Как на основе математических расчетов можно предотвратить возникновение пожаров
После теплых выходных возвращаясь на работу, коллеги частенько интересуются друг у друга: «Шашлык-то был?» И, как правило, слышат утвердительный ответ. Хотя во многих регионах страны введен противопожарный режим, а значит, разжигать костры и готовить шашлык запрещено.
Дракон против пожаров
Ежегодно в мире огненный фронт накрывает площадь, равную десяти территориям Германии. Если переложить эти масштабы на мерки нашего Отечества, получится пятая часть страны. Чаще всего пожары возникают в результате неосторожного обращения с огнем, поджога или природных аномалий. Для того чтобы предотвращать подобные катастрофы, ученые со всего мира изучают самые разные параметры распространения пожаров.
– Этим занимается и наша научная группа с помощью математического моделирования и реального физического эксперимента, – рассказывает заведующий лабораторией механико-математического факультета ТГУ кандидат физико-математических наук Денис Касымов. – Мы работаем, начиная с мелких тестов в лаборатории и заканчивая крупными полевыми «экспедициями с огоньком».
Исследователи ТГУ плотно сотрудничают с коллегами из Франции, Португалии, Австралии, США, где проблема лесных пожаров стоит наиболее остро. Семь лет назад, будучи аспирантом, Денис участвовал в крупном международном эксперименте, который проводился в одном из американских штатов. У каждой из стран были свои задачи, а ученых из России интересовало, какие же частицы образуются в результате настоящего крупного пожара. Исследователям выделили участок размером в 6 га, который был буквально напичкан датчиками и спецоборудованием.
– Мы практически подготовились к началу работ, как внезапно в США пошел снег: если в марте снег для России норма, то для Северной Америки это стало полной неожиданностью, – вспоминает Денис. – И все-таки мы провели свой эксперимент, получив в итоге немало информации, в частности, выяснили, что за частицы образуются в результате пожаров. Дело в том, что во время крупного лесного пожара лес начинает в буквальном смысле слова трещать. А горящие фрагменты веток, листьев, коры, шишек поднимаются вверх и воздушными слоями могут переноситься на расстояние до нескольких километров и там уже инициировать новый очаг горения, угрожая всему живому.
По словам молодого ученого, нечто подобное они наблюдали и в своих экспериментах в США: за счет горящих частиц пожар в нижнем ярусе леса в буквальном смысле слова разрастался и прокладывал себе дорогу дальше.
– С помощью специальной методики мы разработали своего рода ловушки, чтобы частица с минимальными потерями могла там осесть и сохраниться до проведения эксперимента. Потом мы их собрали, опознали, измерили, получив информацию о том, какие именно частицы образуются в лесу. В нашем случае это были частицы коры и веточек сосны, – поясняет Денис. – Имея на руках такие данные, мы можем смоделировать пятнистые пожары, а для этих целей «вырастили» настоящего «дракона» – генератор горящих и тлеющих частиц. Эту установку по заказу нашего университета изготовили в Институте оптики атмосферы СО РАН. На ее основе реально смоделировать один из поражающих факторов при лесном пожаре, а именно – «огненный дождь» разной интенсивности. А дальше приступить к решению ряда научных задач.
Прежде всего изучить процесс генерации частиц – как именно частицы образуются во время пожара.
Вторая задача – исследование переноса частиц в потоке. Для этого ученые используют специальные инфракрасные камеры, а также оригинальные методы машинного обучения и компьютерного зрения.
И третья задача направлена на исследование взаимодействия частиц после их перелета. Это может быть новый очаг горения в лесу или воспламенение какого-то строения.
– Так или иначе, мы касаемся всех этих задач: первой – меньше, второй и третьей – больше, – поясняет исследователь. – Разработкой программного комплекса по детектированию частиц на тепловом изображении мы занимались в рамках гранта РФФИ в 2018–2020 годах (в 2018-м Денис Касымов победил в конкурсе президентских грантов по поддержке молодых ученых в номинации «Технические и инженерные науки». – Прим. ред.). Задача по третьей части – взаимодействие потока горящих и тлеющих частиц, например, с напочвенным покровом – решается непосредственно сегодня при активной поддержке государства.
В прошлом году молодой разработчик приступил к реализации нового проекта за № 20‑71‑10068, который выполняется в рамках гранта Российского научного фонда.
Второй этап исследования намечен на август. В это время ученые планируют использовать установку на полигоне Института оптики атмосферы СО РАН.
В результате выполнения этого проекта будут получены новые фундаментальные знания о возникновении и распространении природных пожаров в результате воздействия потока горящих частиц. Эти данные позволят в будущем разработать математические модели нового поколения, учитывающие механизм переноса фронта горения потоком горящих частиц и фрагментов растительности, в результате чего значительно возрастает скорость распространения пожара и образуются так называемые пятнистые пожары.
При выполнении проекта будут получены условия и тепловые характеристики зажигания конструкционных материалов из древесины и пластиковых облицовочных панелей в результате воздействия потока горящих частиц. Полученные с помощью методов термографии и математического моделирования результаты внесут дополнительный вклад в развитие теории горения, в частности тлеющего и пламенного горения некоторых видов конструкционных материалов при различных тепловых воздействиях, что в свою очередь позволит сформулировать научно обоснованные требования к пожароопасным материалам.
Метрика для тлеющей частицы
– Мы работаем с высоченными температурами – более тысячи градусов по Цельсию, и здесь наша установка имеет уникальные характеристики, – продолжает Денис. – Генератор требует соблюдения повышенных правил пожарной безопасности, поэтому мы работаем в большой аэрозольной камере Института оптики атмосферы.
Кроме того, чтобы детально зафиксировать частицы, ученые иногда работают в полной темноте. Все эти эксперименты они снимают на инфракрасные камеры, отслеживая перенос частиц, чтобы разобраться, какой сценарий пожара качественно и количественно наиболее опасный.
По его словам, в основе исследования лежат математические законы, разного рода метрики, по которым ученые и определяют эти частицы. Кроме того, необходимы знания геометрической оптики, языков программирования и алгоритмов компьютерного зрения. В совокупности все это позволяет ученым оценить, какую опасность таят в себе частицы в зависимости от интенсивности пожара. В целом такие исследования ложатся в основу методических рекомендаций для противопожарного устройства как на лесной территории, так и в местах отдыха.
Как заметил Денис Касымов, порой даже одной частицы хватает для возникновения пожара. Он за то, чтобы люди зажигали, но только в переносном смысле. А если уж пришлось зажечь по-настоящему, то с соблюдением всех правил пожарной безопасности.
На острие науки
Денис Касымов родом из Бийска и совсем не из среды ученых. Его вливание в науку произошло на третьем курсе механико-математического факультета ТГУ, когда у будущих механиков начались занятия по моделированию и прогнозу катастроф. Тема зацепила студента. Он узнал, что на факультете создано научное направление, связанное с исследованием экологических катастроф, в том числе и лесных пожаров.
– На тот момент мне это показалось очень интересным. А еще я познакомился с профессором Гришиным и узнал, что именно он является родоначальником этого направления и в России, и в мире. Я пошел к нему сначала с курсовой работой и написанием диплома, а потом меня пригласили в аспирантуру, – вспоминает Денис Петрович, который сегодня уже сам читает студентам курс по моделированию и прогнозу катастроф.
К своим 30 он достиг небывалых высот в научной деятельности, имея три официальные должности в ТГУ: заведующего учебной лабораторией, доцента механико-математического факультета и доцента Биологического института ТГУ. А еще Денис Касымов является заместителем декана по научной работе и куратором по научной деятельности.
Кроме того, он занимает должность старшего научного сотрудника лаборатории прогнозирования состояния атмосферы в Институте оптики атмосферы СО РАН.
По словам молодого ученого, на такую бурную деятельность в научной среде у него уходит около 12 часов в сутки. Вписавшись в столь стремительный формат жизни, он все-таки оставил один-единственный день – воскресенье – для жены и четырехлетней дочки.
Широкую известность и узнаваемость молодому ученому принесло участие в международных конференциях, а также победа в научной битве Science Slam – 2019 в Томске. В этом году Дениса Касымова пригласили прочитать часовую лекцию в «Точке кипения» в рамках Года науки и технологий. Впереди – участие во Всероссийском форуме ТИМ «Бирюса», который пройдет в июле в Красноярске. И конечно же, новые исследования.
Автор: Татьяна Абрамова
Фото: Евгений Тамбовцев