風洞実験によるシャパラル クラウン火災を検討
Summary
このプロトコルでは、チャパラル低木の天蓋を地面から火の遷移を学習する風洞実験について説明します。
Abstract
この議定書は、シャパラル クラウン発火と広がりを研究するように設計研究室手法を提案します。燃料の 2 つの異なる層が茂みに表面とクラウンの燃料を表すため建設された低速度火災風洞実験を行った。Chamise、一般的な茂みの低木は、ライブの樹冠層で構成されています。死んだ燃料表面層は、エクセルシ オール (千切り木) で構成しました。質量損失、温度を測定し、両方の燃料層高さを炎に方法論を開発しました。熱電対は、各レイヤーの推定温度に配置されます。ビデオカメラは、目に見える炎を捕獲しました。デジタル画像の後処理には、高さと炎の傾きを含む燃焼特性が得られました。自社開発したカスタム クラウン質量損失計測器は、焼跡の間に樹冠層の質量の進化を測定しました。質量の損失と温度トレンド マッチ技術理論と他の経験的な研究を用いて本研究では詳細な実験手順と装置に関する情報を提案します。燃料質量損失率と燃料のベッドの下に温度の代表的な結果も含まれ、説明。
Introduction
カリフォルニア州は、2016 年に 6,986 原野火災、564,835 エーカー1、原価計算数百万の損傷のドルを消費し、何百もの人々 の健康を危険にさらすことの合計を経験しました。地方の地中海性気候のためこれらの火災の主要な燃料の源はシャパラル植生地域2です。茂みに延焼は、燃える主燃料は高架3クラウン火と見なすことができます。主にライブの樹冠層との共生、キャストの葉、枝、そしての下で、個々 の低木の間成長する草本植物から成っている死んでいる表面の燃料層です。火はより簡単に死んでいる表面の燃料層で開始されます。地表の火が点火すると、いったん火が火によって放出されるエネルギーが劇的に増加する樹冠層に移行します。シャパラル火災通常深い表面燃料4延焼としてモデル化が、一方、クラウンの火災でシャパラル火災の限られた研究を使用されています。
冠葉粒子形状を含む茂みに特性研究のほとんどが発生した亜寒帯の針葉樹林とは異なります。多数の実験室と野外スケール研究は野火ダイナミクス6,5,7,3,8,9,10 のさまざまな側面を検討しました。 ,11,12。実験のレルム内でいくつかの研究は、風などのパラメーターの影響を検討しているし、チャパラル クラウンの燃料性状火災性状。ロサノ7 , 王冠の特性は火 2 離散クラウン燃料ベッドの存在下で開始。Tachajapongらで3、分離面とクラウン層風洞内焼かれ、地表火が特徴づけられました。唯一クラウン火開始は完全に将来の仕事のための広がりの完全な分析を残して記述されていた。Li et al.11は、単一シャパラル低木火炎の伝播の報告。関連する仕事、クルスらに10,9は、針葉樹の葉表面延焼上の点火を予測するモデルを開発しました。シャパラル燃料の燃焼特性はバルク燃料の実験的研究で検討されている、個々 の葉13,14,,1516。デュピュイら13は、円筒バスケットで燃料の燃焼によってアカマツのカイガンシヨウの針とエクセルシ オールの燃焼特性を検討しました。彼らはこれらの燃料のことを観察、文学17,18以前報告されているように火炎高さが 5 分の 2 のべき乗を介して熱解放率に関連されました。らを太陽します。14カロリー 3 シャパラル燃料の燃焼特性を分析すると同様の円筒バスケットでシャパラル燃料: chamise (Adenostoma fasciculatum)、ソリチャ (ソリチャ crassifolius)、マンザニータ (ウワウルシ glandulosa)。
前述の研究からの結果によって動機付けられて、ここで我々 の目的は表面および低木の王冠の層に広がりを特徴付けるための方法論を提示します。さらに、表面樹冠層の相互作用の程度を決定する重要な特性のいくつかを明らかにしていきます。この目的に高低木燃料の延焼に原野表面燃料燃焼火災の垂直移行を研究する実験手法を開発しました。火災のこれらのタイプは、クラウニング、として知られている低木の王冠に火の翻訳は可能性があります適切な条件の下での持続的な拡散が続きます。一般的には、地形・気象・燃料19によってシャパラル火動作が決まります。風燃料5,3,8,20エネルギー解放率に影響を与えることが示されています。
多孔質燃料における火災延焼は、一連の遷移または成功21を越える必要がありますしきい値として見なすことができます。精力的に、燃料粒子点火する場合正常に酸素と反応するガスの混合物の結果を受信する熱の量。隣接する燃料粒子に点火燃焼粒子から熱場合結果炎が広がります。それは可燃性の燃料要素間のギャップを通過することができる場合、火が地面に します。地表の火の炎が低木および木の王冠に垂直方向に伝搬することができる場合、増加熱解放率を含む火災性状に大きな変化は燃料の可用性の向上による見受けられます。原野火災における熱エネルギー力学非常に大規模なからいくつかのスケールを網羅、必要とする化学スケール速度論的モデルをスケール メガ火災しばしば小さなの気候モデリングを必要とするような。ここでは、研究所風洞スケールの動作モデルを扱うサリバンらなど化学セルロースの燃焼研究、リーダーは呼ばれます22
2001 年以来、様々 な実験、研究室規模エネルギーしきい値23,8,24,25,26,のいくつかを行った27、茂みに関連付けられたライブの燃料に重点を置いています。屋外火災の測定よりリアルな結果が得られます、風洞の制御された環境できます各種のパラメーターの影響を描写。風を制御するたとえば、チャパラル クラウン火災火災イベントの典型的なドライバーのフェーン型風、サンタ ・ アナの風として知られているが南カリフォルニアなどの地域で発生するために特に重要です。ここで説明した方法論のための主要な動機は風の影響を研究するため、シャパラルの他の制御パラメーター延焼この試験、実験室スケールの風洞実験が行われました。リーダーはシルバーニら監督作品にここで示したものと同様28茂みに温度の測定を発生させます。延焼における風の効果をフィールド測定、モランディらをご覧下さい。29
シャパラル燃料の普及に影響を与えるいくつかのパラメーターを実験確率を定量化することで分析されています。火災の高い燃料ベッド8で成功に広がった。現在の実験的研究方法論を含みシャパラル クラウン火を勉強する開発モデル表面の燃料と低速風洞のテスト セクション内のクラウンの燃料によって 。表面の燃料は、エクセルシ オール (乾燥細切り木) でモデル化されます。表面燃料ベッドが標準スケール風洞の地上に置かれて (図 1参照)。クラウンの燃料ベッドを表す、chamise 燃料ベッド上に置かれた表面燃料ベッド風洞フレームにマウントされているプラットフォームから燃料を停止することによって (図 1参照)。温度と質量損失の測定の両方の燃料のベッドがインストルメント化します。炎の幾何学は、実験のビデオ録画から取得されます。測定パラメーターには、質量損失率、含水燃料および空気の相対湿度が含まれます。パラメーター制御された風の存在、表面の燃料とクラウン燃料ベッド間の距離と燃料の表面の存在。測定質量損失率として定義されている熱解放率の計算に使用できます。
どこh 、 m 、燃料燃焼の熱は、燃料の質量とtは時間。
図 1: 風洞実験のセットアップ。クラウンの燃料ベッド、表面燃料ベッドおよびトンネルのファンの場所は、便宜上ラベル付けされています。表面燃料ベッドは、標準的なスケール風洞のグランド レベルに配置されます。クラウンの燃料ベッドを表す、chamise 燃料ベッドは、風洞のフレームにマウントされているプラットフォームから燃料を中断することにより表面の燃料のベッドの上に置かれました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
実験は、チャパラル クラウン火災、特に点火、燃料消費率火炎フロント速度と拡散火炎伝播のメカニズムの動作を理解することに焦点を当てています。地表火とクラウン火の相互作用を研究して適用される風の流れのない表面とクラウンの燃料ベッドの 6 つの構成は、風洞で焼かれている: 王冠燃料だけと風 (2) なしと王冠を区切って燃料ベッドの表面風 (4) と 2 つの距離。6 実験授業と実験構成を表 1にまとめます。テーブル表面燃料ベッド パラメーターを表すかどうか表面燃料実験中に存在していた、風のパラメーターは、風の存在、クラウンの高さとクラウンの燃料ベッドの下と画面の下部との間の距離は、燃料のベッド。含水比は各実験のための測定が管理できません、最小値と最大値 18% から 68% であったに対し、平均燃費含水率は 48%。
| クラス | 表面燃料ベッド | 風 | クラウンの高さ |
| A | 欠席 | 無風 | 60、70 cm |
| B | 欠席 | 1 ms-1 | 60、70 cm |
| C | 現在 | 無風 | 60 cm |
| D | 現在 | 無風 | 70 cm |
| E | 現在 | 1 ms-1 | 60 cm |
| F | 現在 | 1 ms-1 | 70 cm |
表 1: 実験構成します。ここで表面燃料ベッド パラメーターは、かどうか表面燃料実験中に存在していた、風パラメーターは、風の存在、クラウンの高さは、クラウンの燃料ベッドの下と表面燃料ベッドの下間の距離を示します。
電子スケール測定表面燃料質量と我々 は、樹冠層のカスタムの質量損失システムを開発しました。システムは、中断された燃料ベッドの各コーナーに接続されている各ロードセルの成っていた。消費者向けビデオカメラ記録ビジュアル炎;カスタム スクリプトを使用して、視覚的なデータの画像処理には、高さと角度などを含む燃焼特性が生成されます。RGB (赤/緑/青) は照度しきい値のプロセスを通して白黒にコーディングからビデオ フレームを変換するプログラムを開発しました。炎のエッジは、黒と白のビデオ フレームから得られました。最大火炎高さが火炎端の最高点として定義された、瞬時の炎の高さも得られました。イメージ、炎の高さは炎の最大垂直まで燃料ベッドのベースから測定しました。このプロトコル用に設計された計測器制御インタ フェースと同様に、すべての処理コードなされたここで著者によって利用できる、ソフトウェア アクセス サイトを通じて。24 h 内で実験的火傷を行いローカル ライブの燃料を収穫、水分の損失を最小化。熱電対アレイは、普及率の計算を有効にする風向角柱まわりの燃料ベッドの温度を記録します。図 1は、熱電対配置と一緒に燃料ベッド セットアップの図を示します。実験的プロトコルの詳細に従ってください。
Protocol
Representative Results
Discussion
実験を通して高い燃料の質量を測定する能力は、ここで示した手法の主な利点の 1 つでした。シャパラル火災に対処前の研究は、いずれかのみの王冠火開始か広がり、表面が、両方ではなくにのみに焦点を当てています。このような研究は樹冠層の点火の可能性を定量化しているし、今後の作業23のための広がりの研究を残しています。私たちの方法論の質量損失の測定温?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は、ベンジャミン ・ Sommerkorn、ガブリエル ・ デュポン、ジェイク Eggan、ここで示した実験と Chirawat Sanpakit を認めたいと思います。ジャネット Cobian Iñiguez は、NASA MUREP 制度研究の機会 (ミロ) 許可番号 NNX15AP99A によるサポートを認めています。この作品は、米国農務省森林サービス、PSW 研究所およびカリフォルニア大学リバーサイド間の協定により米国農務省/USDI 国立消防計画に資金を供給されました。
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 |
References
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