Experimentos de túnel de viento para estudiar fuegos de corona de Chaparral

Summary

Este protocolo describe el túnel de viento de experimentos diseñados para estudiar la transición de un fuego de la tierra a las copas de los arbustos de chaparral.

Abstract

El presente Protocolo presenta una técnica de laboratorio diseñada para estudiar la propagación y chaparral corona fuego encendido. Se realizaron experimentos en un túnel de viento de fuego de baja velocidad donde dos capas distintas de combustible fueron construidas para representar la superficie y corona combustibles en chaparral. Chamise, un arbusto común de chaparral, compuesto por la capa corona vivo. La capa superficial de combustible muerto se construyó con excelsior (madera rallada). Hemos desarrollado una metodología para medir la pérdida de masa, temperatura y altura para ambas capas de combustible de la llama. Termopares colocan en cada capa calculada la temperatura. Una cámara de video captó la llama visible. Post-proceso de imágenes digitales rindió flama incluyendo inclinación altura y llama. Un instrumento de la pérdida de masa de corona personalizado desarrollado mide la evolución de la masa de la capa de la corona durante la quemadura. Tendencias de temperatura y pérdida de masa obtienen usando la teoría de la técnica emparejado y otros estudios empíricos. En este estudio, presentamos los procedimientos experimentales detallados e información sobre la instrumentación utilizada. Resultados representativos para la tasa de pérdida de masa de combustible y la temperatura dentro de la cama de combustible también se incluyen y discuten.

Introduction

En 2016, el estado de California experimentó un total de 6.986 incendios forestales, consumo 564.835 acres¹, cuesta millones de dólares en daños y arriesgando el bienestar de cientos de personas. Debido a su clima mediterráneo regional, una fuente de combustible importante para estos fuegos son de las comunidades de vegetación de chaparral². Fuego en chaparral puede considerarse un incendio ya que el principal combustible que se quema es elevado³. Coexistencia con la capa predominante vivo de corona, es la capa de combustible muerta superficial, que consiste en fundido follaje, ramas y plantas herbáceas que crecen bajo y entre los arbustos individuales. Fuego se inicia más fácilmente en la capa de combustible muerto superficial. Una vez que se enciende el fuego de superficie, el fuego puede transición a la capa de la corona en donde la energía liberada por el fuego se incrementa dramáticamente. Mientras que chaparral incendios normalmente se han modelado como un fuego que se separa en combustibles profunda superficie⁴, ha sido limitado estudio de incendios de chaparral como fuegos de corona.

Características de la corona en chaparral, incluyendo forma de la partícula del follaje, se diferencian de bosque de coníferas boreal, donde se ha producido la mayor parte de la investigación. Numerosos estudios de escala de laboratorio y campo han investigado diversos aspectos de la wildfire dinámica^{6,5,7,3,8,9,10 ,11,12}. Dentro del Reino de pruebas de laboratorio, varios estudios han examinado la influencia de parámetros tales como viento y fuego de propiedades de combustible en corona de chaparral comportamiento. Lozano⁷ examinada las características de la corona de fuego iniciación en presencia discreta corona combustible camas. En Tachajapong et al. ³, superficie discreta y capas de la corona fueron quemadas dentro de un túnel de viento y el fuego superficial fue caracterizado. Iniciación de fuego corona sólo fue descrito totalmente dejando el análisis completo de la extensión para el trabajo futuro. Li et al. ¹¹ informaron sobre la propagación de una llama aunque arbustos chaparral solo. En trabajos relacionados, Cruz et al. ^{10 , 9} desarrolló un modelo para predecir la ignición del follaje coníferas sobre un fuego de superficie que se separa. Características de la quema de combustibles de chaparral se han explorado en los estudios experimentales de combustibles a granel e individuo deja^13,14,15,16. Dupuy et al. ¹³ estudió las características ardientes de agujas de Pinus pinaster y excelsior por la quema de los combustibles en las canastas cilíndricas. Observa que en estos combustibles, altura de la llama se relaciona tasa de liberación de calor a través de una ley de potencia de dos quintas partes como se ha divulgado previamente en la literatura^17,18. Sun et al. ¹⁴ queman combustibles de chaparral en cestas cilíndricas similares a analizar las características ardientes de los tres combustibles de chaparral: chamise (Adenostoma fasciculatum), ceanothus (Ceanothus crassifolius) y manzanita ( Arctostaphylos glandulosa).

Motivado por los resultados de los estudios de laboratorio antes mencionados, nuestro propósito aquí es presentar una metodología para caracterizar la extensión en superficie y arbustos capas de corona. Además, queremos aclarar algunas de las características fundamentales que determinan el grado de interacción de la capa de superficie de corona. Para ello, hemos desarrollado una metodología experimental de laboratorio para estudiar la transición vertical de un fuego ardiendo en incendios forestales superficie combustible para un fuego que se separa en un combustible de elevado arbusto. En estos tipos de incendios, traducción del fuego a la corona de arbusto, conocido como coronación, se puede seguir por la propagación sostenida bajo las condiciones adecuadas. En general, comportamiento del fuego del chaparral es dictada por topografía, clima y combustible¹⁹. Se ha demostrado que el viento afecta velocidad de liberación de energía en los combustibles^5,3,8,20.

Fuego en combustibles porosos puede considerarse como una serie de transiciones o umbrales que deben cruzar para ser exitoso²¹. Energéticamente, una partícula de combustible se enciende si la cantidad de calor que recibe los resultados en una mezcla de gases que reaccionan con el oxígeno con éxito. La llama resultante se propaga si el calor de la partícula ardiente enciende una partícula de combustible adyacente. El fuego se extiende por el suelo si es capaz de atravesar boquetes entre elementos combustibles combustibles. Si la llama de un fuego de superficie es capaz de propagar verticalmente en la corona de arbustos y árboles, un cambio significativo en el comportamiento del fuego, incluidas las tasas de liberación de calor creciente, se observa a menudo debido a una mayor disponibilidad de combustible. Dinámica de la energía térmica en incendios forestales abarca varias escalas, desde la escala muy grande, tal en mega-incendios que a menudo requieren modelado climatológico, a la pequeña escala que requieren modelado cinético de la escala química. Aquí, nos ocupamos de comportamiento de escala laboratorio túnel de viento de modelado; para estudios de combustión de la celulosa de escala química, el lector se refiere a obras como Sullivan et al. ²²

Desde 2001, hemos llevado a cabo una variedad de experimentos examinando algunos de los laboratorio escala energía umbrales^{23,8,24,25,26, 27}, con un énfasis en vivo combustibles asociados a chaparral. Mientras que al aire libre medidas de fuego pueden dar resultados más realistas, el ambiente controlado del túnel de viento permiten la delineación de los efectos de varios parámetros. Controlar el viento, por ejemplo, es especialmente importante para los fuegos de corona de chaparral que ocurre en regiones como el sur de California donde los vientos de tipo foehn, conocidos como vientos de Santa Ana, son típicos controladores de eventos de fuego. Porque un motivador importante para la metodología descrita aquí es estudiar el efecto del viento y otros parámetros controlados en chaparral fuego propagación, este estudio se realizó en un túnel de viento de escala de laboratorio. El lector es dirigido al trabajo por Silvani et al. ²⁸ para las mediciones de campo de temperatura en chaparral incendios similares a los presentados aquí. Para mediciones de campo sobre el efecto del viento en la propagación del fuego, por favor vea Morandi et al. ²⁹

Varios parámetros que influyen en la propagación en combustibles de chaparral se han analizado experimentalmente mediante la cuantificación de la probabilidadde fuego propagación éxito en camas de combustible elevado⁸. El presente estudio experimental implica una metodología desarrollada estudiar un incendio chaparral propagada por modelado de superficies combustibles y combustibles de corona dentro de la sección de prueba de un túnel de viento de baja velocidad. El combustible de superficie es modelado con excelsior (madera secada rallado). La cama de combustible superficial se coloca en la planta baja del túnel de viento sobre una escala estándar (ver figura 1). En representación de la cama de combustible de la corona, una cama con chamise se colocó sobre la cama de combustible superficial suspendiendo el combustible desde una plataforma montada en el marco de túnel de viento (ver figura 1). Ambas camas de combustible se instrumentan para la temperatura y las mediciones de pérdida de masa; geometría de la llama se obtiene de grabaciones en vídeo de los experimentos. Los parámetros medidos incluyen tasa de pérdida de masa, contenido de humedad del combustible y la humedad relativa del aire. Parámetros controlados fueron presencia de viento, distancia entre cama de superficie combustible y combustible corona y la presencia de superficie combustible. La tasa de pérdida de masa medido puede utilizarse para calcular la tasa de liberación de calor, que se define como:

donde h es el calor de la combustión, m es la masa de combustible, y t es tiempo.

Figura 1: túnel de viento experimental configuración. Ubicación de la cama de combustible de la corona, la cama de combustible superficial y el ventilador de túnel ha sido etiquetados para conveniencia. La cama de combustible superficial se coloca en la planta baja del túnel de viento sobre una escala estándar. En representación de la cama de combustible de la corona, una cama con chamise se colocó sobre la cama de combustible superficial suspendiendo el combustible desde una plataforma montada en el marco de túnel de viento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Experimentos se han centrado en entender el comportamiento de los fuegos de corona chaparral, particularmente encendido, mecanismos de propagación de la llama y propagación, velocidades de frente de llama y las tasas de consumo de combustible. Para estudiar la interacción entre un fuego de superficie y un incendio, se han quemado seis configuraciones de superficie y corona camas de combustible con y sin flujo de viento aplicada, en el túnel de viento: corona combustible solamente con y sin viento (2), corona y camas de combustible separados por la superficie dos distancias con y sin viento (4). La tabla 1 resume las configuraciones experimentales con las 6 clases experimentales. En la tabla, el parámetro de la cama de combustible superficie denota si superficie combustible estuvo presente durante el experimento, el parámetro de viento se refiere a la presencia de viento y altura de la corona se refiere a la distancia entre la parte inferior de la cama de combustible de la corona y la parte inferior de la superficie cama del combustible. Humedad de combustible fue medido para cada experimento pero no controlado, contenido de humedad del combustible promedio fue 48%, mientras que los valores mínimos y máximos fueron de 18% a 68%, respectivamente.

Clase	Superficie cama	Viento	Altura de corona
A	Ausente	Sin viento	60 o 70 cm
B	Ausente	1 ms-1	60 o 70 cm
C	Presente	Sin viento	60 cm
D	Presente	Sin viento	70 cm
E	Presente	1 ms-1	60 cm
F	Presente	1 ms-1	70 cm

Tabla 1: experimentar configuraciones. Aquí el parámetro de la cama de combustible superficie denota si superficie combustible estuvo presente durante el experimento, el parámetro de viento se refiere a la presencia de viento y altura de la corona se refiere a la distancia entre la parte inferior de la cama de combustible de la corona y la parte inferior de la cama de superficie combustible.

Una balanza electrónica mide superficie combustible masa y desarrollamos un sistema personalizado de pérdida de masa de la capa de la corona. El sistema consistió en las células de carga individual conectadas a cada esquina de la cama de combustible suspendidos. Cámaras de vídeo de calidad para consumidores registrados las llamas visuales; proceso de imagen de los datos visuales utilizando un script personalizado generado llama características como altura y ángulo. Se desarrolló un programa para convertir vídeo de RGB (rojo/verde/azul) codificación a blanco y negro mediante un proceso de umbral de intensidad de la luz. El borde de la llama se obtuvo de los fotogramas de video blanco y negro. Altura máxima de la llama fue definido como el punto más alto del borde del fuego, también se obtuvieron alturas llama instantánea. En una imagen, altura de la llama se midió desde la base de la cama de combustible al máximo punto vertical de la llama. Todos los códigos de procesamiento así como la interfaz de control de instrumento diseñado para este protocolo se han hecho disponible por los autores aquí a través de su sitio de software de acceso. Cosecha el combustible vivo localmente y realizar las quemas experimentales dentro de las 24 h reducen al mínimo la pérdida de humedad. Una matriz de termopar registró temperatura del lecho de combustible en la dirección del viento stream-wise que permite el cálculo de la tasa de cobertura. La figura 1 muestra un diagrama de la configuración de la cama de combustible junto con el arreglo de termopares. Siguen los detalles del protocolo experimental.

Protocol

PRECAUCIÓN: como varios pasos en el siguiente protocolo relacionados con actividades que tienen el potencial de causar lesiones, asegúrese de que el equipo de protección personal apropiado (PPE) se utiliza siguiendo los protocolos de seguridad establecidos incluyendo fuego ropa y gafas protectoras. 1. corona combustible cama carga celular configuración de instrumentación 4 modificar las abrazaderas en C colocando doble resorte Mosquetones de cierre (véase Tabla de mat…

Representative Results

Corona y llama superficie altura datos se obtuvieron de los datos de vídeo. Tendencias de altura llama típico para los experimentos se presenta en la figura 6. Llama altura comportamiento seguido que se encuentra en Sun et al. 14 Figura 6: calcula la altura de la llama coro…

Discussion

La capacidad de medir la masa de combustible elevado durante todo el experimento fue una de las principales ventajas de la técnica presentada aquí. Fuego del chaparral de abordar los estudios anteriores se han centrado en cualquier iniciación de fuego corona sólo o solamente en la superficie de extensión, pero no ambos. Tales estudios han cuantificado la posibilidad de ignición de la capa de la corona y han dejado el estudio de propagación para la labor futura²³. Nuestra metodología permit…

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