Тушить лесные пожары предложено взрывами капель воды

Авторы исследования отмечают, что сейчас при тушении пожаров с помощью авиации до 90% доставленной воды проливается сквозь пламя, не успевая испариться, и уходит в почву, не способствуя погашению пламени. 

Ученые Томского политехнического университета предложили новый подход к тушению и локализации лесных пожаров, позволяющий эффективнее расходовать воду. В основе метода — взрывное дробление капель жидкости с включениями твердых непрозрачных частиц. Результаты экспериментов опубликованы в международном журнале International Journal of Thermal Sciences.

«В небольшой неоднородной капле на границе между жидкостью и твердой частицей при высокотемпературном нагреве происходит практически мгновенное парообразование, которое провоцирует маленький взрыв. Образуются десятки мелких капелек, увеличивается площадь поверхности испарения, а значит — больше тепловой энергии пламени преобразуется в пар. Снижается время тушения пожара и объем использованной воды», — поясняет один из авторов исследования, физик Максим Пискунов.

На тушении крупных лесных пожаров традиционно работает авиация: воздушное судно забирает воду и сбрасывает ее, что приводит к заливанию территории при минимальном эффекте подавления горения в целом. Падающий поток состоит из крупных капель, которые не успевают преобразовать тепловую энергию пламени в пар, до 90% доставленной воды уходит в почву, а противопожарный эффект от сброшенного объема, как правило, не оправдывает затраты на его транспортировку в места ЧС. Улучшить результат можно, подав воду в виде капель: поверхность испарения увеличится, это ускорит парообразование. Однако мелкие капли уносит потоком нагретого воздуха, так что они просто не долетают до очага возгорания.

«Нужно, чтобы достаточно большая капля, попав в пламя, раздробилась до определенного размера и испарилась. Добиться этого можно с помощью взрывной фрагментации жидкости, которая обволакивает твердую частицу в капле», — добавил ученый.

Во время экспериментов ученые добавили в капли частицы графита размером от 1 до 3 мм, которые занимали 50−70% объема капли. При высокотемпературном нагреве (от 500 до 900 градусов Цельсия, что соответствует типичным очагам горения) минерал прогревается быстрее в силу своих теплофизических и оптических свойств. Поэтому на границе между частицей и водой образуется пар. При этом площадь поверхности воды увеличивается в 3−15 раз, а значит, увеличивается и поверхность испарения. По словам ученых, это позволит снизить время тушения пожара и необходимый объем жидкости минимум на треть по сравнению с использованием воды без примесей.

«Сейчас мы продолжаем исследования, изучая, как влияет состав, форма и размер включений на поведение капли. Явление взрывной фрагментации и интенсивного парообразования на границе частицы и жидкости, по нашим данным, происходит только с графитом натурального происхождения. Но схожими теплофизическими характеристиками обладает и другой природный материал — известняк. Он так же перспективен», — отметил Пискунов.

Главная задача исследования — найти решение, при котором дробление неоднородной капли будет происходить в полете в течение короткого промежутка времени — в районе 1 секунды. Сейчас минимальное время фрагментации при стационарном закреплении в высокотемпературной среде — 2−3 секунды, а образовавшиеся капли размером в микроны испаряются мгновенно. Для сравнения, чистая капля такого размера (5−15 микролитров) будет испаряться более 10 секунд: на практике за это время она пролетит через пламя и уйдет в грунт.