Влияние внешнего поля скоростей на распространение ландшафтного пожара
Курсовой проект - Безопасность жизнедеятельности
Другие курсовые по предмету Безопасность жизнедеятельности
тости [7]. ? скорости ветра в посеве кукурузы высотой 0,7м; b ?схема профиля скорости в городской застройке [5]; ?распределения ветра в слое капель системы охлаждения АЭС высотой 6 м [13].
Воздушная "подушка" с низкой скоростью ветра, была определенна Найджелом в 1943 году на наветренной стороне пояса. На рисунке 1 видно, что воздушная "подушка" находиться в профиле скорости от земли до самого верха препятствия и горизонтальный поток воздуха двигается по гладкой наклонности этой воздушной "подушки" Некоторые отверстия воздушного потока проходят через воздушную "подушку" и через защищенную лесополосу. В защищенной лесополосе есть явное ускорение в сравнении со скоростью непрерывного ветра в доступных условиях далеко от леса. Выше защищенной лесополосы есть другая воздушная "подушка" малых размеров и на высоте этой воздушной "подушки" присутствует быстрое ускорение. Самая обширная воздушная "подушка" присутствует на самом высоком крае стороны, где дует ветер, клонящийся постепенно от самой высокой точки пояса к земле. На стороне, где присутствуют воздушные потоки выше деревьев и выше воздушной "подушки", есть прирост скорости течения.
Движение воздушных масс в лесном массиве можно описать нестационарными трехмерными интегральными уравнениями [19], которые заданы в объеме ? с поверхностью S с учетом пористости ?, которые можно записать в виде:
(1)
(2)
,(3)
воздушный поток лесной массив
где t - время; p - давление; ? - плотность; e - внутренняя энергия; U - вектор скорости воздуха; n - единичная нормаль к границе S; оператор - проекция на нормаль , F - сила сопротивления элементов лесного массива.
На распространение воздушных масс в лесных массивах оказывает влияние интенсивность взаимодействия между элементами вершин деревьев и воздухом. В связи с тем, что в лесном массиве присутствует спектр характерных размеров твердой фазы - от нижней части деревьев с характерным размером с метр, до хвои с характерным размером с миллиметром, то зависимость значимой силы межфазного трения может иметь не простую структуру [19],.
Для оценки сравнения и определения режима обтекания верхушки и ствола деревьев берем среднюю скорость потока воздушной массы U ~ 10 м/с, плотность воздуха ? ~ 1 кг/м3, вязкость воздуха ? ~ 1.810-5 Пас. При таких значениях число Рейнольдса обтекания отдельных иголок хвойных пород имеет величину порядка ~5102. При обтекании нижней части деревьев, крупных ветвей и листьев число Рейнольдса выходит за рамки критического значения и обтекание этих элементов происходит в турбулентном режиме. Сила сопротивления, действующая на отдельные нижние части деревьев, может быть представлена с помощью известных зависимостей для коэффициентов сопротивления круглого цилиндра [3].
Силу сопротивления не связанных иголок хвойных лесных массивов также можно, оценить как силу сопротивления цилиндров. Однако в густых верхушках деревьев процессы обтекания не связанных иголок влияют друг на друга. Поэтому сила сопротивления иголок веток не похожа на сумму сил сопротивления отдельных иголок и ее нужно изучать как силу, действующую на ветку в целом.
В работе [19] приводятся экспериментальные исследования для веток деревьев кедровой сосны и веток ели. Экспериментальные исследования [19] привели к тому, что при скоростях ветра до 20 м/с силы сопротивления иголок во много раз больше силы сопротивления ветки, на которой крепятся иголки. Поэтому в следующих исследованиях силы сопротивления изучались в зависимости только от числа Рейнольдса, полученного по диаметру иголок. Автор этой работы делает предположение, что сила сопротивления, единицы объема верхушки дерева F, входящая в уравнение движения (1), пропорциональна массе веток в этом объеме. Для наиболее распространенных видов лесных массивов массы и размеры верхушек деревьев подробно изучены биологами. Поэтому, сила сопротивления ветки представлялась в виде [19]:
(4)
где - масса исследуемой ветки, (Re) - коэффициент сопротивления. Тогда, зная функцию (Re) силу сопротивления F можно вычислять по формуле [19]:
(5)
Для методики определения функции (Re) в настоящей работе воспользовались гидродинамическим подходом, при котором изучается коэффициент сопротивления исследуемой ветки при движении в воде. При течениях со скоростями до 20 м/с главным параметром, определяющим обтекание тел данной геометрии, является число Рейнольдса. Полагая число Рейнольдса в воде и воздухе равными, получим соотношение (6) [19]:
(6)
где ?, U, ? - плотность, скорость и динамическая вязкость воздуха, , , - плотность, скорость и динамическая вязкость воды.
Тогда движение системы при погружении описывается следующими уравнениями [19]:
(7)
(8)
где - коэффициент сопротивления веток массой , - коэффициент сопротивления груза и державки. В связи с тем, что ветки имеют не простую структуру, в составе которой присутствуют так же иголки, то представляется трудной задача определения плотности веток. В уравнении (7) в этом случае предполагается провести замену слагаемых, в которых присутствуют плотность веток, значением выталкивающей силы, определяемой экспериментально. Также в связи с тем, что в движении присутствует и некоторая сопутствующая масса воды, необходимо её зафиксировать в левой части уравнения движения. Тогда уравнение движения примет вид [19]
(9)
где - выталкивающая сила для веток, - вытал