Expériences de soufflerie pour étudier des feux de cimes de Chaparral

Summary

Ce protocole décrit la soufflerie expériences visant à étudier la transition d’un incendie du sol à la canopée des arbustes de chaparral.

Abstract

Le présent protocole présente une technique de laboratoire destinée à étudier la propagation et l’allumage de feu Couronne chaparral. Des expériences ont été menées dans une soufflerie de feu faible vélocité où deux couches distinctes de carburant ont été construites pour représenter des carburants de surface et de la Couronne au chaparral. Chamise, un arbuste commun de chaparral, comprenant la couche de cime vivante. La couche superficielle de la mort de carburant a été construite avec l’excelsior (bois déchiqueté). Nous avons développé une méthodologie pour mesurer la perte de masse, température et la flamme de hauteur pour les deux couches de combustible. Thermocouples placés dans chaque couche estimée de la température. Une caméra vidéo a capturé la flamme visible. Post-traitement de l’imagerie numérique a donné flamme caractéristiques dont la hauteur et flamme tilt. Un instrument de la perte de masse de couronne personnalisé développé en interne mesuré l’évolution de la masse de la couche de la Couronne pendant la combustion. Les tendances massives de perte et de la température obtient à l’aide de la théorie de la technique mis en correspondance et d’autres études empiriques. Dans cette étude, nous présentons des procédures expérimentales détaillées et des informations sur l’appareillage utilisé. Les résultats représentatifs pour le taux de perte de masse carburant et température déposé dans le lit de carburant sont également inclus et discutés.

Introduction

En 2016, l’Etat de Californie a connu un total de 6 986 feux de forêt, consommant 564 835 acres¹, coûtant des millions de dollars de dégâts et risquer le bien-être de centaines de personnes. En raison du climat méditerranéen régional, source d’énergie importante pour ces incendies sont chaparral végétation communautés². Feu se propage dans le chaparral peut être considéré comme un feu de cime, puisque le principal combustible qui brûle est élevée³. Cohabiter avec la couche de couronne principalement direct, est la couche de combustible mortes, qui se compose de cast feuillage, branches et plantes herbacées qui poussent sous et entre les arbustes individuels. Feu se lancera plus facilement dans la couche de combustible mortes. Une fois le feu de surface s’enflamme, le feu peut transition à la couche de Couronne où l’énergie dégagée par le feu augmente de façon spectaculaire. Alors que les incendies de chaparral ont généralement été modélisés comme feu propage en combustibles profonds surface⁴, il y a eu une étude limitée des incendies chaparral comme feux de cimes.

Caractéristiques de la Couronne au chaparral, y compris la forme des particules feuillage, diffèrent de forêt boréale coniférienne, où la plupart des recherches s’est produite. De nombreuses études de balance de laboratoire et de terrain ont étudié divers aspects d’une traînée de poudre dynamique^{6,5,7,3,8,9,10 ,11,12}. Dans le domaine des expériences en laboratoire, plusieurs études ont examiné l’influence des paramètres comme le vent et comportement des feux caractéristiques du combustible sur couronne de chaparral. Lozano⁷ examiné les caractéristiques de la Couronne de feu initiation en présence de deux lits de carburant Couronne discrète. En Tachajapong et al. ³, surface discrète et couches de la Couronne ont été brûlées à l’intérieur d’un tunnel de vent et le feu de surface a été caractérisé. Initiation de feu seule Couronne a été décrit en détail laissant une analyse complète de la propagation pour les travaux futurs. Li et al. ¹¹ a rendu compte de la propagation d’une flamme si arbustes chaparral unique. Dans un travail connexe, Cruz et al. ^{10 , 9} a développé un modèle qui prédit l’allumage des conifère feuillage au-dessus d’un feu de surface étalé. Caractéristiques de la combustion des carburants de chaparral ont été explorées dans des études expérimentales de carburants en vrac et individu laisse^13,14,15,16. Dupuy et al. ¹³ a étudié les caractéristiques de combustion des aiguilles du Pinus pinaster et excelsior en brûlant les combustibles dans des paniers cylindriques. Ils ont observé que, dans ces combustibles, hauteur de la flamme a été liée à taux de rejet de chaleur via une loi de puissance des deux cinquièmes a été signalé précédemment dans la littérature^17,18. Sun et al. ¹⁴ brûlé combustibles chaparral dans des paniers cylindriques semblables à analyser les caractéristiques de combustion de trois carburants chaparral : chamise (Adenostoma fasciculatum), ceanothus (Ceanothus crassifolius) et manzanita ( Arctostaphylos glandulosa).

Motivés par les résultats des études de laboratoire susmentionné, notre but ici est de présenter une méthodologie pour caractériser la propagation dans les couches de couronne de surface et d’arbustes. En outre, nous visons à clarifier certaines des caractéristiques clés qui déterminent le degré d’interaction de la couche de surface de la Couronne. À cette fin, nous avons développé une méthodologie expérimentale en laboratoire pour étudier la transition verticale d’un feu de bois dans un combustible surface forestier à un feu de propagation dans un carburant arbuste élevé. Dans ces types de feux, traduction du feu à la Couronne de l’arbuste, connu comme couronnement, peut être suivie d’une expansion soutenue dans de bonnes conditions. En général, comportement du feu chaparral est dicté par la topographie, la météo et carburant¹⁹. Il a été démontré que vent influe sur la vitesse de libération d’énergie dans les carburants^5,3,8,20.

Feu se propage dans les carburants poreux peut être considérée comme une série de transitions ou de seuils qui doivent être franchies pour être réussi²¹. D’un point de vue énergétique, une particule de carburant s’allume si la quantité de chaleur qu’il reçoit se traduit par un mélange de gaz qui réagissent avec succès avec l’oxygène. La flamme qui en résulte se propage si la chaleur produite par la particule de feu enflamme une particule de carburant adjacents. Le feu se propage dans le sol s’il est capable de traverser les lacunes entre les éléments combustibles inflammables. Si la flamme d’un feu de surface est capable de se propager verticalement dans la Couronne des arbres et des arbustes, un changement significatif dans le comportement du feu, y compris les taux de rejet de chaleur accrue, est souvent observé en raison d’une plus grande disponibilité du carburant. Dynamique de l’énergie thermique dans les feux de forêt englobe plusieurs échelles, allant de la très grande échelle, dans les méga-feux qui nécessitent souvent de modélisation climatologique, pour la petite échelle nécessitant une modélisation cinétique chimique. Ici, nous traitons avec un comportement de barème de soufflerie laboratoire de modélisation ; pour les études chimiques échelle cellulose combustion, on se reportera aux œuvres tels que Sullivan et al. ²²

Depuis 2001, nous avons effectué une variété d’expériences examinant certains des laboratoire échelle énergétique seuils^{23,8,24,25,26, 27}, mettant l’accent sur les vivants combustibles associés chaparral. Alors qu’à l’extérieur, mesures d’incendie peuvent fournir des résultats plus réalistes, l’environnement contrôlé de la soufflerie permettent la délimitation de l’impact de différents paramètres. Contrôler le vent, par exemple, est particulièrement important pour feux de cimes chaparral survenant dans des régions comme le sud de la Californie où les vents de type foehn, appelés vents de Santa Ana, sont pilotes typiques des incendies. Parce qu’une source de motivation importante pour la méthode décrite ici est d’étudier l’effet du vent et autres paramètres contrôlés sur chaparral propagation de feu, cette étude a été réalisée dans une soufflerie échelle de laboratoire. Le lecteur est dirigé vers le travail par Silvani et al. ²⁸ pour le mesurage de la température dans le chaparral incendies similaires à ceux présentés ici. Pour les mesures sur le terrain sur l’effet du vent sur la propagation de l’incendie, s’il vous plaît voir Morandi et al. ²⁹

Plusieurs paramètres influençant la propagation dans les carburants chaparral ont été analysées expérimentalement en quantifiant la probabilitédu feu propager succès en carburant élevée lits⁸. La présente étude expérimentale implique une méthodologie développée pour étudier des feux de cime de chaparral répartis par la modélisation de surfaces combustibles et carburants de couronne à l’intérieur de la section de l’essai d’une soufflerie basse vitesse. La surface combustible est modélisé avec excelsior (bois déchiqueté séché). Le lit de la surface combustible est placé au rez-de-chaussée de la soufflerie sur une échelle standard (voir Figure 1). Représentant du lit de combustible de Couronne, un lit de carburant avec chamise a été placé au-dessus du lit de combustible surface en suspendant le carburant à partir d’une plate-forme montée sur le châssis de la soufflerie (voir Figure 1). Les deux lits de carburant sont instrumentés pour mesures de température et la perte de masse ; géométrie de la flamme est obtenue à partir des enregistrements vidéo d’expériences. Paramètres mesurés comprennent la perte de masse, de teneur en carburant et de l’humidité relative de l’air. Paramètres contrôlés étaient présence de vent, la distance entre la surface combustible lit et lit de couronne de carburant et la présence de combustibles de surface. Le taux de perte de masse mesurée peut servir à calculer le taux de libération de chaleur, qui est défini comme :

où h est la chaleur de la combustion de combustibles, m est la masse de carburant, et t est le temps.

Figure 1 : montage expérimental soufflerie. Emplacements de couronne carburant lit, le lit de la surface combustible et le ventilateur de tunnel ont été étiquetés pour plus de commodité. Le lit de la surface combustible est placé au rez-de-chaussée de la soufflerie sur une échelle standard. Représentant du lit de combustible de Couronne, un lit de carburant avec chamise a été placé au-dessus du lit de combustible surface en suspendant le carburant à partir d’une plate-forme montée sur le châssis de la soufflerie. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Des expériences ont porté sur la compréhension du comportement des feux de cimes de chaparral, particulièrement d’allumage, mécanismes de propagation de la flamme et propagation, vitesses de front de flamme et taux de consommation de carburant. Afin d’étudier l’interaction entre une surface et une couronne de feu, six configurations de surface et Couronne lits de carburant avec ou sans écoulement du vent appliquées, ont été brûlés dans la soufflerie : Couronne de carburant qu’avec et sans vent (2), la Couronne et séparés par des lits de carburant de surface deux distances avec et sans vent (4). Le tableau 1 résume les configurations expérimentales avec les 6 classes expérimentales. Dans le tableau, le paramètre de lit surface combustible indique si surface combustible était présent pendant l’expérience, le paramètre de vent fait référence à la présence de vent et hauteur de la Couronne se réfère à la distance entre le fond du lit Couronne carburant et le dessous de la surface lit de carburant. Humidité de carburant a été mesurée pour chaque expérience mais non contrôlée, teneur en eau moyenne de carburant était de 48 %, alors que les valeurs minimales et maximales étaient de 18 % à 68 %, respectivement.

Classe	Surface combustible lit	Vent	Hauteur de la Couronne
A	Absent	Pas de vent	60 à 70 cm
B	Absent	1 ms-1	60 à 70 cm
C	Heure actuelle	Pas de vent	60 cm
D	Heure actuelle	Pas de vent	70 cm
E	Heure actuelle	1 ms-1	60 cm
F	Heure actuelle	1 ms-1	70 cm

Tableau 1 : expérimenter des configurations de. Ici le paramètre lit de combustibles de surface indique si surface combustible était présent pendant l’expérience, le paramètre de vent fait référence à la présence de vent et hauteur de la Couronne se réfère à la distance entre le fond du lit de combustible de Couronne et le fond du lit surface combustible.

Une balance électronique mesurée surface carburant masse et nous avons développé un système de perte de masse personnalisés pour la couche de la Couronne. Le système se composait de pesons individuels connectés à chaque coin du lit suspendu de carburant. Consommation de qualité vidéo caméras enregistrées les flammes visuelles ; traitement de l’image des données visuelles à l’aide d’un script personnalisé généré flamme caractéristiques dont la hauteur et l’angle. Un programme a été développé pour convertir des images vidéo du RVB (rouge/vert/bleu) codage en noir et blanc grâce à un processus de seuillage d’intensité lumineuse. Le bord de la flamme a été obtenu aux images noir et blancs. Hauteur maximale a été définie comme le point culminant de l’arête de la flamme, ont également obtenus des hauteurs de flamme instantanée. Dans une image, hauteur de la flamme a été mesurée de la base du lit de combustible au point vertical maximal de la flamme. Tous les codes de traitement ainsi que l’interface de contrôle instrument conçu pour ce protocole ont été mis à la disposition par les auteurs ici par le biais de leur site d’accès logiciel. Récolte le carburant direct localement et mener les brûlures expérimentales dans les 24 h réduit au minimum la perte d’humidité. Une thermocouple tableau enregistré lit température du carburant dans la direction du vent sections permettant le calcul du taux de propagation. La figure 1 montre un schéma de l’installation de lit de carburant ainsi que l’arrangement de thermocouple. Suivent les détails du protocole expérimental.

Protocol

mise en garde : comme plusieurs étapes dans le protocole suivant comportent des activités qui ont le potentiel de causer un dommage, veiller à ce que le bon équipement de protection individuelle (EPI) est utilisé à la suite de protocoles de sécurité dont le feu vêtements résistants et des lunettes de protection. 1. Couronne carburant Bed Load Cell Instrumentation Setup serre-joints en C-4 modifier par double ressort porte mousquetons (voir Table des matières</st…

Representative Results

Couronne et flamme surface hauteur données ont été extraites les données vidéo. Tendances de hauteur de flamme typique pour des expériences est présenté à la Figure 6. Comportement de hauteur de flamme suivi celle de Sun et al. 14 Figure 6 : estimé à hauteur de la…

Discussion

La capacité de mesurer la masse de carburant élevée tout au long de l’expérience a été l’un des principaux avantages de la technique présentée ici. Des études antérieures traitant feu chaparral ont mis l’accent sur chaque initiation de feu Couronne seule ou seulement sur la surface de se propager, mais pas les deux. Ces études ont quantifié la possibilité d’inflammation dans la couche de Couronne et ont quitté l’étude de la propagation pour les travaux futurs²³. Notre mét…

Materials

Wind Tunnel Instrumentation
cDAQ-9178 CompactDAQ Chassis	National Instruments	781156-01
NI-9213 C Series Temperature Input Module	National Instruments	785185-01
NI SignalExpress for Windows	National Instruments	779037-35	Newest version, older version used for experiment
High Temperature Nextel Insulated Thermocouple Elements	Omega	XC-24-K-18
Thermocouple Extension Wire with Polyvinyl Coated Wire and Tinned Copper Overbraid	Omega	EXPP-K-24S-TCB-P
Ultra High Temperature Miniature Connectors	Omega	SHX-K-M
CompuTrac MAX 2000XL	Arizona Instruments	MAX-2000XL	Discontinued, Newer Model Out
Kestrel 3000 Pocket Weather Meter	Nielsen-Kellerman	0830
Satorius CPA 34001S	Sartorius	25850314	Discontinued Model
5 Kg Micro Load Cell (X4)	Robotshop.com	RB-Phi-118	Strain Gauge Load Cell
Phidget PhidgetBridge Wheatstone Bridge Sensor Interface	Robotshop.com	RB-Phi-107	Interfaces with 4 load cells, performs signal amplification
#2 Stainless S-Biner (X4)	Home Depot	SB2-03-11	Dual spring gate carabiners used to mount load cells
2 in. Malleable Iron C-Clamp	Home Depot	# 4011	Used to mount load cells
Name	Company	Catalog Number	Comments
Personal Protective Equipment
Wildland Firefighter Nomex Shirt	GSA Advantage	SH35-5648
Fireline 6 oz Wildland Fire Pants	GSA Advantage	139702MR SEV16
Name	Company	Catalog Number	Comments
Fuels
Chamise	Collected in situ	N/A
Natural Shredded Wood Excelsior – Natural Coarse 50 lbs bail	Paper Mart	21-711-88
Bernzomatic UL100 Basic Propane Torch Kit	Home Depot	UL100KC
Isopropyl alcohol	Convenience store	N/A
Name	Company	Catalog Number	Comments
Video and Photography
Nikon D3000 10.2-MP DSLR camera with DX-format sensor and 3x 18x55mm Zoon-NIKKOR VR Image Stabilization Lens
Sony Handycam Camcorder DCR-SX85	Amazon.com	DCR-SX85
Name	Company	Catalog Number	Comments
Software
NI LabView	National Instruments	Student Version	Used for instrument control and interfacing
MATLAB Student Version (MATLAB_R2014a)	Mathworks	Student Version	Used for data post-processing including image processing