Известно, что хотя в сформировавшемся конвекционном потоке температура резко понижается с высотой вследствие перемешивания его с холодным окружающим воздухом, скорость его с увеличением высоты вначале все же возрастает и лишь затем уменьшается.
Из этого следует, что возможность увлечения частиц горючего материала вверх до высоты уменьшения скорости газового потока пожара будет определяться величиной скорости потока на той высоте, где в него поступают горящие частицы. Так как поступление горящих частиц в конвекционный поток лесного пожара возможно, начиная от верхней границы пламени и кончая высотой древостоя, для определения возможности конвекционного подъема горючего необходимо выяснить, каков же вертикальный градиент скорости потока от его основания до высоты древостоя.
Для выяснения поставленного вопроса были проведены опыты на макромоделях пожаров. При этом на середине полосы из ванн с горючим были установлены две мачты высотой по 19 м. Мачты устанавливали на расстоянии 10 м от полосы ванн по линии, перпендикулярной к длинной стороне полосы, т. е. по линии направления ветра. Между мачтами был натянут трос. На трос с помощью системы блоков подвешивали датчики для определения скорости потока. Система блоков позволяла перемещать приборы между мачтами в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Для измерения скорости использовали датчики от метеорологических радиозондов с вмонтированными в них контактными анемометрами, защищенными от влияния горизонтальных потоков кожухами из белой жести. Порядок проведения опытов был следующий.
Ванны, установленные для обеспечения заданной интенсивности горения, наполняли горючим по 10 л каждую. Приборы подвешивали на высоте 5, 10 и 15 м над предполагаемым уровнем вершины пламени. После этого зажигали горючее одновременно во всех ваннах. Показания приборов регистрировали, когда горение охватывало в ваннах всю поверхность горючего. Регистрацию сигналов от контактных анемометров производили при помощи специально смонтированного приемника. Вначале провели шесть предварительных опытов для того, чтобы наиболее рационально разместить приборы. Основные опыты для тщательного изучения закономерности в распределении скорости газового потока были проведены в виде шести серий с разной интенсивностью горения в каждой при длине горящей кромки 20 м. Каждая серия состояла из пяти идентичных опытов (повторностей). Предварительно проведенные опыты показали, что скорости потока на указанных высотах различаются между собой несущественно. Это различие находится в пределах точности измерения. Отличия скоростей газового потока во всех точках, где производились измерения, несущественны, хотя довольно ясно выражена тенденция увеличения скорости потока с высотой, что вполне объяснимо с точки зрения физики. Следовательно, для определения возможности подъема горящих частиц конвекционным потоком достаточно знать скорость потока на высоте крон деревьев.
Так как конвекционный подъем частиц горючего определяется скоростью потока на высоте древостоя, необходимо было определить, какие же факторы и как влияют на этот интересующий нас параметр. По результатам предварительных опытов, проведенных в пожароопасный сезон 1971 г., нельзя было ответить на этот вопрос. Поэтому мы поставили специальные опыты.
Мы воспользовались специальной методикой. В соответствии с требованиями этой методики, мы выбрали те факторы пожара и атмосферы, которые, по нашему мнению, могут оказывать влияние на скорость и температуру газового потока. Так как конвекционный поток пожара является следствием разности температур горящей кромки и окружающей территории, то одним из факторов, несомненно оказывающим влияние на интересующие нас параметры, будет интенсивность горения на кромке. В силу того что суммарное количество тепла, выделяющееся на пожаре, пропорционально длине его кромки, последняя также должна являться фактором, влияющим на скорость потока.
Значительное влияние должен оказывать и ветер, усиливающий перемешивание газового потока с чистым воздухом. Так как подъем продуктов сгорания обусловлен разностью температур потока и окружающего воздуха, в исследование необходимо было включить и такой фактор, как температура воздуха. На том же основании необходимо было исследовать и возможное влияние вертикального температурного градиента ПГСА и влажность воздуха.
Согласно требованиям, предъявляемым к планированию эксперимента, факторы должны быть независимы друг от друга и управляемы. Такие факторы, как влажность воздуха, скорость ветра, температура воздуха и вертикальный температурный градиент ПГСА, неуправляемы и отчасти взаимозависимы. Для того чтобы провести полный факторный эксперимент с участием этих факторов, проводить опыты было необходимо в то время, когда все изучаемые факторы будут иметь требуемые значения. Однако в связи с тем, что при проведении полного факторного эксперимента, кроме выполнения указанных требований, обязательна еще и рандомизация опытов, практически невозможно осуществить полный факторный эксперимент (ПФЭ) одновременно с участием всех перечисленных факторов. Поэтому мы проводили опыты в две серии.
В первой серии опытов изучали влияние интенсивности горения, длины горящей кромки, скорости ветра и относительной влажности воздуха. Во второй серии опытов прослеживали влияние температуры воздуха и вертикального температурного градиента ПГСА на скорость конвекционного потока пожара на высоте древостоя.
Известно, что коэффициент регрессии признается значимым, если его абсолютная величина больше доверительного интервала. Из всех четырех участвующих в опыте факторов существенное влияние на скорость конвекционного потока пожара оказывает лишь интенсивность пожара. Влияние же остальных факторов (длины горящей кромки, скорости ветра и относительной влажности воздуха) на высоте древостоев не прослеживается. Несущественность влияния таких, казалось бы, действенных факторов, как ветер и длина кромки, по-видимому, можно объяснить тем, что на таком коротком участке пути газового потока просто не успевает сказаться охлаждающее влияние ветра и возможное возрастание энергии газового потока при увеличении длины кромки пожара.
Вторая серия опытов, предусматривающая выявление влияния температуры окружающего воздуха и вертикального температурного градиента ПГСА на скорость потока в пределах высоты полога древостоя, была проведена по обычной методике, т. е. путем изменений значения исследуемого фактора при прочих равных условиях.
Влияние температуры воздуха мы попытались проследить при постоянной интенсивности горения в 8,5 тыс. ккал/м∙мин при длине горящей полосы 20 м и вертикальном температурном градиенте атмосферы 1,1 град на 100 м высоты. Температура атмосферного воздуха в описанных реальных условиях не оказывает заметного влияния на скорость конвекционного потока в рассматриваемом интервале высот.
Аналогично было прослежено влияние вертикального температурного градиента атмосферы на скорость потока. Опыты были проведены при интенсивности горения в 25,6 тыс. ккал/м∙мин, при длине кромки пожара 20 м. Вертикальный температурный градиент в небольшом интервале высот не оказывает заметного влияния на скорость конвекционного потока над пожаром.
Таким образом, в результате проведенных опытов выяснено, что из всех выше указанных факторов основным и единственно влияющим на изменение скорости газового потока в интервале высот от основания потока до высоты древостоя является интенсивность горения на кромке пожара. С увеличением интенсивности горения увеличивается и скорость конвекции.
Так как возможность конвекционного переноса горючего определяется в первую очередь скоростью конвекционного потока на высоте древостоя, всецело обусловленной интенсивностью горения, необходимо было выявить характер связи между этими параметрами.
Для этого мы провели опыты на лесных пожарах. В этих опытах при различной интенсивности определяли скорости конвекционных потоков. Опыты проводили следующим образом. Перед кромкой фронта лесного пожара по линии его продвижения на пяти сухостойных деревьях, стоявших друг от друга на 10—15 м, на высоте 15 м перпендикулярно стволу укрепляли анемометры Фусса. Анемометры были защищены от горизонтальных потоков кожухами из белой жести. Их включали, когда они охватывались дымовым потоком и выключали, когда поток проходил их. Включение и выключение анемометров производили при помощи мягкой проволоки длиной 30—35 м и только в отдельных случаях длина ее достигала 50 м.
Определение скоростей по каждому анемометру производили за время прохождения горящей кромки, которое колебалось от 1 до 2,5 мин. Интенсивность пожара определяли путем учета количества горючего, сгоревшего в единицу времени с единицы длины кромки пожара. При увеличении интенсивности пожара от 2,7 до 100 тыс. ккал/м∙мин скорость газового потока пожара возрастает от 1,8 до 6,1 м/сек. При увеличении интенсивности пожара в 2 раза скорость конвекции повышается на 15—30%.
Зависимость скорости конвекции над пожаром от его интенсивности может быть представлена в логарифмических координатах на графике в виде прямой. Используя уравнение, по заданной интенсивности пожара легко можно рассчитать скорость конвекционного потока над ним.