Vindtunnel eksperimenter å studere Chaparral Crown branner
Summary
Denne protokollen beskriver vindtunnel eksperimenter designet overgangen av brann fra bakken til kalesjen av chaparral busker.
Abstract
Nåværende protokollen presenterer en laboratorium teknikk for å undersøke chaparral crown brann tenning og spredning. Eksperimenter ble utført i en lav hastighet brann vindtunnel der to forskjellige sjiktene av drivstoff ble bygget representerer overflaten og krone brensel i chaparral. Chamise, en vanlig chaparral busk, består live krone laget. Død drivstoff overflatelag ble bygget med excelsior (makulert tre). Vi utviklet en metode for å måle masse tap, temperatur, og flamme høyde for begge drivstoff lag. Thermocouples plassert i hvert lag anslått temperatur. Et videokamera fanget synlig flammen. Post-prosessering av digitale bilder gitt flamme egenskaper, inkludert høyde og flamme tilt. En egendefinert crown masse tap instrument egenutviklede målt utviklingen av masse krone laget under brenningen. Masse tap og temperaturendringer trender får teknikk matchet teorien og andre empiriske studier. I denne studien presenterer vi detaljerte eksperimentelle prosedyrer og informasjon om instrumentering brukes. Representant resultatene for drivstoff masse tap rate og temperatur innlevert innen drivstoff sengen er også inkludert og diskutert.
Introduction
I 2016 opplevd staten California en total av 6,986 wildland branner, forbruker 564,835 dekar1, koster millioner av dollar i skade, og risikere velvære til hundrevis av mennesker. På grunn av det regionale middelhavsklimaet, store drivstoff kilde for disse brannene er chaparral vegetasjon samfunn2. Brann i chaparral kan betraktes som en krone brann siden viktigste drivstoff som brenner er opphøyet3. Co-eksisterende med overveiende live krone laget, er død overflaten drivstoff laget, som består av cast løv, greiner og urteaktige planter som vokser under og mellom de enkelte busker. Brann starte lettere i død overflaten drivstoff laget. Når overflaten brannen antenning, kan brannen overgangen til kronen lag der energien som frigjøres ved bålet øker dramatisk. Mens chaparral branner modellen har vanligvis som en brann sprer seg i dype overflaten brensel4, har det vært begrensede studien chaparral branner som crown branner.
Crown egenskaper chaparral, inkludert løvverk partikkel form, forskjellig fra boreal barskog, der mesteparten av forskningen har oppstått. Mange laboratory og felt skala studier har undersøkt ulike aspekter av ild dynamics6,5,7,3,8,9,10 ,11,12. Innan laboratorieforsøk, flere studier har undersøkt påvirkning av parametere som vind og drivstoff egenskapene på chaparral krone brann atferd. Lozano7 undersøkt kjennetegner crown brann innvielse i nærvær av to separate crown drivstoff senger. I Tachajapong et al. 3, diskret overflate og kronen lag ble brent i en vindtunnel og overflate brannen var preget. Eneste krone brann innvielse ble fullt beskrevet forlate full analyse av spredning for fremtiden. Li et al. 11 rapportert på overføring av en flamme selv enkelt chaparral busker. I relaterte arbeid, Cruz et al. 10 , 9 utviklet en modell for å forutsi tenningen av barskog løvverk over spre overflaten brann. Brenne kjennetegner chaparral brensel utforsket i eksperimentelle studier av bulk brensel og enkelte forlater13,14,15,16. Dupuy et al. 13 studerte brennende karakteristikkene av Pinus pinaster nåler og excelsior ved brenning brensel i sylindriske kurver. De observerte at i disse brensel, var flamme høyde knyttet til varme utgivelsen rate via en to femtedeler strøm lov som har rapportert tidligere litteratur17,18. Sun et al. 14 brent chaparral brensel i lignende sylindriske kurver til å analysere de brennende egenskapene av tre chaparral brensel: chamise (Adenostoma fasciculatum), ceanothus (Ceanothus crassifolius) og manzanita ( Arctostaphylos glandulosa).
Motivert av resultater fra de nevnte laboratoriestudier, vårt formål her er å presentere en metodikk for å karakterisere spredning i både overflaten og busk crown lag. Videre, vi ønsker å avklare noen av de viktigste kjennetegnene dikterer graden av overflaten-kronen lag interaksjon. Til dette formålet utviklet vi en eksperimentell laboratorium metodikk for å studere loddrett overgangen til en ild brenner i wildland overflaten drivstoff til brann sprer seg i et forhøyet busk drivstoff. I disse typer branner, kan oversettelse av for busk kronen, kalles kronen, være etterfulgt av vedvarende spredning under de rette forholdene. Generelt er chaparral brann atferd diktert av topografi, vær og drivstoff19. Det har vist at vinden påvirker energi utgivelse rate i brensel5,3,8,20.
Brann i porøse brensel kan vises som en rekke overganger eller terskler som må krysses for å være vellykket21. Energisk, antenning en drivstoff partikkel hvis mengden varme som den mottar en blanding av gasser som vellykket reagerer med oksygen. Resulterende flammen sprer hvis varmen fra brennende partikkel antenning en tilstøtende drivstoff partikkel. Brann sprer på bakken Hvis det er å krysse gapene mellom brennbart drivstoff elementer. Hvis flammen av overflaten brann er kjøpedyktig Overfør loddrett i kronen av busker og trær, er en betydelig endring i brann opptreden, inkluderer økt varme utgivelsen priser, ofte observert på grunn av en større tilgjengelighet av drivstoff. Termisk energi dynamikken i wildland branner omfatte flere skalaer, fra den svært stor skalaen, slik i mega-branner som ofte krever klimatologiske modellering, til små skala krever kjemiske skala kinetic modellering. Her avtale vi med laboratoriet vindtunnel skala atferd modellering; for kjemiske skala cellulose forbrenning studier kalles leseren verker som Sullivan et al. 22
Siden 2001 har vi har gjennomført en rekke eksperimenter undersøker noen av laboratoriet skala energi terskler23,8,24,25,26, 27, med hovedvekt på live brensel tilknyttet chaparral. Mens utendørs målinger av brann kan gi mer livaktig resultater, tillate kontrollert miljø av vindtunnel avgrensning av effekten av ulike parametere. Kontrollere vind, for eksempel er spesielt viktig for chaparral crown branner oppstår i regioner som Sør-California der foehn type vind, kjent som Santa Ana vind, er typisk drivere av brann hendelser. Fordi en stor motivator for metodikk beskrevet her er å studere effekten av vind, og uteffekt kontrollert på chaparral brannen spredte seg ble denne studien utført i et laboratorium skala vindtunnel. Leseren er rettet til arbeidet ved Silvani et al. 28 for feltet målinger av temperaturen i chaparral branner ligner på de som presenteres her. For feltet målinger på effekten av vinden på brann spredning, kan du se Morandi et al. 29
Flere parametere påvirke spredning i chaparral brensel har vært eksperimentelt analysert av kvantifisere sannsynlighetensprer suksess i opphøyet drivstoff senger8brann. Aktuelle eksperimentelle studien innebærer en metode utviklet å studere chaparral crown brann spredt av modellering overflaten brensel og kronen brensel i delen test i en lav hastighet vindtunnel. Overflaten drivstoff er modellert med excelsior (tørket makulert tre). Overflaten drivstoff sengen er plassert på bakken av vindtunnel over en standard skala (se figur 1). Representerer crown drivstoff sengen, en drivstoff seng med chamise ble plassert over overflaten drivstoff sengen ved å stenge drivstoff fra en plattform montert på vindtunnel rammen (se figur 1). Både drivstoff senger, kan brukes for temperatur og masse tap mål; flammen geometri hentes fra videoopptak av eksperimenter. Målte parametere inkluderer masse tap rate, drivstoff fuktighetsinnhold og relativ fuktighet i luften. Parametere kontrollert var vinden tilstedeværelse, avstanden mellom overflaten drivstoff seng og kronen drivstoff seng, og tilstedeværelsen av overflaten drivstoff. Den målte masse tap rate kan brukes til å beregne varme utgivelsen prisen, som er definert som:
hvor h er varmen av drivstoff forbrenning, m er drivstoff massen, og t er tid.
Figur 1: vindtunnel eksperimentelle oppsett. Plasseringen av kronen drivstoff sengen, overflate drivstoff sengen og tunnel viften er merket for bekvemmelighet. Overflaten drivstoff sengen er plassert på bakken av vindtunnel over en standard skala. Representerer crown drivstoff sengen, ble en drivstoff seng med chamise plassert over overflaten drivstoff sengen ved å stenge drivstoff fra en plattform montert på vindtunnel rammen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Eksperimenter har fokusert på å forstå virkemåten til chaparral crown branner, spesielt tenning, mekanismer flamme forplantning og spredning, flammen foran hastigheter og drivstoff forbruk priser. For å studere samspillet mellom overflaten brann og kronen brann, seks konfigurasjoner av overflaten og krone drivstoff senger med og uten anvendt vind flyt, har blitt brent i vindtunnel: crown drivstoff bare med og uten vind (2), krone og overflaten drivstoff-senger som er adskilt av to distanser med og uten vind (4). Tabell 1 oppsummerer de eksperimentelle konfigurasjonene med 6 eksperimentelle klassene. I tabellen angir overflaten drivstoff seng parameteren om overflaten drivstoff var til stede under eksperimentet, vind parameteren refererer til tilstedeværelsen av vind og kronen høyde refererer til avstanden mellom bunnen av kronen drivstoff sengen og bunnen av overflaten drivstoff seng. Drivstoff fuktighet var målt for hvert eksperiment, men ikke kontrollert, gjennomsnittlig drivstoff fuktighetsinnhold var 48%, mens de laveste og høyeste verdiene var 18 68%, henholdsvis.
| Klassen | Overflaten drivstoff seng | Vind | Crown høyde |
| A | Fraværende | Ingen vind | 60 eller 70 cm |
| B | Fraværende | 1 ms-1 | 60 eller 70 cm |
| C | Nåtid | Ingen vind | 60 cm |
| D | Nåtid | Ingen vind | 70 cm |
| E | Nåtid | 1 ms-1 | 60 cm |
| F | Nåtid | 1 ms-1 | 70 cm |
Tabell 1: eksperimentere konfigurasjoner. Her angir parameteren overflaten drivstoff seng om overflaten drivstoff var til stede under eksperimentet, vind parameteren refererer til tilstedeværelsen av vind og kronen høyde refererer til avstanden mellom bunnen av kronen drivstoff sengen og bunnen av overflaten drivstoff sengen.
En elektronisk skala målt overflaten drivstoff masse og vi utviklet et egendefinert masse tap for krone laget. Systemet bestod av personlige veieceller koblet til hvert hjørne av suspendert drivstoff seng. Forbruker-grade videokameraer registrert visuelle flammene; bildebehandling visuelle data bruker et egendefinert skript generert flamme egenskaper, inkludert høyde og vinkel. Et program utviklet for å konvertere videobilder fra RGB (rød/grønn/blå) koding til svart-hvitt gjennom en lysintensiteten terskelverdi. Kanten av flammen er Hentet fra svart-hvitt videobilder. Maksimal flamme høyde ble definert som det høyeste punktet på flamme kanten, øyeblikkelig flamme høyder ble også innhentet. I et bilde, ble flamme høyde målt fra bunnen av drivstoff sengen til maksimal loddrett poenget med flammen. Alle behandling koder samt instrument kontroll grensesnittet designet for denne protokollen er gjort tilgjengelig av forfatterne her gjennom deres programvare access-området. Høsting live drivstoff lokalt og gjennomføre det eksperimentelle brenner innen 24 timer minimert tap av fuktighet. En thermocouple matrise registrert drivstoff seng temperatur i vinden stream-wise retning aktivere beregningen av spredningen rate. Figur 1 viser et diagram av drivstoff seng med thermocouple ordningen. Detaljer om eksperimentell protokollen følger.
Protocol
Representative Results
Discussion
Muligheten til å måle opphøyet drivstoff massen hele eksperimentet var en av de viktigste fordelene med teknikken presenteres her. Tidligere studier chaparral brann har fokusert på hver eneste krone brann initiering eller bare på overflaten spredt, men ikke begge. Slike studier har kvantifisert muligheten for tenningen i kronen laget og har forlatt studie av spredningen for fremtidig23. Vår metode gir måling av masse tap, temperatur distribusjon og flamme geometrien for begge lag involvert …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å erkjenne Benjamin Sommerkorn, Gabriel Dupont, Jake Eggan og Chirawat Sanpakit som hjalp med eksperimenter presenteres her. Jeanette Cobian Iñiguez erkjenner støtte ved NASA MUREP institusjonelle forskning mulighet (MIRO) bevilgning nummer NNX15AP99A. Dette arbeidet ble også finansiert av USDA/USDI National Fire Plan gjennom en avtale mellom USDA Forest Service, PSW forskningsstasjon og University of California – Riverside.
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
- Minnich, R. A. Fire mosaics in southern California and northern Baja California. Science. 219 (4590), 1287-1294 (1983).
- Tachajapong, W., Lozano, J., Mahalingam, S., Weise, D. R. Experimental modelling of crown fire initiation in open and closed shrubland systems. Int. J. Wildl. Fire. 23 (4), 451-462 (2014).
- Rothermel, R. C., Philpot, C. W. Predicting changes in chaparral flammability. J. For. 71 (10), 640-643 (1973).
- Van Wagner, C. E. Conditions for the start and spread of crown fire. Can. J. For. Res. 7, 23-34 (1977).
- Fons, W. L. Analysis of Fire Spread in Light Forest Fuels. J. Agric. Res. (3), (1946).
- Lozano, J. . An investigation of surface and crown fire dynamics in shrub fuels [dissertation]. , 222 (2011).
- Weise, D., Zhou, X., Sun, L., Mahalingam, S. Fire spread in chaparral-‘go or no-go?’. Int. J. Wildl. Fire. 14, 99-106 (2005).
- Cruz, M. G., Butler, B. W., Alexander, M. E., Forthofer, J. M., Wakimoto, R. H. Predicting the ignition of crown fuels above a spreading surface fire. Part I: Model idealization. Int. J. Wildl. Fire. 15 (1), 47-60 (2006).
- Cruz, M. G., Butler, B. W., Alexander, M. E., Forthofer, J. M., Wakimoto, R. H. Predicting the ignition of crown fuels above a spreading surface fire. Part II: Model idealization. Int. J. Wildl. Fire. 15 (1), 47-60 (2006).
- Li, J., Mahalingam, S., Weise, D. R. Experimental investigation of fire propagation in single live shrubs. Int. J. Wildl. Fire. 26 (1), 58-70 (2017).
- Byram, G. M. Combustian of Forest Fuels. For. Fire Control Use. , 61-89 (1959).
- Dupuy, J. L., Maréchal, J., Morvan, D. Fires from a cylindrical forest fuel burner: Combustion dynamics and flame properties. Combust. Flame. 135 (1-2), 65-76 (2003).
- Sun, L., Zhou, X., Mahalingam, S., Weise, D. R. Comparison of burning characteristics of live and dead chaparral fuels. Combust. Flame. 144 (1-2), 349-359 (2006).
- Fletcher, T. H., Pickett, B. M., et al. Effects of Moisture on Ignition Behavior of Moist California Chaparral and Utah Leaves. Combust. Sci. Technol. 179 (6), 1183-1203 (2007).
- Engstrom, J. D., Butler, J. K., Smith, S. G., Baxter, L. L., Fletcher, T. H., WEISE, D. R. Ignition Behavior of Live California Chaparral Leaves. Combust. Sci. Technol. 176 (9), 1577-1591 (2004).
- Zukoski, E. Fluid Dynamic Aspects Of Room Fires. Fire Saf. Sci. 1, 1-30 (1986).
- Thomas, P. H., Webster, C. T., Raftery, M. M. Some experiments on buoyant diffusion flames. Combust. Flame. 5, 359-367 (1961).
- Finney, M. a., Cohen, J. D., McAllister, S. S., Jolly, W. M. On the need for a theory of wildland fire spread. Intl J Wildl Fire. 22 (1), 25-36 (2013).
- Mendes-Lopes, J. M. C., Ventura, J. M. P., Amaral, J. M. P. Flame characteristics, temperature-time curves, and rate of spread in fires propagating in a bed of Pinus pinaster needles. Int. J. Wildl. Fire. 12 (1), 67-84 (2003).
- Williams, F. A. Mechanisms of fire spread. Symp. Combust. 16 (1), 1281-1294 (1977).
- Sullivan, A. L., Ball, R. Thermal decomposition and combustion chemistry of cellulosic biomass. Atmospheric Environment. 47, 133-141 (2012).
- Tachajapong, W., Lozano, J., Mahalingam, S., Zhou, X., Weise, D. R. Experimental and Numerical Modeling of Shrub Crown Fire Initiation. Combust. Sci. Technol. , 618-640 (2016).
- Tachajapong, W., Lozano, J., Mahalingam, S., Zhou, X., Weise, D. R. An investigation of crown fuel bulk density effects on the dynamics of crown fire initiation in Shrublands. Combust. Sci. Technol. 180 (4), 593-615 (2008).
- Zhou, X., Weise, D., Mahalingam, S. Experimental measurements and numerical modeling of marginal burning in live chaparral fuel beds. Proc. Combust. Inst. 30 (2), 2287-2294 (2005).
- Pickett, B. M., Isackson, C., Wunder, R., Fletcher, T. H., Butler, B. W., Weise, D. R. Flame interactions and burning characteristics of two live leaf samples. Int. J. Wildl. Fire. 18 (7), 865-874 (2009).
- Cobian-Iñiguez, J., Sanpakit, C., et al. Laboratory Experiments to Study Surface to Crown Fire Transition in Chaparral. Fall Meet. West. States Sect. Combust. Inst. , (2015).
- Silvani, X., Morandini, F. Fire spread experiments in the field: Temperature and heat fluxes measurements. Fire Safety J. 44 (2), 279-285 (2009).
- Morandini, F., Silvani, X., et al. Fire spread experiment across Mediterranean shrub: Influence of wind on flame front properties. Fire Safety J. 41 (3), 229-235 (2006).
- Albini, F. A. A Model for Fire Spread in Wildland Fuels by- Radiation. Combust. Flame. 42, (1985).
- Rothermel, R. C. A Mathematical Model for Predicting Fire Spread in Wildland Fuels. USDA For. Serv. Res. Pap. INT-115. , 40 (1972).
- Freeborn, P. H., Wooster, M. J., et al. Relationships between energy release, fuel mass loss, and trace gas an aerosol emissions during laboratory biomass fires. J. Geophys. Res. Atmos. 113 (1), 1-17 (2008).
- Finney, M. A., Cohen, J. D., et al. Role of buoyant flame dynamics in wildfire spread. Proc Nat Acad Sci USA. 112 (32), 9833-9838 (2015).
- Green, L. R. Burning by prescription in chaparral. USDA For. Serv. Gen. Tech. Rep. PSW-51. , 36 (1981).
- Cohen, J., Bradshaw, B. Fire behavior modeling – a decision tool. Proc. Prescr. Burn. Midwest State Art. , 1-5 (1986).
- Weise, D. R., Koo, E., Zhou, X., Mahalingam, S., Morandini, F., Balbi, J. H. Fire spread in chaparral – A comparison of laboratory data and model predictions in burning live fuels. Int. J. Wildl. Fire. 25 (9), 980-994 (2016).
- Omodan, S. . Fire Behavior Modeling – Experiment on Surface Fire Transition to the Elevated Live Fuel A. , (2015).
- Mulvaney, J. J., Sullivan, A. L., Cary, G. J., Bishop, G. R. Repeatability of free-burning fire experiments using heterogeneous forest fuel beds in a combustion wind tunnel. Intl J Wildl Fire. 25 (4), 445-455 (2016).
