517.927.4:614.841.1 Математическое моделирование тушения лесного пожара путем доставки воды в его очаг с помощью капсул с термически активной оболочкой

Kataeva L. Y. (Nizhny Novgorod State Technical University/Samara State Transport University), Ilicheva M. N. (Nizhny Novgorod State Technical University), Loshchilov A. A. (Nizhny Novgorod State Technical University)

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУШЕНИЯ, ЛЕСНОЙ ПОЖАР, МЕХАНИКА РЕАГИРУЮЩИХ СРЕД, ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ТЕРМИЧЕСКИ АКТИВНАЯ ОБОЛОЧКА, КАПСУЛЫ С ВОДОЙ


doi: 10.18698/2309-3684-2020-2-5980


В работе проведен численный анализ процессов тушения крупных лесных пожаров с применением капсул воды в термически активной оболочке. Предложена интегральная характеристика для капсул, позволяющая учесть процесс разрушения оболочки при перемещении ее в горячей среде. Предложен простой алгоритм, позволяющий учесть последовательное движение капсул друг за другом с учетом процессов распыления жидкости и процессов тепло- и массообмена. Распыление жидкости происходит в виде высвобождения дисперсных частиц жидкости и подчинено нормальному закону. В работе исследуется динамика процессов тушения лесного пожара при разных сценариях сброса капсул и интегрального параметра термо- устойчивости оболочки. Показано, что полученные результаты хорошо согласуются по количеству тушащего состава, необходимого для тушения с результатами Гундар и Абдурагимова. Выполнен анализ таких ключевых параметров как термоустойчивость и количество последовательно сбрасываемых капсул. Анализ результатов численного моделирования показал, что значение интегрального параметра термоустойчивости является ключевым при тушении лесных пожаров, так как именно он определяет зону распыления дисперсных частиц тушащего состава. Если значение термоустойчивости слишком высокое, то капсулы пролетают зону уязвимости пожара и распыление тушащего состава происходит близко к поверхности земли. В случае слишком маленького значения параметра термо- устойчивости - капсулы начинают распылять воду, не достигая зоны уязвимости пожара, и уносятся конвективными потоками, сформированными пожаром. Сброс капсул последовательно - позволяет более равномерно распределить тушащий состав по вертикали, покрывая зону уязвимости пожара. На основе полученных результатов можно с уверенностью сказать, что более эффективное тушение лесных пожаров можно осуществлять, используя «умную» термически активную оболочку, позволяющую доставить тушащий состав в зону уязвимости пожара.


[1] Vile´n T., Fernandes P.M. Forest Fires in Mediterranean Countries: CO2 Emissions and Mitigation Possibilities Through Prescribed Burning. Environmental Management, 2011, vol. 48(3), pp. 558–567.
[2] Van Der Werf G. R., Randerson J. T., Giglio L., Van Leeuwen T.T., Chen Y., Rogers B.M., Mu M., Van Marle M.J.E., Morton D.C., Collatz G.J., Yokelson R.J., Kasibhatla P.S. Global fire emissions estimates during 1997–2016. Earth Sysem Scence Data, 2017, vol. 9(2), pp. 697–720.
[3] Ковалев А.Н., Журавлева Л.А. Перспективные направления тушения низовых лесных и степных пожаров. Научная жизнь, 2012, № 4, с. 153–157.
[4] Хасанов И.Р., Москвилин Е.А. Авиационные методы тушения крупных лесных пожаров. Материалы XV научо-практической конференции «Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков», 1999, ч. 1, с. 300–301.
[5] Абдурагимов И.М. Новая стратегия и тактика тушения лесных пожаров. Пожаровзрывобезопасность, 2011, т. 20, №11, с. 44–52.
[6] Абдурагимов И.М., Куприн Г.Н., Куприн Д.С. Быстротвердеющие пены - новая эра в борьбе с лесными пожарами. Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация, 2016, № 2, с. 7–13.
[7] Satoh K., Maeda I., Kuwahara K., Yang K. A Numerical Study Of Water Dump In Aerial Fire Fighting. Fire Safety Science, 2005, vol. 8, pp. 777–787.
[8] Алеханов Ю.В., Близнецов М.В., Власов Ю.А., Дудин В.И., Левушов А.Е., Ломте С.А., Мешков Е.Е. Взаимодействие диспергированной воды с пламенем. Письма в журнал технической физики, 2003, т. 29, вып. 6, с. 1–6.
[9] Мешков Е.Е., Орешков В.О., Янбаев Г.М. Образование облака капель при разрушении водяного ядра в процессе свободного падения. Письма в журнал технической физики, 2011, т. 37, вып. 15, с. 79–86.
[10] Система пожаротушения водяным туманом высокого давления [Электронный ресурс]. URL: https://semsafe.danfoss.com/technologies/watermist/ (дата обращения: 04.04.2020).
[11] Raoult F., Lacour S., Carissimo B. CFD Water Spray Model Development and Physical Parameter Study on the Evaporative Cooling. Applied Thermal Engineering, 2019, vol. 149, pp. 960–974.
[12] Śmigielski G., Lewandowski D., Dygdała R.S., Stefański K. Water capsule flight – a theoretical analysis and experimental verification. International Conference on Metrology of Environmental, Food and Nutritional Measurements, 2nd IMEKO TC19 Conference on Environment Measurement, Budapest, 2008, p. 10.
[13] Śmigielski G., Dygdała R., Kunz M., Lewandowski D., Stefański K. High precision delivery of a water capsule: theoretical model, numerical description, control system and results of field experiments. XIX IMEKO World Congress Fundamental and Applied Metrology, 2009, p. 2208–2213.
[14] Zheng L., Wang Q. Experimental Study of Explosive Water Mist Extinguishing Fire. Procedia Engineering, 2011, vol. 11, pp. 258–267.
[15] Dale E.K. Simulation and modelling of water spray in the 3D explosion simulation program FLACS [Электронный ресурс]. URL: http://bora.uib.no/bitstream/handle/1956/1326/Masteroppgave-dale.pdf?sequence=1&isAllowed=y (дата обращения: 04.04.2020).
[16] EmiControls [Электронный ресурс]. URL: https://www.emicontrols.com/en/fire-fighting/application-areas/forest-fires (дата обращения: 04.04.2020).
[17] Aydin Burchan, Selvi Emre, Tao Jian, Starek Michael Use of Fire-Extinguishing Balls for a Conceptual System of Drone-Assisted Wildfire Fighting. Drones, 2019, vol. 3(17), pp. 1–15.
[18] Накоряков В.Е., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. О предельных поперечных размерах капельного облака при разрушении водяного массива в процессе падения с большой высоты. Доклады академии наук, 2017, т. 475, № 2, с. 145–149.
[19] Жданова А.О., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А., Шлегель Н.Е. Влияние способа подачи тушащей жидкости на площадь и скорость распространения лесного пожара. Материалы седьмой Российской национальной конференции по теплообмену, 2018, с. 236–239.
[20] Жданова А.О., Кузнецов Г.В., Няшина Г.С., Войтков И.С. Взаимодействие жидкостного аэрозоля с фронтом горения лесного горючего материала в условиях встречного потока воздуха. Инженерно-физический журнал, 2019, т. 9, №3, с. 711–717.
[21] Nijdam J.J., Guo B., Fletcher D.F., Tim A.G. Langrish Lagrangian and Eulerian models for simulating turbulent dispersion and coalescence of droplets within a spray. Applied Mathematical Modelling, 2006, vol. 30, iss. 11, pp. 1196–1211.
[22] Beau P. A. Modelisation de l’atomisation d’un jet liquid. Application aux sprays diesel. Ph.D. Thesis, 2006.
[23] Babinsky E., Sojka P.E. Modeling drop size distributions. Progress in Energy and Combustion Science, 2002, vol. 28, № 4, pp. 303–329.
[24] Kataeva L.Y., Maslennikov D.A., Loshchilova N.A. On the laws of combustion wave suppression by free water in a homogeneous porous layer of organic combustible materials. Fluid Dynamics, 2016, vol. 51(3), pp. 389–399.
[25] Бабкин А.В., Колпаков В.И., Охитин В.Н, Селиванов В.В. Численные методы в задачах физики быстропротекающих процессов: учебник для втузов. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006, 520 с.
[26] Толстых О.Д., Гозбенко В.Е. Уравнения математической физики. Учебное пособие для студентов технических специальностей. Иркутск, ИрГУПС, 2008, 119 с.
[27] Абдурагимов И.М., Говоров В.Ю., Макаров В.Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. Москва, ВИПТШ МВД СССР, 1980, с. 195–198.
[28] Гундар С.В., Денисов А.Н. Риск потерь воды при тушении лесных пожаров. Материалы двадцатой научно-технической конференции «Системы безопасности – 2011», 2011, с. 166–169.
[29] Гундар С.В., Денисов А.Н., Трифонов Н.Я. Приемлемый пожарный риск. Пожаровзрывобезопасность, 2009, №3, с. 57–66.


Катаева Л.Ю., Ильичева М.Н., Лощилов А.А. Математическое моделирование тушения лесного пожара путем доставки воды в его очаг с помощью капсул с термически активной оболочкой. Математическое моделирование и численные методы. 2020. № 2. с. 59–80.



Download article

Количество скачиваний: 29