카파 랄 크라운 화재 공부 바람 터널 실험

Summary

이 프로토콜 전환 카파 랄 관목의 캐노피를 땅에서 불의 공부 하도록 하는 윈드 터널 실험을 설명 합니다.

Abstract

현재 프로토콜 카파 랄 크라운 불 점화 및 확산을 공부 하도록 설계 된 실험실 기술을 제공 합니다. 실험은 연료의 2 개의 명료한 층 카파 랄에 표면 및 크라운 연료를 표현 하기 위해 건설 되었다 낮은 속도 불 바람 터널에서 실시 되었다. 선, 일반적인 카파 랄 관목 라이브 왕관 레이어 구성. 죽은 연료 표면 층 엑셀 시오르 (났습니다 나무)으로 구성 되었다. 우리는 대량 손실을, 온도, 측정 및 화 염 연료 레이어 모두에 대 한 높이 방법론을 개발 했다. 열전대는 각 레이어 추정 온도에 배치. 비디오 카메라 캡처 보이는 화 염. 디지털 이미지의 후 처리 나왔고 화 염 특성 화 염 높이 기울기를 포함. 자체 개발 사용자 지정 왕관 대량 손실 악기 화상 동안 크라운 계층의 질량의 진화를 측정. 일치 하는 기술 이론 및 다른 경험적 연구를 사용 하 여 얻은 질량 손실 및 온도 동향. 이 연구에서 우리는 상세한 실험 절차와 사용 하는 계측에 대 한 정보 제시. 연료 질량 손실 속도 연료 침대 이내에 제기 하는 온도 대 한 대표적인 결과 또한 포함 하 고 논의.

Introduction

2016 년, 캘리포니아 주 총을 6,986 wildland 화재, 564,835 에이커¹, 손상에 있는 달러의 비용이 수백만 소모 하 고 수백 명의 사람들의 건강 위험을 경험 했다. 지역 지중해 기후,이 불에 대 한 주요 연료 소스는 카파 랄 식물 지역 사회². 카파 랄에 확산 화재 화상 주요 연료 이기 때문에 높은³크라운 불을 여겨질 수 있다. 주로 라이브 크라운 레이어와 공존, 캐스트 단풍, 분기, 및 초본 식물을 성장 하 고 개별 관목 사이 죽은 표면 연료 계층이 이다. 불 더 쉽게 죽은 표면 연료 계층에서 시작 됩니다. 일단 표면 화재 재가동, 화재 크라운 레이어에 있는 불에 의해 풀어 놓인 에너지 증가 극적으로 전환 수 있습니다. 카파 랄 화재는 일반적으로 깊은 표면 연료⁴에 불으로 만들어진 되었습니다, 하는 동안 크라운 불으로 카파 랄 화재 제한 된 연구가 되었습니다 합니다.

카파 랄, 단풍 입자 모양 등에서 크라운 특성 연구의 대부분은 발생 한 북쪽 침 엽 수 숲에서 다르다. 산 불 역학^{6,5,7,3,,89,10의 다양 한 측면을 조사 하는 수많은 실험실 및 필드 규모 연구 ,,1112}. 영역 내에서 실험실 실험의, 바람 등의 영향을 검사 하는 여러 연구 하 고 카파 랄 크라운에 연료 속성 화재 동작 합니다. 로 자 노⁷ 검사 특성 크라운의 2 개의 개별 크라운 연료 침대 존재 개시 불. Tachajapong 외 에 ³, 이산 표면 및 크라운 레이어 바람 터널 안으로 점화 되었다 고 표면 화재 특징 이었다. 유일한 크라운 불 개시 완전히 미래의 일에 대 한 확산의 완전 분석을 떠나 설명 했다. 리 외. ¹¹ 그러나 단일 카파 랄 관목 불꽃의 전파에 보고 했다. 관련 작품, 크루즈 외. ^{10 , 9} 확산 표면 불 위에 침 엽 수 잎의 점화를 예측 하는 모델을 개발 했다. 카파 랄 연료의 레코딩 특성 대량 연료의 실험 연구에 탐험 되어 고 개인 단풍^13,14,,1516. Dupuy 외. ¹³ 원통형 바구니에 연료를 레코딩하여 Pinus pinaster 바늘 및 엑셀 시오르의 레코딩 특성을 공부 했다. 그들은이 연료에는 관찰, 불꽃 높이 관련 2 분 전원 법 통해 열 방출 속도를 이전 문학^17,18에 보고 되었습니다. 해 외. ¹⁴ 3 차 파 랄 연료의 레코딩 특성을 분석 하는 비슷한 원통형 바구니에 카파 랄 연료 점화: 선 (Adenostoma fasciculatum), ceanothus (Ceanothus crassifolius), 및 manzanita ( Arctostaphylos glandulosa).

상기 실험실 연구에서 결과 의해 동기, 우리 여기 목적은 표면 및 관목 크라운 계층에서 확산 하는 방법론을 제시 하. 또한, 우리는 일부 표면 크라운 계층 상호 작용의 정도 결정 하는 주요 특징을 명확히 하고자 합니다. 이 목적을 우리 연구는 높은 나무 연료에 화재에 wildland 표면 연료에 불의 세로 전환 하는 실험적인 실험실 방법론을 개발 했다. 이러한 유형의 화재에 불 나무 크라운, 영예로 운로 알려진의 번역 오른쪽 조건 하에서 지속적인된 확산에 의해 뒤 수 있습니다. 일반적으로, 카파 랄 불 행동 지형, 날씨, 연료¹⁹에 의해 결정 됩니다. 그것은 바람 에너지 방출 속도 연료^5,3,,820에 영향을 보여왔다.

다공성 연료 확산 화재 일련의 전환 또는 성공적인²¹를 교차 해야 하는 임계값으로 볼 수 있습니다. 건강, 연료 입자 경우 수신 하는 열 양을 성공적으로 산소와 반응 가스의 혼합 발 화 한다. 결과 화 염 확산 불타 입자에서 열 재가동는 인접 한 연료 입자 경우. 가연성 연료 요소 사이의 간격을 교차 수 있는 경우 불 바닥에 걸쳐 펼쳐집니다. 표면 화재의 불꽃 나무의 크라운으로 수직 전파 수 경우 화재 동작을 증가 열 방출 속도에 중요 한 변화 연료의 더 큰 가용성으로 인해 자주 관찰 됩니다. Wildland 화재가 열 에너지 역학 포괄 여러 비늘, 매우 큰 규모에서 같은 작고 climatological 모델링 요구 메가-화재에 필요한 화학 규모 키네틱 모델링 확장. 여기, 우리가 다룰 연구소 바람 터널 규모 행동 모델링; 화학 규모 룰 연소 연구에 대 한 독자 설리반 외. 같은 작품 이라고 ²²

2001 년 이후, 우리는 다양 한 실험실 규모 에너지 임계값^{23,8,,2425,26,} 의 일부를 검사 하는 실험 실시 ²⁷, 카파 랄과 관련 된 라이브 연료에 중점. 야외에서의 측정 더 사실적인 결과 제공할 수 있습니다, 반면 바람 터널 제어 환경 다양 한 매개 변수의 영향의 묘사에 대 한 허용. 바람, 제어 예를 들어 남부 캘리포니아 foehn 유형 바람, 산타아나 바람로 알려져 있는 화재 이벤트의 일반적인 드라이버와 같은 지역에서 발생 하는 카파 랄 크라운 화재에 대 한 특히 중요 하다. 바람의 효과 연구 하는 것입니다 여기에 설명 된 방법론에 대 한 주요 동기 및 다른 제어 매개 변수 카파 랄에 화재 확산, 때문에이 연구는 실험실 규모 바람 터널에서 수행 되었다. 독자는 작품 연출 Silvani 외. ²⁸ 차 파 랄 온도 필드 측정을 위한 유사한 여기에 제시 하는 사람에 게 발생 합니다. 화재 확산에 바람의 효과 필드 측정을 위해 보십시오 그리던 외. ²⁹

카파 랄 연료 확산에 영향을 미치는 여러 매개 변수는 확률을 측정 하 여 실험적으로 분석 된화재의 높은 연료 침대⁸성공을 확산. 현재 실험 연구 방법론을 포함 한다 표면 연료 및 낮은 속도 바람 터널의 테스트 섹션 안에 크라운 연료를 모델링 하 여 확산 카파 랄 크라운 화재 연구 개발. 표면 연료 엑셀 시 어 (말린된 났습니다 나무)으로 모델링 됩니다. 표면 연료 침대 바람 터널의 지상에 표준 규모 위에 배치 됩니다 ( 그림 1참조). 크라운 연료 침대 대표, 선 연료 침대 바람 터널 프레임에 장착 된 플랫폼에서 연료를 일시 중단 하 여 표면 연료 침대 위에 배치 했다 ( 그림 1참조). 두 연료 침대 온도 질량 손실 측정;에 대 한 계측 화 염 형상은 비디오 녹화의 실험에서 얻은 것입니다. 매개 변수 측정 등 대량 손실 비율, 연료 함량 공기의 상대 습도. 매개 변수 제어 했다 바람 존재, 표면 연료 침대와 크라운 연료 침대 사이의 거리 및 표면 연료의 존재. 측정 된 대량 손실 비율을 계산 열 릴리스로 정의 되는 사용할 수 있습니다.

여기서 h 는 연료 연소, m 의 열 연료 질량 이며 t 는 시간입니다.

그림 1: 풍 동 실험 설치. 크라운 연료 침대, 표면 연료 침대 및 터널 팬 위치는 편의상 분류 되었습니다. 표면 연료 침대는 표준 규모 이상의 바람 터널의 지상에 배치 됩니다. 크라운 연료 침대 대표, 선 연료 침대는 바람 터널 프레임에 장착 된 플랫폼에서 연료를 일시 중단 하 여 표면 연료 침대 위에 배치 했다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

실험은 카파 랄 크라운 화재, 특히 점화 화 염 전파 및 확산, 화 염 정면 속도, 연료 소비율의 메커니즘의 동작을 이해에 집중 했다. 표면 화재와 크라운 불 사이의 상호 작용을 연구, 적용된 바람 흐름 없이 표면 및 크라운 연료 침대 6 구성 바람 터널에서 태워 왔다: 크라운 연료만와 바람 (2) 없이 왕관과 구분 하 여 연료 침대 표면 두 거리와 바람 (4) 없이 표 1 6 실험 수업 실험 구성을 요약합니다. 테이블에서 표면 연료 침대 매개 변수가 나타냅니다 여부 표면 연료 실험 기간 동안 존재 했다, 바람 매개 변수 바람의 존재를 의미 하 고 크라운 높이 크라운 연료 침대의 하단 표면 사이의 거리를 의미 연료 침대입니다. 연료 수 분 제어 되지 하지만 각 실험에 대 한 측정, 평균 연료 수 분 함유량은 48%, 반면 최소 및 최대 값은 18% ~ 68%, 각각.

클래스	표면 연료 침대	바람	크라운 높이
A	결 석	바람	60 또는 70 cm
B	결 석	1 ms-1	60 또는 70 cm
C	현재	바람	60 cm
D	현재	바람	70 cm
E	현재	1 ms-1	60 cm
F	현재	1 ms-1	70 cm

표 1: 구성 실험. 여기 표면 연료 침대 매개 변수 여부 표면 연료 실험 기간 동안 존재 했다, 바람 매개 변수 바람의 존재를 의미 하 고 크라운 높이 의미 표면 연료 침대의 크라운 연료 침대의 아래쪽 사이의 거리를 나타냅니다.

전자 규모 측정 표면 연료 질량 그리고 우리 크라운 계층에 대 한 사용자 지정 대량 손실 시스템 개발. 일시 중단 된 연료 침대의 각 모서리에 연결 된 개별 로드 셀 시스템에 의하여 이루어져 있다. 소비자 등급 비디오 카메라 기록 영상 화 염; 이미지 처리는 사용자 지정 스크립트를 사용 하 여 시각적 데이터의 높이 각도 포함 하 여 화 염 특성 생성. 빛의 강도 임계 처리의 과정을 통해 흑인과 백인을 RGB (빨강/녹색/파랑) 코딩에서 비디오 프레임을 변환 하는 프로그램 개발 되었다. 불꽃의 가장자리는 흑백 비디오 프레임에서 얻은 했다. 최대 화 염 높이 불꽃 가장자리의 가장 높은 지점으로 정의 된, 즉각적인 불꽃 높이 또한 가져온. 이미지, 불꽃 높이 불꽃의 최대 수직 위치로 연료 침대의 기지에서 측정 했다. 모든 처리 코드 뿐만 아니라 악기 제어 인터페이스이 프로토콜에 대 한 설계 되었습니다 여기에 저자에 의해 사용할 수 그들의 소프트웨어 액세스 사이트를 통해. 로컬 라이브 연료를 수확 하 고 24 h에서 실험적 화상 수 분 손실을 최소화. 열전대 배열 stream-wise 풍향 확산 속도의 계산을 사용 하면 연료 침대 온도를 기록 했다. 그림 1 에서는 열전대 배열 함께 연료 침대 설치의 다이어그램. 실험 프로토콜의 세부 사항을 따릅니다.

Protocol

주의: 다음과 같은 프로토콜의 여러 단계는 부상을 일으킬 가능성이 있는 활동을 포함, 적절 한 개인 보호 장비 (PPE) 화재를 포함 한 설립된 안전 프로토콜에 따라 사용 되도록 방지 의류 및 보호 안경. 1. 크라운 연료 침대 부하 셀 계측 설치 듀얼 봄 게이트 carabiners (재료의 표 참조) 클램프에 핀 구멍을 통해 연결 하 여 수정 4 C-클램프 ' s 나사 끝 (참조 …

Representative Results

크라운 및 표면 화 염 높이 데이터는 비디오 데이터에서 얻은 했다. 실험에 대 한 일반적인 화 염 높이 동향은 그림 6에 표시 됩니다. 화 염 높이 동작 따라 태양 외 에 그 14 그림 6: 크라운 화 염 높이 추정.</stron…

Discussion

실험을 통해 높은 연료 질량을 측정 하는 능력 기술은 여기에 제시의 주요 장점 중 하나 였다. 카파 랄 화재를 해결 하는 이전 연구 중 유일한 크라운 불 개시 또는 표면 확산, 하지만 둘 다에 집중 했다. 이러한 연구 결과 크라운 계층에 점화의 가능성을 계량 하 고 미래의 작품²³에 대 한 확산의 연구를 두고 있다. 우리의 방법론 대량 손실의 측정 온도 분포, 그리고 나무 크라운에…

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