Математическое моделирование и экспериментальное исследование тепломассопереноса при воздействии высокотемпературной среды на типичный лесной горючий материал

Работа описывает основные закономерности процессов тепломассопереноса в элементе лесного горючего материала (лист берёзы повислой), находящегося под влиянием высокотемпературной среды. Приведен обзор актуальных литературных источников по данной тематике. Описаны основные методы теоретического и экспериментального исследования процессов. Сформулирована физическая и математическая модель процесса, а также описаны полученные результаты и сделаны выводы об особенностях поведения образца лесного горючего материала в высокотемпературной среде. Данные исследований могут быть применены в системах прогноза лесной пожарной опасности.

Введение ……………………………………………………………………………………………………….. 9

1. Современное состояние области исследований. ………………………………………… 12

1.1 Характеристика и классификация лесных пожаров ……………………………… 12

1.2 Существующие классификации лесных горючих материалов ……………… 15

1.3 Сушка лесных горючих материалов ……………………………………………………. 20

1.4 Пиролиз лесных горючих материалов …………………………………………………. 26

1.5 Зажигание лесных горючих материалов ………………………………………………. 34

1.6 Выводы по результатам обзора литературы ………………………………………… 41

2. Объекты и методы исследования ……………………………………………………………… 43

2.1 Объект исследования ………………………………………………………………………….. 43

2.2 Методика проведения экспериментов …………………………………………………. 44

2.3 Метод конечных разностей …………………………………………………………………. 46

3. Результаты проведенного исследования …………………………………………………… 49

3.1 Результаты экспериментального исследования по определению времени
задержки зажигания элемента ЛГМ ………………………………………………………….. 49

3.2 Математическое моделирование процессов тепломассопереноса в
элементе лесного горючего материала ……………………………………………………… 52

3.2.1 Двумерная математическая модель……………………………………………….. 52

3.2.2 Трехмерная математическая модель ……………………………………………… 61

3.2.3 Трехмерная математическая модель с учетом испарения ………………. 67

4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение …… 80

4.1 Анализ конкурентных технических решений ………………………………………. 81

4.2 SWOT-анализ ……………………………………………………………………………………… 82

4.3 Оценка готовности проекта к коммерциализации ………………………………… 85
4.4. Инициация проекта ……………………………………………………………………………. 87

4.5 Планирование управления научно-техническим проектом…………………… 90

4.6 Бюджет научного исследования ………………………………………………………….. 94

4.7 Оценка сравнительной эффективности исследования ………………………….. 98

4.8 Выводы по главе «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение»……………………………………………………………………………….. 101

5. Социальная ответственность ………………………………………………………………….. 105

5.1 Введение …………………………………………………………………………………………… 105

5.2 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ……. 106

5.3 Производственная безопасность ……………………………………………………….. 108

5.3.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов …………….. 109

5.3.2 Обоснование мероприятий по снижению воздействия …………………. 113

5.4 Экологическая безопасность……………………………………………………………… 116

5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………… 117

5.6 Заключение по разделу «Социальная ответственность» …………………….. 118

Заключение ……………………………………………………………………………………………….. 119

Список публикаций студента ……………………………………………………………………… 121

Список использованных источников ………………………………………………………….. 122

ПРИЛОЖЕНИЕ А ……………………………………………………………………………………… 139

Таким образом, результаты проведенных в рамках магистерской
диссертации экспериментальных и теоретических исследований вносят свой
вклад в формирование более полной картины знаний о закономерностях
процессов, проходящих в типичном лесном горючем материале (лист берёзы
повислой) непосредственно перед и во время лесного пожара.
Анализ современных литературных источников по данной тематике
показал наличие заинтересованности ученых по всему миру в изучении как
особенностей различных лесных пожаров, так и характеристик ЛГМ,
произрастающих в различных лесных массивах.
Проведение экспериментов позволило зафиксировать особенности
закономерности зажигания листа березы. В результате был описан физико-
химический механизм процессов, происходящих с образцом при его попадании
в высокотемпературную среду. Также были определены характерные временя
задержки для различных значений температур среды. Установлено, что
полученная зависимость удовлетворительно описывается прямой.
Теоретическое исследование предполагало формулирование
математических моделей тепломассопереноса в одиночном листе берёзы. При
сценарном моделировании были получены количественные и качественные
характеристики процессов инертного прогрева, сушки и пиролиза в
рассматриваемом лесном горючем материале. Полученные результаты
позволяют анализировать температурный режим и соотношение газовой и
твердой фазы образца. Поскольку после выделения газообразных продуктов
происходит их дальнейшее смешение с окислителем (кислородом воздуха) и
нагретый образец воспламеняется, данная модель поможет в определении
количества времени процесса возгорания.
Разработанные математические модели позволяют использовать их в
системах прогноза лесных пожаров, поскольку можно получить данные и для
других лиственных ЛГМ, изменяя в модели геометрические размеры,
теплофизические параметры и параметры окружающей среды. Полученные
значения времен задержки зажигания можно также использовать в системах
прогноза, а также они могут стать основой для более фундаментальной системы
классификации лесных горючих материалов, в основе которой будут лежать
физические обоснованные подходы и которая будет более универсальной.
Список публикаций студента
1. Baranovsky N. V., Kirienko V. A. Mathematical Simulation of Heat and
Mass Transfer During Forest Fuel Pyrolysis Caused by High Temperature from Crown
Forest Fire // International Review on Modelling and Simulations. – 2020 – Vol. 13 –
№. 4. – p. 223-233. doi: 10.15866/iremos.v13i4.18841
2. Baranovsky N. V., Kirienko V. A. Mathematical simulation of forest fuel
element at the crown forest fire impact taking into account multiphase reactive media
mechanics fundamentals // International Review of Mechanical Engineering (IREME).
– 2020 – Vol. 14 – №. 8. – p. 504-515. doi: 10.15866/ireme.v14i8.19655
3. Baranovsky N. V., Kirienko V. A. Ignition of forest combustible materials
in a high-temperature medium // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. –
2020 – Vol. 93 – №. 5. – p. 1266-1271. doi: 10.1007/s10891-020-02230-4
4. Volkov R. S., Zhdanova A. O., Kirienko V. A. Water drops passing
through a forest fuel bed without its burning and during its thermal decomposition //
MATEC Web of Conferences. – 2017 – Vol. 110, Article number 01082. – p. 1-5
5. Шлегель Н. Е., Валиуллин Т. Р., Кириенко В. А. Определение
теплофизических свойств лесных горючих материалов при оценке скорости
распространения импульса тепла в толще образца [Электронный ресурс] //
Перспективы развития фундаментальных наук: сборник трудов XIV
Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск,
25-28 Апреля 2017. – Томск: ТПУ, 2017 – Т. 1. Физика – C. 450-452. – Режим
доступа: http://science-persp.tpu.ru/Arch/Proceedings_2017_vol_1.pdf