|
В практиці гасіння лісових пожеж застосовується метод, що базується на використанні гнучкого шнурового монозаряду вибухової речовини (ВР). Заряд розташовують у горизонтальній площині у полозі лісу на визначеній висоті таким чином, щоб лінія його розташування повторювала конфігурацію кромки фронту пожежі. Недолік цього методу полягає в тому, що при вибуху ВР поширення ударних хвиль відбувається у всіх напрямках, і для гасіння використовується лише частина виділеної енергії. Решта енергії розсіюється у просторі і не лише марно втрачається, а іноді й спричиняє додаткові збитки.
В роботі [19] запропоновано метод гасіння лісових пожеж вибухом, який дозволяє підвищити ефективність гасіння і зменшити затрати ВР. Суть методу полягає у тому, що перед фронтом пожежі у полозі лісу підвішують гнучкий екран, виконаний, наприклад, із полімерної плівки. Між фронтом пожежі й екраном розміщується шланговий заряд ВР. При цьому енергія вибуху має більш ефективно фокусуватися в горизонтальній площині, тому що на фронт лісової пожежі буде діяти не тільки основна й відбита від поверхні землі, але й відбита від гнучкого екрана ударна хвиля.
Екран також перешкоджає просуванню перед фронтом пожежі зони сушіння і піролизу, а також сприяє накопиченню перед ним пального газу, що призводить до збільшення потужності газового заряду в зоні піролизу і дозволяє зменшити кількість ВР, необхідної для гасіння пожежі. При здійсненні вибуху підриваються газоподібні пальні продукти розкладу лісових матеріалів горіння у зоні перед екраном, наближеної до фронту пожежі. Крім того, збивається полум'я, відриваються хвоя і тонкі гілочки, тим самим створюється загороджувальна смуга.
На рис. 7.1 зображено схему натурного експерименту пожежогасіння на основі направленого вибуху. Верхова пожежа поширювалася у напрямку вітру по смузі соснового молодняку з висотою дерев 3-4 м, шириною 2 м і довжиною 10 м. Позиція 1 показує положення фронту пожежі, 2 - розташування заряду ВР, 3 - гнучкого екрану; стрілки 4 показують напрямок поширення ударних хвиль, а 5 - відбитих хвиль.
Перпендикулярно напрямку руху фронту пожежі, по лінії, що повторює конфігурацію крайки пожежі, розташовують гнучкий екран. Між фронтом і екраном на відстані 40r від останнього розвішують шланговий заряд ВР типу ПЖВ-20 або ЭШ-1П на рівні половини висоти екрана.
Тут і далі через r позначено радіус нормального перетину заряду. При використанні ЭШ-1П беруть відрізок шнурового заряду довжиною 2 м і вагою 2 кг, а для випадку ПЖВ-20 достатньо 8 патронів із загальною вагою 2,4 кг, що значно менше в порівнянні з загально прийнятим методом.
Рис. 7.1 - Схема гасіння лісових пожеж
за допомогою гнучкого екрану
При наближенні фронту пожежі до місця розташування зарядів ці заряди підривають. В результаті вибуху ударна хвиля, посилена відбитою від землі у вертикальній площині і від екрана - у горизонтальній, забезпечує підрив пальних газів в зоні піролиза фронту пожежі. Це спричиняє зрив полум'я, горіння у фронті пожежі припиняється і створюється загороджувальна смуга, внаслідок видалення основних провідників горіння (хвої і тонких гілочок) з пологу лісу і надгрунтового покрову вздовж лінії розташування зарядів ВР.
Все це свідчить про ефективність розглянутого методу пожежогасіння.
Експериментально доведено, що раціональним є розташування заряду ВР посередині екрана на відстані L від нього, де величина змінюється у межах 30r < L < 50r. Вибір лівої межі пояснюється тим, що для формування ударної хвилі необхідний певний час, і що при L < 30r можливо руйнування екрана в момент вибуху. Права межа обумовлена тим, що тиск падає обернено пропорційно квадрату відстані від заряду, тиск й імпульс ударної хвилі достатньо великі, причому ця закономірність зберігається до відстані L = 50r, а при L > 50r тиск стає істотно меншим. Оскільки коефіцієнт підсилення імпульсу відбитої хвилі зростає зі збільшенням максимального тиску в падаючій ударній хвилі, що зменшується із зростанням відстані від осі заряду, то L повинно бути меншим за 50r. При цьому вертикальний розмір екрана, що відбиває, не повинен бути меншим за 1,5 м, що узгоджується з теорією відбиття ударних хвиль.
Для експериментів було обрано екрани із армованої поліетиленової плівки розмірами 2 ´ 1,3 м. Перед екраном на відстані 0,5 м було розташовано заряд ВР типу ПЖВ-20 (або ЭШ-1П). При іспитах тиск у полозі лісу реєструвався за допомогою п’єзокерамічних датчиків типу ЦТС (300 кГц), розташованих на висоті 0,3 м і на відстані 2 м і 3 м перед зарядом ВР. Порівняння зареєстрованих датчиками значень тиску проводилося за наявності або відсутністю екрана. Було виявлено, що наявність екрана, який відбиває вибухові хвилі, обумовила підвищення тиску в полозі лісу 1,4 - 1,5 рази, тобто застосування гнучкого відбиваючого екрана дозволяє більш ефективно використовувати енергію вибуху заряду ВР при гасінні лісової пожежі і зменшити витрати ВР.
До недоліків розглянутого методу варто віднести неповне використання енергії вибуху через те, що гнучкий екран руйнується під дією падаючої ударної хвилі і енергія частково розсіюється в просторі за екраном. Крім того, через форму екрана (який має вигляд “стіни”) частина енергії марно розсіюється в напівпросторі перед екраном, тобто для гасіння пожежі використовується лише незначна частина виділеної енергії вибуху. От чому для максимального використання енергії вибуху необхідно здійснити її “фокусування”.
|
а |
б |
Рис. 7.2 - Відбиваючий екран у вигляді двогранного кута (а)
та геометричні параметри падаючої й відбитої хвиль вибуху (б)
Для цього запропоновано метод локалізації і гасіння лісових пожеж за допомогою відбиваючого екрана у вигляді двогранного кута з розміщеним в його середині шнуровим зарядом вибухової речовини.
Пристрій для локалізації і гасіння лісових пожеж складається з відбиваючого екрана 1 (рис. 7.2а), який виконано у вигляді двогранного кута величиною 2a = 110° -120° , та шнурового заряду 2, розташованого на бісектрисі кута і паралельно ребру на відстані x* = (0,4 - 0,6) L cosa від вершини цього кута, де L - довжина сторони екрана.
Матеріалом для екрана можна обрати поліетилен, дюралюміній, картон тощо. Тобто конструкція екрана може бути як “гнучкою” (за наявності каркасу), так і жорсткою.
Вибір величини кута 2a і місця розміщення заряду х* здійснюється за допомогою використання геометричної теорії регулярного відбиття ударних хвиль, що виникають при вибуху шнурового заряду. Ця теорія дозволяє за відомим кутом падіння ударної хвилі на тверду поверхню одержати кут відбиття, тобто визначити напрям руху відбитої ударної хвилі.
У нашому випадку (рис. 7.2б) кут падіння j = a - a 0, де a - напівкут перетину площин екрана 1 (розмір відомий), а a 0 - визначається як кут нахилу дотичної 2 до фронту падаючої ударної хвилі 3 у точці відбиття А ударної хвилі від поверхні екрана. Рівняння фронту падаючої ударної хвилі в системі координат, пов'язаній з точкою перетинання утворюючих напівплощин екрана, має вид:
(x - x*)2 + y2 = R2, (7.1)
де х*- координата розташування шнурового заряду;
R - радіус ударної хвилі, що визначається за формулою  . Тут (х0, у0) - координати точки відбиття.
З рівняння (7.1) випливає (розглядається верхня напівплощина)
 . (7.2)
Кут відбиття ударної хвилі w у точці (x0, y0) визначається з рівняння Куранта – Фрідріхса:
 (7.3)
g = 1.4 - показник адіабати повітря; p0 - тиск газу перед фронтом падаючої ударної хвилі, p1 - за фронтом падаючої ударної хвилі. Зазначимо, що для слабких ударних хвиль  , а для потужних  .
За фізичним смислом із двох коренів рівняння (3) вибирається мінімальний.
В результаті проведення чисельного експерименту, тобто розв’язання рівнянь (7.1) - (7.3), було доведено, що величина раціонального (з точки зору ефективного використання даного пристрою) двогранного кута 2a повинна бути у межах 110° -120° . Шнуровий заряд має бути розташованим на бісектрисі кута паралельно ребру (це забезпечить максимальне відбиття ударних хвиль), і координата місця розташування заряду пов'язана із довжиною екрана L відношенням х* = (0,4 - 0,6) L cosa .
При х* < 0,4Lсоsa і 2a < 110° відбиті вибухові хвилі фокусуються поблизу екрана, при цьому скорочується зона дії пристрою, що спричиняє зменшення його ефективності. Крім того, може настати руйнування корпусу відбиваючого екрана. При x* > 0,6 Lcosa і 2a > 120° відбувається неповне використання заряду ВР за рахунок нераціонального розсіювання відбитих вибухових хвиль у навколишній простір.
Отже, вибір кута і місця розміщення заряду забезпечить максимальний тиск вибухових хвиль у фокальній області і, як наслідок цього, максимальну ефективність ударної хвилі при гасінні лісової пожежі.
Розглянутий пристрій можна застосовувати для гасіння верхової й низової лісових пожеж; відмінності будуть тільки у висоті розміщення екрана: для верхової пожежі екран підвішують у полозі лісу на висоті половини верхньої межі пологу лісу, а для низової пожежі екран розміщують на поверхні землі.
Як приклад конкретної реалізації запропонованого технічного рішення надамо результати напівнатурних випробувань в умовах модельної лісової смуги, яка складається з дерев сосни висотою 3 м.
Рис. 7.3 - Схема гасіння лісових пожеж
за допомогою жорсткого екрана
На рис. 7.3 наведено схему таких випробувань. З навітряної сторони (стрілкою на рис. 7.3 позначено напрямок вітру) ініціюється фронт верхової пожежі 1. Відбиваючий екран 1 виготовлено з поліетилену, який натягнуто на пару каркасів з довжиною сторони L = 2 м і кутом між площинами 120° .
Екран розміщують у кронах дерев на висоті 1,5 м. Ця висота є оптимальною для збивання фронту верхової пожежі в соснових молодняках, де висота дерев не перевищує 3 м. Всередині кута на його бісектрисі паралельно ребру на відстані х* = 0,5 м розміщено шнуровий заряд 2 типу ЭШ-1П (ПЖВ-20). Оцінка ефективності відбиваючого екрана проводилася за результатами виміру тисків, які здійснювалися за допомогою датчиків типу ГПС - 6. Результати випробувань наведено в таблиці 7.1, де p0 відповідає тиску при роботі без відбиваючого екрана, p1 - із відбиваючим екраном.
Аналіз результатів порівняльних досліджень показав, що відбиваючий екран дозволяє фокусувати вибухові хвилі, в результаті чого тиск у фронті хвилі підвищується від 11 до 43%. Поширення верхової пожежі у всіх дослідах припинилося.
Таблиця 1.1
|
Тип заряду |
p1 / p0 |
|
ЭШ-1П |
1,43 |
|
ЭШ-1П |
1,13 |
|
ПЖВ-20 |
1,15 |
|
ПЖВ-20 |
1,11 |
Використання розглянутого пристрою дозволяє за рахунок підвищеного сфокусованого тиску ефективно обмежувати фронт пожежі і локалізувати процес горіння, в тому числі й ефективно гасити низові лісові пожежі в місцях завалів.
На перспективність технології гасіння лісової пожежі за допомогою направлених вибухів також вказує й таке: шляхом експериментальних досліджень було виявлено ефект підсилення ударних вибухових хвиль при їх взаємодії із зоною піролізу фронту лісової пожежі.
Пояснити його можна на основі багатостадійності процесу горіння лісових матеріалів. Дійсно, початковими фазами горіння є нагрівання та сушіння горючого матеріалу, надалі здійснюється піроліз з виділенням газоподібних і конденсованих горючих продуктів, і, нарешті, відбувається згоряння - спочатку газоподібних, а потім конденсованих продуктів піролізу.
Ефект підсилення дії вибуху в зоні фронту пожежі (тобто прояв збільшення амплітуди ударних хвиль) відбувається в результаті прискорення хімічного перетворення газоподібних продуктів піролізу, завдяки інтенсивному енерговиділенню хімічної реакції горіння.
Описаний спосіб пожежогасіння базується на використанні інформації про “тонку” структуру фронту лісової пожежі і про граничні умови її розповсюдження. Тому він є екологічно чистим, оскільки для досягнення позитивного ефекту - гасіння або локалізації лісової пожежі - потрібні мінімальні енергетичні витрати. Отже, при використанні зазначеного методу в практиці локалізації і гасіння пожеж лісовому біогеоценозу буде заподіяна мінімальна шкода.
|