Analysis of the interaction between fire fronts in complex topography

Abstract

Forest fires often exhibit complex and dynamic fire behaviour resulting from interactions between the various parts of a fire and the surrounding environment. These interactions can cause rapid fire progression and lead to loss of containment and critical fire safety problems.A conceptual model based on the dynamic interaction between the fire, the fuel bed and the surrounding flow is proposed to explain the non-monotonic or intermittent fire behaviour. According to the model, the fire-induced flow changes the flame geometry and its propagation velocity even under nominally permanent and uniform boundary conditions. After an initial acceleration, there is a deceleration in the Rate of Spread (ROS) and it is followed by one or more cycles. Carefully controlled experiments were made with fires in slopes and canyons and the results show that the evolution of fire properties, particularly flame angle and ROS, exhibits high-frequency oscillations superimposed on the low-frequency fire growth cycle described. Based on the analysis of the interaction between a spreading fire and its environment under nominally constant and uniform boundary conditions, it is found that the evolution of the fire front is characterised by fluctuations in its properties, in particular its ROS. Using a database of a large number of fires of different temporal and spatial extent, it is shown that the amplitude of the oscillations of ROS is proportional to the average value of ROS and that the frequency of the oscillation varies according to the type of fire and increases with the average value of ROS for a given fuel. In the case of rapid spread, the large amplitude of the ROS rise and the sudden fall favour the intermittent behaviour of the fire. In general, the amplitude and period required for the rise of ROS are greater than those of the fall. However, the acceleration and deceleration phases in Junction fires do not follow this rule, indicating different convective processes of interaction between the flow and the fire. This oscillation explains the variability of many fires at all scales and challenges the current interpretation based on the square factors that influence fire spread and classification of wind- or topography-driven fires.Two fires that ignited in Pedrógão Grande, Portugal, on 17th June 2017 spread very quickly due to unusual physical processes related to the interaction between a thunderstorm and the merging of these two fires, killing 66 people within two hours. In Quiaios, Portugal, on 15th October 2017, two flanks spread for at least 7km and staying 200m apart before finally merging. In this work, the merging fire lines are analysed and show that in the process of merging, the phenomena of heat transfer by radiation and convection are extremely amplified due to the concentration of energy during the interaction. The energy concentration and consequently the development of a strong heat transfer mechanism led to an extremely high and sudden increase of ROS during the interaction until it reaches a maximum value, after which the ROS starts to decrease.A series of laboratory experiments and the reconstruction of some real fires during the merging process was intended to explain the fire spread conditions and verify that the merging fire lines were responsible for the very intense fire development. The results of the analysis of the Pedrógão Grande fire show that the spread and merging of the two fires in the tests correspond very well with the observations in the field, especially the periods of increase and decrease of ROS, the peaks of ROS and the area growth using the scaling laws. Their physical simulation at a laboratory scale has shown the importance of the mechanisms of two merging fire lines for the development of very important convective processes in a fire. The results of the analysis of the Quiaios fire show that the pyro convective interaction between the two parallel fire lines and the ambient wind changes the ROS of the approaching fire lines and the associated fire spread properties, with the same tendency being independent of the distance between the fire lines. A physical interpretation of fire development based on the dynamic interaction between two parallel fire lines under wind influence is proposed. A dimensionless physical parameter, the Froude number, defined by the ratio between the inertial force due to the wind flow and the buoyancy forces due to the fire, was used.

Os incêndios florestais apresentam um comportamento complexo e dinâmico do fogo resultante das interações entre as várias partes de um incêndio e o ambiente envolvente. Essas interações podem causar uma rápida progressão do incêndio e levar ao seu descontrole e, conseguentemente, graves problemas de segurança durante o combate.Neste trabalho, um modelo conceptual baseado na interação dinâmica entre o fogo, o leito de combustível e o fluxo envolvente é proposto para explicar o comportamento não monotónico ou intermitente do fogo. De acordo com o modelo, o fluxo induzido pelo fogo altera a geometria da chama e a sua velocidade de propagação mesmo sob condições de contorno permanentes e uniformes. Após uma aceleração inicial, ocorre uma desaceleração da velocidade de propagação e é seguida por um ou mais ciclos. Os ensaios laboratoriais controlados com um foco pontual na encosta e num desfiladeiro mostram que a evolução das propriedades do fogo, particularmente o ângulo da chama e a velocidade de propagação, apresentam oscilações de alta frequência sobrepostas ao ciclo de crescimento do incêndio de baixa frequência. Com base na análise da interação entre o fogo e o ambiente sob condições de contorno constantes e uniformes, verifica-se que a evolução da frente de incêndio é caracterizada por flutuações, em particular afeta a velocidade de propagação. Usando um conjunto alargado de um grande número de incêndios com diferentes extensões temporais e espaciais, mostra-se que a amplitude das oscilações da velocidade de propagação é proporcional ao valor médio da velocidade e que a frequência da oscilação varia de acordo com o tipo de incêndio e aumenta com o valor médio da velocidade para um determinado combustível. No caso de uma propagação rápida, a grande amplitude da velocidade de propagação e a queda brusca da velocidade de propagação favorecem o comportamento intermitente do fogo. Em geral, a amplitude e o período são maiores durante o aumento da velocidade de propagação do que durante a fase de desaceleração. No entanto, as fases de aceleração e desaceleração nos incêndios de junção não seguem esta regra, indicando diferentes processos convectivos de interação entre o escoamento e o fogo. Essa oscilação explica a variabilidade de muitos incêndios em todas as escalas e desafia a interpretação atual baseada nos quatro fatores que influenciam a propagação do fogo e a classificação dos incêndios causados pelo vento ou pela topografia.Dois incêndios que deflagraram em Pedrógão Grande, Portugal, a 17 de junho de 2017, alastraram-se muito rapidamente devido a processos físicos invulgares relacionados com a interação entre uma trovoada e a junção dos incêndios, matando 66 pessoas em duas horas. Em Quiaios, Portugal, no dia 15 de outubro de 2017, dois flancos propagaram-se pelo menos 7km, ficando separados por 200m antes de finalmente interagirem. Neste trabalho, as interações de incêndios são analisadas. Durante a interação, os fenômenos de transferência de calor por radiação e convecção são extremamente amplificados devido à concentração de energia durante a interação. A concentração de energia e consequentemente o desenvolvimento de um forte mecanismo de transferência de calor levaram a um aumento extremamente alto e repentino da velocidade de propagação durante a interação até atingir um valor máximo, após o qual a velocidade de propagação começa a diminuir.Uma série de ensaios laboratoriais e a reconstrução dos incêndios reais durante o processo de interação pretendem explicar as condições de propagação do fogo e verificar que a interação dos incêndios foram os responsáveis pelo desenvolvimento muito intenso do fogo. Os resultados da análise do incêndio de Pedrógão Grande mostram que a propagação e junção dos dois incêndios nos testes laboratoriais correspondem muito bem com as observações de campo, principalmente os períodos de aumento e diminuição da velocidade de propagação e o crescimento de área usando as leis à escala. A simulação física na escala laboratorial mostrou a importância dos mecanismos durante a interação dos dois incêndios para o desenvolvimento de processos convectivos muito intensos. Os resultados da análise do incêndio de Quiaios mostram que a interação piro convectiva entre as duas linhas de fogo paralelas e o vento ambiente alterou a velocidade de propagação das linhas de fogo que se aproximavam. É proposta uma interpretação física do desenvolvimento do fogo baseada na interação dinâmica entre duas linhas de fogo paralelas sob a influência do vento. Foi utilizado um parâmetro físico adimensional, o número de Froude, definido pelo rácio entre a força de inércia devido ao fluxo de vento e as forças de impulsão devido ao fogo.