Experiências de túnel de vento para estudar Chaparral coroa fogos

Em 2016, o estado da Califórnia experimentou um total de 6.986 incêndios na floresta, consumindo 564.835 acres¹, custando milhões de dólares em danos e põe em risco o bem-estar de centenas de pessoas. Por causa do clima mediterrâneo regional, uma fonte de combustível principais para estes incêndios são de comunidades de vegetação de chaparral². Fogo no chaparral pode ser considerado um fogo de coroa desde o principal combustível que queima é elevada³. Co-existentes com a camada de coroa predominantemente ao vivo, é a camada de combustível morto de superfície, que consiste de elenco folhagem, galhos e plantas herbáceas que crescem sob e entre os arbustos individuais. Fogo mais facilmente se iniciará na camada de superfície morta de combustível. Uma vez que o fogo de superfície inflama, o fogo pode transição para a camada de coroa, onde a energia liberada pelo fogo aumenta dramaticamente. Enquanto chaparral fogos normalmente tem sido modelados como um fogo se espalhando em combustíveis profunda superfície⁴, houve estudo limitado de chaparral incêndios como fogos de coroa.

Características de coroa no chaparral, incluindo a forma das partículas de folhagem, diferem de floresta boreal de conífera, onde ocorreu a maioria das pesquisas. Numerosos estudos de escala de laboratório e de campo têm investigado vários aspectos de um incêndio dinâmica^{6,5,7,3,8,9,10 ,11,12}. Dentro do Reino de experimentos de laboratório, vários estudos examinaram a influência dos parâmetros tais como vento e propriedades de combustível na coroa de chaparral fogo comportamento. Iniciação na presença de duas camas de combustível discreta coroa de fogo Lozano⁷ analisado características da coroa. Em Tachajapong et al . ³, superfície discreto e coroa camadas foram queimadas dentro de um túnel de vento e o fogo de superfície foi caracterizado. Iniciação de fogo coroa única foi totalmente descrita deixando a análise completa de propagação para o futuro trabalho. Li et al. ¹¹ informou sobre a propagação da chama embora arbustos único chaparral. Em trabalhos relacionados, Cruz et al . ^{10 , 9} desenvolveu um modelo para prever a ignição de conífera folha acima um espalhando fogo de superfície. Características de queima de combustíveis de chaparral tem sido exploradas em estudos experimentais de combustíveis em massa e indivíduo deixa^13,14,15,16. Dupuy et al ¹³ estudou as características ardentes de agulhas do Pinus pinaster e excelsior pela queima de combustíveis em cestas cilíndricas. Observaram que destes combustíveis, chama altura foi relacionada a taxa de liberação de calor através de uma lei de potência de dois quintos, como foi noticiado anteriormente na literatura^17,18. Sun et al . ¹⁴ queimar combustíveis chaparral em cestas cilíndricas semelhantes para analisar as características de queima de combustíveis de chaparral três: chamise (Adenostoma fasciculatum), ceanothus (Ceanothus crassifolius) e manzanita ( Arctostaphylos glandulosa).

Motivado pelos resultados de estudos de laboratório acima mencionado, nosso objetivo aqui é apresentar uma metodologia para caracterizar a propagação nas camadas de superfície tanto arbusto coroa. Além disso, pretendemos esclarecer algumas das principais características que determinam o grau de interação da camada de superfície-coroa. Para este fim, nós desenvolvemos uma metodologia de laboratório experimental para estudar a transição vertical de um fogo que arde em um combustível de superfície florestal para um fogo se espalhando em um combustível elevado do arbusto. Esses tipos de incêndios, tradução do fogo para a coroa de arbusto, conhecido como coroamento, pode ser seguida por propagação sustentada sob certas condições. Em geral, comportamento de fogo do chaparral é ditado pela topografia, clima e combustível¹⁹. Tem sido demonstrado que vento afeta a taxa de liberação de energia em combustíveis^5,3,8,20.

Fogo que se espalhou em combustíveis porosas pode ser visto como uma série de transições ou limites que devem ser cruzados para ser bem sucedido,²¹. Energeticamente, uma partícula de combustível inflama-se a quantidade de calor que ele recebe resulta em uma mistura de gases que reagem com êxito com o oxigênio. A chama resultante se espalha-se o calor de partícula ardente incendeia uma partícula de combustível adjacentes. O fogo se espalha pelo chão se é capaz de atravessar as lacunas entre os elementos de combustível combustíveis. Se a chama de um fogo de superfície é capaz de propagar-se verticalmente para a coroa de arbustos e árvores, uma mudança significativa no comportamento do fogo, incluindo taxas de liberação de calor aumentada, é frequentemente observada devido a uma maior disponibilidade de combustível. Energia térmica dinâmica nos fogos do wildland abrange várias escalas, a partir da escala muito grande, tanto em megaincêndios que geralmente exigem modelagem climatológica, a pequena escala que exigem modelagem de cinética química escala. Aqui, nós lidamos com comportamento de escala de túnel de vento laboratório de modelagem; para estudos de combustão de celulose em escala química, o leitor é referido por obras como Sullivan et al ²²

Desde 2001, temos realizado uma variedade de experimentos, examinando alguns do laboratório escala energia limiares^{23,8,24,25,26, 27}, com ênfase em combustíveis vivos associados chaparral. Enquanto ao ar livre, medições de fogo podem fornecer resultados mais naturais, o ambiente controlado de túnel de vento permitem delineação do impacto dos vários parâmetros. Por exemplo, controlar o vento, é especialmente importante para chaparral coroa incêndios ocorrem em regiões como o sul da Califórnia, onde os ventos tipo foehn, conhecidos como ventos de Santa Ana, são drivers típicos de eventos de fogo. Porque um grande motivador para a metodologia descrita aqui é estudar o efeito do vento e outros parâmetros controlados no chaparral propagação de fogo, este estudo foi realizado em um túnel de vento de escala de laboratório. O leitor é direcionado para o trabalho por Silvani et al ²⁸ para medições de campo de temperatura em chaparral incêndios semelhantes aos aqui apresentados. Para medições de campo sobre o efeito do vento na propagação do fogo, por favor consulte Morandi et al ²⁹

Vários parâmetros que influenciam a propagação nos combustíveis chaparral foram analisados experimentalmente através da quantificação da probabilidadede fogo espalhou-se sucesso no combustível elevado camas⁸. O estudo experimental atual envolve uma metodologia desenvolvida estudar o fogo coroa de chaparral espalhados por modelagem de superfície combustíveis e combustíveis coroa dentro da seção de teste de um túnel de vento de baixa velocidade. O combustível de superfície é modelado com excelsior (madeira secada desfiada). A cama de combustível superfície é colocada no nível do solo de túnel de vento sobre uma escala padrão (ver Figura 1). Representando a cama de combustível de coroa, uma cama de combustível com chamise foi colocada sobre a cama de combustível superfície suspendendo o combustível de uma plataforma montada sobre o quadro de túnel de vento (ver Figura 1). Ambas as camas de combustível são instrumentadas para temperatura e medições de perda de massa; geometria da flama é obtida a partir de gravações em vídeo das experiências. Parâmetros medidos incluem a taxa de perda de massa, teor de umidade do combustível e a umidade relativa do ar. Parâmetros controlados foram a presença de vento, a distância entre a superfície do combustível cama e cama de combustível de coroa e a presença de combustível de superfície. A taxa de perda de massa medido pode ser usada para calcular a taxa de liberação de calor, que é definida como:

onde h é o calor de combustão do combustível, m é a massa de combustível, e t é o tempo.

Figura 1: configuração experimental de túnel de vento. Locais da coroa combustível cama, a cama de combustível de superfície e o ventilador do túnel foram chamadas para sua conveniência. A cama de combustível superfície é colocada no nível do solo de túnel de vento sobre uma escala padrão. Representando a cama de combustível de coroa, uma cama de combustível com chamise foi colocada sobre a cama de combustível superfície suspendendo o combustível de uma plataforma montada sobre o quadro de túnel de vento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Experimentos têm-se centrado na compreensão do comportamento do chaparral coroa fogos, particularmente a ignição, mecanismos de propagação da chama e propagação de chama velocidades frontal e taxas de consumo de combustível. Para estudar a interação entre um fogo de superfície e um fogo da coroa, foram queimados seis configurações de superfície e coroa camas de combustível com e sem fluxo de vento aplicada, no túnel de vento: coroa combustível somente com e sem vento (2), coroa e camas de combustível separadas por de superfície duas distâncias com e sem vento (4). A tabela 1 resume as configurações experimentais com as 6 classes experimentais. Na tabela, o parâmetro de cama de combustível superfície denota se superfície combustível esteve presente durante o experimento, o parâmetro de vento refere-se à presença de vento e altura de coroa refere-se a distância entre o fundo da cama de combustível a coroa e a parte inferior da superfície cama de combustível. Umidade do combustível foi medida para cada experimento mas não controlada, teor de umidade média de combustível foi 48%, Considerando que os valores mínimos e máximo foram 18% para 68%, respectivamente.

Tabela 1: experimentar configurações. Aqui o parâmetro de cama de combustível superfície denota se superfície combustível esteve presente durante o experimento, o parâmetro de vento refere-se à presença de vento e altura de coroa refere-se a distância entre o fundo da cama de combustível a coroa e a parte inferior da cama superfície combustível.

Uma balança electrónica medido superfície combustível massa e nós desenvolveu um sistema de perda de massa personalizada para a camada de coroa. O sistema consistia de células de carga individual conectadas a cada canto da cama suspensa de combustível. Câmeras de vídeo do consumidor da classe gravou as chamas visuais; processamento de imagem de dados visuais usando um script personalizado gerado chama características incluindo altura e ângulo. Foi desenvolvido um programa para converter quadros de vídeo do RGB (vermelho/verde/azul) codifica para preto e branco através de um processo de limiarização de intensidade da luz. A borda da chama foi obtida os quadros de vídeo preto e brancos. Altura máxima de chama foi definida como o ponto mais alto da borda chama, alturas chama instantânea também foram obtidas. Em uma imagem, chama altura foi medida a partir da base da cama combustível ao ponto máximo vertical da chama. Todos os códigos de processamento, bem como a interface de controle de instrumento projetado para este protocolo foram disponibilizada pelos autores aqui através de seu site de acesso do software. Recolher o combustível ao vivo localmente e conduzindo as queimaduras experimentais dentro de 24 h minimizar a perda de umidade. Uma matriz de termopar gravou a temperatura do combustível cama em direção stream-wise do vento, permitindo o cálculo da taxa de propagação. A Figura 1 mostra um diagrama da instalação de cama do combustível junto com o arranjo de termopar. Acompanhar os detalhes do protocolo experimental.