Доктор Махалингам изучает распространение лесных пожаров, чтобы иметь возможность более точно моделировать такие пожары с помощью физически обоснованных вычислительных моделей. Он говорит, что уверен, что наступит день, когда лесные пожары будут прогнозироваться с использованием компьютерных моделей так же точно, как мы теперь можем прогнозировать погоду на следующий день.«Мое видение состоит в том, что точно так же, как у вас есть довольно разумные прогнозы погоды на сегодняшний день относительно того, что произойдет завтра, которые стали очень точными по сравнению с тем, с чего они начинались в 1940-х и 50-х годах, мы можем получить это с помощью пожаров», он говорит. «Мы смотрим на прогноз погоды каждый день, чтобы сказать нам, как подготовиться к завтрашнему дню, и это потому, что мы можем предсказать погоду с большой степенью уверенности».Когда распределение топлива в дикой местности и потенциал возгорания можно очень точно оценить и точно определить области внутри пожара, где выделяется интенсивная энергия в виде тепла, скорость и площадь распространения пожара можно предсказать за несколько дней.
Это откроет двери для научных достижений во всем, от технологий пожаротушения до материально-технического снабжения ресурсов для тушения пожаров, и может даже повлиять на дизайн подразделений, застроек и домов, — говорит д-р Махалингам.Сегодня отсутствует высокая степень уверенности в надежности прогнозов пожаров, даже несмотря на то, что засуха на Западе и последствия изменения климата приводят к увеличению общей площади выгоревших акров по всей стране, а также среднего размера каждого пожара, увеличивая количество дежурных пожарных лесной службы США и общие затраты на борьбу с пламенем.Одно единственное сражение с большим лесным пожаром может сжечь 1 миллион долларов в день расходов на тушение пожаров, в результате чего годовые национальные расходы в последнее время выросли почти до 2 миллиардов долларов, даже несмотря на то, что штаты сами вносят дополнительно 1,5 миллиарда долларов. Все, от государственных учреждений до разработчиков, лесорубов и пожарных — и даже потенциальные эвакуированные — могут извлечь выгоду из надежных, физически надежных инструментов прогнозирования пожаров.
Несмотря на то, что лесные пожары в США рассматриваются в основном как проблема Запада, в 2013 году в результате 1284 лесных пожаров в Алабаме, включая несколько крупных весенних пожаров, было сожжено 25 623 акра земли в штате. Это чуть более 40 квадратных миль земли.«Если бы пожар начался в лесу, где бы был периметр через два, четыре или шесть часов?
В настоящее время это примерно тот диапазон прогнозируемой способности, который у нас есть с рабочими моделями поведения пожара для пожаров низкой интенсивности», — сказал д-р. Махалингам говорит.
По словам д-ра Махалингама, сегодня большинство прогнозов поведения при пожаре в значительной степени основывается на «чистом опыте», полученном пожарными и менеджерами, которые годами боролись с пожарами. При финансовой поддержке Управления лесной службы США Министерства сельского хозяйства США д-р Махалингам и его сотрудник, преподаватель кафедры механической и аэрокосмической инженерии UAH доктор Бабак Шоторбан, в настоящее время руководят четырьмя докторантами в отделении МАЭ, чтобы они разошлись по типу основного лесного пожара. исследования горения, которые могут переместить нашу способность прогнозирования из области опыта к научным, математическим моделям и долгосрочным расчетам.Лесные пожары включают сложные взаимодействия, которые включают распределение топлива, топографию местности, химические реакции, передачу энергии и связанную с ними гидродинамику, которая переносит влагу, газообразные углеводороды, воздух и продукты сгорания. В 1998 году его предыдущая фундаментальная работа по турбулентному горению в Университете Колорадо в Боулдере побудила доктора Махалингама провести спонсируемое NSF полевое исследование на Аляске, сравнив свойства предписанных прожогов вечной мерзлоты, чтобы помочь разработать модели, описывающие химический состав и гидродинамику пожаров.
Его интерес возник. С тех пор он работал над переносом процессов сжигания на заводах в лабораторию, где их можно было изучить, лучше понять и смоделировать в меньших контролируемых условиях.
«Моим интересом было выяснить, когда вы видите этот бушующий огонь, где именно вся эта энергия высвобождается в космос?» он говорит. Где высвобождается энергия, связанная с горением, ее интенсивность и то, как она высвобождается, — все это основа для способности прогнозирования. «То, где высвобождается энергия, будет определять динамику жидкости поблизости». В свою очередь, гидродинамика воздуха и горючих углеводородов по мере развития пожара может указать путь к тому, где огонь будет распространяться.
«Процесс начинается с пиролиза, термохимического разложения органических веществ при повышенной температуре», — говорит д-р Махалингам. Энергия, выделяемая при пожаре, нагревает и преобразует тяжелые углеводороды в горящих материалах в легкие газообразные углеводороды, которые легче сгорают. (Yashwanth, BL; B. Shotorban; S. Mahalingam; DR Weise, «Численное исследование влияния влажности на пиролиз и горение живого топлива», Документ D402, Секция Центральных штатов Института горения, Весеннее техническое совещание, Талса, штат Оклахома, 17-18 марта 2014 г.)Поскольку топливо для лесных пожаров в основном находится в подлеске, в центре внимания исследования доктора Махалингама были три вида кустарников или небольших деревьев, которые распространены в южной Калифорнии: кусты финиша; манзанита, которая может расти как куст или небольшое деревце; и почисти дуб, небольшое дерево. (А.
Дахале; С. Фергюсон; Б. Шоторбан; С. Махалингам, «Влияние распределения объемной плотности и содержания влаги на пожары в кустарниках», International J. Wildland Fire, 22 (5), стр. 625-641, 2013 г. )«В компьютерной модели мы используем очень маленькие объемы пространства, порядка одного кубического миллиметра на одном конце до кубического метра на другом конце», — говорит он. «Мы моделируем их на сетке как область пространства. Огонь — это процесс, в котором высвобождение энергии приводит в движение воздушный поток вокруг него, а результирующая динамика жидкости, в свою очередь, приводит в движение огонь». Непрерывное нагревание переднего края огня является необходимым предварительным условием для высвобождения химических веществ в топливе, которые необходимы для его поддержания.
Доктор Махалингам более внимательно изучил этот вопрос в сотрудничестве с Лесной службой США, работая в Калифорнийском университете в Риверсайде. «Когда они выходят и устраивают эти предписанные пожары, иногда в первый день топливо нелегко воспламеняется и распространяется, но они могут вернуться туда на второй день, и оно загорится и распространится», — говорит он. «Эта ситуация называется предельным горением. Я начал изучать, почему предписанный огонь распространяется. При каких условиях он распространяется, а когда не распространяется?»
В лабораторных условиях он вместе со своими аспирантами и другими сотрудниками экспериментировал с уклоном грунта, типом топлива, относительной влажностью, ветром и содержанием влаги в источнике топлива как определяющими факторами предельного горения. Каждое топливо моделировалось через годовой сезонный цикл.«Мы обнаружили, что одним из наиболее чувствительных элементов, необходимых для распространения огня, является ветер, а другим — влага», — говорит д-р Махалингам.
Сезонное сочетание ветров Санта-Анны и повышения температуры в Калифорнии служит для сушки топлива для сгорания и запуска процесса пожара.«Я изучал пограничное горение, которое я называю феноменом перехода от огня», — говорит д-р Махалингам. «Огонь теряет тепло за счет лучистой и конвективной теплопередачи, и он набирает тепло, поскольку в результате сгорания вырабатывается энергия, поэтому это проблема энергетического баланса. Мы также инициировали серию исследований, чтобы изучить переход между наземным пожаром и горящая крона дерева ".
Эта работа продолжилась после того, как он пришел в UAH в 2010 году и начал сотрудничать с доктором Шоторбан. В настоящее время изучается влияние кустарников на подлесок при лесных пожарах и то, как близость и ветер могут влиять на характеристики их горения. «Мы зажигаем куст, а затем выясняем, сколько времени потребуется, чтобы сгореть», — говорит д-р Махалингам. «Мы рассчитываем, сколько массы потребляется, чтобы затем воспроизвести это в нашей модели. Нас также интересуют детали огня, такие как созданные вихри». (Padhi, S .; AR Dahale; B. Shotorban; S. Mahalingam, «Численное исследование стационарного возгорания кустарников при боковом ветре», доклад 070FR-0073, представленный на 8-м Национальном совещании по сжиганию в США, Солт-Лейк-Сити, Юта, 19 мая.
22, 2013)Ученые UAH изучают, как взаимодействие пожаров в кустах рядом друг с другом может создавать горячие точки при пожаре. Кусты, сожженные в контролируемых условиях, сравниваются с компьютерными смоделированными пожарами кустарников для оценки прогностических качеств.«По мере того, как вы приближаете кусты ближе друг к другу, быстрее ли расходуется топливо и в результате быстрее создается энергия?» — спрашивает доктор Махалингам. «Нас интересует, как огонь распространяется от куста к кусту, каково взаимодействие, на каком расстоянии и каковы эффекты ветра.
Оказывается, в случаях, когда нет ветра, вам действительно нужно собрать кусты близко друг к другу для один, чтобы повлиять на другой ". (Дахале, А.; С. Пади; Б. Шоторбан; С. Махалингам, «Слияние пламени в двух соседних пожарах кустарников», доклад 070FR-0198, представленный на 8-м Национальном совещании по сжиганию в США, Солт-Лейк-Сити, Юта, 19 мая. 22, 2013)Исследователи гривны продолжают изучать, как уровни влажности в источниках топлива влияют на поведение при горении в рамках гранта Министерства сельского хозяйства США, расширяя результаты недавних опубликованных исследований. (S. Ferguson, AR Dahale; B. Shotorban; S. Mahalingam; DR Weise, «Роль влаги в горении пиролизных газов при лесных пожарах», Combustion Science and Technology, 185: 435-453, 2013; и Yashwanth, BL; S. Ferguson; B. Shotorban; S. Mahalingam; DR Weise, "Численное исследование влияния влажности на термическое поведение нагретой древесины", доклад 070FR-0208, представленный на 8-м Национальном совещании по сжиганию в США, Солт-Лейк-Сити , UT, 19-22 мая 2013 г.)
Все эти научные усилия были продиктованы стремлением доктора Махалингама к надежному, научному компьютеризированному прогнозированию пожаров.«Я надеюсь, что временной период прогноза пожара может быть увеличен до нескольких дневных и ночных циклов вперед», — говорит он. «Вы должны включать ночные циклы отдельно, потому что они представляют собой совсем другой набор атмосферных условий для пожара.
Я хочу, чтобы мы могли предсказать поведение пожара с высокой степенью уверенности».