研究和评论:生态学和环雷竞技苹果下载境科学》杂志上gydF4y2Ba
菜单gydF4y2BaISSN: 2347 - 7830gydF4y2Ba
ISSN: 2347 - 7830gydF4y2Ba
+ 44-7723-59-8358gydF4y2Ba托木斯克理工大学,列宁大道,30岁,俄罗斯托木斯克,634050gydF4y2Ba
收到日期:gydF4y2Ba08/11 / 2015;gydF4y2Ba接受日期:gydF4y2Ba05/02 / 2016;gydF4y2Ba发表日期:gydF4y2Ba10/02/2016gydF4y2Ba
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森林火灾的数学模型是基于一个已知的实验数据的分析和使用的概念和方法从反应介质力学。摘要任务和理论调查皇冠森林大火引发的问题在多风的条件。调查需要在账户的相互交互的森林火灾和三维大气流动。这项研究是通过物理过程的数学建模的方法。它是基于雷诺方程的数值解化学成分和能量守恒方程的气体和浓缩阶段。假设森林在森林大火可以建模为两个温度多相non-deformable多孔活性介质。方程组的离散模拟得到的控制体积法。森林大火引发的开发模型和传播才有可能获得详细图片的变化速度,温度和化学物种浓度随着时间的字段。数学模型和计算的结果给出一个机会评估森林大火引发和传播的关键条件,允许给定的模型意味着申请预防火灾。gydF4y2Ba
数学模型、森林大火燃烧。gydF4y2Ba
森林火灾的特点的分析,将揭示他们的依赖特定的实验条件,及其精度不足,事实的结果在实际条件下是不可能控制气象情况和森林燃料层的均匀性。因为这个原因森林火灾的物理建模必须使用数值方法结合数学实验和电脑。在这种情况下,研究对象不自然,但森林大火的数学模型,通常由一组偏微分方程与适当的初始和边界条件。可以使用积分或功能方程代替微分。一个方程组的推导,边界和初始条件,相应的后续解决方案gydF4y2Ba数学gydF4y2Ba问题是通常被称为数学建模的森林火灾。数学建模具有许多优势在物理实验,例如,生态安全性和更大的经济效益。这些研究的目标之一是提高知识的基本物理机制,控制森林大火引发和传播。考虑到,自然调查这些问题仅仅是不可能的,数学建模的方法迫在眉睫。森林火灾的数学模型是基于一个已知的实验数据的分析和使用的概念和方法从反应介质力学。皇冠火灾是由对流和辐射传热表面火灾。第一个解释这一过程是由范·瓦格纳(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。理论提出取决于三个简单的皇冠属性:皇冠基础高度,容重和含水量gydF4y2Ba森林gydF4y2Ba燃料。还皇冠火起始和风险已经详细研究和建模gydF4y2Ba2gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。更完整的数学模型的森林火灾是由Grishin et al。gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]。托木斯克大学(gydF4y2Ba11gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。特别是,该模型由Grishin[获得gydF4y2Ba11gydF4y2Ba基于一个已知的和原始实验数据的分析(gydF4y2Ba11gydF4y2Ba,gydF4y2Ba14gydF4y2Ba),并使用从反应介质力学概念和方法。(使用的物理两阶段模型gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba16gydF4y2Ba)可能被认为是一个延续和扩展Grishin提出的制定(gydF4y2Ba11gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。然而,皇冠火灾的调查主要是有限的情况下,研究了森林火灾开始没有考虑相互交互的森林火灾和三维大气流动。这个限制被移除在当前设置的问题。边界层的gydF4y2Ba大气gydF4y2Ba森林,森林的树冠和较低的层被认为是一个地区。gydF4y2Ba
方程的推导,期间实行的基本假设和边界和初始条件:1)森林是一个多阶段的,多层,空间非均匀介质;2)在森林防火区porous-dispersed,两个温度,单速、反应介质;3)森林树冠层应该是无变形介质(树干,大树枝,小树枝和针),只影响阻力的力的大小的方程gydF4y2Ba保护gydF4y2Ba气相的动量,即。,the medium is assumed to be quasi-solid (almost non-deformable during wind gusts); 4) let there be a so-called “ventilated” forest massif, in which the volume of fractions of condensed forest fuel phases, consisting of dry organic matter, water in liquid state, solid pyrolysis products, and ash, can be neglected compared to the volume fraction of gas phase (components of air and gaseous pyrolysis products); 5) the flow has a developed turbulent nature and molecular transfer is neglected; 6) gaseous phase density doesn’t depend on the pressure because of the low velocities of the flow in comparison with the velocity of the sound. Let the coordinate reference point x1gydF4y2Ba,xgydF4y2Ba2gydF4y2Ba,xgydF4y2Ba3gydF4y2Ba= 0的中心位于森林火灾源表面粗糙度的高度水平,轴0 xgydF4y2Ba1gydF4y2Ba直接向右平行于地球表面的方向镇定的风速、轴0 xgydF4y2Ba2gydF4y2Ba直接垂直于0 xgydF4y2Ba1gydF4y2Ba和0 x轴gydF4y2Ba3gydF4y2Ba直接向上(gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba
图1:gydF4y2Ba森林防火区。gydF4y2Ba
使用的结果gydF4y2Ba11gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba14gydF4y2Ba和已知的实验数据gydF4y2Ba15gydF4y2Ba我们有以下足够通用方程,定义的状态中森林防火区,用张量符号:gydF4y2Ba
(1)gydF4y2Ba
(2)gydF4y2Ba
(3)gydF4y2Ba
(4)gydF4y2Ba
(5)gydF4y2Ba
(6)gydF4y2Ba
(7)gydF4y2Ba
这些不同的反应速率的贡献(可口可乐的热解、蒸发、燃烧和热解挥发性可燃产品)是由阿伦尼乌斯法近似的参数(pre-exponential常数kgydF4y2Ba我gydF4y2Ba和活化能EgydF4y2Ba我gydF4y2Ba)使用数据评估数学模型gydF4y2Ba11gydF4y2Ba,gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。方程组(1)-(7)必须解决考虑初始和边界条件gydF4y2Ba11gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba
(8)gydF4y2Ba
(9)gydF4y2Ba
(10)gydF4y2Ba
(11)gydF4y2Ba
(12)gydF4y2Ba
(13)gydF4y2Ba
(14)gydF4y2Ba
这里和上面gydF4y2Ba
是总(实质性)导数的象征;αv系数相交换;ρ-气体密度-分散相,t是时间;vgydF4y2Ba我gydF4y2Ba——速度分量;T, TgydF4y2Ba年代gydF4y2Ba,温度的气体和固体阶段,你的辐射能量密度,k -辐射衰减系数P -压力;cgydF4y2BapgydF4y2Ba-恒压比热的气相,cgydF4y2BaπgydF4y2Ba,ρgydF4y2Ba我gydF4y2Ba、φi -比热、密度和体积分数的浓缩阶段(1 -干燥有机物质,2 -水分,3 -浓缩热解产品,4 -矿产森林的一部分燃料),RgydF4y2Ba我gydF4y2Ba——质量的化学反应,qgydF4y2Ba我gydF4y2Ba——热化学反应的影响;kgydF4y2BaggydF4y2BakgydF4y2Ba年代gydF4y2Ba——辐射吸收系数对气体和压缩阶段;TgydF4y2BaegydF4y2Ba——环境温度;cgydF4y2BaαgydF4y2Ba-α-组件的质量浓度的气体分散介质,指数α= 1,2,…,5,where 1 corresponds to the density of oxygen, 2 - to carbon monoxide CO, 3 - to carbon dioxide and inert components of air, 4 - to particles of black, 5 - to particles of smoke; R – universal gas constant; MαgydF4y2Ba,米gydF4y2BaCgydF4y2Ba,和M分子质量的α制造气相的碳和空气混合物;g是重力加速度;VgydF4y2BaegydF4y2Ba= VgydF4y2BaegydF4y2Ba(xgydF4y2Ba3gydF4y2Ba)——对数的速度进口边界条件;cgydF4y2BadgydF4y2Ba是一个经验的电阻系数植被,s是森林的比表面燃料在给定的森林层,g -气体可燃热解的产物的质量分数,αgydF4y2Ba4gydF4y2Ba和αgydF4y2Ba5gydF4y2Ba——经验常数。定义源术语描述流入(流出的质量)的体积单位gas-dispersed阶段使用以下公式的制定gas-dispersed mixturemgydF4y2Ba
,流出的氧RgydF4y2Ba51gydF4y2Ba,改变一氧化碳RgydF4y2Ba52gydF4y2Ba代的黑色RgydF4y2Ba54gydF4y2Ba和烟雾粒子RgydF4y2Ba5 sgydF4y2Ba。gydF4y2Ba
系数的多相(气体和固体阶段)热量和质量交换定义gydF4y2Ba
在α= Nuλ/ dgydF4y2Ba年代gydF4y2Ba——换热系数样本的森林可燃物(例如针)、ν-努塞尔特数缸,λ-对松针的导热系数;γ-参数,描述环境和流入气体的分子质量之间的关系gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]。据推测介质的光学性质是独立的辐射波长(假设中是“灰色”),和所谓的扩散近似辐射通量密度被用于森林火灾期间辐射传输的数学描述。湍流应力张量的分量,以及湍流热通量和质量都写在条款梯度平均流的属性(gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]。应该注意的是,这个方程组描述的过程在整个地区的森林地块转让,包括底层表面之间的空间和森林的树冠的基础,森林的树冠和空间上面,而适当的组件的数据库是用来计算特定属性的各种森林地层和nearground层的大气。热力学、热物理的和结构特征对应于森林燃料的gydF4y2Ba树冠gydF4y2Ba不同的(例如松林(gydF4y2Ba11gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba14gydF4y2Ba])类型的森林。gydF4y2Ba
边值问题(1)-(7)是数值求解使用控制体积法和简单的算法(gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。点火来源在计算机程序时自动关闭火开始传播。温度、速度、组件质量分数和体积分数均获得阶段不同瞬间的时间。gydF4y2Ba图2 ggydF4y2Ba目前气相温度和速度的分布。gydF4y2Ba
图2:gydF4y2Ba分布的温度和速度。gydF4y2Ba
图2 ggydF4y2Ba分布的温度(t = 7, ibt = 9, c - t = 14年代,d - 16 s、e - t = 17年代,f - t = 21岁,g - t = 27 s。)和速度。等温线是搬到森林的树冠和畸形的风的作用。计算的结果给出一个机会评估森林火灾蔓延的关键条件,它允许给定的模型申请预防火灾。它高估了森林火灾蔓延这取决于冠属性:容重、含水率的森林燃料等,提出的模型给出了一个详细的图片的变化速度,gydF4y2Ba温度gydF4y2Ba和组件的浓度随着时间的推移,以及确定不同条件对国王的影响森林火灾蔓延。gydF4y2Ba
森林大火引发的开发模型和传播才有可能获得详细图片的变化速度,温度和化学物种浓度随着时间的字段。数学模型和计算的结果给出一个机会评估森林大火引发和传播的关键条件,允许给定的模型意味着申请预防火灾。gydF4y2Ba