Контраст изображения объекта, наблюдаемого в условиях задымления, при поляризационной фильтрации излучения, рассеянного частицами дыма

The aim of the work was to study the contrasts of the images of an object observed in a smoky environment, using polarizing filtering of radiation scattered by smoke particles towards the observer, and without filtering. Prospects for developing optical accessories for firefighters to improve the observation of objects in smoke were evaluated by comparing image contrasts.The goal was achieved by experimentally simulating the process of transmitting images of a blackandwhite object with a sharp black/white transition boundary through various types of smoke aerosols using polarizing filtering of radiation scattered by smoke particles, and without filtering and evaluating image contrasts.Studies of image contrasts for different optical densities of smoke in two registration schemes were performed, when the receiving optical system is located near the illumination source of the object at a distance of ≈ 150 mm from it, and when it is located at a distance from the illumination source of the object at a distance of ≈ 800 mm.It is established that the method of forming the image of the object using polarization filtering of radiation backscattering (RBS) reduces the rate of image contrast reduction with an increase in optical smoke density compared to image registration without filtering (RBS).A significant difference in the contrasts of images recorded with filtration (RBS) and in the absence of it is observed for "light" fumes (smoldering of wood, cotton) at average optical densities of smoke.The results obtained can be used in the development of optical accessories for firefighter-rescuer to improve the conditions of observation of objects in adverse conditions of vision: smoke, vaporization, fog. Целью работы являлось исследование контраста изображения объекта, наблюдаемого в задымленной среде, с применением поляризационной фильтрации излучения, рассеянного частицами дыма в сторону наблюдателя, и сопоставление данного контраста с контрастом изображения, формируемого без фильтрации, для оценки возможности разработки комплекта оптических принадлежностей пожарного-спасателя, улучшающего видение объектов в условиях дымообразования при пожаре.Достижение поставленной цели осуществлялось методом экспериментального моделирования процесса передачи изображений чёрно-белого объекта с резкой границей перехода чёрное / белое через различные типы аэрозолей дыма с применением поляризационной фильтрации излучения, рассеянного частицами дыма, и без фильтрации и оценке контрастов изображений.Проведены исследования контрастов изображений для различных оптических плотностей дымов в двух схемах регистрации, когда приёмная оптическая система расположена вблизи источника подсветки объекта на расстоянии ≈ 150 мм от него, и когда она расположена на удалении от источника подсветки объекта на расстоянии ≈ 800 мм.Установлено, что способ формирования изображения объекта с применением поляризационной фильтрации излучения помехи обратного рассеяния (ПОР) позволяет снизить скорость уменьшения контраста изображения с увеличением оптической плотности дыма в сравнении с регистрацией изображения без фильтрации ПОР. Существенная разница в контрастах изображений, регистрируемых с поляризационной отсечкой ПОР и в отсутствие фильтрации, наблюдается для «светлых» дымов (пиролиз древесины, тление хлопка) на средних удельных оптических плотностях дыма.Полученные результаты могут быть использованы при разработке оптических принадлежностей пожарного-спасателя для улучшения условий наблюдения объектов в неблагоприятных условиях видения: задымлении, парообразовании, тумане.

Эффективность тушения пожара огнетушащим порошком общего назначения при нестационарном взаимодействии его частиц с горящим веществом

Evaluation of the effectiveness of fire extinguishing by jet systems of powder fire extinguishing in conditions of non-stationary heat exchange processes and heterogeneous inhibition of active flame centers by powder particles was the aim of the work. The theoretical dependence of the amount of heat, absorbed by the particles of fire extinguishing powder, and the reaction rate of heterogeneous active centers of flame, inhibiting them, in non-stationary conditions of heat transfer, as well as inhibition reaction for fire extinguishing ink jet systems were obtained. The extinguishing of a flame with a fire extinguishing powder under non-stationary conditions is more effective, the smaller is the effective size of the powder particles, the longer is their stay in the combustion zone, and the shorter are the characteristic times of heat transfer and inhibition reaction. Comparison of the estimates of the characteristic duration of heat transfer and inhibition reaction for widely used fire extinguishing powders has shown a large inertia of the thermal mechanism of fire extinguishing, which greatly reduces its effectiveness at high speeds of powder particles in the combustion zone.Определена эффективность тушения пожара струйными системами порошкового пожаротушения в условиях нестационарности процессов теплообмена и гетерогенного ингибирования частицами порошка активных центров пламени. Исследование осуществлялось методом теоретического моделирования механизмов теплового тушения пожара и гетерогенного ингибирования активных центров пламени частицами огнетушащего порошка. Установлено, что тушение пламени огнетушащим порошком в нестационарных условиях происходит тем эффективнее, чем меньше эффективный размер частиц порошка, чем больше время пребывания их в зоне горения и чем меньше характерные длительности передачи тепла частицам порошка и реакции ингибирования центров пламени. Сопоставление проведенных оценок характерных длительностей теплопереноса и реакции ингибирования для широко применяемых в настоящее время огнетушащих порошков показало большую инерционность теплового механизма тушения пожара, что сильно снижает его эффективность при больших скоростях частиц порошка в зоне горения

Модель теплового механизма тушения пожара подкласса А1 огнетушащим порошком общего назначения в условиях нестационарного теплообмена

The aim of the paper was to develop a model of thermal extinguishing mechanism using dry chemical powder taking into account the inertia of heat transfer to powder particles during unsteady heat exchange to identify the optimal conditions for extinguishing of A1 class fires with powders.The method of experimental and mathematical modelling of fire extinguishing process using dry chemical powder with short-term effect on the fire was used to achieve the goal. The experimental dependences of the extinguishing time and unit consumption of the extinguishing powder on the intensity of the powder supply to the combustion zone in extinguishing of subclass A1 fire in same area and in a limited volume were obtained. The mathematical model of a thermal extinguishing mechanism using dry chemical powder has been developed, taking into account the inertia of heat transfer to powder particles during unsteady heat exchange.Analysis of the regularities of extinguishing the subclass A1 fire using powder with a short feeding it into the fire indicates the presence of optimum values of unity consumption of powder on the fire from the intensity of feeding it into the fire. The presence of this optimum is due to the inertia of extinguishing the subclass A1 fire using powder due to the finiteness of the heat transfer time to the particles of the extinguishing powder and the limited time of interaction of particles with the combustible material.The theoretical analysis of the fire extinguishing process over the area taking into account the inertia of heat transfer to the powder particles at non-stationary heat exchange are carried out. The results of the analysis are in qualitative agreement with the results of the experimental study of the regularities of extinguishing of model fire foci of subclass A1 with General-purpose fire extinguishing powder.Целью работы являлась разработка модели теплового механизма тушения пожара огнетушащим порошком общего назначения с учётом инерционности передачи тепла частицам порошка при нестационарном теплообмене для выявления оптимальных условий тушения порошками пожаров подкласса А1.Достижение поставленной цели осуществлялось методом экспериментального и математического моделирования процесса тушения пожара подкласса А1 огнетушащим порошком общего назначения при кратковременном воздействии на очаг пожара. Получены экспериментальные зависимости времени тушения и удельного расхода огнетушащего порошка от интенсивности подачи порошка в зону горения при тушении пожара подкласса А1 локально по площади и локально в ограниченном объёме.Анализ полученных закономерностей тушения пожара подкласса А1 огнетушащим порошком общего назначения при кратковременном воздействии на очаг возгорания показал наличие оптимальной величины интенсивности подачи огнетушащего порошка в зону пожара, при которой реализуется минимальный удельный расход порошка на тушение пожара. Наличие данного оптимума связано с инерционностью теплового механизма тушения пожара подкласса А1 порошками вследствие конечности времени передачи тепла, запасённого при пожаре, частицам огнетушащего порошка и ограниченности времени взаимодействия частиц с горючим материалом.Проведён теоретический анализ процесса тушения пожара по площади с учётом инерционности передачи тепла частицам порошка при нестационарном теплообмене. Результаты анализа качественно согласуются с результатами экспериментального изучения закономерностей тушения по площади модельных очагов пожара подкласса А1 огнетушащим порошком общего назначения

Оценка эффективности механизмов гетерогенного и гомогенного ингибирования частицами огнетушащего порошка активных частиц пламени с учетом скорости их образования

The relevance of the work is due to the need to improve the technology of extinguishing fire with extinguishing powders based on the study of the laws of the physicochemical processes of interrupting chain combustion reactions, in particular, heterogeneous and homogeneous mechanisms of inhibition of active flame centers by powder particles. The aim of the work is to evaluate the effectiveness of non-stationary mechanisms of heterogeneous and homogeneous inhibition of active flame particles by fire extinguishing powder particles taking into account the rate of their birth, as well as to compare the contributions of each of the mechanisms to the result of fire extinguishing. Mathematical modeling of the mechanisms of heterogeneous and homogeneous inhibition of active flame particles by fire extinguishing powder particles is carried out, taking into account the rate of birth of active particles of in flame. The theoretical dependences of the rates of reactions of heterogeneous and homogeneous inhibition of active flame particles on the dispersed characteristics of powder particles, their residence time in the zone of flame and the characteristic durations of inhibition reactions are obtained. It is established that the condition for the effective recovery inhibition of active particles of flame by the mechanisms under consideration is exceeding the time of interaction of powder particles with active flame particles over the duration of inhibition processes, as well as an excess of the rate of inhibition of active flame particles over the rate of their birth. The rate of inhibition of active particles of flame depends on the particle size of the extinguishing powder, namely, the smaller the particle size of the powder, the greater the rate of inhibition. This dependence is observed explicitly for the mechanism of heterogeneous inhibition of active particles of flame and implicitly for the mechanism of homogeneous inhibition through the dependence of the rate of thermal production of metal oxide radicals of the extinguishing powder involved in this process on the size of the powder particles. The presence of two stages in the implementation of the mechanism of homogeneous inhibition of active flame particles (thermal production of metal oxide radicals of the powder substances used and the inhibition process itself) allows us to consider this mechanism of extraction of active particles longer than the mechanism of heterogeneous reduction, and, therefore, it does not significantly contribute to the chemical process of extinguishing a fire.Для совершенствования технологии тушения пожара огнетушащим порошком проведен анализ механизмов тушения пожара данным веществом, основанных на физико-химических процессах прерывания цепных реакций горения. Выполнена оценка эффективности механизмов гетерогенного и гомогенного ингибирования частицами порошка активных частиц пламени с учетом скорости их образования, а также сопоставление их вкладов в результат тушения пожара. Проведено математическое моделирование механизмов гетерогенного и гомогенного ингибирования частицами огнетушащего порошка активных частиц пламени с учетом скорости их образования. Получены теоретические зависимости скоростей реакций гетерогенного и гомогенного ингибирования активных частиц пламени от дисперсных характеристик частиц порошка, времени пребывания их в зоне горения и характерных длительностей реакций. Установлено, что условием эффективного восстановления активных частиц пламени рассматриваемыми механизмами является превышение времени взаимодействия частиц порошка с активными частицами пламени над длительностями реакций ингибирования, а также превышение скоростей данных реакций скорости их образования. Скорость восстановления активных частиц пламени зависит от размеров частиц огнетушащего порошка: чем меньше размер частиц порошка, тем больше скорость восстановления. Такая зависимость наблюдается в явном виде для механизма гетерогенного ингибирования активных частиц пламени и в неявном виде для механизма гомогенного ингибирования через зависимость скорости термообразования радикалов оксидов металлов огнетушащего порошка, участвующих в данном процессе, от размеров частиц порошка. Наличие двух стадий в реализации механизма гомогенного ингибирования активных частиц пламени (термообразования радикалов оксидов металлов применяемых порошковых веществ и собственно самого процесса ингибирования) позволяет считать данный механизм восстановления активных частиц более длительным, чем механизм гетерогенного ингибирования, а следовательно, не вносящим существенного вклада в химический процесс тушения пожара. Результаты работы могут быть применены при разработке составов огнетушащих порошков, а также в пожаротушении для выбора оптимальной скорости подачи огнетушащего порошка в очаг пожара

ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ДЫМОВОЙ ИЗВЕЩАТЕЛЬ

The optical scheme of smoke fire detector based on the laser source and which allows to realize method used in linear smoke detectors along with the traditional fire detection method for point smoke fire detectors (after intensity level of emission scattered by particles of smoke) is offered. Monitoring of the environment state by two independent channels increases the sensitivity of the detector and fire detection reliability. The conditions which provide high sensitivity of «linear» channel of smoke detection with low optical base were found. Model experiments to detect the smoke by experimental model of developed optical scheme of smoke fire detector are conducted.Предложена оптическая схема дымового пожарного извещателя на основе лазерного источника излучения, позволяющая реализовать наряду с традиционным для точечных дымовых извещателей способом обнаружения пожара (по уровню интенсивности излучения, рассеянного частицами дыма) способ, применяемый в линейных дымовых извещателях. Мониторинг состояния среды по двум независимым каналам повышает чувствительность извещателя и надежность обнаружения пожара. Найдены условия, обеспечивающие высокую чувствительность «линейного» канала обнаружения дыма при малой оптической базе. Проведены модельные эксперименты по обнаружению дыма макетом разработанной оптической схемы дымового извещателя

Моделирование механизма гетерогенного ингибирования активных центров пламени струйной горящей системы частицами огнетушащего порошка

The relevance of the work is due to the lack of a physical interpretation of the process of extinguishing jet burning systems with fire extinguishing powders, which is important for ensuring effective fire extinguishing at gas and oil complexes and hazardous chemical industries. A mathematical model of the reaction kinetics of heterogeneous inhibition of active flame centers of a jet burning system by fire extinguishing powder particles in an unsteady mode is considered in the approximation of a purely molecular transfer of matter in the reaction zone. The regularities of the mechanism of heterogeneous inhibition of the active flame centers by the particles of the extinguishing powder under conditions when the active particles of the combustion products participate not only in diffuse, but also in convective transport are established. It is shown, that the convective motion of the active flame centers increases the reaction rate of heterogeneous inhibition of their particles of the extinguishing agent. The results obtained allow us to optimize the conditions for the supply of fire extinguishing powder to the jet burning medium for effective flame suppression.Актуальность работы обусловлена отсутствием на настоящее время физической интерпретации процесса тушения струйных горящих систем огнетушащими порошками, важной для обеспечения эффективного тушения пожаров на газонефтяных комплексах и опасных химических производствах. Рассмотрена математическая модель кинетики реакции гетерогенного ингибирования активных центров пламени струйной горящей системы частицами огнетушащего порошка в неустановившемся режиме в приближении чисто молекулярного переноса вещества в зоне реакции. Установлены общие закономерности механизма гетерогенного ингибирования активных центров пламени частицами огнетушащего порошка в условиях, когда активные частицы продуктов горения участвуют не только в диффузионном, но и в конвективном переносе. Показано, что конвективное движение активных центров пламени повышает скорость реакции гетерогенного ингибирования их частицами огнетушащего вещества. Полученные результаты позволяют оптимизировать условия подачи огнетушащего порошка в струйную горящую систему для эффективного подавления пламени

Transition from fractal to non-fractal scalings in growing scale-free networks

Real networks can be classified into two categories: fractal networks and non-fractal networks. Here we introduce a unifying model for the two types of networks. Our model network is governed by a parameter $q$. We obtain the topological properties of the network including the degree distribution, average path length, diameter, fractal dimensions, and betweenness centrality distribution, which are controlled by parameter $q$. Interestingly, we show that by adjusting $q$, the networks undergo a transition from fractal to non-fractal scalings, and exhibit a crossover from `large' to small worlds at the same time. Our research may shed some light on understanding the evolution and relationships of fractal and non-fractal networks.Comment: 7 pages, 3 figures, definitive version accepted for publication in EPJ

Network centrality: an introduction

Centrality is a key property of complex networks that influences the behavior of dynamical processes, like synchronization and epidemic spreading, and can bring important information about the organization of complex systems, like our brain and society. There are many metrics to quantify the node centrality in networks. Here, we review the main centrality measures and discuss their main features and limitations. The influence of network centrality on epidemic spreading and synchronization is also pointed out in this chapter. Moreover, we present the application of centrality measures to understand the function of complex systems, including biological and cortical networks. Finally, we discuss some perspectives and challenges to generalize centrality measures for multilayer and temporal networks.Comment: Book Chapter in "From nonlinear dynamics to complex systems: A Mathematical modeling approach" by Springe

Scale-free models for the structure of business firm networks

We study firm collaborations in the life sciences and the information and communication technology sectors. We propose an approach to characterize industrial leadership using k-shell decomposition, with top-ranking firms in terms of market value in higher k-shell layers. We find that the life sciences industry network consists of three distinct components: a “nucleus,” which is a small well-connected subgraph, “tendrils,” which are small subgraphs consisting of small degree nodes connected exclusively to the nucleus, and a “bulk body,” which consists of the majority of nodes. Industrial leaders, i.e., the largest companies in terms of market value, are in the highest k-shells of both networks. The nucleus of the life sciences sector is very stable: once a firm enters the nucleus, it is likely to stay there for a long time. At the same time we do not observe the above three components in the information and communication technology sector. We also conduct a systematic study of these three components in random scale-free networks. Our results suggest that the sizes of the nucleus and the tendrils in scale-free networks decrease as the exponent of the power-law degree distribution λ increases, and disappear for λ≥3. We compare the k-shell structure of random scale-free model networks with two real-world business firm networks in the life sciences and in the information and communication technology sectors. We argue that the observed behavior of the k-shell structure in the two industries is consistent with the coexistence of both preferential and random agreements in the evolution of industrial networks

КОНСТРУКЦИЯ И АЛГОРИТМ РАБОТЫ ЛАЗЕРНОГО КОМБИНИРОВАННОГО ПОЖАРНОГО ИЗВЕЩАТЕЛЯ

The point optical smoke detector is currently the most effective means of fire detection at the early stage of its occurrence. The urgent task for this type of detector is to increase its sensitivity to «black» smoke and ensure resilience to the effects of electromagnetic interference and particle smoke origin.The objective of this work is to develop a structure and algorithm of point combined fire detector that provides high sensitivity to various types of fumes, detection rate and high noise immunity. The decision of the current objective is carried out using the proposed optical scheme of the dual-channel devices of smoke detection (for control of the radiation intensities scattered by smoke particles and passed through the smoke).The design and algorithm of the combined fire detector comprising a dual-channel laser device of smoke detection and carbon monoxide detector is developed.The results of the made detector tests indicate about its increased in comparison with the conventional single-channel point smoke fire detector sensitivity to various types of fumes and detection rate of fires. The high functional characteristics of the detector are provided with application additional channel of smoke detection (to intensity change of transmitted radiation through it) created by the requirements for unrestricted entry of smoke in the area of control and effective algorithm for processing of recorded signals. Точечный оптический дымовой пожарный извещатель остается в настоящее время наиболее эффективным средством обнаружения пожара на ранней стадии его появления. Актуальной задачей для данного типа извещателя является повышение его чувствительности к «черным» дымам и обеспечение устойчивости к воздействию электромагнитных помех и частиц не дымового происхождения. Целью настоящей работы являлась разработка конструкции и алгоритма работы точечного комбинированного пожарного извещателя, обеспечивающего высокую чувствительность к различным типам дымов, скорость их обнаружения и высокую помехоустойчивость.Решение поставленной цели осуществлено использованием предложенной оптической схемы двухканального устройства обнаружения дыма (по контролю интенсивностей излучения, рассеянного частицами дыма и прошедшего через дым).Разработана конструкция и алгоритм работы комбинированного пожарного извещателя, включающего двухканальное лазерное устройство обнаружения дыма и датчик угарного газа.Результаты тестовых испытаний изготовленного извещателя свидетельствуют о его повышенной в сравнении с обычным одноканальным точечным дымовым пожарным извещателем чувствительности к различным типам дымов и скорости обнаружения возгораний. Высокие функциональные характеристики извещателя обеспечиваются применением дополнительного канала обнаружения дыма (по изменению интенсивности проходящего через него излучения), созданными условиями беспрепятственного захода дыма в зону контроля и эффективным алгоритмом обработки регистрируемых сигналов.