Fire spread in low rise vegetation, with application to Mediterranean conditions

Abstract

Examining the behaviour of wildland fires in beds of vegetation is a basic precondition for undertaking successful activities for controlling their spreading in early prevention and ensuring fast, efficient and safe suppression. The aim of the produced research work has been (a.) to provide knowledge through determination of new experimental data, for vegetation particle characteristics of Greek - east Mediterranean pine forest litter, and the problem’s underlying fire dynamics - mainly wildland fire behaviour and propagation. Secondly (b.) to develop models based on the physical and empirical approaches, which will predict the spreading and behaviour of flaming - smouldering fires adapted to surface fuels. As well as correlate the experimental fire characteristics with fire environment variables. The experiments that were carried out involved taking samples and determining representative fuel models for Greek pine species, as a result of determining the basic physical, chemical and thermal characteristics of their vegetation particles. The examined samples comprised Pinus halepensis and Pinus pinaster needles collected in different altitudes. In addition to individual fuel properties a litter layer evaluation has been made for each of these two vegetation species. Experimental work also involved studying the fire ignition and spreading in the pine needle layer and obtaining data for the fire behaviour characteristics for various surrounding conditions. The results of these fire behaviour experiments were employed for the development of equations - empirical models by means of which the effects of wind velocity and direction, the slope of ground surface and the method of fire ignition were related to the rate of fire spread and flame angles. A theoretical model for the fire spread into the pine forest layer has been developed based on the heat and mass transfer, both in the gas phase and between the gas and the solid phase, and also on the detailed description of the thermal decomposition of the vegetation and the products oxidation resulting from this process. The model served for determining the variations in the fire front position, for studying the effects of wind velocity and slope of terrain on the fire spread, and also for obtaining temperature, fluid flow distribution, and flame characteristics. The realization of the model has been made in a non-static state and was carried out using CFD software - Fluent 6.2. A combustion submodel has been also developed and tested in addition within the framework of the present study. This sub-model examined the applicability of various chemical reactions describing specifically dense layer combustion, the production of volatiles, char and tar and their subsequent oxidation (as a gaseous phase). It employed a more analytical five-step chemical reaction mechanism EDM + Kinetics to describe the mixing effect and the chemical reactions. The developed sub-model was also enhanced with adjustments in the model constants and boundary conditions implementing TGA results, experimental spread rates and IR camera measurements. The modelling results were validated againgst both literature and current experimental data. This fire behaviour comparison indicated that the adopted empirical and physical approaches were applicable for examining the processes of fire spread into pine forest litter within an acceptable accuracy. The qualitative and quantitative agreement of the numerically and experimentally derived data with literature models and field expreriments showed that the present work has been successfully adapted to the specificity and compexity of the conditions to achieve principal phenomenon description and prognosis.

Η εξέταση της συμπεριφοράς των πυρκαγιών ακαλλιέργητων περιοχών με βλάστηση εδαφικών στρώσεων, είναι μια βασική προϋπόθεση για την ανάληψη επιτυχών δραστηριοτήτων για τον έλεγχο της διάδοσής τους στην πρόωρη πρόληψη και την εξασφάλιση γρήγορης, αποδοτικής και ασφαλούς καταστολής. Ο στόχος της ερευνητικής εργασίας ήταν (α.) να παρασχεθεί η γνώση μέσω του προσδιορισμού, νέων πειραματικών αποτελεσμάτων για τις ιδιότητες των μορίων βλάστησης ελληνικών πευκοβελόνων, και την ανάλυση της δυναμικής διάδοσης των πυρκαγιών. Αφετέρου (β.) να αναπτυχθούν μοντέλα βασισμένα σε θεωρητική και εμπειρική προσέγγιση, τα οποία να προβλέπουν τη διάδοση και συμπεριφορά πυρκαγιών που προσαρμόζονται σε καύσιμη ύλη εδάφους. Όπως επίσης και να παραχθούν συσχετισμοί μεταξύ της συμπεριφοράς της πυρκαγιάς και των περιβαλλοντικών μεταβλητών επηρεασμού της. Τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν περιέλαβαν τη λήψη ελληνικών δειγμάτων και τον καθορισμό αντιπροσωπευτικών μοντέλων καύσιμης ύλης για δυο διαφορετικά είδη πεύκων, ως συνέπεια καθορισμού των βασικών φυσικών, χημικών και θερμικών ιδιοτήτων τους. Τα εξετασμένα δείγματα περιέλαβαν την Χαλέπεια (Halepensis) και την Παραθαλάσσια (Pinaster) πευκοβελόνα που συλλέχθηκαν σε διαφορετικά υψόμετρα. Εκτός από τις μεμονωμένες ιδιότητες της καύσιμης ύλης μια συνολική αξιολόγηση της στρώσης καυσίμου εδάφους έχει γίνει για καθένα είδος βλάστησης. Η πειραματική δουλεία περιέλαβε επίσης τη μελέτη της ανάφλεξης και διάδοσης της φωτιάς σε στρώματα πευκοβελόνων (πειραματικές πυρκαγιές) και τη παραγωγή αποτελεσμάτων για τα χαρακτηριστικά συμπεριφοράς πυρκαγιών σε διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Τα αποτελέσματα των πειραματικών καύσεων υιοθετήθηκαν για την ανάπτυξη εξισώσεων - εμπειρικών μοντέλων με τη βοήθεια των οποίων τα αποτελέσματα της ταχύτητας και της κατεύθυνσης του ανέμου, η κλίση της επίγειας επιφάνειας και η μέθοδος ανάφλεξης της πυρκαγιάς συνδέονταν με τον ρυθμό διάδοσης και τις γωνίες καύσης - φλογών. Ένα θεωρητικό μοντέλο προσομοίωσης της συμπεριφοράς της πυρκαγιάς που διαδίδεται στο δασικό στρώμα πευκοβελόνων έχει αναπτυχθεί βασισμένο στη μεταφορά θερμότητας και μάζας, αμφότερα μεταξύ της αέριας φάσης και μεταξύ της αέριας και στερεάς φάσης, και επίσης στη λεπτομερή περιγραφή της θερμικής αποσύνθεσης της βλάστησης και της οξείδωσης προϊόντων ως αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας. Το μοντέλο επιτρέπει τον καθορισμό των μεταβολών θέσης του εμπρόσθιου μετώπου πυρκαγιάς, τη μελέτη της επίδρασης της ταχύτητας του ανέμου και της κλίσης του εδάφους στην πυρκαγιά και επίσης τη λήψη της θερμοκρασίας, την διανομή ροής των ρευστών και των χαρακτηριστικών της φλόγας. Η δημιουργία του θεωρητικού μοντέλου έχει γίνει σε μη-στατική κατάσταση και πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το CFD λογισμικό - Fluent. Ένα υπομοντέλο καύσης έχει αναπτυχθεί επίσης και έχει εξεταστεί επιπλέον στα πλαίσια της παρούσας μελέτης. Αυτό το υπομοντέλο εξετάζει τη δυνατότητα εφαρμογής διάφορων χημικών αντιδράσεων περιγράφοντας στην πυκνή καύση του στρώματος: την παραγωγή των πτητικών ουσιών, τον προσροφητικό άνθρακα και την πίσσα και την επόμενη οξείδωσή τους (ως αεριώδη φάση). Στο υπομοντέλο χρησιμοποιείται ένας αναλυτικότερος μηχανισμός αντίδρασης πέντε-βημάτων EDM + Kinetics για να περιγράψει την επίδραση μίξης και τις χημικές αντιδράσεις. Το ανεπτυγμένο υπομοντέλο ενισχύθηκε επίσης με ρυθμίσεις στις σταθερές και των όρων ορίου (Boundary conditions) εφαρμόζοντας τα αποτελέσματα της μέτρησης TGA, τους πειραματικούς ρυθμούς διάδοσης και τις θερμοκρασιακές μετρήσεις της υπέρυθρης κάμερας. Τα θεωρητικά αποτελέσματα πρόβλεψης συμπεριφοράς της πυρκαγιάς επικυρώθηκαν ενάντια σε δημοσιευμένες και τρέχουσες πειραματικές καύσεις. Αυτή η σύγκριση συμπεριφοράς έδειξε ότι οι υιοθετημένες εμπειρικές και θεωρητικές προσεγγίσεις ίσχυσαν μέσα σε μια αποδεκτή ακρίβεια για την εξέταση των διαδικασιών δασικών πυρκαγιών εδάφους. Η ποιοτική και ποσοτική συμφωνία των θεωρητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων με τα δημοσιευμένα μοντέλα και τις πειραματικές πυρκαγιές έδειξε ότι η παρούσα εργασία έχει προσαρμοστεί επιτυχώς στην ιδιομορφία και την πολυπλοκότητα των συνθηκών για να επιτύχει την κύρια περιγραφή και την πρόγνωση αυτού του φαινομένου