Windtunnel experimenten te bestuderen van de Chaparral kroon branden

Summary

Dit protocol beschrijft windtunnel experimenten ontworpen om te bestuderen van de overgang van een brand vanaf de grond naar het bladerdak van de struiken chaparral.

Abstract

Dit protocol biedt een laboratorium-techniek ontworpen chaparral kroon brand ontsteking en verspreiding te bestuderen. Experimenten werden uitgevoerd in een lage snelheid brand windtunnel waar twee afzonderlijke lagen van brandstof te vertegenwoordigen oppervlak en kroon brandstoffen in de chaparral werden gebouwd. Chamise, een gemeenschappelijk chaparral struik, bestond uit de levende kroon laag. De bovenlaag van de dode brandstof werd gebouwd met excelsior (versnipperd hout). Ontwikkelden we een methode om te meten van massa verlies, temperatuur, en vlam hoogte voor beide brandstof-lagen. Thermokoppels geplaatst in elke laag geschat temperatuur. Een videocamera veroverde de vlam zichtbaar. Na verwerking van digitale beelden opgeleverd vlam kenmerken met inbegrip van hoogte en vlam tilt. Een aangepaste kroon massa verlies instrument intern ontwikkeld gemeten de evolutie van de massa van de kroon laag tijdens het branden. Massa verlies en temperatuur trends verkregen met behulp van de theorie van de techniek aangepast en andere empirische studies. In dit onderzoek presenteren wij gedetailleerde experimentele procedures en informatie over de instrumenten gebruikt. De representatieve resultaten voor de brandstof massa verlies percentage en de temperatuur binnen het brandstof-bed ingediend zijn ook opgenomen en besproken.

Introduction

In 2016 ervaren de staat Californië totaal 6,986 wildland bosbranden, 564,835 hectare¹, kost miljoenen dollars in schade, consumeren en het welzijn van de honderden mensen riskeren. Vanwege de regionale mediterraan klimaat zijn een belangrijke brandstof voor deze branden chaparral vegetatie gemeenschappen². Brand verspreid in de chaparral kan worden beschouwd als een kroon brand aangezien de belangrijkste brandstof die brandt verhoogde³. Naast de overwegend live kroon laag bestaan, is de dood oppervlakte brandstof laag, die bestaat uit gegoten gebladerte en takken kruidachtige planten die onder en tussen de individuele struiken groeien. Vuur zal gemakkelijker starten in de dood oppervlakte brandstof laag. Zodra de oppervlakte brand ontbrandt, kan het vuur overgang naar de kroon laag waar de energie die vrijkomt bij het vuur dramatisch stijgt. Terwijl chaparral branden hebben meestal zijn gemodelleerd als een vuur verspreidt in diep oppervlakte brandstoffen⁴, is er beperkte studie van chaparral branden als kroon branden.

Kenmerken van de kroon in de chaparral, met inbegrip van gebladerte deeltje vorm, verschillen van boreale naaldhout bos, waar het merendeel van het onderzoek heeft plaatsgevonden. Talrijke laboratorium en veld schaal studies hebben onderzocht verschillende aspecten van wildvuur dynamics^{6,5,7,3,8,9,10 ,11,12}. Binnen het domein van laboratoriumexperimenten, verschillende studies hebben onderzocht de invloed van parameters zoals wind en brandstof eigenschappen op de chaparral kroon vuur gedrag. Lozano⁷ onderzocht kenmerken van kroon brand initiatie in de aanwezigheid van twee aparte kroon brandstof bedden. In Tachajapong et al. ³, discrete oppervlak en kroon lagen werden verbrand in een wind-tunnel en de oppervlakte brand werd gekenmerkt. Enige kroon brand initiatie was volledig beschreven waardoor volledige analyse van de verspreiding voor toekomstige werkzaamheden. Li et al. ¹¹ gemeld op de verspreiding van een vlam maar één chaparral struiken. In gerelateerd werk, Cruz et al. ^{10 , 9} ontwikkelde een model voor het voorspellen van de ontsteking van naaldhout gebladerte boven een verspreiding oppervlakte brand. Kenmerken van de branden van chaparral brandstoffen werden onderzocht in experimentele studies van bulk brandstoffen en individu verlaat^13,14,15,16. Dupuy et al. ¹³ studeerde de brandende kenmerken van Pinus pinaster naalden en excelsior door de brandstoffen in cilindrische manden. Zij merkten op dat in deze brandstoffen, was vlam hoogte gerelateerd aan warmteverbruik release via een twee-vijfde machtswet, zoals eerder is gemeld in de literatuur^17,18. Sun et al. ¹⁴ verbrand chaparral brandstoffen in soortgelijke cilindrische manden voor het analyseren van de brandende kenmerken van drie chaparral brandstoffen: chamise (Adenostoma fasciculatum), ceanothus (Ceanothus crassifolius) en manzanita ( Arctostaphylos glandulosa).

Gemotiveerd door de resultaten van de bovengenoemde laboratoriumonderzoek, ons doel hier is om te presenteren van een methodologie om te karakteriseren verspreiding in zowel oppervlakte als struik kroon lagen. Bovendien willen we verduidelijken enkele van de belangrijkste kenmerken die de mate van oppervlak-crown laag interactie bepalen. Hiervoor ontwikkelden we een experimenteel laboratorium methode om te studeren van de verticale overgang van een brand in een brandstof wildland oppervlakte op een vuur verspreidt in een verhoogde struik brandstof verbranden. In dit soort branden, kan de vertaling van het vuur aan de struik kroon, bekend als de kroning, door aanhoudende verspreiding onder de juiste omstandigheden worden gevolgd. In het algemeen, wordt chaparral brand gedrag gedicteerd door brandstof¹⁹, topografie en weer. Het is aangetoond dat wind energie release rate in de brandstoffen^5,3,8,20beïnvloedt.

Brand verspreid in poreuze brandstoffen kan worden gezien als een reeks van overgangen of drempels, die moeten worden gekruist om succesvolle²¹. Energiek, ontbrandt een deeltje van de brandstof als de hoeveelheid warmte die zij ontvangt resulteert in een mengsel van gassen die succesvol met zuurstof reageren. De resulterende vlam verspreidt zich als de hitte van het branden deeltje een deeltje van de aangrenzende brandstof ontbrandt. Het vuur verspreidt zich over de grond, als is het kundig voor steken hiaten tussen brandbare brandstofelementen. Als de vlam van een oppervlakte brand vermag verticaal verspreiden over de kroon van bomen en struiken, is vaak een belangrijke verandering in brand-gedrag, met inbegrip van meer warmte vrijlating tarieven, geconstateerd als gevolg van een grotere beschikbaarheid van brandstof. Thermische energie dynamics in wildland branden omvatten verschillende schalen, van de zeer grote schaal, in mega-branden, waarvoor vaak klimatologische modelleren, de kleine schaal waarbij chemische schaal kinetische modellering. Hier, omgaan we met laboratorium windtunnel schaal gedrag modelleren; voor chemische schaal cellulose verbranding studies heet de lezer werken zoals Sullivan et al. ²²

Sinds 2001, die wij hebben uitgevoerd een verscheidenheid van experimenten onderzoeken enkele van de laboratorium schaal energie drempels^{23,8,24,25,26, 27}, met de nadruk op live brandstoffen chaparral is gekoppeld. Terwijl buiten kunnen metingen van brand meer levensechte resultaten opleveren, toestaan dat de gecontroleerde omgeving van de wind-tunnel voor afbakening van de impact van verschillende parameters. Controle van de wind, bijvoorbeeld, is vooral belangrijk voor chaparral kroon branden die zich voordoen in gebieden zoals Zuid-Californië waar foehn type winden, bekend als Santa Ana winden, typische bestuurders van brand gebeurtenissen zijn. Omdat een grote motivator voor de hier beschreven methode is het bestuderen van het effect van wind en andere gecontroleerde parameters op de chaparral brand verspreiding, is deze studie uitgevoerd in een laboratorium schaal windtunnel. De lezer is gericht op het werk door Silvani et al. ²⁸ voor veld meting van de temperatuur in de chaparral branden vergelijkbaar met degene die hier gepresenteerd. Raadpleeg Morandi et al. voor veldmetingen op het effect van wind op verspreiding van de brand, ²⁹

Verschillende parameters de verspreiding in de chaparral brandstoffen hebben experimenteel zijn geanalyseerd door het kwantificeren van de waarschijnlijkheidverspreid succes in verhoogde brandstof bedden⁸van brand. De huidige experimentele studie omvat een methodiek ontwikkeld om te bestuderen van de chaparral kroon brand verspreid door modellering oppervlakte brandstoffen en kroon brandstoffen binnen de sectie van de test van een windtunnel van het lage snelheid. De oppervlakte brandstof is gemodelleerd met excelsior (gedroogde geraspte hout). Het oppervlak brandstof bed wordt geplaatst op de begane grond van de wind-tunnel over een standaard schaal (Zie Figuur 1). Vertegenwoordigen de kroon brandstof bed, een brandstof bed met chamise was geplaatst over het oppervlak brandstof bed door schorsing van de brandstof van een platform op de windtunnel frame gemonteerd (Zie Figuur 1). Beide brandstof-bedden zijn geïnstrumenteerd voor temperatuur en massa verlies metingen; geometrie van de vlam wordt verkregen uit video-opnamen van experimenten. Gemeten parameters omvatten massa verlies tarief, brandstof vochtgehalte en de relatieve vochtigheid van de lucht. Parameters die gecontroleerd zijn wind aanwezigheid, afstand tussen oppervlak brandstof en kroon brandstof bed, en de aanwezigheid van oppervlakte brandstof. De gemeten massa verlies tarief kan worden gebruikt voor het berekenen van het warmteverbruik release, die is gedefinieerd als:

waar h is de warmte van de verbranding van de brandstof, m = de massa van de brandstof, en t is tijd.

Figuur 1: windtunnel experimentele opzet. Locaties van het bed van de brandstof kroon, de oppervlakte brandstof bed en de ventilator van de tunnel hebben het label voor gemak. Het oppervlak brandstof bed wordt geplaatst op de begane grond van de wind-tunnel over een standaard schaal. Vertegenwoordigen de kroon brandstof bed, was een brandstof bed met chamise geplaatst over het oppervlak brandstof bed door schorsing van de brandstof van een platform gemonteerd op het frame van de windtunnel. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Experimenten hebben gericht op het begrijpen van het gedrag van de chaparral kroon bosbranden, met name de ontsteking, mechanismen voor de voortplanting van vlam en verspreiding, vlam front snelheden en brandstof verbruik. Om te bestuderen de interactie tussen een oppervlakte brand en een kroon brand, in de windtunnel zes configuraties van oppervlak en kroon brandstof bedden met en zonder toegepaste wind stroom, zijn gebrand: kroon brandstof alleen met en zonder wind (2), kroon en oppervlaktewater brandstof bedden gescheiden door twee afstanden met en zonder wind (4). Tabel 1 geeft een overzicht van de experimentele configuraties met de 6 experimentele klassen. In de tabel geeft de oppervlakte brandstof bed parameter of oppervlakte brandstof aanwezig tijdens het experiment was, de wind parameter verwijst naar de aanwezigheid van wind en kroon hoogte verwijst naar de afstand tussen de onderkant van de kroon brandstof bed en de onderkant van het oppervlak brandstof bed. Brandstof vocht werd gemeten voor elk experiment maar niet gecontroleerd, gemiddelde brandstofverbruik vochtgehalte was 48%, terwijl de minimale en maximale waarden waren 18% tot 68%, respectievelijk.

Klasse	Oppervlakte brandstof Bed	Wind	Hoogte van de kroon
A	Afwezig	Geen wind	60 of 70 cm
B	Afwezig	1 ms-1	60 of 70 cm
C	Heden	Geen wind	60 cm
D	Heden	Geen wind	70 cm
E	Heden	1 ms-1	60 cm
F	Heden	1 ms-1	70 cm

Tabel 1: experimenteren configuraties. Hier is de oppervlakte brandstof bed parameter geeft of oppervlakte brandstof aanwezig tijdens het experiment was, de wind parameter naar de aanwezigheid van wind verwijst en kroon hoogte naar de afstand tussen de onderkant van de kroon brandstof bed en de onderkant van het bed oppervlak brandstof verwijst.

Een elektronische schaal gemeten oppervlakte brandstof massa en we een aangepaste massa verlies systeem ontwikkeld voor de kroon-laag. Het systeem bestond uit individuele meetcellen aangesloten op elke hoek van het bed van de geschorste brandstof. Consument-grade videocamera’s opgenomen de visuele vlammen; beeldverwerking van de visuele gegevens met behulp van een aangepast script gegenereerd vlam kenmerken zoals hoogte en hoek. Een programma is ontwikkeld om te converteren video frames van RGB (rood/groen/blauw) codering naar zwart-wit via een proces van lichtintensiteit drempelmethode. De rand van de vlam is verkregen uit de zwart-wit videoframes. Hoogte van de maximale vlam werd gedefinieerd als het hoogste punt van de rand van de vlam, Noodstopbewaking vlam hoogten zijn ook verkregen. In een afbeelding, was vlam hoogte gemeten vanaf de voet van het bed van brandstof naar de maximale verticale punt van de vlam. Alle verwerking codes, evenals de instrument-besturingsinterface ontworpen voor dit protocol zijn beschikbaar gesteld door de auteurs hier via hun site software toegang. Het oogsten van de levende brandstof lokaal en uitvoeren van de experimentele brandwonden binnen 24 h geminimaliseerd vochtverlies. Een thermokoppel matrix opgenomen bed brandstoftemperatuur in de windrichting stream-wise waardoor de berekening van verspreiding tarief. Figuur 1 toont een diagram van de brandstof bed-instellingen samen met de thermokoppel-regeling. Details van de experimentele protocol volgen.

Protocol

Let op: aangezien het verschillende stappen in het volgende protocol om activiteiten die hebben het potentieel om letsel te veroorzaken, zorgen dat de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) wordt gebruikt na gevestigde veiligheid protocollen zoals vuur resistente kleding en beschermende brillen. 1. kroon brandstof Bed Load cel Instrumentation Setup wijzigen 4 C-klemmen door het aanbrengen van dubbele voorjaar gate karabiners (Zie Tabel van materialen) door …

Representative Results

Kroon en oppervlakte vlam hoogte gegevens werden verkregen uit de videogegevens. De tendensen van de hoogte van de typische vlam voor experimenten wordt gepresenteerd in Figuur 6. Vlam hoogte gedrag gevolgd die gevonden in zon et al. 14 Figuur 6: geschat kroon vlam hoogte.</s…

Discussion

De mogelijkheid voor het meten van de massa van de verhoogde brandstof gedurende het gehele experiment was een van de belangrijkste voordelen van de techniek die hier gepresenteerd. Eerdere studies adressering chaparral brand hebben gericht op beide enige kroon brand initiatie of alleen op oppervlakte verspreid, maar niet beide. Dergelijke studies hebben de mogelijkheid van een ontsteking in de kroon laag gekwantificeerd en studie van de verspreiding voor toekomstige werkzaamheden²³hebben verlaten…

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