Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В соответствии с задачами научного проекта и планом работ на первый год выполнения исследования: 1. Проведен комплекс экспериментальных исследований с возникновением верхового лесного пожара на реконструированном модельном пологе леса в полунатурных условиях. По результатам непрерывной съемки процесса горения была проведена оценка скорости движения фронта по трем реализациям в разный период времени, в течение одного дня. Помимо регистрации мгновенных полей температуры, одновременно была проведена регистрация метеопараметров в момент проведения эксперимента с использованием ультразвуковой метеостанции АМК-03, которая была расположена вблизи с основным участком горения. Регистрация метеопараметров осуществлялась на трех высотах: 3 м, 6 м, 10 м. На основании анализа мгновенных термограмм получена оценка скорости распространения фронта горения. Для первого эксперимента скорость фронта горения составила 5 – 18 см/с, для второго - 5,4 – 25,5 см/с, для третьего - 2,7 – 5 см/с. 2. Исследовано влияние масштабного эффекта на турбулентность в зоне горения и показатели турбулентности в атмосфере в окрестности зоны горения. Поле температур во фронте пожара и структура пламени контролировались при помощи инфракрасной камеры JADE J530SB с частотой съемки 50 кадров/сек в узком спектральном интервале 2,5-2,7 мкм. Анализируя изменения полученных масштабов турбулентности в пламени очевидно, что в результате экзотермических реакций наблюдается некоторое увеличение размеров турбулентных структур в следствие расширения. В дальнейшем эти турбулентные структуры, по мере завершения окислительных реакций, поднимаются вверх и формируют индуцированную атмосферную турбулентность, внутренние масштабы которой незначительно отличаются от масштабов турбулентности в пламени. Соответствующие турбулентные структуры поднимаются вверх за счет конвективных процессов и сохраняются вплоть до высоты 10 м. В результате анализа полученных данных, масштабы турбулентности в средней части пламени варьируются в пределах от 0,1 м до 1,5 м, а в верхней части пламени: 0,1-0,9 м. Были также получены масштабы турбулентности для атмосферы на разной высоте: 3, 6 и 10 м. Масштабы турбулентности на высоте 3 м варьируются в интервале 0,09-2,4 м; на высоте 6 м 0,1-3,9 м; на высоте 10 м: 0,1-12 м. 3. Проанализированы экспериментальные данные о характеристиках турбулентности в атмосфере (изменение с высотой структурных постоянных показателя преломления и флуктуации температуры, энергетические спектры, спектры пульсации температуры). В результате интенсивного тепловыделения в зоне горения и диссипации турбулентных структур в пламени формируется индуцированная атмосферная турбулентность в окрестности очага горения, которая проявляется в пульсациях температуры воздуха и структурных постоянных флуктуации температуры CT^2, скорости ветра Cv^2, а также показателя преломления Cn^2, полученного оптическим и акустическим способами. Турбулентные процессы в конвективной колонке в атмосфере приводят к пульсациям гидродинамических и термодинамических параметров (плотность, скорость, температура и др.). Отмечается, что динамика и изменение этих величин при возникновении низового и верхового пожаров схожи, а максимальные значения на порядок выше фоновых и незначительно отличаются для разных типов пожаров. Следует отметить, что флуктуации коэффициента преломления и температуры является отражением протекающих турбулентных процессов, т.е. показывают наличие индуцированной атмосферной турбулентности, которая регистрируется даже не непосредственно над очагом горения. Этот факт следует рассматривать как характерный признак природного пожара, который может быть использован для разработки способа дистанционного обнаружения очага пожара. 4. В результате экспериментов были получены данные о переносе конденсированных продуктов горения и их характеристик (размер частиц) на разной высоте и разном удалении от очага горения. Перенос аэрозольных продуктов горения контролировался с помощью сети наземных датчиков PMS 7003, расположенных на высоте 2 м на разных расстояниях (до 105 м) от очага горения, а также один датчик был закреплен на БПЛА и регистрировал концентрацию аэрозольных частиц на высоте до 30 м. На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что на высоте 20 м, исходя из концентрации продуктов горения аэрозоля, можно надежно регистрировать дымовой шлейф от лесного пожара на существенно большем расстоянии. 5. Разработана физико-математическая модель зажигания слоя древесины тлеющими частицами которая позволяет определить характеристики теплообмена и рассчитывать времена зажигания. В результате численного моделирования сделаны некоторые выводы: А) Для частиц малых размеров, запасенного в них тепла оказывается недостаточным для инициирования процесса зажигания. Интенсивный теплообмен с окружающей средой частиц малых размеров приводит к прекращению тления частицы и ее охлаждению. Для инициирования процесса зажигания тлеющая частица должна обладать значительной тепловой энергией. Б) Влияние ветра на теплообмен и зажигание слоя древесины является неоднозначным. Обдув тлеющей частицы и слоя древесины приводит к значительному разбавлению и уносу продуктов пиролиза от тлеющей частицы, а также к понижению температуры и тепловой энергии частицы. Результаты расчетов показывают, что увеличение скорости ветра до 2м/с препятствует зажиганию одиночной частицы и небольшой (2, 3) совокупности частиц, однако способствует зажиганию большой совокупности близкорасположенных частиц. В) В результате проведенных исследований выполнено численное моделирование зажигания древесины в результате теплового воздействия горящих частиц различной формы с учетом их взаимного расположения, ориентации относительно друг друга и направления ветра. Проведен анализ влияния формы частиц на процессы теплообмена и зажигания. В частности, рассматривались частицы неправильной формы. В этом случае реализуется высокотемпературный режим. Это объясняется тем, что вблизи угловых точек увеличивается контакт древесины с тлеющими частицами. В результате этого интенсивность прогрева в этой зоне возрастает. С другой стороны, наличие изломов и разветвления частицы изменяют картину обтекания и формируют застойные зоны, в которых существенно уменьшается интенсивность теплоотвода. 6. В рамках выполнения первого этапа проекта опубликовано 6 работ, в том числе 1 статья, индексируемая базами научного цитирования RSCI, Scopus. 3 статьи принято к публикации в журналах, индексируемых базами научного цитирования RSCI, Web of Science, Scopus. Промежуточные результаты проекта докладывались на 8 международных и всероссийских конференциях.

Аннотация результатов, полученных в 2026 году
1. Проведены полунатурные эксперименты по распространению низового пожара и возникновению верхового лесного пожара на реконструированном модельном пологе леса. При проведении экспериментов контролировалась тепловая структура пламени и структура конвективной колонки над пламенем. Получены следующие основные результаты: - Установлено, что на высоте 2 м в случае верхового пожара изменение значений структурных постоянных показателя преломления, пульсаций температуры воздуха и скорости звука не зарегистрировано, что объясняется тем фактом, что высота пламени при верховом пожаре существенно выше точки измерений и турбулентные процессы, индуцированные горением, регистрируются выше пламени. В свою очередь с ростом высоты измерений при низовом пожаре наблюдается снижение значений вышеуказанных параметров, говорящее о диссипативном характере протекающих турбулентных процессов. - С использованием оригинальной методики были получены энергетические спектры, определены характерные масштабы турбулентности, которые для верхового пожара на высоте 2 м варьируются в интервале 2,19-0,12 м; на высоте 6 м 3,0-0,28 м; на высоте 10 м: 4,0-0,46 м. Для низового пожара соответственно – на высоте 2 м варьируются в интервале 1,0-0,09 м; на высоте 6 м 1,8-0,17 м; на высоте 10 м: 3,7-0,22 м. - Получены спектры пульсации температуры в пламени и масштабы турбулентности на высотах, соответствующих середине и верхней части пламени. Для верхового пожара масштабы турбулентности имеют характерные значения 0,07-0,77 м в средней части пламени и 0,11-0,93 м в верхней части пламени. Для низового пожара – 0,17-0,55 м в средней части пламени и 0,157-0,859 м в верхней части пламени. Анализируя масштабы турбулентности в пламени можно сделать вывод, что внутри пламени наблюдаются одновременно инерционные процессы, сопровождающиеся ростом масштабов турбулентных структур в результате тепловыделения и расширении, и диссипативные, когда небольшие порции летучих полностью успевают прореагировать с кислородом еще не достигнув верха пламени, в результате чего выделение тепла в объеме прекращается и начинаются диссипативные процессы. В свою очередь выше пламени начинается формироваться индуцированная атмосферная турбулентность, в которой также на высотах от 2 до 10 м наблюдаются инерционные процессы. - Следует отметить, что концентрация частиц от очага пожара, существенно превышающая фоновые значения, регистрируется с помощью носимых на БПЛА датчиков аэрозоля на высоте 20 м на расстояниях до 200 м, что дает возможность считать, что уверенная регистрация дымового шлейфа пожара возможна на существенно больших расстояниях. - С применением методов ИК-термографии и оригинальных методик были получены профили температуры на границе перехода низового пожара в верховой. Учитывая представленные в данном отчете результаты экспериментов, следует отметить, что для деревьев с естественным влагосодержанием в условиях проведенных экспериментов существование и устойчивое распространение верхового пожара невозможно без параллельного распространения низового пожара. Тем не менее, при определенных условиях, когда скорость ветра и плотность крон достаточно высоки будет реализовываться самостоятельное распространение верхового пожара. Также в случае сухостоя самостоятельное распространение верхового пожара будет реализовываться устойчиво, в том числе и за счет переноса горящих частиц от фронта пожара. 2. Разработана математическая модель, описывающая процессы теплообмена и зажигания слоя древесины с одиночной частицей природного происхождения, а также группой частиц. Проанализирован учет неоднородности древесины, влияния ветра, а также формы и геометрии частиц, в том числе, в случае их неодновременной аккумуляции на поверхности древесины. Получены следующие основные результаты: - Результаты расчетов показывают, что при влажности более 15% при попадании на поверхность древесины 5 частиц в форме цилиндра, воспламенение не происходит. Теплообмен осуществляется в низкотемпературном режиме. Отметим при этом, что уменьшение влажности приводит к увеличению температуры в пространстве между частицами и увеличению размеров области повышенной температуры. При дальнейшем уменьшении влажности уменьшается время зажигания. - Проведено численное исследование влияния формы, а также размеров частиц на теплообмен и зажигание слоя древесины. Отмечено, что наличие изломов и разветвления частицы изменяют картину обтекания и формируют застойные зоны, в которых существенно уменьшается интенсивность теплоотвода. Вблизи поверхности частицы формируется высокотемпературная зона горения, которая увеличивается в размерах с течением времени. - Исследовано влияние ветра на распределение изотерм в контрольных точках на поверхности древесины после попадания на неё модельных частиц. Увеличение скорости ветра приводит к интенсификации теплообмена между частицами и слоем древесины, а также способствует притоку кислорода к продуктам пиролиза, что интенсифицирует процессы прогрева, сушки и зажигания. Численно определена критическая скорость ветра (4.5 м/с), при которой интенсивный обдув частиц приводит к значительному разбавлению и уносу продуктов пиролиза от тлеющей частицы, а также к понижению температуры и тепловой энергии частицы. В результате этого зажигания поверхности не происходит. В этом случае реализуется низкотемпературный режим теплообмена. - На основании проведенного анализа отмечено, что ориентация частиц относительно ветра критически влияет на время зажигания. 3. Проведено сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными данными, полученными на предыдущем этапе выполнения проекта. - Сравнение показывает: расчётные температуры в реперных точках до воспламенения (600–700 К) хорошо согласуются с экспериментальными данными (533–693 К). Оба подхода демонстрируют, что критическая температура зажигания древесины сосны, из которой были изготовлены образцы в эксперименте, лежит в диапазоне 600–700 К при скорости ветра 2–2.5 м/с. - Экспериментальные результаты качественно согласуются с численными расчетами в отношении влияния ветра на теплообмен и зажигание слоя древесины. В частности, в расчетах наблюдается ситуация, когда при наличии ветра высокотемпературная зона смещается в подветренную сторону, принимая каплевидную форму. Экспериментально полученные термограммы поверхности образцов древесины качественно воспроизводят ту же картину: наблюдаются локальные теплонапряженные участки в промежутках между упавшими частицами, их вытянутость по направлению воздушного потока, увеличение площади прогрева с ростом количества частиц. 4. В рамках выполнения второго этапа проекта опубликовано 10 работ, в том числе 5 статей в журналах, индексируемых базами научного цитирования Web of Science, Scopus, RSCI. Результаты проекта представлялись на 5 международных и всероссийских конференциях.