Инструментарий анализа и визуализации распределений и векторных полей при моделировании низовых лесных пожаров

  • Дмитрий Валентинович Баровик Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Валерий Борисович Таранчук Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Рассмотрена задача компьютерного моделирования распространения низовых лесных пожаров в двумерной постановке. Приведена формулировка начально-краевой задачи в виде системы дифференциальных уравнений с частными производными в принятом приближении соответствующих физико-химических процессов с уточнениями взаимосогласованных определяющих функций и коэффициентов, включаемых в уравнения. Для разработки компьютерной модели, проведения расчетов и формирования базы данных с результатами вычислений использована система компьютерной алгебры Wolfram Mathematica. Представлены данные вычислительных экспериментов по изучению возможных сценариев распространения зоны горения вблизи противопожарных разрывов в тылу, на флангах и фронте пожара. С помощью многомерной графики проиллюстрированы несколько качественных особенностей структуры температурного фронта и его эволюции, векторных полей градиента концентрации кислорода по площади лесного массива при наличии имеющих различные формы и размеры участков с низким содержанием горючего материала и продемонстрировано влияние равновесной скорости ветра в пологе леса. На примерах показаны возможные варианты динамики фронта пожара в направлениях по ветру и против него.

Биографии авторов

Дмитрий Валентинович Баровик, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; доцент кафедры компьютерных технологий и систем факультета прикладной математики и информатики

Валерий Борисович Таранчук, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, профессор; профессор кафедры компьютерных технологий и систем факультета прикладной математики и информатики

Литература

  1. Cheshko ID, Pariiskaya AYu, Printseva MYu, Petrova NV, Lobova SF, Plotnikov VG, et al. Ekspertnoe issledovanie prirodnykh pozharov [Expert study of wildfires]. Saint Petersburg: Saint Petersburg University of State Fire Service of Emercom of Russia; 2019. 252 p. Russian.
  2. Dvornik AA, Dvornik AM, Korol RA, Shamal NV, Gaponenko SO, Bardyukova AV. Potential threat to human health during forest fires in the Belarusian exclusion zone. Aerosol Science and Technology. 2018;52(8):923–932. DOI: 10.1080/02786826.2018.1482408.
  3. Volokitina AV, Sofronova TM, Korets MA. Upravlenie pozharami rastitel’nosti na osobo okhranyaemykh prirodnykh territoriyakh [Management of vegetation fires in specially protected natural areas]. Novosibirsk: Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; 2020. 201 p. Russian.
  4. Usenya VV. Postfire condition and renewal of forest phytocenoses on the territory of the Republic of Belarus. Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Biological Series. 2018;63(3):316–327. Russian. DOI: 10.29235/1029-8940-2018-63-3-316-327.
  5. Volokitina AV, Sofronova TM, Korets MA. Vegetation fire behavior prediction. Bulletin of Higher Educational Institutions. Forestry Journal. 2020;1:9–25. Russian. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-1-9-25.
  6. Frangieh N, Accary G, Morvan D, Meradji S, Bessonov O. Wildfires front dynamics: 3D structures and intensity at small and large scales. Combustion and Flame. 2020;211:54–67. DOI: 10.1016/j.combustflame.2019.09.017.
  7. Gladskoy IB, Pavlova AV, Rubtsov SE. To modeling the spread of forest fires using GIS technologies. Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation. 2019;16(4):13–21. Russian. DOI: 10.31429/vestnik-16-4-13-21.
  8. Antonov D, Osipov K, Khasanov I. Experimental and numerical studies of suppression of forest combustible material pyrolysis under influence of steam-water curtain. MATEC Web Conferences. 2018;194:01003. DOI: 10.1051/matecconf/201819401003.
  9. Perminov V, Goudov A. Mathematical modeling of forest fires initiation, spread and impact on environment. International Journal of GEOMATE. 2017;13(35):93–99. DOI: 10.21660/2017.35.6704.
  10. Baranovskiy NV, Zakharevich AV. Experimental modelling of spruce needles ignition by the carbonaceous heated up to high temperatures particle. Voprosy lesnoi nauki. 2019;2(1):1–15. Russian. DOI: 10.31509/2658-607x-2019-2-1-1-15.
  11. Lasuta GF, Goman PN. Modeling of the processes of the occurrence and spread of forest groundfire with the estimation of the level of flame front heat load. Journal of Civil Protection. 2019;3(2):138–154. Russian. DOI: 10.33408/2519-237X.2019.3-2.138.
  12. Kuznetsov GV, Syrodoy SV, Kostoreva AA, Kostoreva ZhA, Nigay NA. Effect of concentration and relative position of wood and coal particles on the characteristics of the mixture ignition process. Fuel. 2020;274:117843. DOI: 10.1016/j.fuel.2020.117843.
  13. Ghaderi M, Ghodrat M, Sharples JJ. LES simulation of wind-driven wildfire interaction with idealized structures in the wildland-urban interface. Atmosphere. 2021;12(1):21. DOI: 10.3390/atmos12010021.
  14. Matsuoka T, Yoshimasa A, Masuda M, Nakamura Y. Study on fingering pattern of spreading flame over non-charring solid in a narrow space. Fire Technology. 2020;56(1):271–286. DOI: 10.1007/s10694-019-00865-1.
  15. Pastor E, Zarate L, Planas E, Arnaldos J. Mathematical models and calculation systems for the study of wildland fire behaviour. Progress in Energy and Combustion Science. 2003;29(2):139–153. DOI: 10.1016/S0360-1285(03)00017-0.
  16. Barovik DV, Taranchuk VB. Current state of the problem and the results of computer prediction of forest fire spread. Vestnik BGU. Seriya 1. Fizika. Matematika. Informatika. 2011;3:78–84. Russian.
  17. Sullivan AL. Wildland surface fire spread modelling, 1990–2007. 1: physical and quasi-physical models. International Journal of Wildland Fire. 2009;18(4):349–368. DOI: 10.1071/WF06143.
  18. Sullivan AL. Wildland surface fire spread modelling, 1990–2007. 2: empirical and quasi-empirical models. International Journal of Wildland Fire. 2009;18(4):369–386. DOI: 10.1071/WF06142.
  19. Sullivan AL. Wildland surface fire spread modelling, 1990–2007. 3: simulation and mathematical analogue models. International Journal of Wildland Fire. 2009;18(4):387–403. DOI: 10.1071/WF06144.
  20. Grishin AM. Matematicheskoe modelirovanie lesnykh pozharov i novye sposoby bor’by s nimi [Mathematical modeling of forest fires and new methods of fighting them]. Novosibirsk: Nauka; 1992. 408 p.
  21. Kuleshov AA, Myshetskaya EE, Yakush SE. Numerical simulation of forest fire propagation based on modified two-dimensional model. Mathematical Models and Computer Simulations. 2017;9(4):437–447. DOI: 10.1134/S207004821704007X.
  22. Kuleshov AA, Myshetskaya EE. Results of computation of the forest fires front propagation based on a two-dimensional threephase model. Keldysh Institute Preprints. 2019;115:1–9. Russian. DOI: 10.20948/prepr-2019-115.
  23. Kuznetsov GV, Voytkov IS, Kralinova SS, Atroshenko YK. Heat transfer and phase transformations in the localization of forest fuel combustion. Interfacial Phenomena and Heat Transfer. 2019;7(2):167–195. DOI: 10.1615/InterfacPhenomHeatTransfer. 2019031564.
  24. Barovik DV, Taranchuk VB. Peculiarities of adaptation of running crown forest fire mathematical models. Vestnik BGU. Seriya 1. Fizika. Matematika. Informatika. 2010;1:138–143. Russian.
  25. Barovik D, Taranchuk V. Mathematical modelling of running crown forest fires. Mathematical Modelling and Analysis. 2010;15(2):161–174. DOI: 10.3846/1392-6292.2010.15.161-174.
  26. Taranchuk VB, Barovik DV. Computer model, examples of analysis of landscape and meteorological factors affecting the dynamics of surface forest fires. Economics. Information Technologies. 2020;47(3):610–622. Russian. DOI: 10.18413/2687-0932-2020-43-3-610-622.
  27. Barovik DV, Taranchuk VB. Computer model, examples of analysis of the spread of ground forest fires. Problemy fiziki, matematiki i tekhniki. 2020;4:113–120. Russian.
  28. Barovik DV, Korzyuk VI, Taranchuk VB. Methods of forest fires computer modelling. Trudy Instituta matematiki [Proceedings of the Institute of Mathematics]. 2013;21(1):3–14. Russian.
  29. Barovik DV, Korzyuk VI, Taranchuk VB. On the correctness of a mathematical model of ground forest fires. Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus. 2013;57(4):5–9. Russian.
  30. Bürger R, Gavilan E, Inzunza D, Mulet P, Villada LM. Implicit-explicit methods for a convection-diffusion-reaction model of the propagation of forest fires. Mathematics. 2020;8(6):1034. DOI: 10.3390/math8061034.
  31. Hastings C, Mischo K, Morrison M. Hands-on start to Wolfram Mathematica and programming with the Wolfram language. 3rd edition. [USA]: Wolfram Media; 2020. 562 p.
  32. Taranchuk V. Tools and examples of intelligent processing, visualization and interpretation of GEODATА. Journal of Physics: Conference Series. 2020;1425:012160. DOI: 10.1088/1742-6596/1425/1/012160.
  33. Marzaeva VI. Mathematical modeling of canopy forest fire spread in the presence of fire breaks and barriers. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki. 2019;89(8):1141–1149. DOI: 10.21883/JTF.2019.08.47883.392-18.
  34. Antonov D, Kuznetsov G, Zhdanova A. Numerical investigation of localization and suppression of thermal decomposition of forest combustible materials using specialized water supply. MATEC Web of Conferences. 2018;194:01033. DOI: 10.1051/matecconf/201819401033.
  35. Barovik DV, Taranchuk VB, Shkolnikov LV. [Specification and functionality of module «operational and analytical unit» of software complex for registration and processing of emergency situation messages]. Chrezvychainye situatsii: preduprezhdenie i likvidatsiya. 2013;2:84–94. Russian.
  36. Taranchuk VB. Tools and examples of intelligent data processing for geological models. Problemy fiziki, matematiki i tekhniki. 2019;3:117–122. Russian.
  37. Wu Z, Wang B, Li M, Tian Y, Quan Y, Liu J. Simulation of forest fire spread based on artificial intelligence. Ecological Indicators. 2022;136:108653. DOI: 10.1016/j.ecolind.2022.108653.
  38. Barovik DV, Taranchuk VB. Rothermel’s model adaptation for implementation in forest fires forecast software. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti. 2011;6:6. Russian.
Опубликован
2022-07-20
Ключевые слова: низовой лесной пожар, математическая модель, программный комплекс, динамика фронта пожара, градиент концентрации кислорода, неоднородность напочвенного покрова, скорость ветра
Как цитировать
Баровик, Д. В., & Таранчук, В. Б. (2022). Инструментарий анализа и визуализации распределений и векторных полей при моделировании низовых лесных пожаров. Журнал Белорусского государственного университета. Математика. Информатика, 2, 82-93. https://doi.org/10.33581/2520-6508-2022-2-82-93