Extreme Fire Behaviour Associated with the Merging of Two Linear Fire Fronts

Abstract

In this work the concept of extreme forest fire behaviour denominated as Junction Fire is analysed. The junction fire consists in the interaction between two linear fire fronts which in their propagation intersect at a single point making a small angle between them. In their merging process, the phenomena of heat transfer by radiation and convection are extremely enlarged due to the concentration of energy at the intersection point. The concentration of energy and consequently the development of the strong heat transfer mechanism induce an extremely high and sudden increase of the rate of spread value of the intersection point until it reaches a maximum value after which the rate of spread starts to decrease. This maximum values of the rate of spread is among highest ever measured; this can create serious safety and management problems to those dealing with this type of forest fires. The research program addressed the problem of the junction fires taking into account the essential parameters that affect the pattern of behaviour of this type of extreme fire behaviour. These parameters are the initial angle between the fire fronts o, the angle of slope of the fuel bed  and the kind of fuel burned. The fuels used in this study were dead pine needles of Pinus pinaster, shrubs composed by a mixture of Erica umbelatta, Erica australis, Ulex minor e Chamaespartium tridentatum and straw of Avenna sativa. The fuel load was kept constant in the value of 0.6 kg.m-2, which is widely used in this type of research programs once it is easily extrapolated to the fuel load found in the forests. The analysis of Junction Fire was made in the laboratory facilities of ADAI in Lousã in centre of Portugal, but also other scales were tested to validate the results obtained at different scales; to achieve this experimental fires with merging fire fronts were performed in the shrubs fields of ADAI, in the mountain of Lousã recreating the conditions for the occurrence of junction fires. In these experiments it was noticed that the junction fires are a source of instability that conducts to the occurrence of fire whirls. The average scale of the experiments performed in the field is around ten times greater than the laboratory experiments. The results of the laboratory and field tests are finally compared with a real occurrence of a junction fire in Canberra, Australia, in 2003 where two massive fires merged creating a tongue of fire between them with an extremely high rate of spread which destroyed the surroundings of Canberra. In these events the occurrence of a fire whirl due to junction fire phenomena was registered as well. During the research program it was realised that the junction fire is very similar to an eruptive fire with the particularity that the rate of spread did not increase indefinitely. Contrary to the eruptive fires after reaching the peak value that is dependent on the initial angle between the fire fronts o and of the slope angle, junction fires start a decreasing phase. For this reason the initial acceleration phase is modelled using the eruptive fire model. Like in the eruptive fires in canyons the junction fire acceleration is attributed to the flow generated by the fire which creates extremely high rates of spread. During the evolution of the fire the initial conditions are shifted especial the angle between the fire fronts that tend to increase until the limit of creating a single straight line fire front. In this process the convection/flow loses is primacy and the behaviour of the fire starts to be ruled by the radiative process that has decreasing trends, thus explaining the deceleration of the fire. Finally an empirical model to estimate the main parameters of jump fires and to predict their evolution in the course of space and time is proposed. The main properties of the model are presented in non-dimensional form to generalize its formulation as a function of the parameters that govern junction fires in the range covered by the present work.

Neste trabalho é analisado o conceito de comportamento extremo fogo denominado como fogo de junção. O fogo de junção consiste na interação entre duas frentes de fogo lineares que, na sua propagação, convergem num único ponto, formando um pequeno ângulo entre si. Neste processo de convergência os fenómenos de transferência de calor por radiação e convecção desenvolvem-se de forma extrema, devido à concentração de energia no ponto de convergência. A concentração de energia e consequentes mecanismos de transferência de calor induzem uma variação da velocidade de propagação, extremamente elevada e repentina, do ponto de encontro entre as duas frentes de fogo, até que seja atingido o valor máximo. Depois do valor máximo ser atingido a velocidade de propagação começa a decrescer. Os valores máximos da velocidade de propagação são os mais elevados alguma vez medidos nos estudos desenvolvidos pela nossa equipa. Este fenómeno de comportamento extremo do fogo pode causar sérios problemas de gestão de meios e de segurança pessoal ou coletiva daqueles que lidam com este tipo de incêndios florestais. No programa de investigação desenvolvido é abordado o problema dos fogos de junção tendo em conta os parâmetros essenciais que afetam o padrão de comportamento deste tipo de fenómeno extremo de fogo. Os parâmetros que condicionam o desenvolvimento do fogo de junção são o ângulo inicial entre as duas frentes de fogo o, o ângulo de declive do leito de combustível α, e o tipo de combustível florestal. Os combustíveis utilizados neste estudo foram a caruma de Pinus pinaster, palha de Avenna sativa e mato constituído essencialmente por ramos de Erica umbelatta, Erica australis, Ulex minor e Chamaespartium tridentatum. A carga de combustível manteve-se constante, com o valor de 0.6 kg/m2, o qual é vulgarmente usado neste tipo de ensaios, uma vez que corresponde a uma carga que facilmente pode ser extrapolada e comparada com a carga de combustível encontrado nas florestas. O estudo experimental do fogo salto realizou-se, na sua maioria, no Laboratório de Estudos sobre incêndios Florestais (LEIF) da ADAI, na Lousã. Contudo outras escalas foram testadas para validar os resultados obtidos. Para tal, ensaios de campo experimentais com encontro de frentes de fogo foram realizadas no campo de testes da ADAI, na serra da Lousã, recriando as condições necessárias à ocorrência de fogos de junção. Durante estes ensaios de campo experimentais observou-se que, os fogos de junção são uma fonte de instabilidade que, conduzem à ocorrência de turbilhões de fogo. A dimensão média dos ensaios de campo foi cerca de dez vezes superior à dos ensaios de laboratório. Os resultados obtidos através dos ensaios de laboratório e de campo foram comparados com um incêndio no qual ocorreu o comportamento de fogo de junção, em Canberra, Austrália, 2003, onde dois grandes incêndios encontraram-se criando uma língua de fogo entre eles com uma velocidade de propagação muito alta que destruiu os subúrbios da cidade de Canberra. Neste grande incêndio foi registado e documentado a ocorrência de um turbilhão de fogo com origem na junção das frentes de fogo. Durante o programa investigação realizado percebeu-se que o comportamento do fogo de junção é muito semelhante ao comportamento de fogo eruptivo, com a particularidade de que a sua velocidade de propagação não aumentou indefinidamente. Contrariamente ao que acontece nos fogos eruptivos, depois de atingir o valor máximo da velocidade de propagação, que é dependente do ângulo inicial entre as frentes de fogo θo e do ângulo de declive α, os fogos de junção manifestam uma fase decrescente da velocidade de propagação. Por esta razão, apenas a fase de aceleração inicial foi modelada recorrendo ao modelo de comportamento eruptivo do fogo. Tal como nos fogos eruptivos, em canyons, a aceleração do fogo de junção é atribuída ao escoamento convectivo induzido pelo fogo que conduz a velocidade de propagação muito elevadas. Durante a evolução dos fogos de junção as condições iniciais alteram-se rapidamente especialmente o ângulo formado entre as frentes de fogo, que tendem a aumentar até se tornarem numa única frente de fogo linear. Neste processo os fenómenos convectivos perdem a predominância inicial e o comportamento do fogo começa a ser governado por processos radiativos, que tendem também a diminuir a taxa de transferência de calor à medida que o ângulo entre as frentes aumenta, o que explica a desaceleração do fogo. A fase final de desaceleração foi simulada através de modelos radiativos. Finalmente é proposto um modelo empírico para a estimação da evolução do fogo de junção ao longo do espaço e do tempo. O modelo faz uso da análise não-dimensional o que possibilita a sua aplicação aos diferentes casos com inerentes diferentes parâmetros iniciais que influenciam o comportamento fogos de junção estudados no presente trabalho e sua posterior generalização.