Dynamic model of fire behaviour prediction

Abstract

O objectivo deste trabalho é o desenvolvimento de um algoritmo de cálculo para a simulação da evolução do perímetro de um fogo, originado por um foco pontual, em propagação sob o efeito do declive ou vento constante. Fez-se um estudo dos efeitos dinâmicos do vento e declive favoráveis e contrários em fogos de superfície em combustíveis finos. Mostrou-se, com base em resultados experimentais, que em geral os incêndios florestais exibem um comportamento dinâmico, i.e. as propriedades de propagação alteram-se ao longo do tempo mesmo para condições de fronteira constantes, e em particular a velocidade de propagação não se mantém constante de um ponto da linha de fogo para outro. Por este motivo, o uso de uma velocidade de propagação única não é suficiente para descrever correctamente a evolução do perímetro de fogo. Introduziram-se os conceitos de extensão e de rotação dos elementos da linha de fogo como complemento para descrever o seu movimento, mostrando que estão associados à redução da curvatura da mesma. Usando formulações semi-empíricas e empíricas propôs-se um modelo matemático para prever a evolução da linha de fogo de um foco pontual sob o efeito de vento ou declive constantes. Num programa experimental realizado usando quatro mesas de teste fez-se um total de 155 ensaios laboratoriais, analisando as seguintes situações: propagação em leito horizontal sem vento e sem declive (41 ensaios, 4 < mf < 19 %), sob o efeito de vento favorável (56 ensaios, 0 – 4.5 m/s), declive favorável (16 ensaios, 0 – 40º), vento contrário (12 ensaios, -4.5 – 0 m/s), e declive contrário (30 ensaios, -55 – 0º). Fizeram-se ensaios com leitos de agulhas mortas de Pinus pinaster e palha seca mas em alguns casos também foram usados resíduos de corte de Eucalyptus globulus. Para todos os leitos foi usada uma carga de 0.6 kg/m2 e em alguns casos também 0.8 e 1.0 kg/m2. Determinaram-se parâmetros para quatro funções empíricas, uma para a velocidade de propagação como função do teor de humidade dos combustíveis, para propagação sem vento e sem declive, outras duas para a velocidade de propagação como função da velocidade do vento ou ângulo de inclinação, e uma para a determinação de uma velocidade de vento equivalente que produz a mesma velocidade de propagação em leito horizontal que um dado declive. Mostrou-se que a propagação do fogo contra o vento ou o declive atinge velocidades ligeiramente mais baixas que sem vento e sem declive e que a velocidade de propagação diminui e aumenta sucessivamente à medida que aumenta o valor absoluto da velocidade do vento ou do declive. Analisando a evolução da linha de fogo através de imagens de infravermelhos, avaliaram-se a extensão e rotação dos elementos da linha de fogo e determinaram-se os parâmetros necessários ao modelo de previsão da extensão e da rotação. Mostrou-se que, para fogos sob o efeito do vento ou declive originados por um foco pontual, existe uma tendência para a linha de flanco se tornar paralela à direcção do vento de referência ou do declive e para a linha da cauda se tornar perpendicular a essa direcção. O modelo foi comparado positivamente com resultados experimentais de dois ensaios realizados para este propósito com um declive de 30º, com leitos de agulhas de pinheiro e palha. Analisou-se a extensão à simulação de incêndios reais e propôs-se trabalho futuro.

The present work aims to develop a calculus algorithm for simulating the fire perimeter evolution of a point ignition fire spreading upslope or under constant wind. A study of the dynamic effects of favourable and contrary wind or slope on surface fires spreading in fine fuels was made. Based on experimental evidence it was shown that in the general situation forest fires exhibit a dynamic behaviour, i.e. the spread properties change with time even for constant boundary conditions, and in particular the fire rate of spread does not remain constant from one point of the fire line to another. For this reason, the use of a single rate of spread is not sufficient for a correct description of the fire perimeter evolution. The concepts of the fire line elements extension and rotation were introduced as a complement to describe their movement and shown to be associated to the reduction of the fire line curvature. Using semi-empirical and empirical formulations a mathematical model for predicting the fire line evolution of a point ignition fire under constant wind or slope was proposed. In an experimental program using four test rigs a total of 155 laboratory experiments have been conducted, analysing the following situations: fire spread on horizontal ground with no wind or slope (41 exp., 4 < mf < 19 %), under the effect of favourable wind (56 exp., 0 – 4.5 m/s), favourable slope (16 exp., 0 – 40º), contrary wind (12 exp., -4.5 – 0 m/s), and contrary slope (30 exp., -55 – 0º). Tests with Pinus pinaster dead needles and dry straw fuel beds have been conducted but in some cases also Eucalyptus globulus slash fuel beds were used. For all fuel beds a fuel load of 0.6 kg/m2 has been used and in some cases also 0.8 and 1.0 kg/m2 were tested. Parameters were determined for four empirical model functions, one for the dependence of the rate of spread on fuel moisture content, for fire spreading with no wind or slope, other two for the dependence of the rate of spread on wind velocity or slope angle, and one for determining an equivalent wind velocity that produces the same rate of spread value on a horizontal ground than on a given slope angle. It was shown that fire spreading with contrary wind or slope attains velocities slightly lower than spreading under no wind on level ground and that the rate of spread successively decreases and increases as we increase the absolute value of the wind velocity or slope angle. Analysing the fire line evolution by infrared imaging, the fire line elements extension and rotation were assessed and the parameters necessary to the extension and rotation prediction model were determined. It was shown that, for wind or slope point ignition fires, there is a tendency for the flank fire line to become parallel to the reference wind or slope direction and for the back fire line to become perpendicular to that direction. The model was compared positively with experimental laboratory results from two dedicated tests for a 30º slope, on pine needles and straw fuel beds. The extension to the simulation of real forest fires was analysed and further work was proposed.