Contribució a l'estudi de l'efecte del canvi d'escala en l'experimentació en incendis forestals

Abstract

Any rere any milions d'hectàrees són destruïdes pels incendis forestals, no només a Europa sinó arreu del món, tan sols cal recordar els dramàtics episodis viscuts a Califòrnia i Austràlia recentment. A banda de l'evident impacte mediambiental que això provoca -emissió de gasos d'efecte hivernacle, pèrdua de biodiversitat, acceleració de l'erosió del sòl, etc.- els incendis són també un problema social de primer ordre, que posa en perill a les persones i els seus béns. <br/><br/>Davant d'aquesta situació, en les darreres dècades s'ha impulsat fortament la recerca en l'àmbit dels incendis forestals. Tanmateix, l'estudi dels incendis forestals és certament complex per les condicions i l'entorn on aquests es desenvolupen, a banda també del gran nombre de fenòmens -físics, químics i socials- que interaccionen al llarg de diferents escales espacials i temporals, per a donar lloc a l'inici i propagació del foc. És per això que bona part de la recerca sobre el comportament dels incendis forestals ha tingut lloc bàsicament al laboratori, tot i que qüestions com ara com traslladar aquests resultats experimentals als incendis reals, o bé fins a quin punt aquest tipus d'experimentació és útil o què és el que realment es pot extrapolar i què no, no han tingut encara cap resposta clara.<br/><br/>L'objectiu d'aquesta tesi ha estat doncs el de contribuir a l'estudi del canvi d'escala en l'experimentació en incendis forestals pel què fa al comportament del foc, mitjançant les tècniques de l'anàlisi dimensional i de semblança. En primer lloc s'ha realitzat una extensa revisió bibliogràfica centrada bàsicament en aquells treballs que havien aplicat d'alguna manera o altra l'anàlisi dimensional i de semblança a l'estudi dels incendis i en particular dels incendis forestals. S'ha vist que no es possible realitzar un escalatge complet d'aquest fenomen i que el més utilitzat ha estat l'escalatge de Froude. A més s'ha detectat que mai abans s'ha aplicat aquest tipus d'anàlisi als models que s'utilitzen normalment avui dia en l'experimentació de laboratori. A continuació s'ha fet doncs una anàlisi exhaustiva de totes les variables que determinen el comportament d'un incendi forestal en els diferents escenaris experimentals (de laboratori i de camp). A partir d'aquestes variables s'ha realitzat una anàlisi dimensional per a estudiar la propagació d'un front de flames -tan bàsic com en condicions de vent i pendent- així com una anàlisi de semblança que ha permès obtenir les lleis d'escala per a les diferents variables que caracteritzen la propagació d'un incendi forestal. S'ha dissenyat i executat un programa experimental al laboratori amb l'objectiu de validar si es complien les lleis d'escala trobades i de determinar-ne el rang de validesa i les possibles causes en cas que no es complissin.<br/><br/>Els resultats obtinguts han mostrat que per a fronts de flama bàsics propagant-se sense vent ni pendent, totes les variables analitzades segueixen les lleis d'escala derivades de l'estudi teòric, en el rang de longituds de front de flama abraçat que va dels 25 cm als 3 m. Nogensmenys cal remarcar que paràmetres com la humitat i el tipus de combustible o les característiques de la instal·lació experimental utilitzada poden alterar enormement els resultats si no es controlen adequadament. En el cas dels fronts de flama propagant pendent amunt, els resultats han mostrat que les lleis d'escala de la geometria de flama es compleixen per a tot el rang de pendents estudiat que va de 0 fins a 30°, mentre que en el cas de la llei d'escala de la velocitat de propagació deixa de complir-se per a pendents de 30°. Finalment, en el cas dels fronts de flama propagant en condicions de vent, els resultats han mostrat que per a velocitats del vent superiors a aproximadament 2,5 m/s les lleis d'escala tant de la velocitat de propagació com de la geometria de flama deixen de complir-se.<br/><br/>Al final d'aquest treball s'apunten les causes que poden conduir a l'incompliment de les lleis d'escala així com als factors que poden restar validesa als experiments efectuats a escala de laboratori, quan es vol extrapolar els resultats a escales més grans o fins i tot a incendis reals.

Year after year millions of hectares are destroyed by wildland fires, not only in Europe but all over the world; just remember the dramatic episodes recently occurred in California or Australia. Besides the evident environmental impact caused by these fires -emission of greenhouse gases, biodiversity loss, soil erosion, etc- wildland fires represent also a social problem of primary order that threatens human life and their assets.<br/><br/>Because of this situation, during the last decades research on wildland fires has been greatly boosted. Nevertheless, the study of forest fires is really complex due to the conditions and the environment in which they develop and to the number of phenomena -physical, chemical and social- that interact all along the different spatial and temporal scales that give rise to the start and development of a fire. That is partly the reason because the study of wildland fire behaviour has mainly been developed in laboratories, but questions like how these experimental results can be translated to real fires?, or is really this kind of experimentation useful?, or what can be extrapolated? These questions have not yet received a clear answer.<br/><br/>The goal of this work was to improve the knowledge on the effect of changing the scale in the experimental study of forest fire behaviour, by means of dimensional and similarity analysis. First an extended bibliographic review has been done, centred on those works that had applied in one or another way the dimensional and similarity analysis to the study of fires and more specifically to forest fires. It was observed that it is not possible to undergo a complete scaling of a forest fire and that the most used partial scaling technique was the Froude scaling. Moreover it was detected that this kind of analysis was never before applied to the laboratory models used currently to obtain experimental data on wildland fires. Thus, an exhaustive analysis of all the variables affecting forest fire behaviour has been carried out for the diverse experimental scenario (in the lab and field). From these variables, a complete dimensional analysis has been developed in order to study the spread of a flames front -both in basic conditions and with slop or wind- and a subsequent similarity analysis has provided the scaling laws governing all the variables under study. A complete experimental program has been designed and developed in the laboratory with the aim of validating the scaling laws previously found and to establish the possible causes of any failure of the laws. <br/><br/>The results obtained show that in the case of a basic flame front, spreading under no wind and no slope conditions, all the variables analysed followed the scaling laws obtained during the theoretical study for flames front lengths ranging from 25 cm to 3 m. For the tests under slop conditions, the results indicate that the scaling laws corresponding to the flame geometry are verified for all the slopes tested which range from 0 to 30°, while in the case of the rate of spread scaling law is no longer verified for the 30° slope. Finally, in the case of flame fronts spreading under wind conditions, the results show that for wind speed values greater than 2,5 m/s neither of the scaling laws corresponding to the flame geometry and the rate of spread, are verified. It has also been observed that parameters such as moisture content, the type of fuel or the specific design of the experimental device used can have a big influence on the results obtained if they are not adequately controlled.<br/><br/>At the end of this work, the main causes leading to the failure of the scaling laws are pointed out together with the factors that can make the laboratory experiments less reliable when trying to extrapolate the results to larger scales or even to real fires.