Jun 13, 2023
Исследование турбулентной динамики малых
Научные отчеты, том 12,
Том 12 научных отчетов, номер статьи: 10503 (2022 г.) Цитировать эту статью
1177 Доступов
1 Цитаты
4 Альтметрика
Подробности о метриках
В этом исследовании анализируются данные высокочастотной (30 Гц) двумерной скорости изображения частиц, записанные во время полевого эксперимента по изучению распространения огня от точки возгорания в раскинутых руками сосновых иголках в условиях спокойного окружающего ветра. На начальных стадиях, когда пламя распространяется примерно радиально от точки воспламенения при отсутствии предпочтительного направления ветра, оно увлекает более холодный окружающий воздух в более теплое ядро огня, тем самым испытывая сопротивление динамическому давлению. Фронт огня, состоящий из наклоненного внутрь пламени, окружен областью нисходящего потока. Последовательные структуры описывают первоначальную форму фронта пожара и его реакцию на местные изменения ветра, а также выявляют возможные механизмы распространения огня. Вихревые трубки, возникающие за пределами огненной спирали внутрь, становятся тоньше на фронте пожара, что приводит к более высокой завихренности там. Эти трубы содержат циркуляционные конструкции, которые создают скорость радиально наружу вблизи слоя топлива, которая выталкивает горячие газы наружу, тем самым вызывая распространение огня. Более того, эти циркуляционные структуры подтверждают наличие пар встречных вихрей, которые, как известно, являются ключевым механизмом распространения огня. Ось вихревых трубок поочередно меняет свою ориентацию в сторону и от поверхности слоя топлива, что приводит к перекручиванию вихревых трубок. Сильный восходящий поток, наблюдаемый в месте фронта пожара, потенциально может адвектировать и наклонять изогнутую вихревую трубу вертикально вверх, что приведет к образованию огненного вихря. По мере развития пожара его периметр распадается в ответ на нестабильность потока, образуя более мелкие огненные «очаги». Эти карманы приурочены к определенным точкам поля течения, которые некоторое время остаются относительно неподвижными и напоминают поведение хаотической системы вблизи аттрактора. Повышенные величины турбулентных потоков горизонтального импульса, рассчитанные в некоторых таких фиксированных точках вдоль фронта пожара, являются симптомами нерегулярных пожарных взрывов и помогают контекстуализировать распространение огня. Самое главное, что изменяющиеся во времени члены уравнения баланса турбулентной кинетической энергии, рассчитанные в соседних фиксированных точках, указывают на то, что локальные пожары вдоль фронта пожара в основном взаимодействуют посредством горизонтального турбулентного переноса.
За последние несколько лет увеличились частота и сила лесных пожаров, а ухудшение глобального климата (изменение) представляет собой повышенный риск. По данным Национального межведомственного пожарного центра1, в 2021 году по состоянию на 7 августа 2021 года в США произошло 39 108 пожаров, а соответствующая общая сожженная площадь увеличилась на 53% с 2 286 517 акров в 2020 году до 3 506 321 акра в 2021 году. Более глубокое понимание динамики лесных пожаров является насущной необходимостью для оказания помощи в операциях по сдерживанию, а также в управлении и предотвращении пожаров. Хотя моделирование лесных пожаров значительно продвинулось за последние несколько десятилетий, прогресс с точки зрения данных наблюдений был медленным. Взаимодействие между огнем и атмосферой создает турбулентную среду, и доступны очень ограниченные наблюдения, позволяющие охарактеризовать эту турбулентность, а также характерные когерентные структуры. Измерение турбулентности требует высокой частоты дискретизации во времени, а наблюдения когерентных структур требуют значительного пространственного охвата. Большинство лабораторных и полевых наблюдений, опубликованных в литературе, сообщают о подробной структуре пламени, которая сама по себе также важна для понимания поведения пожара; в то время как измерения турбулентности ограничивались наблюдениями «точки в пространстве». Таким образом, возможность измерения как в пространстве, так и с высокой частотой во времени представляет собой сдвиг парадигмы в нашем понимании динамики природных пожаров и взаимодействия пожара с атмосферой. В этой статье мы будем сообщать о наблюдениях эксперимента по визуализации частиц (PIV), который охватывает значительную площадь в космосе, а также высокую частоту дискретизации, поскольку пламя, начинающееся с точки воспламенения, распространяется. Это позволяет нам отслеживать векторы скорости на месте по мере развития структуры пламени, а также температуры поверхности, тем самым обеспечивая беспрецедентное понимание сложной турбулентной среды внутри и вокруг лесного пожара.
0\)), while blue arrows indicate downdrafts (\(w<0\)). [Generated using MATLAB R2021a]./p>0\)). Similarly, the x-directionally elongated structures of \(r_{22}\) contours (Fig. 5b) indicate x-directional uniformity in the v velocity. Again, for the first 100 s of ignition, the v velocity remains positive (\(v>0\)) at the IP (not shown here). The positively correlated contours on the south of the IP represent northward v velocity (\(v>0\)), while the negatively correlated contours on the north of the IP represent southward v velocity (\(v<0\)). We interpret the cross-correlation contours as a measure of the retainment of flow memory (recorded at the IP, in this case) across space. The y-directionally elongated \(r_{11}\) contours are indicative of the entrainment of ambient air from the eastern and western sides of the domain as a relatively quick and bulk response to ignition, the earliest sign of the presence of fire. The x-directionally elongated \(r_{22}\) contours are similarly indicative of the entrainment of ambient air from the northern and southern sides of the domain as a similar (quick and bulk) response./p>0\), can be observed with increasing distance from the IP in Fig. 5c. These are interpreted as follows. Since the IP is initially a region of updraft, contours that are positively correlated with the IP are inferred to be regions of updraft. Beyond these structures, we observe contours that correlate negatively with the IP and do not encompass it. These can be interpreted as regions of downdraft beyond the fire perimeter. A shift in the direction of fire propagation towards the north-west can also be observed from the contours. This can be attributed to a shift in the direction of the local wind or heterogeneity in the fuel bed in the vicinity of the IP. Thus, contours of \(r_{33}\) give a clear picture of the evolution of the fire-front during the first minute or so./p>0\) implies that the angle is acute, while \(H<0\) indicates that the angle is obtuse. Color contours of the helicity are shown in Fig. 7b, wherein alternating regions of positive helicity (red) and negative helicity (blue) are observed along the fire-front. Since the fire-front comprises updrafts (red arrows in Fig. 4), an acute angle with \(\mathbf {u}\) indicates that \(\varvec{\omega }\) is pointed away from the surface (red arrows in Fig. 7c) and an obtuse angle with \(\mathbf {u}\) indicates that \(\varvec{\omega }\) is pointed towards the surface (blue arrows in Fig. 7c). This suggests that the eddies precess upward and downward alternately, resulting in the kinking of the vortex tubes along the fire-front./p>0\), Fig. 8e), while the mean y-directional flow is northward (\(\overline{v}>0\), Fig. 8g). From Fig. 1c–d, it can be seen that at this location, \(u'<0\) and \(v'<0\) would assist in propagating the fire away from the IP (south/west/southwest-ward), while \(u'>0\) and \(v'>0\) would combine to create the opposite effect. Therefore, \(u'(>0)\) and \(v'(>0)\) at \(t=158\) s (Fig. 8e,g) interact to impede the spread of the fire away from the IP at this location; this is seen as a peak in Fig. 8c. A similar phenomenon is also observed at \(t=309\) s when the mean flow supports the fire spread away from the IP (\(\overline{u},~\overline{v}<0\)), while the fluctuations resist it (\(u',~v'>0\)). At \(t=322\) s, the mean x-directional flow is westward (\(\overline{u}<0\), Fig. 8e), while the mean y-directional flow is southward (\(\overline{v}<0\), Fig. 8g). The fluctuations \(u'(<0)\) and \(v'(<0)\) at \(t=322\) s (Fig. 8e,g)) interact to accelerate the mean flow and drive the fire south-west with sudden force away from the IP, causing a fire-burst. This phenomenon is also observed at \(t=300\) s, while burst-like peaks are also observed at \(t=148\) s, \(t=198\) s (Fig. 8c)./p>0)\) (Fig. 8f,h) interact to impede the advancement of the the fire-front (peaks in Fig. 8d) at FP2. However, at \(t=301\) s and \(t=353\) s, the fluctuations \(u'(>0)\) and \(v'(<0)\) (Fig. 8f,h) interact to drive the fire southeast via bursts (peaks in Fig. 8d). Thus, increase in the magnitude of the horizontal momentum flux (\(\overline{u'v'}\)) and \(u'v'\) is either symptomatic of fire-bursts that occur at irregular time intervals or representative of increased turbulence-induced impediment to the fire-spread; together, they play opposing roles in the fire-spread and in determining the spread rate./p>0\) indicates the contrary. It can be seen that the decrease in \(TKE_{sp}\) when \(140\,\text {s}\le t\le 220\,\text {s}\) (Fig. 11c) causes a loss in the TKE and a corresponding gain in the MKE (Fig. 11a). Since the mean flow at FP1 opposes the spread of the fire away from the IP in this time duration, the shear production term effectually helps resist the fire-spread at this point. At FP2, \(TKE_{sp}\approx 0\) when \(140\,\text {s}\le t\le 220\,\text {s}\) (Fig. 11d) indicating that the MKE does not increase much at the cost of the TKE. Therefore, the peak of the MKE (Fig. 11b) is much lower than that for FP1 (Fig. 11a). Relatively speaking, the shear production term does not contribute much in either assisting or resisting the fire spread at this point./p>0\) when the latitudinal flow is eastward, i.e. in the \(+x\) direction and \(v>0\) when the longitudinal component is northward, i.e. in the \(+y\) direction. The vertical velocity (w) was obtained from mass conservation: the divergence of the net velocity vector (\(\nabla .\mathbf {u}\)) was set to zero and the resulting equation was integrated to a height equal to the cell-size in the horizontal domain (4.18 cm) as shown in the Supplementary Information. No penetration conditions were enforced at the surface, i.e. \(w|_{z=0} = w_0 = 0\). We assumed that the velocity measurements were made at a height \(z = 4.18\) cm from the surface (\(\Delta z = 4.18\) cm). The vertical velocity component (w) so computed is said to be positive (\(w>0\)) if directed opposite to the gravitational force./p>
Русский
English
Français
Deutsch
Español
Italiano
Português
日本語
한국어
Дом