Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Огненные смерчи являются примером экологической катастрофы, наносящей огромный ущерб окружающей среде и приводящей к многочисленным разрушениям и человеческим жертвам. Огненные вихри — редкая, но потенциально катастрофическая форма огня, драматически увеличивающая опасность происходящих природных и техногенных пожаров и их последствия. Они возникают при крупных лесных пожарах, массовых пожарах в городах и авариях на крупных пожароопасных объектах нефтехимии, лесоперерабатывающей промышленности и т.п. Полномасштабное физическое моделирование огненных вихрей осложнено большими рисками, дороговизной и сложностями контролирования граничных условий, поэтому наибольший объем информации получают при проведении маломасштабных экспериментов. В обзоре приводится описание экспериментальных установок различных типов для генерации стационарных и нестационарных огненных вихрей и изучения их характеристик. Представлены и проанализированы результаты экспериментов по скорости горения и основным параметрам огненных вихрей (высота, скорость, температура). Проведены оценки критической скорости бокового ветра, при которой образуются наиболее интенсивные огненные вихри. Рассмотрены особенности и условия генерации огненных вихрей при пожарах в замкнутых пространствах.
огненные вихри концентрированные вихри физическое моделирование.
1. Введение
Воздушные и огненные смерчи являются примерами экологических катастроф, наносящих огромный ущерб окружающей среде и приводящих к многочисленным разрушениям и человеческим жертвам. Огненные вихри — редкая, но потенциально катастрофическая форма огня. Эти вертикально ориентированные вращающиеся огненные факелы драматически увеличивают опасность происходящих природных и техногенных пожаров и их последствия [1–4]. По сравнению с воздушными смерчами огненные смерчи довольно редкие природные явления, которые возникают при крупных лесных пожарах, массовых пожарах в городах и авариях на крупных пожароопасных объектах нефтехимии, лесоперерабатывающей промышленности и других (рис. 1, см. обл., с. 3). Последствиями атомной бомбардировки Хиросимы (1945 г.), массированных бомбардировок Гамбурга (1943 г.) и Дрездена (1945 г.), Касселя и Дармштадта стали опасные продолжительные неуправляемые пожары [5]. После множественных одновременных возгораний в условиях города, плотно насыщенного горючими материалами, пламена сливались, образуя достаточно однородно горящую площадь, вследствие чего возникли огненные смерчи. В 1926 г. в Калифорнии (США) в результате удара молнии в нефтехранилище также наблюдались огненные смерчи [6].
1. Musham H.A. The Great Chicago fire, Papers in Illinois State History and Transaction, 1941. - pp. 69-189.
2. Gess D., Lutz W., Fire Storm in Peshtigo: A Town, Its People and the Deadliest Fire in American History, Henry Holt Publishing, 2002.
3. Soma S., Saito K., A Study of Fire Whirl on Mass Fires Using Scaling Models, in: Proc. First Int. Symp. on Scale Modeling, JSME, Tokyo, Japan, 1988.
4. Forthofer J.M., Goodrick S.L. Review of Vortices in Wildland Fire // J. Combust. - 2011. - Article ID 984363.
5. Ebert C.H.V. Hamburg`s Fire Storm Weather // NFPA Quarterly. 1963. V. 56. P. 253-260.
6. Hissong J. Whirlwinds at Oil-Tank Fire, San Luis Obispo, California // Monthly Weather Review. 1926. V. 54. P. 161-163.
7. Goens D.W. Fire Whirls. NOAA Technical Memorandum NWS WR-129, 1978.
8. Chuah K.H., Kuwana K., Saito K. Modeling a Fire Whirl Generated over a 5-cm-Diameter Methanol Pool Fire // Combust. Flame. 2009. V. 156. P. 1828-1833.
9. Chuah K.H., Kushida G. The Prediction of Flame Heights and Flame Shapes of Small Fire Whirls // Proc. Combust. Inst. 2007. V. 31. P. 2599-2606.
10. Burke S.P., Schumann T.E.W. Diffusion Flames // Ind. Eng. Chem. - 1928. - V. 20. - P. 998-1004.
11. Roper F.G. The Prediction of Laminar Jet Diffusion Flame Sizes: Part 1. Theoretical Model // Combust. Flame. - 1977. - V. 29. - P. 219-226.
12. Emmons H.W., Ying S.J. The Fire Whirl // Proc. Combust. Inst. 1967. V. 11. P. 475-488.
13. Byram G.M., Martin R.E. Fire Whirlwinds in the Laboratory // Fire Control Notes. 1962. V. 33. P. 13-17.
14. Martin R.E., Pendleton D.W., Burgess W. Effect of Fire Whirlwind Formation on Solid Fuel Burning Rates // Fire Technology. 1976. V. 12. № 1. P. 33-40.
15. Byram G.M., Martin R.E. The Modeling of Fire Whirlwinds // Forest Science. 1970. V. 16. № 4. P. 386-399.
16. Soma S., Saito K. Reconstruction of Fire Whirls Using Scale Models // Combust. Flame. 1991. V. 86. P. 269-284.
17. Satoh K., Yang K.T. Experimental Observations of Swirling Fires // Proc. of ASME Heat Transfer Division. 1996. HTDV. 335. № 4. P. 393-400.
18. Satoh K., Yang K.T. Simulation of Swirling Fires Controlled by Channeled Self-Generated Entrainment Flows // Fire Safety Science. Proc. of the 5th Int. Symp. 1997. P. 201-212.
19. Lei J., Liu N., Zhang L., Chen H., Shu L., Chen P., Deng Z., Zhu J., Satoh K., de Ris J.L. Experimental Research on Combustion Dynamics on Medium-Scale Fire Whirl // Proc. Combust. Inst. 2011. V. 33. P. 2407-2415.
20. Zhou K., Liu N., Lozano J.S., Shan Y., Yao B., Satoh K. Effect of Flow Circulation on Combustion Dynamics of Fire Whirl // Proc. Combust. Inst. 2013. V. 34. P. 2617-2624.
21. Tarifa C.S. Open Fires. Instituto Nacional de Tecnica Aerospacial Esteban Teradas. Madrid, 1967.
22. Kung H.C., Stavrianidis P. Buoyant Plumes of Large-Scale Pool Fires // Proc. Combust. Inst. 1982. V. 19. P. 905-912.
23. Klassen M.E., Gore J.P. Structure and Radiation Properties of Pool Fires. In: NIST GCR 94-651, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 1994.
24. Koseki H., Yumoto T. Air Entrainment and Thermal Radiation from Heptane Pool Fires // Fire Technology. 1988. V. 24. P. 33-47.
25. Koseki H. Combustion Properties of Large Liquid Pool Fires // Fire Technology. 1989. V. 25. P. 241-255.
26. Blinov V.I., Khudiakov G.N. Certain Laws Governing Diffusive Burning of Liquids // Fire Res. Abstr. Rev. 1959. V. 1. № 2. - P. 41-44.
27. Kuwana K., Morishita S., Dobashi R., Chuah K.H., Saito K. The Burning Rate`s Effect on the Flame Length of Weak Fire Whirls // Proc. Combust. Inst. 2011. V. 33. P. 2425-2432.
28. Lei J., Liu N., Zhang L., Satoh K. Temperature, Velocity and Air Entrainment of Fire Whirl Plume: a Comprehensive Experimental Investigation // Combust. Flame. 2015. V. 162. P. 745-758.
29. Akhmetov D.G., Gavrilov N.V., Nikulin V.V. Flow Structure in a Fire Tornado-Like Vortex // Doklady Physics. 2007. V. 52. № 11. P. 592-595.
30. Grishin A.M., Golovanov A.N., Sukov Y.V. Physical Modeling of Firestorms // Doklady Physics. 2004. V. 49. № 3. P. 191-193.
31. Grishin A.M., Golovanov A.N., Kolesnikov A.A., Strokatov A.A., Tsvyk R.S. Experimental Study of Thermal and Fire Tornados // Doklady Physics. 2005. V. 50. № 2. P. 66-68.
32. Гришин А.М., Рейно В.В., Сазанович В.М., Цвык Р.Ш., Шерстобитов М.В. Экспериментальные исследования огненных смерчей // Оптика атмосферы и океана. 2008. Т. 21. № 8. С. 158-163. (Grishin A.M., Reino V.V., Sazanovich V.M., Tsvyk R.Sh., Sherstobitov M.V. Experimental Study of Fire Tornado // Atmospheric and Oceanic Optics. 2008. V. 21. № 2. P. 136-141.)
33. Гришин А.М., Голованов А.Н., Суков Я.В., Цвык Р.Ш. Физическое моделирование огненных смерчей // Оптика атмосферы и океана. 2008. Т. 21. № 9. С. 766-772. (Grishin A.M., Golovanov A.N., Sukov Ya.V., Tsvyk R.Sh., Physical modeling of fire tornados // Atmospheric and Oceanic Optics. 2008. V. 21. № 9. P. 661-667.)
34. Vyalykh D.V., Dubinov A.E., Kolotkov D.Yu., Sadovoi S.A., Sadchikov E.A. A Portable Hand-Driven Solid-Fuel Device for Generating Fire Whirls // Instruments and Experimental Techniques. 2013. V. 56. № 3. - P. 347-348.
35. Lei J., Liu N., Zhang L., Deng Z., Akafuah N.K., Li T., Saito K., Satoh K. Burning Rates of Liquid Fuels in Fire Whirls // Combust. Flame. 2012. V. 159. P. 2104-2114.
36. Lei J., Liu N., Lozano J.S., Zhang L., Deng Z., Satoh K. Experimental Research on Flame Revolution and Precession of Fire Whirls // Proc. Combust. Inst. 2013. V. 34. P. 2607-2615.
37. ei J., Liu N., Satoh K. Buoyant Pool Fires under Imposed Circulations before the Formation of Fire Whirls // Proc. Combust. Inst. - 2015. - V. 35. - P. 2503-2510.
38. Chuah K.H., Kuwana K., Saito K., Williams F.A. Inclined Fire Whirls // Proc. Combust. Inst. 2011. V. 33. P. 2417-2424.
39. Kuwana K., Sekimoto K., Minami T., Tashiro T., Saito K. Scale-Model Experiments of Moving Fire Whirl over a Line Fire // Proc. Combust. Inst. 2013. V. 34. P. 2625-2631.
40. Kuwana K., Sekimoto K., Saito K., Williams F.A., Hayashi Y., Masuda H. Can We Predict the Occurrence of Extreme Fire Whirls? // AIAA J. 2007. V. 45. P. 16-19.
41. Kuwana K., Sekimoto K., Saito K., Williams F.A. Scaling Fire Whirls // Fire Safety Journal. 2008. V. 43. P. 252-257.
42. Chen Z., Satoh K., Wen J., Huo R., Hu L. Burning Behavior of Two Adjacent Pool Fires Behind a Building in a Cross-Wind // Fire Safety Journal. 2009. V. 44. P. 989-996.
43. Emori R.I., Saito K. Model Experiment of Hazardous Forest Fire Whirl // Fire Technology. 1982. V. 18. № 4. P. 319-327.
44. Buckingham E. On Physically Similar Systems: Illustrations of the Use of Dimensional Equations // Phys. Rev. 1914. V. 4. P. 345-376.
45. Emori R.I., Saito K., Sekimoto K. Scale Models in Engineering: Its Theory and Applications. Third ed., Gyho-do, Tokyo, Japan, 2000.
46. Ebert C.H.V. The Meteorological Factor in the Hamburg Fire Storm // Weatherwise. 1963. V. 16. P. 70-75.
47. Lee S.L., Otto F.W. Gross Vortex Activities in a Simple Simulated Urban Fire // Proc. Combust. Inst. 1974. V. 15. P. 157-162.
48. Church C.R., Snow J.T., Dessens J. Intense Atmospheric Vortices Associated with a 1000 MW Fire // Bull. Am. Meteorol. Soc. 1990. V. 61. P. 682-694.
49. Dessens J. Man-Made Tornadoes // Nature. - 1962. V. 193. P. 13-14.
50. Thomas P.H. The Size of Flames from Natural Fires // Proc. Combust. Inst. 1963. V. 9. P. 844-859.
51. Williams F.A. Combustion Theory: the Fundamental Theory of Chemically Reacting Flow Systems. Benjamin/Cummings Pub. Co., Menlo Park, CA, 1985.
52. Chen A., Cui X., Wang W. Theoretical Analysis and Experimental Study of Whirling Flames in Enclosure Fires // Fire Technology. 2013. V. 49. P. 827-842.
53. Mccaffrey B.J., Quintiere J.G., Harkleroad M.F. Estimating Room Temperatures and the Likelihood of Flashover Using Fire Test Data Correlations // Fire Technology. 1981. V. 17. № 2. P. 98-119.
54. Karlsson B., Quintiere J.G. Enclosure Fire Dynamics. CRC Press, Boca Raton, 2000.
55. Zhou R., Wu Z.N., Fire Whirls due to Surrounding Flame Sources and the Influence of the Rotation Speed on the Flame Height // J. Fluid Mech. 2007. V. 583. P. 313-345.
56. Zhou R. Applications of the Equivalent Gap Fraction Criterion Method for Fire Whirl Risk Evaluation and Prevention in a Real Fire Disaster // Fire Technology. 2014. V. 50. P. 143-159.
57. Wang P., Liu N., Zhang L., Bai Y., Satoh K. Fire Whirl Experimental Facility with No Enclosure of Solid Walls: Design and Validation // Fire Technology. 2015. V. 51. № 4. P. 951-969.
58. Varaksin A.Yu., Romash M.E., Kopeitsev V.N. The Possibility of Generation of Concentrated Fire Vortices without Forced Swirling // Doklady Physics. - 2014. - V. 59. - № 5. - P. 203-205.
59. Varaksin A.Yu., Protasov M.V., Romash M.E., Kopeitsev V.N. Generation of Free Concentrated Fire Vortices under Laboratory Conditions // High Temperature. 2015. V. 53. № 4. P. 595-598.
60. Varaksin A.Yu., Romash M.E., Kopeitsev V.N., Gorbachev M.A. Simulation of Free Heat Vortexes: Generation, Stability, Control // High Temperature. 2010. V. 48. № 6. P. 918-925.
61. Varaksin A.Y., Romash M.E., Kopeitsev V.N. Tornado-Like Gas-Solid Flow // The 6th Int. Symp. on Multiphase Flow, Heat Mass Transfer and Energy Conversion. AIP Conference Proc. 2010. V. 1207. P. 342-347.
62. Varaksin A.Y., Romash M.E., Kopeitsev V.N., Gorbachev M.A. Experimental Study of Wall-Free Non-Stationary Vortices Generation due to Air Unstable Stratification // Int. J. Heat Mass Transfer. 2012. V. 55. P. 6567-6572.
