На рис. 2 [19] представлена зависимость коэффициента сопротивления единицы массы кроны кедровой сосны в зависимости от числа Рейнольдса. Треугольниками помечены коэффициенты φR для всей кроны, а ромбами – для кроны без хвои.
Рисунок 2 - Коэффициент сопротивления единицы массы кроны кедровой сосны в зависимости от числа Рейнольдса
По данным точкам, полученным из экспериментальных данных, при помощи метода наименьших квадратов была построена кривая, характеризующаяся следующим уравнением [19]:
(12)
Данная зависимость может быть использована при моделировании движения воздушных масс в лесных массивах, состоящих преимущественно из кедровой сосны, при значениях числа Рейнольдса в диапазоне от 62 до 1381.
Когда лесной массив полностью непроницаем к воздушному потоку, фактически вся сила ветра должна быть отклонена вверх по барьеру. При этом есть определенное количество потери кинетической энергии из-за столкновения воздушных молекул с самой преградой или с подушкой воздуха, который имеет возможность развиваться на стороне, где дует ветер. Эта подушка или концентрация давления заставляет восходящее отклонение воздушного потока иметь место на некотором расстоянии перед барьером почти таким же способом как с проницаемым препятствием. Однако, давление сзади барьера очень мало, вследствие того, что никакой ветер не может пройти через барьер, чтобы сформировать подветренную воздушную подушку. Следовательно, эффект всасывания есть, и воздушные потоки в верхней точке лесного массива оттянуты вниз, таким образом вызывая интенсивный вихрь к попутному направлению ветра. Это показывают схематически на Рис. 3 и 4. [6] Разные области вихря сзади проницаемого и непроницаемого барьера были продемонстрированы Финни.
Рисунок 3 - Распространение воздушных масс через ажурный(А) и непроницаемый (В) лесной массив
Степень защищенной области оказывает влияние в основном на степень проницаемости и высоту лесополосы или препятствия. На верхней точке дерева скорость распространяется выше препятствия и это имеет подтверждение в работах Холберга Райдер (1952) выяснил, что на высоте 2.0 м видно небольшое уменьшение скорости ветра относительно ветра открытого пространства.
Рисунок 4 - Форма защищенной области (ветер ударяет под прямым углом)
В работе [8] проводится численное моделирование распространения поверхностного пожара на кустарниках средиземноморского региона. Математическая постановка основывается на многофазном подходе, состоящем в решении уравнений сохранения (массы, момента, энергии) для спаренной модели в которую входит растительность и смесь газов. Растительность в модели представлена набором твердых частиц, свойства которых зависят от физических свойств (форма, размер, содержание влаги, пространственное распределение). Расчет используется как конвективный теплоперенос от газов к растительности, так и теплоперенос посредством излучения от частиц сажи в пламенных и тлеющих углях на топливной поверхности для составления теплового баланса, который контролирует распространение огня. В работе [8] были численные результаты, полученные для неоднородного слоя ЛГМ, состоящего из кустарников (Quercus coccifera) и травы (Brachypodium ramosum) для разных скоростей ветра в диапазоне от 1 м/с до 10 м/с, показывают наличие двух вариантов распространения огня. При слабом ветре фронт пожара практически вертикальный и распространения огня происходит за счет теплопереноса посредством излучения (доминируют языки пламени). При сильном ветре на траектории пламени сильно влияет поток газа, раскаленные газы выталкиваются на не горящую поверхность ЛГМ по ходу огня. В последнем случае конвекционный перенос тепла сначала сравнивается с переносом посредством излучения, затем становится доминирующим режимом распространения (пожар, направляемый ветром). На рис. 5,6,7,8 представлены полученные результаты из работы [8]
. 
Рисунок 5 - Распространение огня: температура (газ) и поле векторов скорости (модельный снимок с интервалом в 1 с, на 14 и 15 секундах, скорость ветра 5 м/с)
Рисунок 6 - Изменение во времени конвекционного и радиационного теплопереноса по ходу распространения огня (скорость ветра 5 м/с).
Рисунок 7 - Изменение высоты пламени во времени (потери на излучение 60 кВт/м3) для скоростей ветра 1, 5 и 10 м/с
Рисунок 8 - Зависимость скорости распространения пожара от скорости ветра
В работе [18] численные исследования позволили выявить некоторые закономерности для разных вариантов лесополос и разных размеров частиц. На рис. 9 представлены зависимости массовой доли частиц, находящихся в расчетной области от времени. На графиках видно, как масса частиц, находящихся в расчетной области, убывает, покидая её через правую границу, оседая на землю или оседая на кронах деревьев. На рисунке представлены зависимости для рядовой посадки 12 деревьев без подлеска (рис. 9, а) и с подлеском (рис. 9, б) [18]. Можно заметить, что массовая доля больших частиц (0,5 мм; 0,7 мм; 1,0 мм) покидает расчетную область раньше, чем частицы с мелкими размерами (0,1 мм; 0,2 мм).
Рисунок 9 - Убывание массовой доли частиц разных размеров в объеме в лесополосе с рядовой посадкой деревьев: а – без подлеска, б – с подлеском; с шахматной посадкой деревьев: в – без подлеска, г – с подлеском (1 – ds = 0,1 мм; 2 – ds = 0,2 мм; 3 – ds = 0,5 мм; 4 – ds = 0,7 мм; 5 – ds = 1,0 мм)
Видно, что характер убывания массовой доли для всех частиц меняется, что говорит о разных механизмах убывания, так вначале частицы покидают расчетную область, оседая на землю, а затем оставшиеся частицы покидают расчетную область через правую границу. Для крупных частиц изменение характера зависимости слабо выражено, для мелких – в большей степени. При сравнении вариантов лесополос с подлеском и без него можно заметить, что при наличии подлеска в первые 20 секунд массовая доля мелких частиц размером 0,1 мм убывает незначительно, а затем характер зависимости резко изменяется, и масса частиц убывает быстрее. В то же время можно заметить, что время покидания расчетной области мелкими частицами при шахматной рассадке больше (рис. 11, в и 11, г) [18]. Так, при прямой рассадке в момент времени t = 60 с частицы размером 0,1 мм практически полностью покинули расчетную область, в то время как при шахматной рассадке еще остается около 10 % массовой доли частиц в объеме. Это говорит о том, что по сравнению с рядовой посадкой шахматная позволяет дополнительно снижать скорость и увеличивать время прохождения лесополосы мелкими частицами.
Скачать реферат