Математическое моделирование возникновения верховых и массовых лесных пожаров (06.12.2010)

Автор: Перминов Валерий Афанасьевич

Перминов Валерий Афанасьевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВЕРХОВЫХ И МАССОВЫХ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора

физико-математических наук

Томск-2010

Работа выполнена на кафедре физической и вычислительной механики механико-математического факультета государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Томский государственный университет».

Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор физико-математических наук,

профессор А.М.ГРИШИН

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук,

профессор Л.К. Гусаченко

Доктор технических наук,

профессор Г.А.ДОРРЕР

Доктор физико-математических наук,

профессор В.А.ЯКУТЕНОК

Ведущая организация: Федеральное государственное

учреждение «Всероссийский научно-

исследовательский институт

противопожарной обороны» МЧС России

(г.Балашиха, Московская обл.).

Защита состоится "4" марта 2011 г. в 10.30 час. в 239 ауд. НИИПММ на заседании диссертационного совета Д 212.267.13 при ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу: 634050, г.Томск, пр.Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу: 634050 г.Томск, пр.Ленина, 34а .

Автореферат разослан : "_____ " __________2011 г.

Ученый секретарь диссертационного Ю.Ф. Христенко

совета, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Ежегодно в России возникают десятки тысяч лесных пожаров, в результате которых сгорает более 1 млн. га леса. Еще большее количество леса при этом повреждается, а затем гибнет. Например, тепловое излучение от фронта пожара непосредственно воздействует на камбиальный слой дерева, а это приводит к его гибели. Кроме того, за счет теплопередачи тепла в почву изменяется её химический состав и структура, микрофлора и фауна почвы, повреждаются поверхностные корни деревьев. Ущерб от лесных пожаров не ограничивается стоимостью уничтоженной древесины, которая не превышает 10% от всех полезных свойств леса (почвозащитных, водоохранных, кислородопроизводящих, санитарно-гигиенических и др.). Различные виды лесных пожаров (низовые, верховые, почвенные и др.) представляют собой опасные стихийные бедствия, приносящие огромный ущерб и создающие угрозу для людей и материальных ресурсов, находящихся вблизи районов их возникновения и развития.

Так в июле и начале августа 2010 года лесные пожары в Европейской части России и на Урале охватили огромную площадь. Согласно данным Федерального агентства лесного хозяйства, общая площадь, пройденная огнем с начала года по 3 августа включительно существенно превысила миллион гектаров. По данным МЧС, представленным в Интернете, от 4 августа, при лесных пожарах погибли 50 человек. Полностью или частично сгорело не менее 130 населенных пунктов. Сгорела крупная военная база в Московской области. Ущерб от пожаров примерно сравнялся с годовым финансированием всего лесного хозяйства страны. Пожар проник на территорию Федерального ядерного центра в Сарове Нижегородской области, и с большим трудом был потушен. Многие крупные города и целые регионы Европейской России неделями существовали в условиях опасного для жизни людей задымления, местами видимость составляла лишь несколько десятков метров. Это вызвало частичную отмену авиасообщения и затрудняло автодорожное движение. По данным Национального аэрокосмического агентства США (NASA), облако дыма от лесных пожаров в Европейской части России по состоянию на 4 августа 2010 года достигло ширины в три тысячи километров. Дым от лесных пожаров проник в стратосферу на высоту около двенадцати километров. На такой высоте он может переноситься на очень большие расстояния.

Возникновение и распространение лесных пожаров зависят от различных условий (климатических: скорости ветра, температуры окружающей среды, состояния атмосферы и т.д.) рельефа местности и других факторов. Одной из наиболее опасных форм лесных пожаров являются верховые, на долю которых приходится 70% выгоревшей площади и наибольшие убытки.

Повышенное внимание к данной проблеме обусловлено также воздействием крупных лесных пожаров на приземный слой атмосферы, что вызывает климатические (понижение температуры среды за счет задымленности территорий приводит к гибели или более позднему вызреванию сельскохозяйственных культур) и экологические последствия. Примером может служить образование зон горения радиусом в несколько километров в результате взрывов, сопровождающихся мощными потоками светового излучения (Тунгусский взрыв 1909 года, взрывы легковоспламеняющихся жидкостей, ядерные взрывы и т.д.). При определенных условиях (метеорологических, рельеф местности и др.) могут возникнуть массовые пожары («огненный шторм», огненные смерчи), в результате которых имеет место штормовая скорость ветра, реализуются высокие температуры, а газообразные продукты горения поднимаются на большую высоту и переносятся на значительные расстояния. Экспериментальные исследования лесных пожаров являются, как правило, дорогостоящими, а в некоторых случаях просто невозможными. В связи с этим большое значение имеет математическое моделирование возникновения и развития лесных пожаров.

Цель работы состоит в постановке и теоретическом исследовании задач возникновения верховых лесных пожаров в результате перехода низовых лесных пожаров в верховые при наличии и в отсутствии ветра, распространения верховых лесных пожаров, в том числе в лесах подверженных радиоактивному загрязнению, а также возникновения крупномасштабных лесных пожаров под воздействием светового излучения на лесные массивы, возникающего вследствие природных и техногенных катастроф c учетом двухтемпературности среды.

Методика исследования. Исследование проводилось с помощью метода математического моделирования физических процессов1). Он основывался на численном решении одномерных, двумерных и трехмерных уравнений Рейнольдса для турбулентного течения с учетом уравнений диффузии для химических компонентов и уравнений сохранения энергии для газовой и конденсированной фаз. Для получения дискретных аналогов использовался метод контрольного объема2). Применялся метод расщепления по физическим процессам, то есть вначале рассчитывалась структура течения и распределения скалярных функций без учета химических реакций, а затем решались уравнения химической кинетики и учитывались источниковые члены в уравнениях для определения температуры и концентраций компонент. Методика решения реализована в виде комплекса программ для персональных компьютеров.

_________________________________

1 Гришин А.М. Математические модели лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск: Наука, 1992. 408 с.

2. Патанкар С.В. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.

Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации. Все представленные в диссертации результаты и выводы получены автором лично. Постановки задач о переходе низового лесного пожара в в верховой с учетом и в отсутствии ветра в двумерном случае, а также возникновения крупномасштабных массовых пожаров для двухтемпературной среды, были получены автором работы лично на основе общей математической модели лесных пожаров разработанной профессором Гришиным А.М. В результате их решения в 1995 году была защищена кандидатская диссертация (научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор А.М. Гришин). Также автором диссертации, на основе метода контрольного объема, лично была разработана и протестирована численная методика решения задач возникновения верховых и массовых лесных пожаров.

Математическая модель задачи о переходе низового лесного пожара в верховой в пространственном трехмерном случае была разработана автором диссертации самостоятельно. Также осредненная по высоте полога леса, постановка задачи о распространении двумерного фронта верхового лесного пожара, в том числе в лесах подверженных радиоактивному загрязнению, выполнена автором диссертации.

При решении задачи о возникновении лесного пожара в результате взрыва Тунгусского метеорита при разработке постановки задачи принимал участие Ефимов К.Н. (учет излучения на стадии полета Тунгусского метеорита). В результате с указанным выше ученым имеются совместные публикации.

Научная новизна работы состоит в следующем:


загрузка...