Name: wind tunnel experiments to study chaparral crown fires
Uploaded: 2017-11-14T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Wind Tunnel Experiments to Study Chaparral Crown Fires at JoVE.com

Gli autori si desidera ringraziare Benjamin Sommerkorn, Gabriel Dupont, Jake Eggan e Chirawat Sanpakit che ci ha assistito con gli esperimenti presentati qui. Jeanette Cobian Iñiguez riconosce sostegno per numero di opportunità di ricerca istituzionali (MIRO) di NASA MUREP grant NNX15AP99A. Questo lavoro è stato finanziato anche dal USDA/USDI fuoco piano nazionale attraverso un accordo tra USDA Forest Service, stazione di ricerca di PSW e la University of California - Riverside.

Attenzione: come diversi passaggi nel seguente protocollo implicano attività che hanno il potenziale di causare lesioni, assicurarsi che i dispositivi di protezione personale (PPE) sono utilizzato a seguito di protocolli di sicurezza stabilite tra cui fuoco Abbigliamento resistente e occhiali protettivi.
 1. Corona carburante letto Load Cell strumentazione Setup <ol><li>modificare 4 C-morsetti collegando moschettoni doppia molla (Vedi Tabella materiali) attraverso il foro ...

<ol>
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Part I: Model idealization.</a> Int. J. Wildl. Fire. 15 (1), 47-60 (2006).</li><li>Cruz, M. G., Butler, B. W., Alexander, M. E., Forthofer, J. M., Wakimoto, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Predicting+the+ignition+of+crown+fuels+above+a+spreading+surface+fire.+Part+II:+Model+idealization.">Predicting the ignition of crown fuels above a spreading surface fire. Part II: Model idealization.</a> Int. J. Wildl. Fire. 15 (1), 47-60 (2006).</li><li>Li, J., Mahalingam, S., Weise, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+investigation+of+fire+propagation+in+single+live+shrubs.">Experimental investigation of fire propagation in single live shrubs.</a> Int. J. Wildl. Fire. 26 (1), 58-70 (2017).</li><li>Byram, G. 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La capacità di misurare la massa di carburante elevati in tutto l'esperimento è stato uno dei principali vantaggi della tecnica presentata qui. Gli studi precedenti indirizzamento fuoco chaparral sono concentrati sia solo l'inizio di fuoco di corona o solo su superficie diffuse, ma non entrambi. Tali studi hanno quantificato la possibilità di accensione nello strato corona e hanno lasciato il studio di diffusione per lavori futuri23. La nostra metodologia permette per la misura della perdita di...

Nel 2016, lo stato della California ha avvertito un totale di 6.986 incendi boschivi, consumando acri 564.8351, costano milioni di dollari di danni e rischiare il benessere di centinaia di persone. A causa del clima Mediterraneo regionale, una fonte di combustibile importante per questi fuochi sono chaparral vegetazione comunità2. Fuoco si diffuse in chaparral può essere considerato un incendio corona poiché il principale combustibile che brucia è elevato3. Coesiste con il livello di corona principalmente live, è lo strato di morta superficie combustibile, che si compone di cast fogliame, rami e piante erbacee che crescono sotto e tra gli arbusti individuali. Fuoco si avvierà più facilmente nello strato morta superficie combustibile. Una volta che si accende il fuoco di superficie, il fuoco può transizione allo strato corona dove l'energia rilasciata dal fuoco aumenta drammaticamente. Mentre chaparral incendi sono stati modellati in genere come un fuoco diffusione in superficie profonda combustibili4, c'è stato limitato studio di chaparral incendi come fuochi di corona.

Caratteristiche di corona in chaparral, tra cui la forma delle particelle di fogliame, differiscono dalla foresta boreale di conifera, dove si è verificata la maggior parte della ricerca. Numerosi studi su scala di laboratorio e sul campo hanno studiato i vari aspetti di wildfire dynamics6,5,7,3,8,9,10 ,11,12. All'interno del Regno di esperimenti di laboratorio, parecchi studi hanno esaminato l'influenza di parametri quali vento e proprietà del combustibile sulla corona chaparral comportamento al fuoco. Lozano7 ha esaminato le caratteristiche della corona fuoco iniziazione in presenza di due letti di carburante corona discreti. In Tachajapong et al. 3, superficie discreti e strati di corona sono stati bruciati all'interno di una galleria del vento e il fuoco di superficie è stato caratterizzato. Solo l'inizio di fuoco di corona è stato descritto completamente lasciando completa analisi della diffusione per il lavoro futuro. Li et al. 11 segnalato sulla propagazione di una fiamma però arbusti singolo chaparral. Nel lavoro relativo, Cruz et al. 10 , 9 hanno sviluppato un modello per prevedere l'accensione di conifere fogliame sopra un fuoco diffusione superficiale. Caratteristiche di ustione dei combustibili chaparral sono state esplorate negli studi sperimentali di combustibili di massa e individuo lascia13,14,15,16. Dupuy et al. 13 ha studiato le caratteristiche di combustione di Pinus pinaster aghi ed excelsior bruciando i combustibili in cestini di forma cilindriche. Essi hanno osservato che in questi combustibili, altezza della fiamma è stato correlato al tasso di rilascio di calore tramite una legge di potenza di due quinti come è stata segnalata precedentemente nella letteratura17,18. Sun et al. 14 bruciato combustibili chaparral in cesti cilindrici simili per analizzare le caratteristiche di combustione dei combustibili chaparral tre: chamise (Adenostoma Apiarius), ceanothus (Ceanothus crassifolius) e manzanita ( Glandulosa di Arctostaphylos).
Motivato dai risultati degli studi di laboratorio di cui sopra, il nostro scopo qui è di presentare una metodologia per caratterizzare la diffusione negli strati corona sia di superficie che di arbusto. Inoltre, ci proponiamo di chiarire alcune delle caratteristiche chiave che determinano il grado di interazione di strato di superficie-corona. A questo scopo, abbiamo sviluppato una metodologia di laboratorio sperimentale per studiare la transizione verticale di un fuoco che brucia in un wildland superficie combustibile ad un fuoco diffusione in un combustibile di arbusto con privilegi elevati. In questi tipi di fuochi, traduzione del fuoco per la corona di arbusto, noto come coronamento, può essere seguita da sostenuta diffusione nelle giuste condizioni. In generale, comportamento al fuoco chaparral è dettata dalla topografia, meteo e carburante19. È stato dimostrato che il vento influisce sulla velocità di rilascio di energia a combustibili5,3,8,20.
Fuoco diffuso nei combustibili porosi può essere vista come una serie di transizioni o soglie che devono essere attraversate per essere successo21. Energico, una particella di carburante si accende se la quantità di calore che riceve si traduce in una miscela di gas che con successo reagiscono con l'ossigeno. La fiamma risultante si diffonde se il calore dalla combustione particella si accende una particella di carburante adiacente. Il fuoco si propaga attraverso il terreno se è in grado di attraversare spazi vuoti tra gli elementi combustibili. Se la fiamma di un fuoco di superficie è in grado di propagarsi verticalmente nella corona di alberi e arbusti, un cambiamento significativo nel comportamento al fuoco, tra cui velocità di rilascio di calore aumentato, è osservato spesso a causa di una maggiore disponibilità di carburante. Energia termica dinamica degli incendi boschivi comprende diverse scale, dalla scala molto grande, ad esempio in mega-incendi che spesso richiedono modellistica climatologica, alla piccola scala che richiedono modellistica cinetica chimica scala. Qui, abbiamo a che fare con il comportamento di laboratorio Galleria del vento scala modellazione; per studi a scala chimica cellulosa combustione, si rimanda il lettore alle opere come Sullivan et al. 22
Dal 2001, abbiamo condotto una varietà di esperimenti esaminando alcuni del laboratorio scala energia soglie23,8,24,25,26, 27, con un'enfasi sui combustibili live associato chaparral. Mentre all'aperto misure di fuoco possono fornire risultati più realistici, l'ambiente controllato della galleria del vento consentono delineazione dell'impatto dei vari parametri. Controllo vento, ad esempio, è particolarmente importante per chaparral corona incendi che si verificano in regioni come la California meridionale dove foehn tipo venti, noti come venti di Santa Ana, sono driver tipico degli eventi di incendio. Perché una motivazione importante per la metodologia descritta qui è quello di studiare l'effetto del vento e altri parametri controllati su chaparral propagazione del fuoco, questo studio è stato svolto in galleria del vento scala laboratorio. Il lettore è diretto al lavoro da Silvani et al. 28 per misure in campo di temperatura in chaparral incendi simili a quelli qui presentati. Per misure in campo sull'effetto del vento sulla diffusione di fuoco, vedere Morandi et al. 29
Diversi parametri che influenzano la diffusione nei combustibili chaparral sono stati analizzati sperimentalmente da quantificare la probabilitàdi fuoco diffuso successo in carburante elevati letti8. L'attuale studio sperimentale prevede una metodologia sviluppata per studiare fuoco corona chaparral diffuse da modellazione superficiale carburanti e combustibili di corona all'interno della sezione di prova della galleria del vento a bassa velocità. Il combustibile di superficie è modellato con excelsior (legno secco tagliuzzato). Il letto di superficie combustibile è collocato al piano terra della galleria del vento sopra una scala standard (Vedi Figura 1). Che rappresenta il letto del combustibile di corona, un letto di combustibile con chamise era posizionato sopra il letto di superficie combustibile sospendendo il carburante da una piattaforma montata sul telaio di Galleria del vento (Vedi Figura 1). Entrambi i letti carburante vengono instrumentati per temperatura e misure di perdita di massa; geometria di fiamma è ottenuta da registrazioni video degli esperimenti. Parametri misurati includono perdita di massa, contenuto di umidità del combustibile e l'umidità relativa dell'aria. Parametri controllati sono stati la presenza di vento, distanza tra superficie combustibile letto e letto di combustibile di corona e la presenza di superficie combustibile. Il tasso di perdita di massa misurato può essere utilizzato per calcolare il tasso di rilascio di calore, che è definito come: 
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56591/56591eq1.jpg"> dove h è il calore di combustione di combustibile, m è la massa di combustibile, e t è il tempo.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56591/56591fig1.jpg"> 
Figura 1: messa a punto sperimentale Wind tunnel. Posizioni del letto del combustibile di corona, il letto di superficie combustibile e la ventola di tunnel sono stati etichettati per la comodità. Il letto di superficie combustibile è collocato al piano terra della galleria del vento sopra una scala standard. Che rappresenta il letto del combustibile di corona, un letto di combustibile con chamise era posizionato sopra il letto di superficie combustibile sospendendo il carburante da una piattaforma montata sul telaio di Galleria del vento. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56591/56591fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Gli esperimenti si sono concentrati sulla comprensione del comportamento di chaparral corona incendi, in particolare dell'accensione, meccanismi di propagazione della fiamma e diffusione, fiamma su velocità e tassi di consumo di carburante. Per studiare l'interazione tra un fuoco di superficie e un fuoco di corona, sei configurazioni di letti di carburante di superficie e corona con e senza flusso di vento applicata, sono stati bruciati nella galleria del vento: carburante corona solo con e senza vento (2), la corona e letti di combustibile separati da in superficie due distanze con e senza vento (4). La tabella 1 riassume le configurazioni sperimentali con le 6 classi sperimentali. Nella tabella, il parametro di letto superficie combustibile denota se superficie combustibile era presente durante l'esperimento, il parametro di vento fa riferimento alla presenza di vento e altezza corona si riferisce alla distanza tra il fondo del letto di combustibile corona e la parte inferiore della superficie letto di combustibile. Umidità del combustibile è stato misurato per ogni esperimento ma non controllato, contenuto di umidità medio di carburante era 48%, mentre i valori minimi e massimo erano 18% al 68%, rispettivamente.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Classe</td>
			<td>Letto di superficie combustibile</td>
			<td>Vento</td>
			<td>Altezza corona</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A</td>
			<td>Assente</td>
			<td>Senza vento</td>
			<td>60 o 70 cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>B</td>
			<td>Assente</td>
			<td>1 ms-1</td>
			<td>60 o 70 cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C</td>
			<td>Presente</td>
			<td>Senza vento</td>
			<td>60 cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D</td>
			<td>Presente</td>
			<td>Senza vento</td>
			<td>70 cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>E</td>
			<td>Presente</td>
			<td>1 ms-1</td>
			<td>60 cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>F</td>
			<td>Presente</td>
			<td>1 ms-1</td>
			<td>70 cm</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabella 1: sperimentare configurazioni. Qui il parametro letto superficie combustibile denota se superficie combustibile era presente durante l'esperimento, il parametro di vento fa riferimento alla presenza di vento e altezza corona si riferisce alla distanza tra il fondo del letto di combustibile corona e il fondo del letto superficie combustibile.
Una bilancia elettronica misurato superficie combustibile massa e abbiamo sviluppato un sistema di perdita di massa personalizzata per lo strato di corona. Il sistema è costituito da singole celle di carico collegate ad ogni angolo del letto sospeso carburante. Videocamere di livello consumer registrato le fiamme visual; elaborazione di immagini dei dati visual utilizzando uno script personalizzato generato fiamma caratteristiche tra cui altezza e angolazione. Un programma è stato sviluppato per convertire i fotogrammi video da RGB (rosso/verde/blu) codifica in bianco e nero attraverso un processo di soglia di intensità della luce. Il bordo della fiamma è stato ottenuto dai fotogrammi video bianchi e nero. Altezza massima della fiamma è stato definito come il punto più alto del bordo della fiamma, altezze di fiamma istantanea inoltre sono state ottenute. In un'immagine, altezza della fiamma è stata misurata dalla base del letto di combustibile per il punto verticale massimo della fiamma. Tutti i codici di elaborazione così come l'interfaccia di controllo dello strumento progettato per questo protocollo è stati resi disponibile dagli autori qui attraverso il loro sito di accesso del software. Raccolta del combustibile dal vivo localmente e conducendo le ustioni sperimentale entro 24 h ridotto al minimo la perdita di umidità. Una matrice di termocoppia registrato temperatura del letto di combustibile nella direzione stream-wise del vento, che permette il calcolo del tasso di diffusione. La figura 1 Mostra un diagramma dell'installazione letto combustibile insieme con la disposizione di termocoppia. Seguono dettagli del protocollo sperimentale.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Wind Tunnel Instrumentation</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>cDAQ-9178 CompactDAQ Chassis</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>781156-01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NI-9213 C Series Temperature Input Module</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>785185-01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NI SignalExpress for Windows</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>779037-35&#160;</td>
			<td>Newest version, older version used for experiment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High Temperature Nextel Insulated Thermocouple Elements</td>
			<td>Omega</td>
			<td>XC-24-K-18</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermocouple Extension Wire with Polyvinyl Coated Wire and Tinned Copper Overbraid</td>
			<td>Omega</td>
			<td>EXPP-K-24S-TCB-P</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultra High Temperature Miniature Connectors</td>
			<td>Omega</td>
			<td>SHX-K-M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CompuTrac MAX 2000XL&#160;</td>
			<td>Arizona Instruments</td>
			<td>MAX-2000XL</td>
			<td>Discontinued, Newer Model Out</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kestrel 3000 Pocket Weather Meter</td>
			<td>Nielsen-Kellerman</td>
			<td>0830</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Satorius CPA 34001S&#160;</td>
			<td>Sartorius</td>
			<td>25850314</td>
			<td>Discontinued Model</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5 Kg Micro Load Cell (X4)</td>
			<td>Robotshop.com</td>
			<td>RB-Phi-118</td>
			<td>Strain Gauge Load Cell</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phidget PhidgetBridge Wheatstone Bridge Sensor Interface</td>
			<td>Robotshop.com</td>
			<td>RB-Phi-107</td>
			<td>Interfaces with 4 load cells, performs signal amplification</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>#2 Stainless S-Biner (X4)</td>
			<td>Home Depot</td>
			<td>SB2-03-11</td>
			<td>Dual spring gate carabiners used to mount load cells</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2 in. Malleable Iron C-Clamp</td>
			<td>Home Depot</td>
			<td># 4011</td>
			<td>Used to mount load cells</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Name</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Personal Protective Equipment</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wildland Firefighter Nomex Shirt</td>
			<td>GSA Advantage</td>
			<td>SH35-5648</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fireline 6 oz Wildland Fire Pants</td>
			<td>GSA Advantage</td>
			<td>139702MR SEV16</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Name</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fuels</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chamise</td>
			<td>Collected in situ</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Natural Shredded Wood Excelsior &#8211; Natural Coarse 50 lbs bail</td>
			<td>Paper Mart</td>
			<td>21-711-88</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bernzomatic UL100 Basic Propane Torch Kit</td>
			<td>Home Depot</td>
			<td>UL100KC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isopropyl alcohol</td>
			<td>Convenience store</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Name</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Video and Photography</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon D3000 10.2-MP DSLR camera with DX-format sensor and 3x 18x55mm Zoon-NIKKOR VR Image Stabilization Lens</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sony Handycam Camcorder DCR-SX85</td>
			<td>Amazon.com</td>
			<td>DCR-SX85</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Name</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NI LabView</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>Student Version</td>
			<td>Used for instrument control and interfacing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB Student Version (MATLAB_R2014a)</td>
			<td>Mathworks</td>
			<td>Student Version&#160;</td>
			<td>Used for data post-processing including image processing</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

wind tunnel experiments to study chaparral crown fires

Il presente protocollo presenta una tecnica di laboratorio progettata per studiare la diffusione e l'accensione del fuoco del chaparral corona. Gli esperimenti sono stati condotti in una galleria del vento di fuoco bassa velocità dove due strati distinti di carburante sono stati costruiti per rappresentare la superficie e corona del combustibile in chaparral. Chamise, un arbusto comune chaparral, compreso lo strato della parte superiore in tensione. Lo strato superficiale di carburante morto è stato costruito con l'excelsior (legno tagliuzzato). Abbiamo sviluppato una metodologia per misurare la perdita di massa, temperatura e fiamma altezza per entrambi i livelli carburante. Termocoppie esposto a ogni temperatura di strato stimato. Una videocamera catturato la fiamma visibile. Post-elaborazione di immagini digitali ha reso fiamma caratteristiche tra cui inclinazione altezza e fiamma. Uno strumento di perdita di massa corona personalizzato sviluppato internamente misurato l'evoluzione della massa dello strato corona durante la masterizzazione. Tendenze di perdita e temperatura massa ottenute utilizzando la teoria tecnica abbinato e altri studi empirici. In questo studio, presentiamo dettagliate procedure sperimentali e informazioni della strumentazione utilizzata. I risultati rappresentativi per il tasso di perdita di massa di combustibile e la temperatura depositata entro il letto del combustibile sono anche inclusi e discusso.

Corona e fiamma superficie altezza dati sono stati ottenuti dai dati dei video. Tendenze di altezza di fiamma tipico per gli esperimenti è presentato nella Figura 6. Fiamma altezza comportamento seguito che trovato in sole et al. 14
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56591/56591fig6.jpg"> 
Figura 6: corona fiamma altezza stimata.</...

Watch this Scientific Journal Video about Wind Tunnel Experiments to Study Chaparral Crown Fires at JoVE.com

Wind Tunnel Experiments to Study Chaparral Crown Fires

Questo protocollo descrive esperimenti di Galleria del vento progettati per studiare la transizione di un fuoco da terra per il baldacchino di arbusti chaparral.

Esperimenti di Galleria del vento per studiare Chaparral corona incendi

The present protocol presents a laboratory technique designed to study chaparral crown fire ignition and spread. Experiments were conducted in a low ...

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