Preview

Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Математическое моделирование процессов инертного прогрева и пиролиза элемента лесного горючего материала при воздействии фронта лесного пожара с учетом процесса образования сажи

https://doi.org/10.22227/0869-7493.2022.31.03.34-44

Полный текст:

Аннотация

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. 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. 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. 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. 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.

Об авторах

Н. В. Барановский
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Россия

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



В. А. Вяткина
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Россия

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

Scopus Author ID: 57219222597

634050, г. Томск, пр-т Ленина, 30



Список литературы

1. Baranovskiy N.V., Kuznetsov G.V. Forest fire occurrences and ecological impact prediction. Novosibirsk: Siberian branch of the Russian academy of sciences, 2017. 259 p.

2. 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.2020.118176

3. Castagna 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.2020.143271

4. Adam 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.2020.124760

5. Yoshizue 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/atmos11111175

6. Grishin A.M. Mathematical modeling of forest fires and new methods of fighting them. Tomsk : Publishing House of the Tomsk State University, 1997. 407 p.

7. 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/s10694-020-01024-7

8. 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. Vol. 57. Issue 2. Pp. 303–317.

9. 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/ijerph17093264

10. Sharma 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.2015.04.193

11. Hameed 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.2019.02.008

12. Prakash N., Karunanithi T. Kinetic modeling in biomass pyrolysis — A review // Journal of Applied Sciences Research. 2008. Vol. 4. Issue 12. Pp. 1627–1636.

13. 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.2021.105167

14. Sharma 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.2015.04.193

15. Cai 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.2014.04.052

16. Асеева 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.

17. 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/WF11038

18. Kukhar 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- 1315/548/5/052061

19. Chen 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.2016.11.025

20. Макаров 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=36481590

21. 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.2020.102988

22. Guo 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.2020.114709

23. Бородина 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.

24. Барановский Н.В., Кириенко В.А. Исследование зажигания лесных горючих материалов в высокотемпературной среде // Инженерно-физический журнал. 2020. Т. 93. № 5. С. 1310–1315.

25. Кузнецов Г.В., Шеремет М.А. Разностные методы решения задач теплопроводности. Томск : Томский политехнический университет, 2007. 172 c.

26. 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=38304692

27. Винокуров А.С., Баженов Р.И. Разработка кроссплатформенного мобильного приложения «GPS навигатор» в среде RAD Studio XE8 // Постулат. 2016. № 11 (13). Ст. 4.

28. Барановский Н.В. Математическое моделирование наиболее вероятных сценариев и условий возникновения лесных пожаров : дис. … канд. физ.‑мат. наук. Томск, 2007. 153 с.


Рецензия

Для цитирования:


Барановский Н.В., Вяткина В.А. Математическое моделирование процессов инертного прогрева и пиролиза элемента лесного горючего материала при воздействии фронта лесного пожара с учетом процесса образования сажи. Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2022;31(3):34-44. https://doi.org/10.22227/0869-7493.2022.31.03.34-44

For citation:


Baranovskiy N.V., Vyatkina V.A. Mathematical 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 account. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2022;31(3):34-44. (In Russ.) https://doi.org/10.22227/0869-7493.2022.31.03.34-44

Просмотров: 28


ISSN 0869-7493 (Print)
ISSN 2587-6201 (Online)