Математическое моделирование возникновения и развития природных пожаров
Объектом исследования являются лесные пожары.
Цель работы – изучение условий возникновения распространения природных пожаров с помощью метода математического моделирования. В процессе исследования проводилась теоретическая подготовка в исследовании лесных пожаров, анализ статей ученых в области моделирования распространения лесных пожаров, освоение программного обеспечения для создания моделей распространения контуров лесного верхового пожара. Так же проведено исследование распространения пожара с учетом разрывов.
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….. 18
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………………… 21
1.1 Классификация лесных пожаров по силе ……………………………………………….. 24
1.2 Причины возникновения лесных пожаров ………………………………………….. 25
1.3 Последствия и профилактика лесных пожаров ……………………………………. 26
1.4 физико-математическая постановка задачи …………………………………………. 33
1.5 Описание методики расчета итоговых выбросов вредных веществ и тепла
при распространении лесных пожаров …………………………………………………….. 39
2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ………………………………………… 47
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ (РАЗРАБОТКИ)
…………………………………………………………………………………………………………… 49
3.1 Постановка задачи …………………………………………………………………………….. 49
3.2 Метод решения …………………………………………………………………………………. 53
3.3 Результаты численных расчетов …………………………………………………………. 54
3.4 Вывод ………………………………………………………………………………………………. 62
4. РАЗДЕЛ «ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ,
РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ» ………………. 64
4.1 Введение ………………………………………………………………………………………….. 64
4.1.2 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и
ресурсосбережения ……………………………………………………………………………… 64
4.1.3 Анализ конкурентных технических решений …………………………………. 66
4.1.4 Технология QuaD ………………………………………………………………………… 66
4.1.5 SWOT-анализ ………………………………………………………………………………. 69
4.2 Планирование научно-исследовательских работ …………………………………. 71
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования …………………………. 71
4.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ ………………………………. 72
4.2.3 Разработка графика проведения научного исследования ………………… 73
4.2.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) ……………………….. 77
4.2.4.1 Расчет материальных затрат НТИ ……………………………………………………. 77
4.2.4.2 Основная заработная плата исполнителей темы ……………………………….. 78
4.2.4.3 Дополнительная заработная плата исполнителей темы ……………………… 79
4.2.4.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) ………….. 79
4.2.4.5 Накладные расходы ………………………………………………………………………… 80
4.2.4.6 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта….. 81
4.3 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования …………………….. 81
4.4 Вывод ………………………………………………………………………………………………. 85
5. РАЗДЕЛ «СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ» ……………………………. 86
5.1 Введение ………………………………………………………………………………………….. 86
5.2. Производственная безопасность ……………………………………………………….. 86
5.2.1 Отклонение показателей микроклимата в помещении ……………………. 86
5.2.2. Превышение уровней шума …………………………………………………………. 88
5.2.3. Повышенный уровень электромагнитных излучений …………………….. 89
5.2.4. Поражение электрическим током …………………………………………………. 90
5.2.5. Освещенность …………………………………………………………………………….. 92
5.2.6 Пожарная опасность …………………………………………………………………….. 95
5.2.7 Экологическая безопасность ………………………………………………………… 97
5.2.8 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………. 99
Приложение а ………………………………………………………………………………………… 101
ПРИЛОЖЕНИЕ Б …………………………………………………………………………………. 124
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………….. 125
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………. 126
Актуальность данной работы заключается в длительном изучении
проблемы процессов горения при лесных пожарах, но отсутствием ее решения.
Анализ полученных результатов в области математического моделирования вы
можете посмотреть в работах известных и очень уважаемых исследователей,
которые представлены далее. А.М. Гришин Н.П. Курбатский, Г.Н. Коровин,
R.Rothermel, Э.Н. Софронов, М.E. Alexander А.М. Валендик, В.А. Пераимов и
это не все. Разработка математических моделей возникновения и
распространения природных пожаров может сильно помочь предсказанию и
проведению эффективных противопожарных мероприятий.
Однако, существует проблема сбора и анализа достаточного количества
информации о условиях горения природных пожаров. Но учитывая ввод в
эксплуатацию системы дистанционного мониторинга ИСДМ-Рослесхоз, которая
использует информацию, полученную со спутников о пожарной ситуации в
лесных массивах, позволит нам облегчить сбор нужной нам информации об
условиях горения, что является отличным решением для разработки новых
систем моделирования и прогнозирования природных пожаров на обширной
территории России [1].
Использование кластерных систем вычисления позволит на нивелировать
значительные вычислительные ресурсы, требуемые для решения задач
моделирования для больших многодневных природных пожаров лесного
массива.
На данном этапе моей работы к затруднениям в использовании
математической модели входит:
1. Большого разнообразия начальных условий горения и исходные
данные (по метеоусловиям и лесным массивам),
2. Приближенное описание физико-химических процессов,
происходящих в зоне лесного пожара (скоростей химических реакций и т.д.).
3. Введение большого количества эмпирических постоянных для
описания процессов тепломассопереноса в лесном массиве (процессов,
пиролиза, испарения и горения конденсированных и газообразных продуктов
пиролиза и т.п.
Для единой математической модели лес при горении является пористо-
дисперсной реакционноспособной непрерывной средой, разнородной по составу
и структуре. Как показывают оценки, характерное расстояние между деревьями
значительно меньше характерного объема лесного массива, это и позволяет
использовать способы механики непрерывной среды для математического
описания природных пожаров. При выполнении работы над математической
моделью была выявлена необходимость информации по механизму передачи
энергии от фронта пожара к находящийся среде вокруг, по кинетическим чертам
химических реакций, к неким относится пиролиз лесных горючих материалов,
по коэффициентам переноса, и реакции окисления конденсированных и
газообразных горючих продуктов пиролиза. Объемные доли фаз,
аэродинамические свойства лесных массивов и другие характерные черты
относятся к параметрам, характеризующим структуру сплошной среды, лес
также можно отнести к данной среде, а также необходимо сформировать
элементарную полуэмпирическую модель сушки лесного горючего материала.
Для этого было проведено множество полунатурных и лабораторных
экспериментальных изучений и придуманы методы решения обратных задач
механики реагирующих сред, которые позволили найти указанные выше
параметры и сформировать банк исходных данных, неотъемлемый для
математического моделирования природных пожаров [1].
Еще одной индивидуальностью лесных пожаров является воздействие на
приземный слой атмосферы, который, в свою очередь, действует на положение
фронта пожара. При решении некоторых задач теории природных пожаров, для
учета этого взаимодействия, применялись сопряженные постановки задач, в
рамках которых применяются друг с другом одновременно несколько моделей
механики непрерывной среды и, следовательно, получается более точно
учитывать воздействие фронта пожара и приземного слоя атмосферы друг на
друга. Для численного решения сопряженных задач применялись придуманные
ранее, так называемые, особые методики численного счета, основывающиеся на
методе Патанкара [2].
Исходя из всего перечисленного, цель данной работы — это изучение
условий возникновения распространения природных пожаров с помощью
метода математического моделирования. При выполнении работы был сделан
анализ научной работы доктора физико-математических наук В. А. Перминова
для более детального изучения математической модели и результатов численных
расчётов возникновения и распространения природного пожара. Далее
построены графики распространения фронта пожара в зависимости от скорости
ветра верхового природного пожара, проходящего (или не проходящего) через
разрыв в лесном массиве, и построены контуры фронта пожара в различные
временные промежутки.
Объектом данного исследования является природный пожар. Предметом
исследования является математическое моделирование возникновения и
распространения верховых природных пожаров. В качестве исходных данных
для анализа поведения лесных пожаров рассматривались: запас лесных горючих
материалов, влагосодержание, высота деревьев, скорость ветра.
Практическая новизна работы заключается в изучение условий
возникновения и распространения природных пожаров с помощью метода
математического моделирования. Это позволит нам проводить точные расчеты
поведения фронта пожара и исходя из этого, эффективного распределения сил и
средств, направленных на его ликвидацию.
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
В ходе проделанной работы были выполнены следующие задачи:
Проведён анализ научной работы доктора физико-математических наук
В. А. Перминова для подробного изучения математической модели и результатов
численных расчётов возникновения верхового лесного пожара и последующего
его распространения.
В процессе исследования проводилась теоретическая подготовка в
исследовании лесных пожаров, анализ статей известных ученых в области
моделирования распространения лесных пожаров, освоение программного
обеспечения для создания моделей распространения контуров лесного верхового
пожара. Так же был создан интерфейс для удобного пользования программным
обеспечением.
В результате исследования процесс возникновения и развития верхового
лесного пожара описан в рамках математической постановки, т.е. учитывается
взаимное влияние приземного слоя атмосферы и процессов горения в лесном
массиве. Изучено влияние метеоусловий и других факторов на скорость
распространение верхового пожара. А также было создано программное
обеспечение для расчета контуров распространения верховых лесных пожаров.
В результате, цель работы достигнута, все задачи выполнены. В работе
были выявлены недостатки математического моделирования, которые могут
повлечь за собой некорректные расчеты, следовательно, программа требует
дальнейшей доработки.
1.ГришинA.M.,ЗятнинВ.И.,ПерминовВ.А.
Экспериментальное исследование перехода низового лесного пожара в
верховой [Текст] // ВИНИТИ – 1991. – № 982-91 – С.22.
2. Патанкар С.В. Численные метода решения задач теплообмена и
динамики жидкости. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 152 с .
3.Гришин А.М. Анализ действия лесных и степных пожаров на
города и поселки и новая детерминированно-вероятностная модель
прогноза пожарной опасности в населенных пунктах // Вестник Томского
Государственного Университета. – 2009. – №1(6). – С. 41-48.
4.Методические указания к изучению темы «Чрезвычайные ситуации,
связанные с пожарами и взрывами» /Сост. С.М. Сербии, Г.А. Колупаев. М.: Изд-
во Рос. экон. акад., 1999 г.
5.Лесныепожары:классификация,прогнозирование,
организациятушения[Электронныйресурс]/URL:
http://www.wood.ru/ru/lofire.html, свободный.
a.Загл. с экрана. – яз. рус., англ. Дата обращения: 27.02.2020 г.
6.Зайцев А.П. «Стихийные бедствия, аварии, катастрофы». М. 2002 г.
7.Зайцев А.П. «Чрезвычайные ситуации». М. 2002 г.
8.ИДСМ-Рослесхоз-Авиалесоохрана [Электронный ресурс] /
URL: https://aviales.ru/, свободный. – Загл. с экрана. – яз. рус., англ. Дата
обращения: 10.03.2020 г.
9.И.Г. Видяев, Г.Н. Серикова, Н.А. Гаврикова, Н.В. Шаповалова, Л.Р.
Тухватулина З.В. Криницына Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность
и ресурсосбережение: учебно-методическое пособие; Томский политехнический
университет. − Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. –
36 с.
10. Романенко С.В. Методические указания по разработке раздела
«Социальная ответственность» выпускной квалификационной работы магистра,
специалиста и бакалавра всех направлений (специальностей) и форм обучения
ТПУ/Сост. С.В. Романенко, Ю.В. Анищенко – Томск: Изд-во Томского
политехнического университета, 2016. – 11 с.
11. ГН 2.2.5.1313-03 Предельно допустимые концентрации (ПДК)
вредных веществ в воздухе рабочей зоны
12. СанПиН 2.2.4.548-96. Гигиенические требования к микроклимату
производственных помещений.
13. СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых,
общественных зданий и на территории жилой застройки.
14. ГОСТ 54 30013-83 Электромагнитные излучения СВЧ. Предельно
допустимые уровни облучения. Требования безопасности
15. ГОСТ 12.4.154-85 “ССБТ. Устройства, экранирующие для защиты от
электрических полей промышленной частоты”
16. СанПиН2.2.4/2.1.8.055-96″Электромагнитныеизлучения
радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ)”.
17. ГОСТ 12.4.123-83. Средства коллективной защиты от инфракрасных
излучений. Общие технические требования
18. ГОСТ Р 12.1.019-2009. Электробезопасность. Общие требования и
номенклатура видов защиты.
19. ГОСТ 12.1.030-81. Электробезопасность. Защитное заземление.
Зануление.
20. ГОСТ 12.4.154. Система стандартов безопасности труда. Устройства,
экранирующие для защиты от электрических полей промышленной частоты.
Общие технические требования, основные параметры и размеры
21. ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общие требования.
22. ГОСТ 12.2.037-78. Техника пожарная. Требования безопасности
23. СНиП 21-01-97. Противопожарные нормы.
24. СанПиН 2.1.6.1032-01. Гигиенические требования к качеству
атмосферного воздуха
25. ГОСТ 30775-2001 Ресурсосбережение. Обращение с отходами.
Классификация, идентификация и кодирование отходов.
26. E. Pastor, L. Zarate, E. Planas and J. Arnaldos. Mathematical models and
calculation systems for the study of wildland fire behaviour. Progress in Energy and
Combustion Science, 29:139–153, 2003. Doi:10.1016/S0360-1285(03)00017-0)
27. ^ Jump up to:a b Richard C. Rothermel. A mathematical model for
predicting fire spread in wildland fires. USDA Forest Service Research Paper INT-
115, 1972.
28. Jump up^ Forestry Canada Fire Danger Group. Development and
structure of the Canadian forest fire behavior prediction system. Forestry Canada,
Science and Sustainable Development Directorate, Ottawa, ON, Information Report
ST-X-3, 1992.
29. Jump up^ I. R. Noble, G. A. V. Bary, and A. M. Gill. McArthur’s fire
danger meters expressed as equations. Australian Journal of Ecology, 5:201–203,
1980.
30. Jump up^ N. P. Cheney, J. S. Gould, and W. R. Catchpole. The influence
of fuel, weather, and fire shape variables on fire-spread in grasslands. International
Journal of Wildland Fire, 3:31–44, 1993.
Последние выполненные заказы
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (373 отзыва)
5 (14 отзывов)
4.5 (9 отзывов)
5 (158 отзывов)
5 (91 отзыв)
4.8 (211 отзывов)
4.4 (59 отзывов)
4 (15 отзывов)
4.7 (46 отзывов)
