Windkanal-Experimente, Chaparral Krone Brände zu studieren

Im Jahr 2016 erlebt der US-Bundesstaat Kalifornien insgesamt 6.986 Waldbrände, verbrauchen 564.835 ha¹, kostet Millionen von Dollar an Schaden, und das Wohlbefinden von Hunderten von Menschen zu riskieren. Wegen des regionalen mediterranen Klimas eine wichtige Energiequelle für diese Brände sind Chaparral Vegetation Gemeinden². Feuer im Chaparral verbreiten kann einem Vollfeuer betrachtet werden, da als Brennstoff, der brennt erhöhten³ist. Mit dem überwiegend live Krone-Layer nebeneinander existieren, ist der tot Oberfläche Kraftstoff-Schicht, die besteht aus Guss Laub, Zweige und krautige Pflanzen, die unter und zwischen den einzelnen Sträuchern wachsen. Feuer wird in der tot Oberfläche Kraftstoff-Schicht leichter einleiten. Sobald das Bodenfeuer entzündet, kann das Feuer auf die Krone Ebene Übergang wo die Energie, die durch das Feuer drastisch erhöht. Während Chaparral Brände in der Regel als ein Feuer breitet sich in tief Oberfläche Brennstoffe⁴nachempfunden wurde, wurde als Kronenfeuer begrenzt Studie Chaparral Brände.

Krone-Eigenschaften im Chaparral, einschließlich Laub Kornform, unterscheiden sich von borealen Nadelwald, wo die meisten der Forschung stattgefunden hat. Zahlreichen Labor- und Studien haben verschiedene Aspekte von Wildfire Dynamik^{6,5,7,3,8,9,10 untersucht. ,11,12}. Innerhalb des Reichs von Laborexperimenten mehrere Studien untersuchten den Einfluss von Parametern wie Wind und Brennstoffeigenschaften Chaparral Krone Brandverhalten. Lozano⁷ untersuchten Merkmale der Krone Feuer Einweihung im Beisein von zwei diskreten Krone Kraftstoff Betten. In Tachajapong Et al. ³, diskrete Oberfläche und Krone Schichten wurden in einem Windkanal verbrannt und das Bodenfeuer zeichnete. Nur Krone Feuer Einleitung wurde vollständig beschrieben vollständige Analyse der Ausbreitung für die künftige Arbeit zu verlassen. Li Et al. ¹¹ berichtete über die Ausbreitung von Flammen aber einzelne Chaparral Sträuchern. In verwandte Arbeiten, Cruz Et al. ^{10 , 9} entwickelt ein Modell, um die Zündung der Nadelbäume Laub über einen sich ausbreitenden Bodenfeuer vorherzusagen. Brennen Eigenschaften Chaparral Brennstoffe in experimentellen Studien Bulk Brennstoffe erkundet worden und einzelne Blätter^13,14,15,16. Dupuy Et al. ¹³ untersucht die brennenden Eigenschaften von Pinus Pinaster Nadeln und Excelsior durch Verbrennung von Brennstoffen in zylindrischen Körben. Sie beobachtet, dass in dieser Kraftstoffe, Flammenhöhe Hitze Freisetzungsrate über eine zwei-Fünftel Potenzgesetz bezog sich auf wie bisher in der Literatur^17,18berichtet wurde. Sun Et al. ¹⁴ Chaparral Brennstoffe in ähnlichen zylindrischen Körben zu analysieren, die brennenden Eigenschaften der drei Chaparral Brennstoffe verbrannt: Chamise (Adenostoma Fasciculatum), Ceanothus (Ceanothus Crassifolius) und Manzanita ( Arctostaphylos Glandulosa).

Motiviert durch Ergebnisse aus den oben genannten Laboruntersuchungen, ist unser Ziel hier, eine Methode zur Verbreitung in Oberfläche und Strauch Krone Schichten charakterisieren zu präsentieren. Darüber hinaus wollen wir einige der wichtigsten Merkmale zu klären, die den Grad der Oberfläche-Krone Schicht Interaktion zu diktieren. Zu diesem Zweck entwickelten wir eine Versuchslabor Methode zur Untersuchung des vertikalen Übergangs in eine Wildland Oberfläche Öl ein Feuer breitet sich in einer erhöhten Strauch Kraftstoff brennt ein Feuer. In diesen Arten von Bränden kann nachhaltige Verbreitung unter den richtigen Bedingungen Übersetzung des Feuers auf die Strauch-Krone, bekannt als Krönung, gefolgt sein. Im Allgemeinen ist Chaparral Brandverhalten von Topographie, Wetter und Kraftstoff¹⁹diktiert. Es hat sich gezeigt, dass Wind Energiefreisetzungsrate in den Brennstoffen^5,3,8,20beeinflusst.

Feuer in porösen Brennstoffe zu verbreiten kann angezeigt werden, als eine Reihe von Übergängen oder Schwellenwerte, die überquert werden müssen, um erfolgreich²¹zu sein. Energetisch, zündet ein Kraftstoff-Teilchen ergibt die Menge von Hitze, die es empfängt in einem Gemisch von Gasen, die erfolgreich mit Sauerstoff reagieren. Die resultierende Flamme breitet sich, wenn die Wärme aus dem brennenden Teilchen ein Teilchen neben Kraftstoff entzündet. Das Feuer breitet sich über den Boden, wenn es Lücken zwischen brennbaren Brennelemente zu überwinden vermag. Wenn die Flamme ein Bodenfeuer vertikal in die Krone von Sträuchern und Bäumen ausbreiten kann, ist eine wesentliche Änderung im Brandverhalten, einschließlich erhöhte Hitze Freisetzungsraten, oft durch eine höhere Verfügbarkeit des Brennstoffes beobachtet. Thermische Energie Dynamik in Waldbrände umfassen mehrere Skalen, von der sehr großen Skala, solche Mega-Brände erfordern oft klimatologischen Modellierung der kleinen Robbe erfordern chemische Skala kinetische Modellierung. Hier beschäftigen wir uns mit Labor Windkanal Skala Verhalten modellieren; für chemische Zellulose Verbrennung Studien wird der Leser Werke wie Sullivan Et Al. bezeichnet. ²²

Seit 2001 führten wir eine Vielzahl von Experimenten untersucht einige der Labor Maßstab Energie Schwellenwerte^{23,8,24,25,26, 27}, mit einem Schwerpunkt auf live Brennstoffe Chaparral zugeordnet. Während im freien Messungen des Feuers mehr realistische Ergebnisse liefern können, die kontrollierte Umgebung des Windkanals ermöglichen Abgrenzung der Auswirkungen der verschiedenen Parameter. Steuerung von Wind, ist zum Beispiel besonders wichtig für Chaparral Krone Brände, die in Regionen wie Südkalifornien, wo Art Föhnwinde, bekannt als Santa-Ana-Winde, typische Fahrer Feuer Ereignisse sind. Denn eine große Motivation für die hier beschriebene Methode ist es, die Wirkung des Windes zu untersuchen und anderen kontrollierten Parameter Chaparral verbreitet Feuer, wurde diese Studie in einem Labor-Maßstab-Windkanal durchgeführt. Der Leser richtet sich an die Arbeit von Silvani Et al. ²⁸ für Feldmessungen der Temperatur im Chaparral Feuer ähnlich denen, die hier vorgestellt. Feldmessungen über die Wirkung des Windes auf Feuer verteilt finden Sie unter Morandi Et al. ²⁹

Mehrere Parameter beeinflussen die Ausbreitung in Chaparral Brennstoffe wurden experimentell analysiert durch Quantifizierung der Wahrscheinlichkeitdes Feuers verbreiten Erfolg in erhöhter Kraftstoff Betten⁸. Die aktuelle experimentelle Studie beinhaltet eine Methodik entwickelt, Chaparral Vollfeuer studieren durch Modellierung Oberfläche Brennstoffe und Krone Brennstoffe innerhalb der Messstrecke von langsamem Windkanal verbreitet. Die Oberfläche Kraftstoff wird mit Excelsior (getrocknete zerkleinerte Holz) modelliert. Die Oberfläche Brennstoff-Bett befindet sich im Erdgeschoss des Windkanals auf einer Standardskala (siehe Abbildung 1). Stellvertretend für die Krone-Brennstoff-Bett, ein Brennstoff-Bett mit Chamise über der Oberfläche Brennstoff-Bett durch die Aussetzung des Kraftstoffs von einer Plattform auf dem Windkanal-Rahmen montiert platziert wurde (siehe Abbildung 1). Beide Kraftstoff-Betten sind für Temperatur und Masseverlust Messungen instrumentiert; Flammengeometrie wird aus Videoaufnahmen von Experimenten gewonnen. Gemessene Parameter umfassen Masse Verlustrate, Kraftstoff Feuchtigkeitsgehalt und die Relative Feuchte der Luft. Parametern gesteuert waren Wind Präsenz, Abstand zwischen Oberfläche Brennstoff-Bett und Krone-Brennstoff-Bett, und das Vorhandensein von Oberfläche Kraftstoff. Die gemessene Massenverlust Rate lässt sich die Hitze Freisetzungsrate berechnen definiert als:

wo h ist die Hitze der Verbrennung, m ist die Kraftstoffmasse und t ist Zeit.

Abbildung 1: Versuchsaufbau Windkanal. Standorte der Krone-Brennstoff-Bett, die Oberfläche Brennstoff-Bett und der Tunnel-Lüfter haben für Bequemlichkeit beschriftet worden. Die Oberfläche Brennstoff-Bett befindet sich im Erdgeschoss des Windkanals auf einer Standardskala. Stellvertretend für die Krone-Brennstoff-Bett, war ein Brennstoff-Bett mit Chamise über der Oberfläche Brennstoff-Bett gelegt, durch die Aussetzung des Kraftstoffs von einer Plattform auf dem Windkanal-Rahmen montiert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Experimente konzentrierten sich auf das Verständnis des Verhaltens von Chaparral Krone Bränden, insbesondere Zündung, Mechanismen der Flammenausbreitung und Ausbreitung, Flamme vorne Geschwindigkeiten und Kraftstoffverbrauch. Um die Interaktion zwischen einer Oberfläche und einer Krone Feuer zu studieren, haben sechs Konfigurationen von Oberfläche und Krone Kraftstoff-Betten mit und ohne angewandte Windströmung, im Windkanal verbrannt worden: Krone Kraftstoff nur mit und ohne Wind (2), Krone und Kraftstoff Betten getrennt von der Oberfläche zwei Strecken mit und ohne Wind (4). Tabelle 1 fasst die experimentellen Konfigurationen mit den 6 experimentellen Klassen. In der Tabelle kennzeichnet die Oberfläche Kraftstoff Bett Parameter ob Oberfläche Kraftstoff anwesend während des Versuchs war, die Wind-Parameter bezieht sich auf das Vorhandensein von Wind und Krone Höhe den Abstand zwischen der Unterseite des Krone-Brennstoff-Bett und dem unteren Rand der Oberfläche bezeichnet Brennstoff-Bett. Brennstoff Feuchtigkeit für jedes Experiment gemessen wurde, aber nicht gesteuert, durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch Feuchtigkeitsgehalt betrug 48 %, während die minimale und maximale Werte waren 18 % bis 68 %, beziehungsweise.

Tabelle 1: Konfigurationen experimentieren. Hier gibt der Oberfläche Kraftstoff Bett Parameter an, ob Oberfläche Kraftstoff anwesend während des Versuchs war, die Wind-Parameter bezieht sich auf das Vorhandensein von Wind und Krone Höhe den Abstand zwischen der Unterseite des Krone-Brennstoff-Bett und dem unteren Rand der Oberfläche Brennstoff-Bett bezeichnet.

Eine elektronische Waage gemessen Oberfläche Kraftstoff Masse und wir entwickelten ein benutzerdefinierte Masseverlust System für die Krone-Schicht. Das System bestand aus einzelnen Wägezellen an jeder Ecke des Bettes abgehängte Kraftstoff angeschlossen. Handelsübliche Videokameras aufgezeichnet die visuelle Flammen; Bildverarbeitung der visuellen Daten mithilfe eines benutzerdefinierten Skripts generiert Flamme Eigenschaften wie Höhe und Winkel. Eine Programm wurde entwickelt, um video-Frames von RGB (rot/grün/blau) in schwarz und weiß durch einen Prozess der Lichtintensität Schnittstellenüberwachung Codierung umwandeln. Der Rand der Flamme aus der schwarzen und weißen Videoframes ermittelt. Maximale Flammenhöhe wurde definiert als der höchste Punkt der Flamme Kante, momentane Flamme Höhen wurden auch erhalten. In einem Bild wurde Flammenhöhe von der Basis des Brennstoff-Bett auf die maximale vertikale Punkt der Flamme gemessen. Alle Verarbeitung-Codes sowie die Instrument Control Interface für dieses Protokoll haben die Autoren hier durch ihre Software-Access-Website zur Verfügung. Ernte des live Kraftstoffs vor Ort und Durchführung der experimentellen verbrennt innerhalb von 24 h minimiert Feuchtigkeitsverlust. Ein Thermoelement-Array Bett Kraftstofftemperatur in Windrichtung stream-wise ermöglicht die Berechnung der Streumenge aufgezeichnet. Abbildung 1 zeigt ein Diagramm der Kraftstoff Bett Einrichtung sowie das Thermoelement-Arrangement. Details des experimentellen Protokolls folgen.