firesmiПожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion SafetyPozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety0869-74932587-6201ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.22227/0869-7493.2022.31.03.34-44firesmi-1115Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММMATHEMATICAL MODELING, NUMERICAL METHODS AND PROGRAM COMPLEXESМатематическое моделирование процессов инертного прогрева и пиролиза элемента лесного горючего материала при воздействии фронта лесного пожара с учетом процесса образования сажиMathematical simulation of inert heating and pyrolysis of forest fuel under the influence of a forest fire front, if the process of sooting is taken into accounthttps://orcid.org/0000-0001-9202-8171БарановскийН. В.BaranovskiyN. V.

Барановский Николай Викторович, канд. физ.‑мат. наук, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова, Инженерная школа энергетики

РИНЦ ID: 127290; Scopus Author ID: 6505672018; ResearcherID: A-4224-2014

634050, г. Томск, пр-т Ленина, 30

Nikolay V. Baranovskiy, Cand. Sci. (Phys.‑Math.), Associate Professor of the Butakov Research Center, School of Energy & Power Engineering

ID RISC: 127290; Scopus Author ID: 6505672018; ResearcherID: A-4224-2014

Lenina Prospekt, 30, Tomsk, 634050

firedanger@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0997-4747ВяткинаВ. А.VyatkinaV. A.

Вяткина Виктория Андреевна, аспирант Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова, Инженерная школа энергетики

Scopus Author ID: 57219222597

634050, г. Томск, пр-т Ленина, 30

Viktoriya A. Vyatkina, Postgraduate Student of the Butakov Research Center, School of Energy & Power Engineering

Author ID: 57219222597

Lenina Prospekt, 30, Tomsk, 634050

kirienkvik@gmail.comНациональный исследовательский Томский политехнический университетРоссияNational Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian Federation2022240720223133444Copyright © Барановский Н.В., Вяткина В.А., 20222022Барановский Н.В., Вяткина В.А.Baranovskiy N.V., Vyatkina V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.fire-smi.ru/jour/article/view/1115Введение

Введение. Во время лесного пожара в атмосферу выделяется большое количество загрязняющих веществ, в том числе и углеродистые частицы сажи. Повышенное содержание этих частиц в воздухе может привести к развитию у людей кардиореспираторных заболеваний или к летальному исходу. Замечено, что определенное количество сажевых частиц продуцируется на стадии пиролиза лесного горючего материала. В связи с этим целесообразно изучать закономерности процессов пиролиза и сажеообразования для разработки эффективных методов их прогнозирования и предотвращения.

Цель работы

Цель работы. Целью данного исследования является математическое моделирование теплопереноса в элементе типичного лесного горючего материала (лист березы) с учетом термического разложения сухого органического вещества и образования сажевых частиц.

Материалы и методы

Материалы и методы. В рамках работы проведено сценарное моделирование процессов тепломассопереноса в образце лесного горючего материала (листа березы), находящегося под воздействием высокотемпературной среды. При численном моделировании решались одномерное уравнение теплопроводности и кинетическое уравнение с соответствующими начальными и граничными условиями. Полученная система дифференциальных уравнений решалась методом конечных разностей. Реализация вычислений осуществлялась с помощью программного пакета RAD Studio. Обработка графических результатов проводилась с помощью программного пакета OriginPro.

Результаты

Результаты. При сценарном моделировании был учтен тип лесного пожара, период пожароопасного сезона, свойства лесного горючего материала, степень диспергирования лесного горючего материала, начальное влагосодержание элемента лесного горючего материала. Выявлено, что основное влияние оказывает степень диспергирования и вид лесного пожара. Также установлено подобие качественных характеристик процесса сажеобразования для всех видов лесных пожаров.

Выводы

Выводы. Предложенная математическая модель может быть использована совместно с геоинформационными системами для визуализации исходной и выходной информации при оценке, мониторинге и прогнозировании лесных пожаров и их экологических последствий.

Introduction

Introduction. Large amounts of pollutants, including carbonaceous particles of soot, are released into the atmosphere during a forest fire. High concentrations of these particles in the air can lead to the development of cardiorespiratory diseases or death. It has been noticed that a certain number of soot particles is produced at the stage of forest fuel pyrolysis. In this regard, it is advisable to study the processes of pyrolysis and sooting to develop effective methods of their prediction and prevention.

Goal of the study

Goal of the study. The goal of this study is the mathematical simulation of heat transfer in an element of standard forest fuel (a birch leaf), taking into account the thermal decomposition of dry organic matter and sooting.

Materials and methods

Materials and methods. Within the framework of the work, scenario modeling of heat and mass transfer processes in an element of forest fuel (a birch leaf), subjected to the influence of a high-temperature environment, was conducted. A one-dimensional heat transfer equation and a kinetic equation, having respective initial and boundary conditions, were solved by means of numerical simulation. The finite difference method was employed to solve the resulting system of differential equations. The calculations were conducted using the RAD Studio software package. Graphical results were processed using the OriginPro software package.

Results

Results. Scenario modeling took into account the type of forest fire, the period of the fire hazard season, forest fuel properties, the degree of the forest fuel dispersion, and the initial moisture content in a forest fuel element. The authors have found that the major influence is made by the extent of dispersion and the type of forest fire. The similarity of qualitative characteristics of sooting has also been established for all types of forest fires.

Conclusion

Conclusion. The proposed mathematical model can be used in conjunction with geoinformation systems to visualize the initial and output information in the process of assessment, monitoring and forecasting of forest fires and their environmental consequences.

прогнозирование лесной пожарной опасностилист березысухое органическое веществотемпературное распределениераспределение фазкинетическая модель пиролизаметод конечных разностейforest fire danger predictionbirch leafdry organic mattertemperature distributionphase distributionkinetic model of pyrolysisfinite difference methodИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ, НТУ «Сириус», ОАО «РЖД» и Образовательного Фонда «Талант и успех» в рамках научного проекта № 20‑31‑51001.The reported study was funded by RFBR, Sirius University of Science and Technology, JSC Russian Railways and Educational Fund «Talent and success», project № 20‑31‑51001.ReferencesBaranovskiy N.V., Kuznetsov G.V. Forest fire occurrences and ecological impact prediction. Novosibirsk: Siberian branch of the Russian academy of sciences, 2017. 259 p.Baranovskiy N.V., Kuznetsov G.V. Forest fire occurrences and ecological impact prediction. Novosibirsk, Siberian branch of the Russian Academy of Sciences, 2017; 259. (rus).Punsompong P., Pani S.K., Wang S., Bich Pham T.T. Assessment of biomass-burning types and transport over Thailand and the associated health risks // Atmospheric Environment. 2021. Vol. 247. P. 118176. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2020.118176Punsompong P., Pani S.K., Wang S., Bich Pham T.T. Assessment of biomass-burning types and transport over Thailand and the associated health risks. Atmospheric Environment. 2021; 247:118176. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2020.118176Castagna J., Senatore A., Bencardino M., D’Amore F., Sprovieri F., Pirrone N., Mendicino G. Multiscale assessment of the impact on air quality of an intense wildfire season in southern Italy // Science of The Total Environment. 2021. Vol. 761. P. 143271. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.143271Castagna J., Senatore A., Bencardino M., D’Amore F., Sprovieri F., Pirrone N., Mendicino G. Multiscale assessment of the impact on air quality of an intense wildfire season in southern Italy. Science of the Total Environment. 2021; 761:143271. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.143271Adam M.G., Tran P.T.M., Bolan N., Balasubramanian R. Biomass burning-derived airborne particulate matter in Southeast Asia: A critical review // Journal of Hazardous Materials. 2021. Vol. 407. P. 124760. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2020.124760Adam M.G., Tran P.T.M., Bolan N., Balasubramanian R. Biomass burning-derived airborne particulate matter in Southeast Asia: A critical review. Journal of Hazardous Materials. 2021; 407:124760. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2020.124760Yoshizue M., Taketani F., Adachi K., Iwamoto Y., Tohjima Y., Mori T., Miura K. Detection of aerosol particles from Siberian biomass burning over the Western North Pacific: 11 // Atmosphere. Multidisciplinary Digital Publishing Institute. 2020. Vol. 11. Issue 11. P. 1175. DOI: 10.3390/atmos11111175Yoshizue M., Taketani F., Adachi K., Iwamoto Y., Tohjima Y., Mori T., Miura K. Detection of aerosol particles from Siberian biomass burning over the Western North Pacific: 11. Atmosphere. Multidisciplinary Digital Publishing Institute. 2020;11(11):1175. DOI: 10.3390/atmos11111175Grishin A.M. Mathematical modeling of forest fires and new methods of fighting them. Tomsk : Publishing House of the Tomsk State University, 1997. 407 p.Grishin A.M. Mathematical modeling of forest fires and new methods of fighting them. Tomsk, Publishing House of the Tomsk State University, 1997; 407.Josephson A.J., Castaño D., Koo E., Linn R.R. Zonal-based Emission source term model for predicting particulate emission factors in wildfire simulations // Fire Technology. 2021. Vol. 57. Issue 2. Pp. 943–971. DOI: 10.1007/s10694-020-01024-7Josephson A.J., Castaño D., Koo E., Linn R.R. Zonal-based emission source term model for predicting particulate emission factors in wildfire simulations. Fire Technology. 2021; 57(2):943-971. DOI: 10.1007/s10694-020-01024-7Invally M., Kaur G., Kaur G., Bhullar S.K., Buttar H.S. Health care burden of cardiorespiratory diseases caused by particulate matter and chemical air pollutants // World Heart Journal. 2017. Vol. 57. Issue 2. Pp. 303–317.Invally M., Kaur G., Kaur G., Bhullar S.K., Buttar H.S. Health care burden of cardiorespiratory diseases caused by particulate matter and chemical air pollutants. World Heart Journal. 2017; 57(2):303-317.Borchers-Arriagada N., Palmer A.J., Bowman D.M.J.S., Williamson G.J., Johnston F.H. Health impacts of ambient biomass smoke in Tasmania, Australia // International Journal of Environmental Research and Public Health. Multidisciplinary Digital Publishing Institute. 2020. Vol. 17. Issue 9. P. 3264. https://doi.org/10.3390/ijerph17093264Borchers-Arriagada N., Palmer A.J., Bowman D.M.J.S., Williamson G.J., Johnston F.H. Health impacts of ambient biomass smoke in Tasmania, Australia. International Journal of Environmental Research and Public Health. Multidisciplinary Digital Publishing Institute. 2020; 17(9):3264. DOI: 10.3390/ijerph17093264Sharma A., Pareek V., Zhang D. Biomass pyrolysis — A review of modelling, process parameters and catalytic studies // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. Vol. 50. Pp. 1081–1096. DOI: 10.1016/j.rser.2015.04.193Sharma A., Pareek V., Zhang D. Biomass pyrolysis — A review of modelling, process parameters and catalytic studies. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015; 50:1081-1096. DOI: 10.1016/j.rser.2015.04.193Hameed S., Sharma A., Pareek V., Wu H., Yu Y. A review on biomass pyrolysis models: Kinetic, network and mechanistic models // Biomass Bioenergy. 2019. Vol. 123. Pp. 104–122. DOI: 10.1016/j.biombioe.2019.02.008Hameed S., Sharma A., Pareek V., Wu H., Yu Y. A review on biomass pyrolysis models: Kinetic, network and mechanistic models. Biomass Bioenergy. 2019; 123:104-122. DOI: 10.1016/j.biombioe.2019.02.008Prakash N., Karunanithi T. Kinetic modeling in biomass pyrolysis — A review // Journal of Applied Sciences Research. 2008. Vol. 4. Issue 12. Pp. 1627–1636.Prakash N., Karunanithi T. Kinetic modeling in biomass pyrolysis — A review. Journal of Applied Sciences Research. 2008; 4(12):1627-1636.Amini E., Safdari M., Johnson N., Weise D.R., Fletcher T.H. Pyrolysis kinetics of wildland vegetation using model-fitting methods // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2021. Vol. 157. P. 105167. DOI: 10.1016/j.jaap.2021.105167Amini E., Safdari M., Johnson N., Weise D.R., Fletcher T.H. Pyrolysis kinetics of wildland vegetation using model-fitting methods. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2021; 157:105167. DOI: 10.1016/j.jaap.2021.105167Sharma A., Pareek V., Zhang D. Biomass pyrolysis — A review of modelling, process parameters and catalytic studies // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. Vol. 50. Pp. 1081–1096. DOI: 10.1016/j.rser.2015.04.193Sharma A., Pareek V., Zhang D. Biomass pyrolysis — A review of modelling, process parameters and catalytic studies. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015; 50:1081-1096. DOI: 10.1016/j.rser.2015.04.193Cai J., Wu W., Liu R. An overview of distributed activation energy model and its application in the pyrolysis of lignocellulosic biomass // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014. Vol. 36. Pp. 236–246. DOI: 10.1016/j.rser.2014.04.052Cai J., Wu W., Liu R. An overview of distributed activation energy model and its application in the pyrolysis of lignocellulosic biomass. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014; 36:236-246. DOI: 10.1016/j.rser.2014.04.052Асеева Р.М., Буй Динь Тхань, Серков Б.Б., Сивенков А.Б. Выделение дыма при термическом разложении и горении древесины // Лесной Вестник. 2004. № 2. C. 99–103.Aseeva R.M., Thanh B.D., Serkov B.B., Sivenkov A.B. Emission of smoke during thermal decomposition and combustion of wood. Forest Bulletin. 2004; 2:99-10. (rus).Samsonov Y.N., Ivanov V.A., McRae D. J., Baker S.P. Chemical and dispersal characteristics of particulate emissions from forest fires in Siberia // International Journal of Wildland Fire. 2012. Vol. 21. Issue 7. Pp. 818–827. DOI: 10.1071/WF11038Samsonov Y.N., Ivanov V.A., McRae D.J., Baker S.P. Chemical and dispersal characteristics of particulate emissions from forest fires in Siberia. International Journal of Wildland Fire. 2012; 21(7):818-827. DOI: 10.1071/WF11038Kukhar I.V., Orlovskiy S.N., Martynovsakaya S.N. Forest fires environmental impact study // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 548. Issue 5. P. 052061. DOI: 10.1088/1755- 1315/548/5/052061Kukhar I.V., Orlovskiy S.N., Martynovsakaya S.N. Forest fires environmental impact study. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020; 548(5):052061. DOI: 10.1088/1755-1315/548/5/052061Chen J., Li C., Ristovski Z., Milic A., Gu Y., Islam M.S. et al. A review of biomass burning: Emissions and impacts on air quality, health and climate in China // Science of The Total Environment. 2017. Vol. 579. Pp. 1000–1034. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2016.11.025Chen J., Li C., Ristovski Z., Milic A., Gu Y., Islam M.S. et al. A review of biomass burning: Emissions and impacts on air quality, health and climate in China. Science of The Total Environment. 2017; 579:1000-1034. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2016.11.025Макаров В.И., Попова С.А., Дубцов С.Н., Плохотниченко М.Е. Спектр размеров и химический состав дымовой эмиссии при УФ облучении в режиме тлеющего горения лесных материалов // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2018. Т. 2. № 4. С. 196–201. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=36481590Makarov V.I., Popova S.A., Dubtsov S.N., Plokhotnichenko M.E. Size distribution and the chemical composition of smoke emission under uv irradiation upon smoldering combustion of forest fuels. Interexpo Geo-Siberia. 2018; 2(4):196-201. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=36481590 (rus).Barboni T., Leonelli L., Santoni P.A., Tihay-Felicelli V. Aerosols and carbonaceous and nitrogenous compounds emitted during the combustion of dead shrubs according to twigs’ diameter and combustion phases // Fire Safety Journal. 2020. Vol. 113. P. 102988. DOI: 10.1016/j.firesaf.2020.102988Barboni T., Leonelli L., Santoni P.A., Tihay-Felicelli V. Aerosols and carbonaceous and nitrogenous compounds emitted during the combustion of dead shrubs according to twigs’ diameter and combustion phases. Fire Safety Journal. 2020; 113:102988. DOI: 10.1016/j.firesaf.2020.102988Guo L., Ma Y., Tigabu M., Guo X., Zheng W., Guo F. Emission of atmospheric pollutants during forest fire in boreal region of China // Environmental Pollution. 2020. Vol. 264. P. 114709. DOI: 10.1016/j.envpol.2020.114709Guo L., Ma Y., Tigabu M., Guo X., Zheng W., Guo F. Emission of atmospheric pollutants during forest fire in boreal region of China. Environmental Pollution. 2020; 264:114709. DOI: 10.1016/j.envpol.2020.114709Бородина Н.А., Некрасов В.И., Некрасов Н.С., Петрова И.П., Плотникова Л.С., Смирнова Н.Г. Деревья и кустарники СССР. М. : Мысль, 1966. 639 c.Borodina N.A, Nekrasov V.I., Nekrasova N.S., Petrova I.P., Plotnikova L.S., Smirnova N.G. Trees and shrubs of the USSR. Moscow, Mysl’ Publ., 1966; 639. (rus).Барановский Н.В., Кириенко В.А. Исследование зажигания лесных горючих материалов в высокотемпературной среде // Инженерно-физический журнал. 2020. Т. 93. № 5. С. 1310–1315.Baranovskiy N.V., Kirienko V.A. Investigation of the ignition of forest combustible materials in a hightemperature environment. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2020; 93(5):1310-1315. (rus).Кузнецов Г.В., Шеремет М.А. Разностные методы решения задач теплопроводности. Томск : Томский политехнический университет, 2007. 172 c.Kuznetsov G.V., Sheremet M.A. Difference methods for solving heat conduction problems. Tomsk, Tomsk Polytechnic University, 2007; 172. (rus).Бухаров Т.А., Нафикова А.Р. About developing database applications using embarcadero rad studio and Microsoft Access // Colloquium-journal. 2019. № 12–3 (36). С. 42–44. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=38304692Bukharov T.A., Nafikova A.R. About developing database applications using embarcadero rad studio and Microsoft Access. Colloquium-journal. 2019; 12-3(36):42-44. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=38304692 (rus).Винокуров А.С., Баженов Р.И. Разработка кроссплатформенного мобильного приложения «GPS навигатор» в среде RAD Studio XE8 // Постулат. 2016. № 11 (13). Ст. 4.Vinokurov A.S., Bazhenov R.I. Developing cross-platform mobile app “GPS Navigator” in the environment RAD Studio XE8. Postulate. 2016; 11(13):4. (rus).Барановский Н.В. Математическое моделирование наиболее вероятных сценариев и условий возникновения лесных пожаров : дис. … канд. физ.‑мат. наук. Томск, 2007. 153 с.Baranovskiy N.V. Mathematical modeling of the most probable scenarios and conditions for the occurrence of forest fires : dissertation of the candidate of physical and mathematical sciences. Tomsk, 2007; 153. (rus).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.