ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Математическое моделирование распространения и тушения лесного пожара водой в трехъярусном лесном массиве

Авторы

  • Лилия Юрьевна Катаева https://orcid.org/0000-0001-9217-9324 Нижегородский институт путей сообщения – филиал Приволжского государственного университета путей сообщения; Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 603011, г. Нижний Новгород, пл. Комсомольская, д. 3
  • Тимофей Сергеевич Киселев Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 603155, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Как цитировать

ГОСТ Катаева Л. Ю., Киселев Т. С. Математическое моделирование распространения и тушения лесного пожара водой в трехъярусном лесном массиве // СТРОИТЕЛЬНЫЕ И ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ. 2026. Т. 70. № 9. С. 104-116. DOI: 10.25726/k1582-1947-4677-v
APA Катаева, Л. Ю. & Киселев, Т. С. (2026). Математическое моделирование распространения и тушения лесного пожара водой в трехъярусном лесном массиве. СТРОИТЕЛЬНЫЕ И ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ, 70(9), 104-116. https://doi.org/10.25726/k1582-1947-4677-v

Аннотация

Представлена физико-математическая и аналитическая модель распространения и тушения лесного пожара водой в трехъярусном лесном массиве. За основу принята постановка механики реагирующих многофазных сред, в которой газовая фаза описывается плотностью ρ₅ и массовыми концентрациями Cα, конденсированная фаза – объемными долями φᵢ, а свободная вода – величиной φ₄, источником f(x,z,t) и скоростью кипения R₄. Рассмотрена структура, включающая нижний горючий ярус высотой 4 м, межъярусный негорючий разрыв высотой 1 м и верхний горючий ярус высотой 5 м. Выполнено интегральное осреднение двумерной модели по высоте каждого яруса с сохранением межъярусных потоков тепла. Показано, что средний слой не формирует самостоятельную волну горения, а является тепловым мостом между нижней и верхней реакционными зонами. Для горючих ярусов получено аналитическое бегущее волновое решение и условие тушения через критическую скорость кипения воды. Доказано, что при одинаковых свойствах всех ярусов система вырождается в известное решение для однородной волны горения в пористом слое. По численным полям без тушения определены скорости распространения фронта: 3,10 м/с для сплошного массива и 3,41 м/с для трехъярусного массива. Рост скорости на 10% в трехъярусном случае обусловлен ветровым смещением верхней высокотемпературной зоны, искривлением фронта в межъярусном разрыве и усилением прогрева верхнего яруса. Аналитическая модель показывает, что подача воды в нижний ярус подавляет приземную волну, но может не разрушить тепловую связь с верхним ярусом; подача воды в межъярусный разрыв ослабляет тепловой мост; подача воды в верхний ярус снижает температуру кроновой зоны, но оставляет активным нижний источник пиролиза. Полученные результаты обосновывают необходимость учитывать высоту подачи воды и вертикальную структуру леса при выборе сценария тушения.

Ключевые слова

лесной пожар трехъярусный лес механика реагирующих сред свободная вода волна горения межъярусный разрыв осреднение по высоте тушение водой

Финансирование

Авторы не заявили о внешнем финансировании исследования.

Библиографические ссылки

Гришин А.М., Пененко В.В. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Отв. ред. В.В. Пененко. Новосибирск: «Наука», Сибирское отделение, 1992. 404 с.

Лощилова Н.А. Математическое моделирование воздействия заданного потока воды на динамику лесных пожаров и определение параметров, необходимых для успешной борьбы с пожарами: дис. … канд. физ.-мат. наук. Нижний Новгород, 2014. 123 с.

Baranovskiy N.V., Kirienko V.A. Mathematical simulation of forest fuel pyrolysis and crown forest fire impact for forest fire danger and risk assessment // Processes. 2022. Vol. 10. № 3. Article 483.

Cobian-Iniguez J., Weise D.R., Princevac M. The transition and spread of a chaparral crown fire // Fire Technology. 2022. Vol. 58. pp. 1897-1920.

Dickman L.T., Jonko A.K., Linn R.R., Altintas I., Atchley A.L., Bär A., Collins A.D., Dupuy J.L., Gallagher M.R., Hiers J.K., Hoffman C.M., Hood S.M., Hurteau M.D., Jolly W.M., Josephson A., Loudermilk E.L., Ma W., Michaletz S.T., Nolan R.H., Younes N. Integrating plant physiology into simulation of fire behavior and effects // New Phytologist. 2023. Vol. 238. № 3. pp. 952-970.

Forthofer J. M., Finney M. A., Grumstrup T. P., Ahmed M. M., Trouvé A. LIHTFire: A high-resolution 1D physics-based wildfire spread model // Proceedings of the IX International Conference on Forest Fire Research Ed. D.X. Viegas. 2022. 5 p. https://research.fs.usda.gov/sites/default/files/2024-01/firelab-forthofer_finney_etal_lihtfire_v1.2.pdf?utm_source=chatgpt.com

Grasso P., Innocente M.S. Physics-based model of wildfire propagation towards faster-than-real-time simulations // Computers and Mathematics with Applications. 2020. Vol. 80. № 5. pp. 790-808.

Kataeva L.Yu., Maslennikov D.A., Loshchilova N.A. On the laws of combustion wave suppression by free water in a homogeneous porous layer of organic combustible materials // Fluid Dynamics. 2016. Vol. 51. № 3. pp. 389-399.

Kropotova S.S., Dorokhov V.V., Sviridenko A.V., Strizhak P.A. Composition of the gas-air mixture in the containment and suppression of forest fires with promising extinguishing agents // Forests. 2023. Vol. 14. № 4. Article 786.

Kuznetsov G., Ponomarev K., Zhakharevich A. Characteristics of moisture release from layers of forest fuels with typical fire extinguishing agents // Thermal Science. 2022. Vol. 26. № 1B. pp. 593-604.

Navas-Montilla A., Reisch C., Diaz P., Ozgen-Xian I. Modeling wildfire dynamics through a physics-based approach incorporating fuel moisture and landscape heterogeneity // Environmental Modelling and Software. 2025. Vol. 192. Article 106511.

Ponomarev K.O., Sviridenko A.S., Zhdanova A.O. Characteristics of the process of extinguishing ground-level forest fires under conditions of varying concentrations of aerosol-based fire-suppressant agents // Fire and Emergencies: Prevention, Elimination. 2022. Vol 15. № 2. pp. 55-66.

Ritter S.M., Hoffman C.M., Battaglia M.A., Linn R., Mell W.E. Vertical and Horizontal Crown Fuel Continuity Influences Group-Scale Ignition and Fuel Consumption // Fire. 2023. Vol. 6. № 8. Article 321.

Sharaf M., Sutherland D., Wadhwani R., Moinuddin K. Thresholds of surface fire transition to crown fire: effects of wind speed and crown base height with fixed moisture content // Fire Safety Journal. 2025. Vol. 158. Article 104545.

Singh H., Ang L.-M., Lewis T., Paudyal D., Acuna M., Srivastava P.K., Srivastava S.K. Trending and emerging prospects of physics-based and ML-based wildfire spread models: a comprehensive review // Journal of Forestry Research. 2024. Vol. 35. № 1. Article 135.

Tutland N.J., Wion A.P., May C.J., Hutchings G.R., Nowak H.A., Gattiker J.R., Hiers J.K., Linn R.R., Pokswinski S.M., Margolis E.Q. Representing three-dimensional fuels for physics-based fire behavior models: a general framework and case study in a type-converted post-fire shrubfield // Fire Ecology. 2025. Vol. 21. Article 43.

Volkov R.S., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Movement of water drops in a forest fuel layer in the course of its thermal decomposition // Thermal Science. 2018. Vol. 22. № 1. pp. 301-312.

Zhdanova A.O., Kuznetsov G.V., Volkov R.S., Khasanov I.R. Suppressing the thermal decomposition of forest fuel using the different water spraying schemes // Thermal Science. 2019. Vol. 23. № 5B. pp. 3263-3273.

Выпуск

Раздел

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Метрики

36 просмотров
0 скачиваний
Хотите опубликоваться?
Подать статью