描述从不同的树种燃烧释放的火把

介绍

发现是最相关的和常见的机制火蔓延的野火,尤其是在极端燃烧条件。它的重要性来源于发现造成消防难度增加;事故的严重后果而言,基础设施,和其他经济造成损失;和伟大的对这一现象的预测困难。此外,发现能大大提高火焰蔓延速率,在某些情况下影响它的主要因素(Rothermel 1983)。事实上,尽管一些研究上执行这个话题,仍然发现的预测是非常基本的,这显然危害消防操作和消防安全构成威胁。

现场火灾的分析机制通常分为四个阶段(阿尔梅达et al ., 2013):(1)发布的火把,(2)放样的火把热羽流,(3)顺风运输的火把,和(4)点火燃料接受者的火把土地。大部分工作寻求最大发现距离的测定是在第二和第三阶段(例如,诺尔et al ., 1967;Albini 1979;艾利斯,2000;大厅et al ., 2015)考虑到火把,离开热羽流后,旅行速度定义的终端速度和风速。的概率的确定点火的火把也一些实验研究的重点。基于统计分析测试与煽动者的不同组合类型和燃料床接受者(例如,Ganteaume et al ., 2009;维埃加斯et al ., 2014;艾利斯,2015)或淋浴的火把人为生成,建筑物的外墙或其他相关的结构(例如,Manzello et al ., 2011;Manzello和铃木2014;奥利维拉et al ., 2014产生了)。

工作上执行释放火把不太频繁,因此,在这个阶段是一个伟大的缺乏知识的过程。火把的释放取决于几个因素,最重要的是火强度、气流方向、速度和湍流,火把的来源的特点(例如,树类型,物种,年龄,等等),和火把的特征(类型、形状和尺寸、终端速度,水分含量,燃烧速度,等等)。火把一代研究可分为两个区域,即(1)火把燃烧生成的结构,这是最初的调查沃特曼(1969),等最近的研究铺平了道路铃木et al。(2012)或富特et al。(2011);(2)植被产生的火把,是这项工作的主要话题,是一个更少调查问题。

6相关工作如下:解决这个问题

(1)古尔德et al。(2008)执行四个田间试验地块的大小为200×200,等分析,研究了煽动生成和识别行为造成火灾蔓延在桉树林前面。除了成功验证的模型艾利斯(2000)预测最大发现距离纤维火把,这些作者确认火灾强度的重要性,因此对流的列,在火把的释放。也表示,年轻的燃料,包括年轻的树,产生更少的火把比成熟的标本。

(2和3)Manzello et al。(2007)分析了火把的大小和质量分布产生燃烧花旗松(Pseudotsuga menziesii)树2.6和5.2米的高度,通过收集的火把锅有条不紊地分布在地面上。煽动者的平均尺寸报告是3和4毫米直径和40和53毫米长度为2.6米高,5.2米的高大树木,分别。之后,Manzello et al。(2008)进行类似的试验与高3.6 - m韩国松树,这并没有导致大量的火把。然而,占主导地位的火把收集有一个圆柱形状和直径5毫米长度为40毫米,平均。

(4)阿尔梅达et al。(2014)使用一种方法基于粒子图像测速仪(PIV)分析火把漂浮在燃烧的桉树树皮的几个场景的不同安排叫测试。然后使用方法非常类似于一个描述。

(5)Tohidi et al。(2015)提出机械煽动折断模型确定的形成圆柱形火把燃烧过程中产生的针叶树,声明的重要性四肢折断过程释放的粒子。进行验证,提出了实验室数据Manzello et al。(2007)和Manzello et al。(2008)前面提到的,使用。

(6)Filkov et al。(2017)研究了煽动生产在规定的火灾在松林中描述的方法Houssaimi et al。(2015)。大约80%的收集的火把锅分布在地面上,大多来自树皮片段(≈70%)和树枝(≈30%),有一个横截面积在50到200毫米²。

目前的工作将有助于减轻这些知识空白。火把的重点是研究发布典型树种在地中海地区,即软木树(Quercus木栓)、橡树(Quercus栎树),松树(松果体松树)和桉树(蓝桉)。这些物种中选择其他树种主要表现在地中海森林(San-Miguel-Ayanz et al ., 2016),他们在发现中的作用机制。

桉树种类是迄今为止发现的最相关的几个火灾事件如黑色星期六澳大利亚火灾(克鲁兹et al ., 20122017年10月15日)或火灾发生在葡萄牙中部(维埃加斯et al ., 2019)。发现火灾从松树物种也有一些引用,如2010年卡梅尔山森林大火(以色列)所描述的Kutiel (2012)。橡树和软木树的角色并不认可。然而,其潜在的在一些触发事件,例如:

(一)火灾Cicouro-Portugal (维埃加斯et al ., 2013),2013年的一集橡树叶发现火势蔓延的速度大大增加,令人吃惊的一群消防员,导致两人死亡;

(b)火Pedrogao格兰德的2017年6月,在葡萄牙中部(维埃加斯et al ., 2017的控制),在Regadas失去了由于软木橡树叶子在十米级定位宽阔的道路。

这项工作的主要目的是了解的相对作用提到树种短途的发现过程。发现大火把以来,这项工作并不是解决所需的强烈气流对流列自然产生这样的粒子(古尔德et al ., 2008)在实验室实验中尚未实现。另一方面,树木等大型粒子测试没有厚吠叫或锥燃烧和潜在生产中长期长途发现,但是,鉴于大量粒子产生,他们拥有巨大的潜力来生产大量的火灾。

最常见的火把在实验室里观察到测试执行是燃烧的叶子从树上发布。许多报告(例如,维埃加斯et al ., 2013,2019年;里贝罗et al ., 2014)在大森林火灾提到发现叶子火蔓延的一个重要机制。然而,大多数的研究现场火灾地址刚性人工形状(球体、圆柱体和磁盘)或自然形状(锥,叫,和树枝),通常忽略了其他潜在的火把像叶子。克莱门茨(1977)是一种罕见的例外,叶子从17个不同物种的终端速度测定。作者发现终端速度值为1.54,1.57和1.80 m·s⁻¹Quercus物种的叶子(问:phellos,问:黑质,问:falcata分别),2.90,4.00,和4.14 m·s⁻¹松果体树针(p有刺的,p . elliottii,p . taeda分别)。

方法

燃料的一般条件和特征

本文提供的实验工作进行了森林火灾研究实验室(列夫:Laboratorio de Estudos尤其Incendios Florestais),位于Lousa (Coimbra-Portugal)的工业空气动力学的发展协会(阿岱:Associacao对位o Desenvolvimento da Aerodinamica工业)。

年轻的树被从森林接近列夫收集当天凌晨的实验。的样本Quercus木栓收集在实验开始之前2天。Quercus木栓是一个受保护的物种在葡萄牙,但许可证(参考53521/2014 / DCNF-C / DLAP)削减一个成熟的标本,即将落在一条道路。由于不可能减少年轻的标本,这种成熟的分支树作为样本Quercus木栓。为简单起见,作者会提到Quercus木栓分支树和讨论中使用这种分化的结果。

测试一天进行。前10天通常晴朗的平均温度为19.7°C(从12 - 31°C),平均风速6.2公里·h⁻¹(从0到22 km.h⁻¹),1.0毫米(数据的积累沉淀www.wunderground.com)。所以,树上收集了含水率值允许持续燃烧。当天实验中,燃料被存储在实验室和保护从太阳与室内环境条件中提到的表1。空气温度和相对湿度值平均值注册在一个便携式气象站位于列夫。表1显示了不同树木的水分含量值使用。水分含量是决定立即燃烧测试之前都用水分分析仪(和ML-50 0.1%)使用树叶和树枝组成的样本(< 3毫米直径)比例分配每个物种的代表。

简要描述树的结构提出了使用表2。这个决定是由分离的树叶和树枝代表树(即。从每个物种,大约中等尺寸)。树木的主干分析中没有考虑。树木的图片中给出的实验中使用图1。

实验仪器和程序

实验装置中可以看到图2。测试进行了燃烧的树木平台面积1.5×1.5米,高0.15米,由三个每个0.1 g的精确的负载细胞,连接到一台电脑自动记录质量。

燃烧的树木只有通过可持续的树冠下补充燃料。从灌木或其他野生燃料的使用作为一个点火燃料会产生火把打扰最终的分析,工业酒精(DA)被用作补充燃料。因此,在每个燃烧测试,一个容器直径0.75厘米装满0.35 L的DA (v / v)乙醇90%是放在树下。为了检查的最终效果达最终结果和纠正质量损失,作者进行了一些实验用类似的方法但是没有树木,因此完全燃烧的0.35 L哒。正如所料,这些测试没有产生任何煽动并允许持续的质量损失速率的测定燃烧的酒精,发现等于2.8 g / s。

使用一个支持结构,一个S-Pitot管(内直径6毫米)和一个热电偶(1毫米厚)被放置在平台上,离地面1.8米。该设备被连接到一台电脑为了记录垂直对流气流的速度和温度。一致,质量、温度和压力是注册在实验2赫兹的频率。

为每个测试,树标本后垂直放在平台上测量燃料含水量(FMC)样品的树叶和树枝直径小于3毫米。点火是通过放弃匹配DA,立刻开始燃烧,火焰传播树树冠。以一个恒定的强度/ DA继续燃烧火焰高度,直到测试结束后。

使用PIV系统描述粒子的释放

确定粒子释放的树木,此外系统使用。15 DynamicStudio,使用的软件版本,从Dantec。Speedsense 1040相机和抓帧器从1031年国家仪器(国家仪器公司,瑞士)¹被使用。

PIV装置位于离树和5.8平台和离地面3.3米,以减少视差错误和横向的烟羽。图像选择进行分析有一个面积0.7×0.7米,因此捕获图像的高度范围2.95 - -3.65米(图3)。PIV捕获区域的高度选择考虑预期最大火焰高度约2.5米,根据以前的测试执行的阿尔梅达et al。(2014)的干扰,从而避免火焰在PIV图像的分析。因为没有占主导地位的水平气流,火焰观察往往是垂直的。因此,恰逢火焰长度和火焰高度由DA水平之间的垂直距离和火焰的顶部。最终分离火焰并没有考虑。

我们可以看到图3PIV的拍照系统目标的中心轴烟列在3.3米的高度。中间的烟列,火把有强烈的垂直向上的组件(图4)。后漂浮,火把,通常灭绝发光,开始下行运动的烟列,因此无法被PIV系统。因此,几乎所有的PIV图像中捕获粒子发光和腾空的对流烟柱。

作者认为一个径向对称的树和烟羽的特点。PIV图像获得在143赫兹的频率,在双帧,使用阴影处理工具来识别火把(图4)。感兴趣的领域在PIV图像分析领域的大小0.7×0.7米(广场2的图3)。这种方法以前测试过,效果很好,允许一个精确的粒子速度的决心通过两个连续帧的比较,从而减少火把被错误地识别的可能性。因为白炽灯的亮度粒子强调他们拍摄的图像,跟踪的过程是不需要补充照明系统(激光或其他)。因此,不仅数量和面积的火把,而且他们的速度可以准确地确定使用互相关的双框架工具。

由于计算机存储容量的限制,因为大量的图像被抓获,PIV图像在每个测试期间获得44 s。因此,捕获图像的PIV系统发起只有当火把是观察到的第一个版本。这个过程开始通常由一个火把的初始释放率增加,达到最大值后时间t_米,火把的数量开始减少。为了提高该方法的准确性,作者使用了数据的时间间隔t_米±5 s被指定为“10山峰。“因此,作者保证各种燃烧测试之间的比较是在同一阶段的过程在最大释放期。段十年代以来提供的这种方法在样本容量有限的时间,因此,在适当的时候,整个PIV图像采集时间的44个年代用于分析的结果。

在图5燃烧树的右边,可以看到一个垂直杆与25厘米标记用作规模估计的火焰高度,使用帧捕获的视频录音。同样的规模被用来校准PIV图像。

发布的火把被分成五类基于平均横截面积一个_av:10 <一个_av≤50毫米²;50 <一个_av≤100毫米²;100年<一个_av≤500毫米²;500年<一个_av≤1000毫米²;一个_av> 1000毫米²。火把,一个_av≤10毫米²没有考虑这一分析因为他们可能造成新的发动机是非常低的。

这是观察到,大多数获释火把燃烧的树木的叶子。因此,由于作者在文献中没有发现终端速度的典型值的叶子物种用于这些测试,一组测试,目的是执行使用方法非常类似于使用克莱门茨(1977)。随机收集十树叶的每一物种,从9米的高度没有风。的时间t_秋天每片叶子落在最后5 m,下降的速度几乎是恒定的,被发现使用视频。终端速度V_t是由商5米之间的距离和时间吗t_秋天经过这最后5米。由此产生的V_t值(表3从这些发现的)没有显著不同克莱门茨(1977)物种的分类类型相同。

结果和他们的解释

发布的数量和横截面积的火把

火把的总数捕捉期间发布的PIV图像图6。为了允许扩展的使用这些数据在未来的工作,释放的粒子数与释放来标示单位面积(N·m⁻²)。再次,由于数据存储系统的局限性,PIV图像的捕获开始着火后,当运营商考虑燃烧过程已持续发展。因此,第一点的图图6不启动t=0,当点火发生。

火把的总数的分布捕捉期间发布的PIV图像,分为类基于它们的横截面积一个_av,提出了图7。如前所述,分析仅限于10山峰,允许一个公平的比较中所使用的不同的物种。

每一对的测试在同一物种表现出非常相似的趋势在火把释放的数量方面,除了在橡树测试,,为测试OAK01,火把的数量远远高于计算OAK02。通过观察OAK02测试视频,可以注意捕捉期间的PIV图像,这棵树被主要的一侧树冠不同于其他测试,燃烧的更全面。因此,释放的火把OAK02测试可能会受到影响。关于分配的火把类基于横截面积一个_av,结果显示趋势获得令人满意的重现性对于每一对测试,甚至为橡树测试。

是可能的状态,火把的最大数量是发布的软木橡树(不包括树木和OAK02),紧随其后的是最后松树和桉树。另一方面,大多数代表区域类一个_av的火把释放的数量是10,50毫米²和(100、500)毫米²。这个数字还表明,软木树测试有更高的倾向产生较大的火把,而测试的其他物种开车主要向生产更小的微粒的范围内10 <一个_av≤50毫米²。值得注意的是,软木树收集前2天测试,而其他树木减少当天的实验。虽然存储软木树发生受控条件下,这些树并没有显示出明显的退化,FMC的衰变(表2,上图)可能会影响结果,从而导致的数量和尺寸的变化释放的火把。

温度和垂直气流速度

在图图8,温度的值T和垂直气流速度V_f,以1.8米的高度和速度的值的粒子V_p决定使用PIV图像在2.95 - -3.65米的高度,表示为一个函数的时间自点火75储蓄者。火把释放的数量代表在同一个图方便的建立关系。速度和温度的值CORK02测试没有获得皮托管没有正常工作在这个实验。采样的速度值的火把仅限于44-s收购时期PIV图像的所有测试。这一时期被标记在图中由两个垂直的实线。图中的虚线竖线限制10山峰的粒子释放。

可以验证,火把的速度的值不显著不同气流速度的值同时注册,后一个近似的趋势随着火把数量的释放。这将是预期的V_p值都小于V_f值,因为重力和阻力的影响。值得注意的是,的值V_f1.8米的身高没有准确测量在同一位置的火把(2.95高-3.65米)。此外,的值V_f对应的流速的垂直分量,V_p是粒子的二维速度的模量和有限的PIV拍照区域。这可能是偶尔的值的原因V_p更大比V_f。

粒子的平均速度的烟羽应该由不同的气流速度和粒子的终端速度V_t(方程1)。

燃烧的测试过程中,作者发现,大部分的火把被树叶或部分公布。一些树枝也被释放,但数量少得多。因此,作者使用了终端速度值测量每个物种的叶子(表3)与PIV系统与获得的结果进行比较。结果给出了表4显示的值V_t获得的PIV测试相同的数量级与以自由落体测试。小的差异可以合理的相对测量位置的差异V_f和V_f,正如前面所解释的。在的情况下OAK2测试中,一个负数V_t获得了可能是因为树不燃烧,辐射对称。因此,中心轴的烟羽不配合中央垂直轴树的皮托管位于的地方。因此,V_f价值判定并非在烟羽流值最高,导致明显的负面V_p值。

质量衰变

为了估计每棵树的质量损失在燃烧试验,作者认为DA的质量损失,这也是秤台放在一个锅。参考测试是只使用酒精的容器在相同条件下的燃烧测试。假设的燃烧条件酒精锅里没有树的存在影响,在所有的测试中,作者估计质量米树的减去总质量米_T质量米_达酒精的线性下降率为2.8 g·s⁻¹(右²= 0.99)。

为了使一个公平的比较质量损失在所有测试,质量值规范化使用的初始值树质量米₀和燃烧试验后其价值米_f,给出了方程(2)测定的相对质量α。相对质量α作为时间的函数执行所有的测试提出了图9。

10个山峰期间提出图9,相对质量衰变曲线可以安装到一个指数函数的方程(3)所示图10。

在方程(4),相对质量衰减系数”一个“允许多个测试之间的比较。我们可以看到表5,OAK02测试,这不是一个常规,桉树测试是那些相对大众消费的慢。

相对质量损失率$\stackrel{⌣}{\alpha }$,用于估计的相对质量衰变每单位时间内被定义为方程(4),相对质量损失速率的变化$\stackrel{⌣}{\alpha }$捕获的44个年代时期的PIV图像所示图11。这种表示方法的相对质量损失率α表示软木测试更快的大众消费,OAK01,和松树测试。

参数之间的相关性

火把发布的质量和体积不确定因为只有一个PIV相机使用,因此只进行了二维分析。然而,一个粗略的协会之间的横截面积可由粒子的体积和质量。总横截面积的累计值一个_交流方程(5)发布的火把以来图像采集到一个特定的时刻t有关的相对质量α树,提出了吗图12。

正如所料,累积总横截面积一个_交流火把释放增加而减少树的质量(图12)。树质量衰减依赖于三个参数:(1)质量转移到火把释放,(2)质量失去了水蒸发过程中,和(3)质量损失挥发气体的形成。在的关系图12处理质量之间的转移和释放的火把。

犯同样的关系10山峰时期(图13斜率),米趋势线形成的每个数据集(表6)可以分析。更大的斜率值米意味着更少的质量减少依赖相关的质量一个_交流火把的释放。

使用相同的关系图13、指数系数k从方程(6)中展现的决心表6。

结果表明,桉树燃烧的质量损失由火把的生产比其他树。这是一致的图7,结果表明,小火把是最代表EUC实验。在另一侧,α的变化vs。交流软木树是很坚强,用最低的k价值,符合更多的火把(发布图6最低的,上图)和含水率的值(表1)。

当方程3和6结合使用常见参数α,方程(7)。

在图14的进化一个_交流的函数t使用所有测试的数据表示。虚线,特点是在图中所示的线性函数,实现了的总体趋势值。这个函数的斜率接近1,表明之间的密切相似这两个方程(7)的成员。因此,参数”之间的关系一个”,k来自相对质量α,积累了火把的总面积一个_交流是行之有效的。

火焰高度H_f变化也与上面描述的其他参数进行了分析和比较。我们可以看到图15,火焰高度遵循这一趋势与相对质量损失衰变$\stackrel{⌣}{\alpha }$。

火焰高度的变化和火把的总横截面积提出了释放图16。总横截面积一个_t代表的和地区的火把在每一个瞬间。可以看到,这两个参数遵循相同的趋势;然而,一个_t峰值显示延迟秒相比H_f峰值。的时差一个_t和H_f山峰特此用“延迟时间”。

在表7,延迟时间确定为每个测试。延迟时间影响因素之一是粒子所需的时间从树的超然的火;这次特此用“反应时间。“另一方面,火把从树上分离大约在树冠的高度(表1),但是粒子被抓获的PIV图像平均高度为3.30米(2.95 -3.65)。所花费的时间令人振奋的火把从树冠的平均身高PIV图像捕获决心除以平均速度的火把V_p(表4)和树冠之间的垂直距离和PIV图像中心。反应时间是由计算延迟时间之间的差异和上升时间(表7)。

几个种类的反应时间发现除了桉树非常相似,这需要更多的时间来释放火把由于火灾强度的变化。另一方面,反应时间的橡树和松树大约四倍低于桉树,和小于两倍的软木树(除了PIN02)。作者认为这些差异是多少厚度相关的叶柄和健壮性链接树叶树枝。然而,具体测试需要更好地探索这些观察。

最后讨论的结果

几个测试的结果针对分析火把在燃烧时释放不同的树木共同提出了在地中海森林和初步探讨。一个编译的主要结果(表8)和一个集成的讨论在本节中进行。

与通常认为的相反,桉树被发现的物种释放更少的火把,而软木和橡树产生更多的火把。在很多情况下荒地和城市分界面上,燃料管理的橡树和软木树是用来减少火灾风险的倾向,但这些测试的结果和其他观察结果表明,它们的倾向产生火把能够造成现货大火在一个较短的距离(数万米)不能被忽视。这些结果证实的分析是为了了解质量损失的依赖在火把的释放。再一次,质量记录的损失在燃烧的软木树被证明是最受到粒子的释放。桉树是物种的这种依赖是最低的。

另一方面,终端速度的火把发布的软木树显示是高于树在橡树的测试中,所以更大的发现距离预计产生的火把橡树。

值得强调的是,在这些实验中,除了软木树,只有小树被测试和这些结果并不延伸到成熟的树木。例如,桉树的厚叫松果并不在这些测试中,在现场火灾的发展及其相关作用在实际火灾事件没有解决。另一方面,这些结果必须被考虑到有限的火灾强度实现这些实验。在实际火灾事件,不仅将几次强度更高,因此更对流气流速度会还气象风的存在,这将导致更多的生产和更大的火把,将预期。不过,这项研究让物种的比较分析可能产生较高的火把能够产生点火灾在一些几十米的距离。

这是观察到大部分的火把发布树的叶子。因为使用的桉树树叶(的物种与一个更大的质量百分比表2)和一个低质量的百分比厚厚的树枝,释放更大的火把预计将在这些树木。然而,它也指出,桉树叶需要高能量释放火把价值,所示的较大的反应时间(表8)和通过更高的值(分别为52,56%)的最终质量米_f燃料燃烧后测试(表1)。

结论

在这部作品中,数量和特征的火把燃烧过程中产生的四种不同的树木进行了分析。作者观察到,属于一个年轻的树蓝桉较低可能产生火灾,紧随其后的是吗松果体松树,Quercus栎树,Quercus木栓。这些树释放主要是树叶和树枝能产生火灾在很短的距离。

结果提出了有关在火行为预测模型,考虑到使用时的发现机制。然而,软木塞的结果,橡树和松树与年轻的标本和不能直接移到成年树。

方法基于PIV图像在这个分析被证明是有用的。然而,由于是在二维的基础上,分析预计火把的数量和质量决定是低估了因为火把可以隐藏在彼此。此外,一些火把可能早早放弃了烟羽和所以可能没有被抓获的PIV图像和分析考虑。因此,潜在的那些树的前面提到的序列导致火灾是有效的。

这项研究的作者打算执行额外的测试与其他物种通常存在于地中海和non-Mediterranean森林不仅树木,灌木和草本植物,有可能引起火灾。此外,作者旨在分析树的年龄的影响,风力的影响在发布的火把燃烧的几个森林物种。本文提供的测试结果将作为参考协调测试的结果在不同的条件下执行。

数据可用性声明

最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料,进一步调查可以直接到通讯作者/ s。

作者的贡献

马:协调的研究、设计、监督和参与实验室测试,分析数据,撰写的手稿。LP:参与了实验室测试,此外数据处理执行,修订后的手稿。DV:监督的研究,讨论了结果,修订和导致了写作的手稿。所有作者的文章和批准提交的版本。

资金

这项研究是由项目风暴(www.adai.pt风暴和房子的避难所www.adai.pt houserefuge)引用PCIF GFC / 0109/2017和PCIF / AGT / 0109/2018,分别。这两个项目都是由葡萄牙基金会资助科学技术(http://www.fct.pt)。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

确认

作者承认的贡献在实验室测试的几个阿岱的成员,即Jorge Raposo克劳迪娅·平托,Joel特谢拉努诺·路易斯安娜Beatriz。作者还要感谢安娜阿尔伯克基,米罗Magnocavallo帮助复习英语写作。

脚注

引用