Влияние внешнего поля скоростей на распространение ландшафтного пожара

Лесные массивы являются важнейшим фактором, влияющим на поведения воздушных потоков. Существует множество факторов влияющих на поведение ветра в лесу: рельеф

Влияние внешнего поля скоростей на распространение ландшафтного пожара

Курсовой проект

Безопасность жизнедеятельности

Другие курсовые по предмету

Безопасность жизнедеятельности

Сдать работу со 100% гаранией

Оглавление

 

Введение

Обзор работ в области моделирования поля скоростей при обтекании лесных массивов

Изучение метода Крупных частиц на разнесенной сетке

Уравнение газовой динамики в дивергентной форме

Схема расщепления

Разбор модели и ее реализация

Метод Харлоу

Эйлеров этап

Лагранжев этап

Результаты и их описание

Заключение

Список литературы

 

Введение

 

Лесные массивы являются важнейшим фактором, влияющим на поведения воздушных потоков. Существует множество факторов влияющих на поведение ветра в лесу: рельеф рассматриваемой области, проницаемость леса и т.д. Разные виды лесных препятствий обладают соответствующими коэффициентами проницаемости, которые могут в большой степени повлиять на движение воздушных потоков, а именно, создавать воздушные вихри. Вихри в свою очередь могут повлиять на пожар, как с плохой, так и с хорошей стороны: приводить к затуханию пожара или ускорять распространение пожара [19]. Следовательно, изучение поведения воздушных потоков в лесу дает возможность повлиять на распространение пожара в лесных массивах в хорошую либо же плохую сторону, где в плохом случае: воздушные вихри при пожаре могут перерасти в огненный смерч, который в свою очередь ускоряет распространение пожара. Изучение разных коэффициентов проницаемости для разных видов лесов дает понять, как может ветер в лесу повлиять на распространение пожара и в каких лесных породах более вероятно появления воздушных завихрений. Из данных выводов можно рассматривать правильность посадки леса на разных территориях, так как от расположения и формы леса зависит распространение воздушных потоков [6]. То есть при правильном расположении леса, можно избежать быстрого распространения пожара. Но при распространении пожара так же нужно учитывать борьбу с очагами, где большое влияние оказывает правильность посадки лесных массивов на местности, а именно, близкое расположения песка или воды для тушения и ближайших безлесных полос на распределении осадков. Из выше сказанного можно сказать, что исследование поведения ветра в лесных массивах может повлиять на время, требуемое для борьбы с пожаром, а также дает представление, какое влияние могут оказать вихри, появившиеся при прохождения воздушных потоков через лес, на возникший очаг пожара.

Целью работы является изучение влияния различных типов растительности на формирование поля скоростей как вокруг лесных массивов, так и внутри них, для исследования распространения пожара.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

-Изучение литературы по данной тематике

-Изучение метода Крупных частиц на разнесенной сетке

-Разбор модели и ее реализации

-Проведение тестирования программного продукта

-Проведение расчетов и их анализ

Обзор работ в области моделирования поля скоростей при обтекании лесных массивов

 

Самые первые экспериментальные работы в виде исследования по изучению влияние леса на воздушные потоки, ставшие классическим, сделаны Н.С. Нестеровым в 1904-1906 гг. под Москвой (Нестеров, 1908) [17]. В данных работах было определено, как изменяется скорость ветра перед лесным массивом, в лесу и за лесом. Так же в работе было установлено появление воздушного прибоя вблизи лесного массива при движении воздушного потока с открытого места к лесу и его движения вблизи леса. Согласно данным Н.С. Нестерова если скорость ветра открытого места взять за 100, то при подходе к лесу скорость начинает изменяться следующим образом: 110м- 100%, 76 м- 84%, 30 м- 98%. Часть воздуха поднимается в верхнюю точку рассматриваемой области, часть входит в лесной массив. При попадании в лес сила ветра уменьшается. На заветренной стороне с удалением от леса, где дует ветер, скорость постепенно увеличивается, и по данным Н.С. Нестерова [17]., на расстоянии 50-кратной высоты древостоя воздушный поток преобразуется в такую же силу ветра, какую он имел перед лесным массивом. В единичных случаях, это расстояние повышается до 60-100-кратной высоты (Бордов, 1937) [10]. Как показала работа Г.Н. Высоцкого (Высоцкий, 1930) [12], наиболее насыщенное действиями влияние леса, проходит на расстояние, равное 10-20-кратной высоте лесного массива. Последующие исследования (Матякин, 1952) [16]; (Панфилов, 1935) [11]; (Бяллович, 1939) [11] дают возможность в качестве средней практической продержки для использования ее в пылезащищенном лесоразведении назвать 30-40-кратную высоту лесной полосы. Расстояние, на котором может появиться защитной действие леса, зависит не только от высоты лесных массивов, но также от силы и скорости воздушных потоков, разновидности леса, его дальности в глубину и по длине, пространственного расположения лесных полос и их структуры.

Теоретическое представление движения воздушного потока за пределами лесных массивов и в них, было описано Найжелом (1943), Гейгер (1951), Креутс (1952) и Глойни (1954) [20]. Первые предположения о том, что внутри леса профиль скорости ветра u(z) не похож на профиль ветра над открытой однородной поверхностью, были выдвинуты еще в 1930-е годы Л.Прандтлем. Однако систематические, экспериментальные и теоретические работы в виде исследования ветра внутри растительного массива начались только через 30 лет. На рис. 1 представлены однозначные профили ветра в слоях проницаемой шероховатости ht (растительность, городская застройка, дождевальная установка) [20].

 

Рисунок 1 - Профили скорости ветра в различных слоях проницаемой шероховатости [7]. − скорости ветра в посеве кукурузы высотой 0,7м; b −схема профиля скорости в городской застройке [5]; −распределения ветра в слое капель системы охлаждения АЭС высотой 6 м [13].

 

Воздушная "подушка" с низкой скоростью ветра, была определенна Найджелом в 1943 году на наветренной стороне пояса. На рисунке 1 видно, что воздушная "подушка" находиться в профиле скорости от земли до самого верха препятствия и горизонтальный поток воздуха двигается по гладкой наклонности этой воздушной "подушки" Некоторые отверстия воздушного потока проходят через воздушную "подушку" и через защищенную лесополосу. В защищенной лесополосе есть явное ускорение в сравнении со скоростью непрерывного ветра в доступных условиях далеко от леса. Выше защищенной лесополосы есть другая воздушная "подушка" малых размеров и на высоте этой воздушной "подушки" присутствует быстрое ускорение. Самая обширная воздушная "подушка" присутствует на самом высоком крае стороны, где дует ветер, клонящийся постепенно от самой высокой точки пояса к земле. На стороне, где присутствуют воздушные потоки выше деревьев и выше воздушной "подушки", есть прирост скорости течения.

Движение воздушных масс в лесном массиве можно описать нестационарными трехмерными интегральными уравнениями [19], которые заданы в объеме Ω с поверхностью S с учетом пористости ξ, которые можно записать в виде:

 

(1)

(2)

,(3)

воздушный поток лесной массив

где t - время; p - давление; ρ - плотность; e - внутренняя энергия; U - вектор скорости воздуха; n - единичная нормаль к границе S; оператор - проекция на нормаль , F - сила сопротивления элементов лесного массива.

На распространение воздушных масс в лесных массивах оказывает влияние интенсивность взаимодействия между элементами вершин деревьев и воздухом. В связи с тем, что в лесном массиве присутствует спектр характерных размеров твердой фазы - от нижней части деревьев с характерным размером с метр, до хвои с характерным размером с миллиметром, то зависимость значимой силы межфазного трения может иметь не простую структуру [19],.

Для оценки сравнения и определения режима обтекания верхушки и ствола деревьев берем среднюю скорость потока воздушной массы U ~ 10 м/с, плотность воздуха ρ ~ 1 кг/м3, вязкость воздуха η ~ 1.8·10-5 Па·с. При таких значениях число Рейнольдса обтекания отдельных иголок хвойных пород имеет величину порядка ~5·102. При обтекании нижней части деревьев, крупных ветвей и листьев число Рейнольдса выходит за рамки критического значения и обтекание этих элементов происходит в турбулентном режиме. Сила сопротивления, действующая на отдельные нижние части деревьев, может быть представлена с помощью известных зависимостей для коэффициентов сопротивления круглого цилиндра [3].

Силу сопротивления не связанных иголок хвойных лесных массивов также можно, оценить как силу сопротивления цилиндров. Однако в густых верхушках деревьев процессы обтекания не связанных иголок влияют друг на друга. Поэтому сила сопротивления иголок веток не похожа на сумму сил сопротивления отдельных иголок и ее нужно изучать как силу, действующую на ветку в целом.

В работе [19] приводятся экспериментальные исследования для веток деревьев кедровой сосны и веток ели. Экспериментальные исследования [19] привели к тому, что при скоростях ветра до 20 м/с силы сопротивления иголок во много раз больше силы сопротивления ветки, на которой крепятся иголки. Поэтому в следующих исследованиях силы сопротивления изучались в зависимости только от числа Рейнольдса, полученного по диаметру иголок. Автор этой работы делает предположение, что сила сопротивления, единицы объема верхушки дерева F, входящая в уравнение движения (1), пропорциональна массе веток в этом объеме. Для наиболее распространенных видов лесных массивов массы и размеры верхушек деревьев подробно изучены биологами. Поэтому, сила сопротивления ветки представлялась в виде [19]:

 

(4)

где - масса исследуемой ветки, (Re) - коэффициент сопротивления. Тогда, зная функцию (Re) силу сопротивления F можно вычислять по формуле [19]:

(5)

 

Для методики определения функции (Re) в настоящей работ

Похожие работы

1 2 3 4 5 > >>