Аэродинамической экспериментов для изучения Chaparral Корона пожаров
Summary
Этот протокол описывает аэродинамической эксперименты, предназначенных для изучения переход пожара от земли к сенью чапараль кустарников.
Abstract
Настоящий Протокол представляет технику лаборатории, предназначенных для изучения чапараль Корона возгорания и распространения. Эксперименты были проведены в низкой скорости аэродинамической огонь где были построены два четко различимых слоя топлива представить поверхность и Корона топлива в Чапараль. Chamise, общий чапараль кустарник, состоит из слоя живой короны. Поверхностный слой мертвых топлива был построен с Эксельсиор (измельченной древесины). Мы разработали методологию для измерения потери массы, температуры и пламя высоту для обоих слоев топлива. Термопары помещены в каждый слой оценкам температуры. Видео камеры захватили видимых пламени. Пост-обработки цифровых изображений принесли пламени характеристики, включая высоту и пламя наклона. Пользовательских Корона потери массы инструмента, разработанного измеряется эволюция массы Корона слоя во время записи. Массовые потери и температуры тенденции, полученные с помощью техники соответствует теории и других эмпирических исследований. В этом исследовании мы представляем подробные экспериментальной процедуры и информация о приборы, используемые. Представитель результаты для скорости потери массы топлива и температуры, подала в постели топлива также включены и обсуждены.
Introduction
В 2016 году в штате Калифорния опытных в общей сложности 6,986 лесных пожаров, потребляя 564,835 акров1, стоимостью в миллионы долларов ущерба и, рискуя оздоровительный сотни людей. Из-за региональный средиземноморский климат источник основных топлива для этих пожаров являются чапараль растительности сообществ2. Огонь распространился в Чапараль можно считать Корона огонь так как основным топливом, которое горит повышенных3. Живущее с преимущественно живут слой короны, является мертвым поверхности топлива слой, который состоит из литой листья, ветви и травянистых растений, которые растут под и между отдельными кустарников. Огонь будет более легко инициировать в слое мертвые от поверхности топлива. После того, как поверхности пожар возгорание, огонь может переход на корону слой, где энергия, высвобождаемая в огне резко возрастает. Хотя обычно построены чапараль пожары как огонь распространяется в глубокой поверхности топлива4, был ограниченное исследование чапараль пожаров как Корона пожаров.
Корона характеристики в Чапараль, включая формы частиц листва, отличаются от бореальных хвойных лесов, где произошло большинство исследований. Многочисленные лабораторные и полевые исследования изучили различные аспекты пожар динамика6,5,7,3,8,9,10 ,,1112. В области лабораторных экспериментов несколько исследований изучили влияние параметров, таких как ветер и свойства топлива на корону чапараль огонь поведение. Лосано7 рассмотрены характеристики короны огонь посвящения в присутствии двух дискретных Корона топлива кровати. В Tachajapong и др. 3, дискретные поверхности и кроны слоев были сожжены внутри аэродинамической трубе и характеризовалась поверхности огонь. Только посвящение короны огонь был полностью описаны, оставляя полный анализ распространения для будущей работы. Li et al. 11 сообщили на распространение пламени хотя единого чапараль кустарников. В соответствующей работе, Крус и др. 10 , 9 разработал модель предсказать, зажигания хвойных листвой выше распространяя огонь поверхности. Сжечь характеристики чапараль топлива были изучены в ходе экспериментальных исследований сыпучих видов топлива и индивидуальные оставляет13,14,,1516. Дюпюи и др. 13 изучал горения характеристики Pinus pinaster иглы и Эксельсиор путем сжигания топлива в цилиндрических корзины. Они отметили, что в этих видов топлива, высота пламени был связан с выпуска расхода тепла через две пятых власть закона, как уже сообщалось ранее, в литературе17,18. Солнце и др. 14 сожгли чапараль топлива в аналогичных цилиндрических корзины для анализа горения характеристики трех чапараль топлива: chamise (Adenostoma метельчатый), Краснокоренник (Краснокоренник crassifolius) и “Manzanita” ( Толокнянка glandulosa).
Руководствуясь результатами вышеупомянутого лабораторных исследований, наша цель здесь заключается в представлении методологии квалифицировать распространение в поверхность и кустарников кроны слоев. Кроме того мы стремимся прояснить некоторые из ключевых характеристик, которые определяют степень взаимодействия поверхности Корона слоя. С этой целью мы разработали методологию экспериментальная лаборатория для изучения вертикальный переход огонь, горящий в лесных поверхности топлива в огонь распространяется в повышенных кустарник топлива. В этих типах пожаров перевод огонь кустарник короны, известный как Увенчивая, может сопровождаться устойчивого распространения при правильных условиях. В общем колючий кустарник огонь поведение диктуется рельеф местности, погоды и топлива19. Было показано, что ветер влияет на скорость выхода энергии топлива5,3,8,20.
Огонь распространился в пористых топлива можно рассматривать как серию переходы или пороговые значения, которые необходимо пройти для быть успешным21. Энергетически частицы топлива воспламеняется, если количество тепла, что он получает результаты в смеси газов, которые успешно реагирует с кислородом. Результате пламя распространяется если тепло от сжигания частиц возгорание прилегающих топливо частиц. Огонь распространяется по всей земле, если это возможность пересекать пробелы между элементами горючего топлива. Если пламя костра поверхности способен переносить вертикально в кроны деревьев и кустарников, значительные изменения в поведение огня, включая увеличение тепла цены выпуска, часто наблюдается за счет большей доступности топлива. Тепловой энергии динамика пожаров охватывают несколько шкал, от очень больших масштабах, такие в мега пожары, которые часто требуют климатологических моделирования, чтобы небольшой масштаб требующих химической масштаба кинетического моделирования. Здесь мы имеем дело с аэродинамической лаборатории шкалы поведения моделирования; для химической целлюлозы сгорания исследования читатель отсылался к работ, таких как Салливан и др. 22
Начиная с 2001 года мы провели ряд экспериментов, изучения некоторых из лабораторного масштаб энергии порогов23,8,24,25,26, 27, с акцентом на живой топлива, связанных с колючий кустарник. Хотя на открытом воздухе измерения огня может обеспечить более реалистичные результаты, контролируемой среде аэродинамической позволяют для определения влияния различных параметров. Управление ветра, например, особенно важно для чапараль Корона пожаров в таких регионах, как Южной Калифорнии, где foehn типа ветра, известный как Санта-Ана ветры, являются типичными водителями пожара событий. Поскольку основным стимулом для методологии, описанной здесь является изучение влияния ветра и других контролируемых параметров на колючий кустарник огонь распространения, это исследование было проведено в аэродинамической лаборатории масштаба. Читатель отсылается к работе Сильвани и др. 28 для полевых измерений температуры в Чапараль пожары, аналогичные тем, которые представлены здесь. Для полевых измерений на эффект ветра на распространение огня смотрите Моранди и др. 29
Несколько параметров, влияющих на распространение в Чапараль топлива были экспериментально проанализированы количественной оценки вероятностиогонь распространился успех в повышенных топлива кровати8. Текущий экспериментальное исследование включает в себя методологию разработан для изучения чапараль Корона огонь распространения путем моделирования поверхности топлива и Корона топлива внутри раздела тестирования низкой скорости аэродинамической трубе. Поверхности топлива моделируется с Эксельсиор (высушенные измельченные древесины). Поверхности топлива кровать находится на уровне земли в аэродинамическую трубу над стандартной шкалы (см. Рисунок 1). Представляя Корона топлива кровать, кровать топлива с chamise был помещен над кроватью поверхности топлива путем приостановления топлива от платформы, на раме аэродинамической (см. Рисунок 1). Обе кровати топлива инструментирования для температуры и потери массы измерений; геометрия пламя получается из видеозаписи экспериментов. Измеряемые параметры включают скорости потери массы, топлива содержание влаги и относительной влажности воздуха. Контролируемые параметры были Ветер присутствие, расстояние между поверхности топлива кровать и кровать топлива короны и присутствие поверхности топлива. Измеренной потери массы ставка может использоваться для расчета ставки выхода тепла, которая определяется как:
где h — тепло сгорания топлива, m — масса топлива, и t — время.
Рисунок 1: экспериментальная установка аэродинамической. Для удобства были помечены места Корона топлива кровать, кровать поверхности топлива и туннельного вентилятора. Поверхности топлива кровать находится на уровне земли в аэродинамическую трубу над стандартной шкалы. Представляя Корона топлива кровать, кровать топлива с chamise был помещен над кроватью поверхности топлива путем приостановления топлива от платформы, на раме аэродинамической. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Эксперименты были сосредоточены на понимание поведения чапараль Корона пожаров, особенно зажигания, механизмы распространения пламени и распространение, скорости фронта пламени и расхода топлива. Изучение взаимодействия между поверхности огонь и огонь короны, шесть конфигураций поверхности и корона кроватях топлива с и без прикладной ветер поток, были сожжены в аэродинамической трубе: Корона топлива только с и без ветра (2), Корона и поверхности кровати топлива, разделенных два расстояния с и без ветра (4). В таблице 1 приведены экспериментальные конфигураций с 6 экспериментальных классов. В таблице параметр кровать поверхности топлива означает ли поверхности топлива присутствовал во время эксперимента, ветер параметр относится к присутствию ветра и Высота коронки относится к расстоянию между нижней части топочной короны и в нижней части поверхности топлива кровать. Влажности топлива измеряется для каждого эксперимента, но не контролируется, средний топлива содержание влаги 48%, в то время как минимальные и максимальные значения были 18% до 68%, соответственно.
| Класс | Поверхности топлива кровать | Ветер | Высота коронки |
| A | Отсутствует | Не Ветер | 60 или 70 см |
| B | Отсутствует | 1 мс-1 | 60 или 70 см |
| C | Настоящее время | Не Ветер | 60 см |
| D | Настоящее время | Не Ветер | 70 см |
| E | Настоящее время | 1 мс-1 | 60 см |
| F | Настоящее время | 1 мс-1 | 70 см |
Таблица 1: эксперимент конфигураций. Здесь параметр кровать поверхности топлива означает ли поверхности топлива присутствовал во время эксперимента, ветер параметр относится к присутствию ветра и Корона высота относится к расстояние между нижней части топочной короны и в нижней части кровати поверхности топлива.
Электронные весы измеряется поверхности топлива массы и мы разработала систему пользовательского потери массы для слоя короны. Система состояла из отдельных тензодатчики, подключен к каждому углу кровати условного топлива. Потребительского класса видеокамеры Записанная визуального пламени; Обработка изображений с помощью пользовательского сценария визуальных данных генерируется пламени характеристики, включая высоту и угол. Программа была разработана с конвертировать видео кадры из RGB (красный/зеленый/синий) кодирования в черно-белые через процесс порога интенсивности света. Край пламени был получен из черно-белых кадров видео. Высота максимальная пламени был определен как высшая точка пламени края, мгновенно пламени высот также были получены. В изображении высота пламени была измерена от основания топочной максимальный вертикальный точке пламени. Все коды обработки, а также интерфейс управления инструмент, предназначенный для этого протокола предоставлены авторами здесь через их сайт доступа программного обеспечения. Уборки живой топлива на местах и проведение экспериментальных Бернс в течение 24 часов к минимуму потерю влаги. Термопара массив записанная температура топлива кровать в направлении выравнивания ветер, позволяя расчет ставки спред. На рисунке 1 показана схема установки кровати топлива наряду с термопарой договоренности. Подробная информация о экспериментальный протокол следовать.
Protocol
Representative Results
Discussion
Возможность измерения массы повышенных топлива на протяжении всего эксперимента был одним из главных преимуществ техники, представленные здесь. Предыдущие исследования, касающиеся чапараль пожара были сосредоточены на либо только огонь посвящение короны или только на поверхности р?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы признать, Бенджамин Sommerkorn, Габриэль Dupont, Джейк Eggan и Chirawat Sanpakit, который помогал с экспериментами, представленные здесь. Жанетт Cobian Ингес признает поддержку, номер гранта НАСА MUREP институциональных исследований возможностей (MIRO) NNX15AP99A. Эта работа финансировалась USDA/подпись Национальный план огонь через соглашение между Лесная служба МСХ США, PSW научно-исследовательская станция и университета Калифорнии – Риверсайд.
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).
