м интенсивность снижается до 20 кВ/м2 (McCarter, 1965).
Ван Вагнер (Anderson, 1965) объясняет высокую интенсивность радиационного потока на верховых пожарах тем, что на их долю приходится до 90% тепла общего теплового потока пожара.
Некоторые авторы считают, что при отсутствии ветра излучение факела пламени не играет существенной роли в теплообмене и доминирует лишь излучение горящих углей (Anderson, Rothermal, 1965; Stoll, Greene, 1959; Tassios, Packham, 1964). Вместе с тем, при распространении пламени по слою сосновой хвои в ветровом тоннеле роль излучения факела пламени возрастает (Thomas, 1964). Это дало возможность предположить (Сухинин, Конев, 1972; Anderson, Rothermal, 1965), что увеличение скорости горения при ветре зависит от повышения теплового излучения пламени.
Поток теплового излучения при верховых пожарах во всех случаях зажигает кроны деревьев и является основным фактором распространения горения по кронам. Процесс этот очень интенсивный и каких-либо мер для его прекращения еще не найдено. Нас интересует тепловое излучение при низовых пожарах в разных зонах его воздействия на структурные элементы насаждения и доступность тушения.
В связи с этим целью наших исследований является выделение зоны воздействия потока теплового излучения на структурные элементы дерева в насаждениях разного класса возраста, а также предельные условия тушения кромки низовых пожаров без специальной защиты пожарных от теплового излучения горящей кромки.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В связи с поставленной целью объекты горения подбирали по двум критериям: наличие высокого пламени и горение углей.
В соответствии с этим положением измерение мощности теплового излучения проводили на низовых пожарах средней силы в сосняке лишайниково-зеленомошном, на валежных пожарах на захламленной вырубке в пихтарнике мелкотравно-зеленомошном и в усохшем после повреждения шелкопрядом древостое пихтарника мелкотравно-зеленомошного (табл. 1).

Таблица 1 – Характеристики экспериментальных участков

На вырубке основным горючим материалом являлись порубочные остатки разных размеров и частично оставшиеся проводники горения.
На участке «шелкопрядника» основным горючим материалом были сухостойные деревья, валежник и опад из мелких веток, а также подстилка.
Участки, во всех случаях, были отграничены от лесных массивов минерализованными полосами, и площадь участков была в пределах от 1-6 га.
Перед каждым экспериментом проводились измерения метеорологических условий (температуры и относительной влажности воздуха, скорости и направления ветра). Учитывали запас и влагосодержание напочвенных горючих материалов, так как их параметры влияют на скорость распространения, высоту пламени и интенсивность горения.
В ходе опытов определяли температуру пламени, скорость движения горящей кромки, тепловое излучение пламени.
Тепловое излучение измеряли в трех точках, на высоте 0,5, 1,0, 1,5 м над уровнем земли, в зависимости от высоты пламени, с помощью калориметров. Калориметр представляет собой плоский медный цилиндр ? 20 мм и толщиной 4 мм. Внутрь калориметра вделывается хромель-алюмелевая термопара диметром 0,3 мм. Для увеличения поглощающей способности рабочая (торцевая) поверхность калориметра зачерняется сажей. Калориметр помещается в цилиндр из фторопласта и для
удобства пользования крепится на защитном щите.
Щит с калориметрами во время измерения устанавливали в направлении максимального предполагаемого потока теплового излучения, с учетом исключения воздействия конвективных потоков, что достигалось его установкой в тылу или на флангах пожара.
Величину плотности теплового излучения рассчитывали в предположении равномерного нагрева всей поверхности калориметра (Van Wagner, 1967):

,

(1)

где W – энергия потока теплового излучения, Дж;
S – площадь воспринимающей поверхности, м2;
t – время измерения, с.

W = m · C · ( T2 - T1 ),

(2)

где  m - масса калориметра, кг;
C - теплоемкость меди, Дж/кг;
(Т2-Т1) - максимальный разогрев, °С.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

При проведении эксперимента фиксировались параметры горения (табл. 2, 3).

Таблица 2 – Плотность потока теплового излучения в зависимости от вида пожара и параметров горения

Из таблицы 2 видно, что с увеличением скорости горения увеличивается ширина зоны пламенного горения, но уменьшается степень прогорания горючего материала и образование горящих углей, что сказывается на величине теплового потока.
По данным таблицы 3 можно проследить зависимость величины теплового излучения от параметров горения.

Таблица 3 – Характеристика параметров горения в сосняке лишайниково-зеленомошном

При проведении экспериментов в сосняке лишайниково-зеленомошном максимальные значения потока теплового излучения отмечены на расстоянии от кромки горения 2 м, при высоте пламени – 0,3 м, скорости горения – 0,3 м/мин, ширине кромки – 0,5 м — 21,7 кВт/м2. Температура пламени  колебалась от 600 до 1000°С.
В таблице 4 приведены параметры горения на трех летней вырубке в пихтарнике мелкотравно-зеленомошном.

Таблица 4 – Характеристика параметров горения на вырубке

Данные позволяют сравнить изменение потока теплового излучения в зависимости от удаленности точки измерения, по опытам с высотой пламени – 3-3,5 м (рис.1).

Рисунок 1 – Плотность теплового излучения в зависимости от расстояния до горящей кромки пожара

При проведении экспериментов на вырубке максимальные значения потока теплового излучения отмечены на расстоянии от кромки горения 3 м, при высоте пламени – 3,5 м,  ширине кромки – 5 м

— 130 кВт/м2.Температура пламени  колебалась от 800 до 1000°С. Характеристики параметров горения при валежном пожаре приведены в таблице 5.
Опыты, проведенные в шелкопряднике, позволяют сравнить изменение потока теплового излучения в зависимости от высоты пламени на одинаковом расстоянии от фронта пламени, по опытам с шириной кромки — 4-6 м. Полученная зависимость представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Плотность теплового излучения в зависимости от высоты пламени

Таблица 5 – Характеристика параметров горения в «шелкопряднике»

Расстояние от кромки, м	2	2	2	2	2	2	4	4	4	6	10
Тепловое излучение, кВт/м2	52	78	95	84	104	147	37	65	27	17	57
Высота пламени, м	2	2,5	3	4,5	5	6	2,5	4	2,5	2,5	5
Ширина кромки, м	5	4	5	5	5	6	5	5	3	3	6

Максимальные значения потока теплового излучения отмечены на расстоянии от кромки горения 2 м, при высоте пламени – 6 м,  ширине кромки – 5 м — 208 кВт/м2. Температура пламени  колебалась от 700 до 1000°С.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Существенное влияние теплового излучения на древостой в основном происходит при подлесно-кустарниковых пожарах, когда пламя вертикально и достигает высоты 2-3 метра. В этом случае максимальный тепловой поток направлен по горизонтали к древостою и поражает кроны хвойного подроста, сжигая хвою, либо перегревая хвою и почки, что также приводит к гибели деревьев I и II классов возраста. В тоже время, деревья III и IV классов возраста получают только ожоги, что не приводит к их гибели, но снижает сортность деловой древесины.
В таблице 6 приведены расчеты теплового потока и температуры на поверхности ствола дерева в зависимости от высоты пламени и времени его нагрева.

Таблица 6 – Расчет нагрева поверхности ствола дерева от теплового излучения на расстоянии 4 м, с градацией по высоте пламени

Расчет температуры производится по формуле 3

,

(3)

где  А - коэффициент поглощения;
q –тепловое излучение, Вт/м2;
r - плотность,  кг/м3;
l - те­плопроводность, Вт/м;
с - удельная теплоемкость, Дж/кг;
То - начальная   температура, °С;
t - время, за которое происходит нагрев, с.

Из таблицы следует, что уже при высоте пламени 0,5 м у деревьев стоящих на расстоянии 4 м температура на поверхности почек и хвои может достигать 134°С. При такой температуре почки погибают в кроне хвойных деревьев. Тепловой поток от пламени более 3 м создает на поверхности стволов температуру около 600°С и в этом случае деревья диаметром от 16 см и более получают ожог камбиальной зоны с образованием подсушин. Деревья меньшего диаметра, получающие круговой ожог по диаметру ствола при такой температуре гибнут (Van Wagner, 1968).

ВЫВОДЫ

Анализ динамики потока теплового излучения на валежных и валежно-стволовых пожарах показал, что его мощность зависит от вида пожара, высоты пламени и мощности излучения горящих углей.
Выявлена зависимость плотности теплового излучения от расстояния до кромки пожара и установлено, что тепловое излучение на валежных и валежно-стволовых пожарах близко по значению к излучению при верховых пожарах на расстоянии 10 м.
Установлено, что тепловое излучение может нагревать до летальной температуры почки в кроне хвойных деревьев и оставлять подсушины на стволах диаметром от 16см и более, а деревья меньших диаметров могут гибнуть при круговом ожоге камбия ствола.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Амосов, Г.А. Некоторые особенности горения при лесных пожарах / Г.А. Амосов. - Л.,: ЛенНИИЛХ. – 1958.- 29.
2. Валендик, Э.Н. Влияние пожаров на устойчивость хвойных пород / Э.Н. Валендик, А.И. Сухинин, И.В.Косов. - Красноярск , 2006. – 96 с.
3. Гришин, М.А. Теплофизика лесных пожаров / М.А. Гришин, А.Д. Грузин, В.Г. Зверев. - ИТФ СО АН СССР, Новосибирск, 1984. – С. 38-75.
4. Грузин, А.Д. Аэродинамика и сопряжённый тепломассоперенос в приземном слое атмосферы при распространении лесных пожаров / А.Д. Грузин: автореф. дисс…. канд. ф-м. наук, Томск, ТГУ, 1983, 23.
5. Зигель, Р. Теплообмен излучением / Р. Зигель, Д. Хауэлл - М.: «Мир»,  1975, 936.
6. Исаков, Р.В. Прогнозирование лесных пожаров / Р.В. Исаков. – Красноярск: ИЛиД СО АН СССР, 1977. - С. 100-107
7. Сухинин, А.И. Вопросы лесной пирологии /А.И. Сухинин, Э.В. Конев. – Красноярск, 1972. – С. 7-51.
8. Anderson, H.E. Tenth symposium (international) on combustion / H.E. Anderson, R.S. Rothermal // The Combustion Institute, Pittsburgh, 1965, 1009–1019
9. Braun, E. Measurement of the protective value of apparel fabrics in a fire environment / E. Braun, D. Cobb, V.B. Cobble, J.F. Krasny, R.D.Peacock // Journal of Consumer Product Flammability, 1980. - 7:15725.
10. Cohen, J.D. Canadian Journal of Forest Research, / J.D. Cohen 8, 34, 2004, 1616–1626.
11. Fang, J.B., Steward F.R., «Combustion and flame», / J.B. Fang, F.R. Steward. - 1969, 13. -№4. Р. 392-398.
12. Green, L.R., Schinike H.E., Guides for fuelbreaks in the Sierra Nevada mixed-conifer type, Berkeley, / L.R. Green , H.E. Schinike - CA: U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Pacific Southwest Forest and Range Experiment Station, 1971,14.
13. King, A.R. The efficiency of rural firefighters, Melbourne / A.R. King // Commonwealth Scientific And Industrial Research Organization, Chemical Research Laboratories, Technical Paper No.4, 1966, 12.
14. McCarter, R.J. «Pyrodynamics» / R.J. McCarter, A. Broido. – 1965. - v. №1. - Р. 65–85.
15. Stoll, A.M. Journal of Applied Physiology / A.M. Stoll, L.C. Greene. -1959 – 14. - Р. 373-382.
16. Tassios, S. National Center for Rural Fire Research, technical paper no. 1. / S. Tassios, D. Packham // Research Institute, Forestry and Timber Bureau: Canberra, ACT, Australia, 1964, 3.
17. Thomas, P.H. The contribution of flame radiation to fire spread in forest, Joint fire research org. / P.H. Thomas Fire research note, № 594, Fire res. Station, Boreham Wood, Great Britain, 1965.
18. Van Wagner, C.E., Calculation on forest fire spread by flame radiation, Forestry branch departmental publication / C.E. Van Wagner // Queen’s printer and controller of stationary, Ottawa, 1967. - № 1185. – 17 р.
19. Van Wagner C.E., Fire behaviour mechanisms in a Red Pine Plantation:field and laboratory evidence, Forestry branch departmental publication / C.E. Van Wagner // Queen’s printer and controller of stationary, 1968. - №1229.- 30 р