Vindtunnel experiment studera Chaparral Crown bränder
Summary
Det här protokollet beskriver vindtunnel experiment för att studera övergången av en eld från grunden till tak av chaparral buskar.
Abstract
Protokolls presenterar en laboratorium teknik utformad för att studera chaparral crown brand tändning och spridning. Experiment utfördes på en låg hastighet brand vindtunnel där två distinkta lager av bränsle byggdes för att representera yta och krona bränslen i chaparral. Chamise, en gemensamma chaparral buske, består det levande krona lagret. Döda bränsle ytskiktet byggdes med excelsior (strimlad trä). Vi utvecklade en metod för att mäta massförlust, temperatur, och flame höjd för både bränsle lager. Termoelement placerat i varje lager Beräknad temperatur. En video kamera fångade synliga lågan. Efterbearbetning av digital bildbehandling gav lågan egenskaper inklusive höjd och lågan tilt. En anpassad krona massförlust instrument egenutvecklade mätt utvecklingen av massan av crown lagret under bränningen. Massa förlust och temperatur trender erhållet med teknik som matchade teorin och andra empiriska studier. I denna studie presenterar vi detaljerade experimentella rutiner och information om de instrument som används. De representativa resultat för bränsle massförlust hastighet och temperatur inom bränsle sängen ingår även och diskuterade.
Introduction
I 2016 erfor delstaten Kalifornien sammanlagt 6,986 Nitti bränder, konsumerar 564,835 tunnland1, kostar miljontals dollar i skador, och riskera wellness av hundratals människor. På grund av det regionala medelhavsklimatet är en viktig energikälla för dessa bränder chaparral vegetation samhällen2. Brand spred sig i chaparral kan anses en crown brand eftersom det huvudsakliga bränslet som brinner är förhöjda3. Samexisterande med övervägande levande krona lagret, är det döda yta bränsle lager, som består av gjutna blad, grenar och örtartade växter som växer under och mellan de enskilda buskarna. Brand startar lättare i döda yta bränsle lagret. När surface elden antänder, kan elden övergång till crown lager där den energi som frigörs vid elden ökar dramatiskt. Chaparral bränder har vanligtvis varit modelleras som en brand sprider sig i djupa ytan bränslen4, har det varit begränsade studie av chaparral bränder som crown bränder.
Crown egenskaper i chaparral, inklusive lövverk partikelform, skiljer sig från boreala barrskogen, där forskningen har inträffat. Ett flertal laboratorie- och skala studier har undersökt olika aspekter av wildfire dynamics6,5,7,3,8,9,10 ,11,12. Inom sfären av laboratorieexperiment, flera studier har undersökt påverkan av parametrar såsom vind och bränslets egenskaper på chaparral crown brandegenskaper. Lozano7 undersökt egenskaperna hos crown brand initiering i närvaro av två diskreta crown bränsle sängar. I Tachajapong et al. 3, diskreta yta och crown lager brändes inne en vindtunnel och ytan elden präglades. Enda crown brand inledande beskrevs fullt lämnar fullständig analys av spridningen för framtida arbete. Li et al. 11 rapporterade om en flamutbredning dock enda chaparral buskar. I relaterade arbete, Cruz o.a. 10 , 9 utvecklat en modell för att förutsäga antändning av barrträd bladverk ovanför en fördelande yta brand. Burn kännetecken för chaparral bränslen har utforskats i experimentella studier av bulk bränslen och individen lämnar13,14,15,16. Dupuy o.a. 13 studerade Pinus pinaster nålar och excelsior brännande egenskaper vid förbränning av bränslen i cylindriska korgar. De konstaterade att i dessa bränslen, var flame höjd relaterad till värmeeffekt via en två femtedelar makt lag som har rapporterats tidigare i litteratur17,18. Solen o.a. 14 brände chaparral bränslen i liknande cylindriska korgar att analysera tre chaparral bränslen brännande egenskaper: chamise (Adenostoma fasciculatum), ceanothus (Ceanothus crassifolius) och manzanita ( Arctostaphylos glandulosa).
Motiveras av resultat från de ovan nämnda laboratoriestudierna, vårt syfte här är att presentera en metod för att karakterisera spridningen i både ytan och buske crown lager. Dessutom vill vi klargöra några av de viktigaste egenskaperna som bestämmer graden av surface-crown lager interaktion. Till detta ändamål har vi utvecklat en experimentell laboratoriemetodik för att studera vertikala övergången av en eld brinnande i Nitti ytan bränsle till en brand sprider sig i en förhöjd buske bränsle. I dessa typer av bränder, kan översättning av elden till buske kronan, känd som kröna, följas av varaktig spridning under rätt förutsättningar. Chaparral elden beteende styrs i allmänhet av topografi, väder och bränsle19. Det har visat att vinden påverkar energi Frisättningshastigheten i bränslen5,3,8,20.
Brand sprids i porösa bränslen kan ses som en serie övergångar eller tröskelvärden som måste passeras för att vara framgångsrik21. Energiskt, antänder en bränsle partikel om mängden värme som den erhåller resulterar i en blandning av gaser som framgångsrikt reagerar med syre. Resulterande lågan sprider om värmen från brinnande partikeln antänder en intilliggande bränsle partikel. Elden sprider sig över marken om det ska kunna korsa luckor mellan brännbart bränsleelement. Om lågan av en yta brand ska kunna propagerar vertikalt i kronan av buskar och träd, observeras ofta en betydande förändring i elden beteende, inklusive ökad värme release priser, på grund av en större tillgång till bränsle. Värmeenergi dynamics i Nitti bränder omfattar flera skalor, från de mycket stor skalan, sådan i mega-bränder som kräver ofta klimatologiska modellering, till lilla skala som kräver kemiska skala kinetiska modellering. Här, behandlar vi laboratorium vindtunnel skala beteende modellering; för kemiska skala cellulosa förbränning studier hänvisas till verk såsom Sullivan et al. 22
Sedan 2001 har vi genomfört en mängd experiment att undersöka några av laboratoriet skala energi tröskelvärden23,8,24,25,26, 27, med betoning på levande bränslen är associerad med chaparral. Medan utomhus mätningar av brand kan ge mer verklighetstrogna resultat, tillåter den Kontrollera miljön i vindtunneln för avgränsning av effekterna av olika parametrar. Styra vinden, är exempelvis särskilt viktig för chaparral crown bränder som inträffar i områden som södra Kalifornien där foehn typ vindar, känd som Santa Ana-vindarna, är typiska förare av brand händelser. Eftersom en viktig drivkraft för den metod som beskrivs här är att studera effekten av vind och andra kontrollerade parametrar på chaparral brandspridning, utfördes denna studie i ett laboratorium skala vindtunnel. Läsaren är riktad till arbetet av Silvani et al. 28 för fältmätningar av temperatur i chaparral bränder liknar de som presenteras här. För fältmätningar på effekten av vinden på brand sprids, vänligen se Morandi o.a. 29
Flera parametrar påverkar spridningen i chaparral bränslen har analyserats experimentellt av kvantifiera sannolikhetenav brand sprider framgång i förhöjda bränsle sängar8. Den nuvarande experimentell studien innebär en metod utvecklats att studera chaparral crown brand sprids genom modellering ytan bränslen och crown bränslen släpper avsnittet test i en låg hastighet vindtunnel. Yta bränslet är modellerad med excelsior (torkad strimlad trä). Yta bränsle sängen placeras på marknivå i vindtunneln över en standardskala (se figur 1). Som representerar crown bränsle sängen, en bränsle säng med chamise placerades över ytan bränsle sängen genom att avbryta bränslen från en plattform som monteras på ramen vindtunnel (se figur 1). Både bränsle sängar är instrumenterad för temperatur och massförlust mätningar. lågan geometri erhålls från videoinspelningar av experiment. Uppmätta parametrar inkluderar massförlust hastighet, bränsle fukthalt och den relativa fuktigheten i luften. Parametrar kontrolleras var vinden närvaro, avståndet mellan surface bränsle säng och kronan bränsle, och förekomsten av surface bränsle. Den uppmätta massförlust som kan användas för att beräkna den värmeeffekt, vilket definieras som:
där h är värmen i bränsleförbränning, m är massan av bränsle, och t är tiden.
Figur 1: vindtunnel experiment. Platser av crown bränsle sängen, surface bränsle sängen och tunnel fläkten har märkts för bekvämlighet. Yta bränsle sängen placeras på marknivå i vindtunneln över en standardskala. Som representerar crown bränsle sängen, placerades en bränsle säng med chamise över ytan bränsle sängen genom att avbryta bränslen från en plattform som monteras på ramen vindtunnel. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Experiment har fokuserat på att förstå beteendet hos chaparral crown bränder, särskilt tändning, mekanismer för brandspridning och spridning, flame främre hastigheter och bränsleförbrukning. För att studera interaktionen mellan en yta brand och en crown brand, sex konfigurationer av ytan och crown bränsle bäddar med och utan tillämpad vind flöde, har bränts i vindtunneln: crown bränsle endast med och utan vind (2), crown och ytan bränsle sängar åtskilda av två sträckor med och utan vind (4). Tabell 1 sammanfattar de experimentella konfigurationerna med 6 experimentella klasser. I tabellen betecknar surface bränsle säng parametern om surface bränsle var närvarande under experimentet, vind parametern refererar till förekomsten av vind och kronan höjd avser avståndet mellan botten av crown bränsle sängen och botten av ytan bränsle-säng. Bränsle fukt var mätt för varje experiment men inte kontrolleras, genomsnittlig bränsleförbrukning fukthalten var 48%, medan de lägsta och högsta värden var 18 till 68%, respektive.
| Klass | Yta bränsle säng | Vind | Crown höjd |
| A | Frånvarande | Ingen vind | 60 eller 70 cm |
| B | Frånvarande | 1 ms-1 | 60 eller 70 cm |
| C | För närvarande | Ingen vind | 60 cm |
| D | För närvarande | Ingen vind | 70 cm |
| E | För närvarande | 1 ms-1 | 60 cm |
| F | För närvarande | 1 ms-1 | 70 cm |
Tabell 1: experimentera konfigurationer. Här betecknar parametern ytan bränsle säng om surface bränsle var närvarande under experimentet, vind parametern refererar till förekomsten av vind och kronan höjd avser avståndet mellan botten av crown bränsle sängen och längst ned på surface bränsle sängen.
En elektronisk våg mäts ytan bränsle massa och vi utvecklat en anpassad massförlust system för crown skiktet. Systemet bestod av enskilda lastceller ansluten till varje hörn av suspenderade bränsle sängen. Konsument-grade videokameror registreras de visuella lågorna; bildbehandling av visuella data med hjälp av ett anpassat skript genereras lågan egenskaper inklusive höjd och vinkel. Ett program har utvecklats för att konvertera video ramar från RGB (röd/grön/blå) kodning till svartvitt genom en process av ljusintensiteten tröskelvärde. Kanten av lågan erhölls från de svarta och vita videobildrutorna. Maximala lågan höjd definierades som den högsta punkten av lågan kanten, momentana låga höjder erhölls också. I en bild mättes flame höjd från basen av bränsle sängen till den maximala vertikala punkten av lågan. Alla bearbetning koder samt de instrument kontroll gränssnitt utformat för detta protokoll har gjorts tillgängliga av författarna här genom sin programvara access-webbplatsen. Skörda den levande bränslen lokalt och genomföra experimentella brännskador inom 24 h minimerat fuktförlust. Ett termoelement matris in bränsle bäddtemperatur i stream-wise vindriktningen möjliggör beräkning av grundfaktor. Figur 1 visar ett diagram över inställningen bränsle säng tillsammans med termoelement arrangemanget. Detaljer i experimentell protokollet följer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Förmågan att mäta förhöjda bränsle massan i hela experimentet var en av de främsta fördelarna med tekniken presenteras här. Tidigare studier adressering chaparral brand har fokuserat på antingen bara crown brand initiering eller bara på ytan sprids, men inte båda. Sådana studier har kvantifierade risken för antändning i crown lager och har lämnat studien av spridningen för framtida arbete23. Vår metodik tillåter mätning av massförlust, temperaturfördelning och lågan geometri…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill erkänna Benjamin Sommerkorn, Gabriel Dupont, Jake Eggan och Chirawat Sanpakit som bistod med de experiment som presenteras här. Jeanette Cobian Iñiguez erkänner stöd av NASA MUREP institutionella forskning möjlighet (MIRO) licensnummer NNX15AP99A. Detta arbete har också finansierats av USDA/USDI nationella brand Plan genom en överenskommelse mellan USDA Forest Service, PSW forskningsstation och 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).
