Jun 13, 2023
Indagando le turbolente dinamiche dei piccoli
Scientific Reports volume 12,
Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10503 (2022) Citare questo articolo
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In questo studio vengono analizzati i dati di velocimetria dell'immagine di particelle bidimensionali ad alta frequenza (30 Hz) registrati durante un esperimento sul campo che esplora la diffusione del fuoco dal punto di accensione in aghi di pino sparsi a mano in condizioni di vento ambientale calmo. Nelle fasi iniziali, quando la fiamma si diffonde approssimativamente radialmente dal punto di accensione in assenza di una direzione preferenziale di forza del vento, trascina aria ambiente più fredda nel nucleo di fuoco più caldo, sperimentando così una resistenza alla pressione dinamica. Il fronte del fuoco, costituito da una fiamma inclinata verso l'interno, è circondato da una zona di corrente discendente. Strutture coerenti descrivono la forma iniziale del fronte dell’incendio e la sua risposta ai cambiamenti di vento locali, rivelando anche i possibili meccanismi di diffusione dell’incendio. I tubi vorticosi che hanno origine all'esterno del fuoco si muovono a spirale verso l'interno e si allungano più sottili sul fronte del fuoco portando lì ad una maggiore vorticità. Questi tubi comprendono strutture di circolazione che inducono una velocità radiale verso l'esterno vicino al letto di combustibile, che spinge i gas caldi verso l'esterno, provocando così la diffusione dell'incendio. Inoltre, queste strutture di circolazione confermano la presenza di coppie di vortici controrotanti che sono noti per essere un meccanismo chiave per la propagazione del fuoco. L'asse dei tubi a vortice cambia il suo orientamento alternativamente verso e lontano dalla superficie del letto di combustibile, provocando l'attorcigliamento dei tubi a vortice. La forte corrente ascensionale osservata nella posizione del fronte di fuoco potrebbe potenzialmente portare e inclinare verticalmente verso l'alto il tubo vortice piegato, portando alla formazione di vortici di fuoco. Man mano che l'incendio si evolve, il suo perimetro si disintegra in risposta alle instabilità del flusso per formare "sacche" di fuoco più piccole. Queste sacche sono confinate in certi punti del campo di flusso che rimangono relativamente fissi per un po’ e assomigliano al comportamento di un sistema caotico in prossimità di un attrattore. L’aumento dell’entità dei flussi turbolenti del momento orizzontale, calcolati in alcuni punti fissi lungo il fronte dell’incendio, è sintomatico di esplosioni irregolari e aiuta a contestualizzare la propagazione dell’incendio. Ancora più importante, i termini di trasporto variabili nel tempo dell’equazione del bilancio dell’energia cinetica turbolenta calcolata in punti fissi adiacenti indicano che gli incendi locali lungo il fronte dell’incendio interagiscono principalmente attraverso il termine di trasporto turbolento orizzontale.
La frequenza e la gravità degli incendi boschivi sono aumentate negli ultimi anni e l’aggravamento del clima globale (cambiamento) presenta un rischio maggiore. Secondo il National Interagency Fire Center1, al 7 agosto 2021 negli Stati Uniti si sono verificati 39.108 incendi nel 2021 e la corrispondente superficie totale bruciata è aumentata del 53%, passando da 2.286.517 acri nel 2020 a 3.506.321 acri nel 2021. una comprensione più approfondita delle dinamiche degli incendi boschivi è una necessità urgente per assistere le operazioni di contenimento e la gestione e prevenzione degli incendi. Sebbene la modellizzazione degli incendi boschivi abbia fatto notevoli progressi negli ultimi decenni, i progressi in termini di prove osservative sono stati lenti. L'interazione tra il fuoco e l'atmosfera crea un ambiente turbolento e sono disponibili osservazioni molto limitate per caratterizzare questa turbolenza così come le caratteristiche strutture coerenti. La misurazione della turbolenza richiede un'elevata frequenza di campionamento nel tempo e le osservazioni di strutture coerenti richiedono una copertura spaziale sostanziale. La maggior parte delle osservazioni su scala di laboratorio e sul campo pubblicate in letteratura hanno riportato strutture dettagliate della fiamma, che sono anche importanti per comprendere il comportamento del fuoco di per sé; mentre le misurazioni della turbolenza sono state limitate ad osservazioni "punto nello spazio". Essere in grado di misurare entrambi, nello spazio e ad alta frequenza nel tempo, rappresenta quindi un cambiamento di paradigma nella nostra comprensione della dinamica degli incendi boschivi e dell’interazione fuoco-atmosfera. In questo articolo riporteremo le osservazioni di un esperimento PIV (particle imaging velocimetry) che copre un'area considerevole nello spazio e un'elevata frequenza di campionamento, mentre una fiamma si diffonde a partire dal punto di accensione. Ciò ci consente di tracciare i vettori di velocità in situ mentre la struttura della fiamma si evolve, così come le temperature superficiali, fornendo così informazioni senza precedenti sul complesso ambiente di turbolenza all’interno e intorno a un incendio.
0\)), while blue arrows indicate downdrafts (\(w<0\)). [Generated using MATLAB R2021a]./p>0\)). Similarly, the x-directionally elongated structures of \(r_{22}\) contours (Fig. 5b) indicate x-directional uniformity in the v velocity. Again, for the first 100 s of ignition, the v velocity remains positive (\(v>0\)) at the IP (not shown here). The positively correlated contours on the south of the IP represent northward v velocity (\(v>0\)), while the negatively correlated contours on the north of the IP represent southward v velocity (\(v<0\)). We interpret the cross-correlation contours as a measure of the retainment of flow memory (recorded at the IP, in this case) across space. The y-directionally elongated \(r_{11}\) contours are indicative of the entrainment of ambient air from the eastern and western sides of the domain as a relatively quick and bulk response to ignition, the earliest sign of the presence of fire. The x-directionally elongated \(r_{22}\) contours are similarly indicative of the entrainment of ambient air from the northern and southern sides of the domain as a similar (quick and bulk) response./p>0\), can be observed with increasing distance from the IP in Fig. 5c. These are interpreted as follows. Since the IP is initially a region of updraft, contours that are positively correlated with the IP are inferred to be regions of updraft. Beyond these structures, we observe contours that correlate negatively with the IP and do not encompass it. These can be interpreted as regions of downdraft beyond the fire perimeter. A shift in the direction of fire propagation towards the north-west can also be observed from the contours. This can be attributed to a shift in the direction of the local wind or heterogeneity in the fuel bed in the vicinity of the IP. Thus, contours of \(r_{33}\) give a clear picture of the evolution of the fire-front during the first minute or so./p>0\) implies that the angle is acute, while \(H<0\) indicates that the angle is obtuse. Color contours of the helicity are shown in Fig. 7b, wherein alternating regions of positive helicity (red) and negative helicity (blue) are observed along the fire-front. Since the fire-front comprises updrafts (red arrows in Fig. 4), an acute angle with \(\mathbf {u}\) indicates that \(\varvec{\omega }\) is pointed away from the surface (red arrows in Fig. 7c) and an obtuse angle with \(\mathbf {u}\) indicates that \(\varvec{\omega }\) is pointed towards the surface (blue arrows in Fig. 7c). This suggests that the eddies precess upward and downward alternately, resulting in the kinking of the vortex tubes along the fire-front./p>0\), Fig. 8e), while the mean y-directional flow is northward (\(\overline{v}>0\), Fig. 8g). From Fig. 1c–d, it can be seen that at this location, \(u'<0\) and \(v'<0\) would assist in propagating the fire away from the IP (south/west/southwest-ward), while \(u'>0\) and \(v'>0\) would combine to create the opposite effect. Therefore, \(u'(>0)\) and \(v'(>0)\) at \(t=158\) s (Fig. 8e,g) interact to impede the spread of the fire away from the IP at this location; this is seen as a peak in Fig. 8c. A similar phenomenon is also observed at \(t=309\) s when the mean flow supports the fire spread away from the IP (\(\overline{u},~\overline{v}<0\)), while the fluctuations resist it (\(u',~v'>0\)). At \(t=322\) s, the mean x-directional flow is westward (\(\overline{u}<0\), Fig. 8e), while the mean y-directional flow is southward (\(\overline{v}<0\), Fig. 8g). The fluctuations \(u'(<0)\) and \(v'(<0)\) at \(t=322\) s (Fig. 8e,g)) interact to accelerate the mean flow and drive the fire south-west with sudden force away from the IP, causing a fire-burst. This phenomenon is also observed at \(t=300\) s, while burst-like peaks are also observed at \(t=148\) s, \(t=198\) s (Fig. 8c)./p>0)\) (Fig. 8f,h) interact to impede the advancement of the the fire-front (peaks in Fig. 8d) at FP2. However, at \(t=301\) s and \(t=353\) s, the fluctuations \(u'(>0)\) and \(v'(<0)\) (Fig. 8f,h) interact to drive the fire southeast via bursts (peaks in Fig. 8d). Thus, increase in the magnitude of the horizontal momentum flux (\(\overline{u'v'}\)) and \(u'v'\) is either symptomatic of fire-bursts that occur at irregular time intervals or representative of increased turbulence-induced impediment to the fire-spread; together, they play opposing roles in the fire-spread and in determining the spread rate./p>0\) indicates the contrary. It can be seen that the decrease in \(TKE_{sp}\) when \(140\,\text {s}\le t\le 220\,\text {s}\) (Fig. 11c) causes a loss in the TKE and a corresponding gain in the MKE (Fig. 11a). Since the mean flow at FP1 opposes the spread of the fire away from the IP in this time duration, the shear production term effectually helps resist the fire-spread at this point. At FP2, \(TKE_{sp}\approx 0\) when \(140\,\text {s}\le t\le 220\,\text {s}\) (Fig. 11d) indicating that the MKE does not increase much at the cost of the TKE. Therefore, the peak of the MKE (Fig. 11b) is much lower than that for FP1 (Fig. 11a). Relatively speaking, the shear production term does not contribute much in either assisting or resisting the fire spread at this point./p>0\) when the latitudinal flow is eastward, i.e. in the \(+x\) direction and \(v>0\) when the longitudinal component is northward, i.e. in the \(+y\) direction. The vertical velocity (w) was obtained from mass conservation: the divergence of the net velocity vector (\(\nabla .\mathbf {u}\)) was set to zero and the resulting equation was integrated to a height equal to the cell-size in the horizontal domain (4.18 cm) as shown in the Supplementary Information. No penetration conditions were enforced at the surface, i.e. \(w|_{z=0} = w_0 = 0\). We assumed that the velocity measurements were made at a height \(z = 4.18\) cm from the surface (\(\Delta z = 4.18\) cm). The vertical velocity component (w) so computed is said to be positive (\(w>0\)) if directed opposite to the gravitational force./p>
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