Estudi de l’efecte de la força d’arrossegament al simulador d’incendis forestals WFDS

Abstract

La predicció de l’evolució d’un incendi i el comportament del foc presenta encara a dia d’avui reptes científics i tecnològics importants. És per aquest motiu que no s’ha aconseguit crear encara un simulador d’incendis forestals que sigui adequat per diferents tipus d’escenaris, vegetació i condicions atmosfèriques. El simulador d’incendis forestals Wildland-urban interface Fire Dynamics Simulator – WFDS – es troba actualment en constant evolució, fet que fa que sigui necessària una validació global i dels seus diferents components de manera més concreta per aconseguir omplir aquest buit. L’objectiu d’aquest projecte és contribuir en la tasca de validació de WFDS, tot duent a terme una revisió detallada de la definició de la força d’arrossegament implementada al model del simulador i un estudi de simulació per a analitzar-ne la seva bondat. El projecte consta d’una breu introducció al simulador WFDS on s’explica l’estructura del model matemàtic Tot seguit, s’aborda el fenomen de l’arrossegament, inicialment des d’un punt de vista teòric – la definició física de la força – fins a la consideració que se’n fa en l’àmbit de l’enginyeria química, on és present en la majoria d’operacions bàsiques. A més a més, s’estudia com es defineix la força d’arrossegament al model matemàtic de WFDS i les opcions que té l’usuari del simulador per a especificar, la seva modelització. S’analitzen dues formes diferenciades a WFDS per definir la força d’arrossegament: mitjançant la definició d’una constant d’arrossegament i la geometria de les partícules o bé fixant un valor constant del producte de la constant i el coeficient d’arrossegament. Per tal de determinar la forma idònia per definir la força d’arrossegament s’han dut a terme uns experiments a escala de laboratori amb palla d’ordi com a combustible. En aquestes cremes es caracteritza el llit de combustible i es determina la velocitat de propagació del foc. Els escenaris de laboratori es reprodueixen amb el simulador WFDS tenint en compte les diferents opcions per definir la força d’arrossegament. S’escullen 5 escenaris diferents: a partir del càlcul de la constant d’arrossegament i utilitzant una correlació per definir el coeficient d’arrossegament característica per partícules cilíndriques i per partícules esfèriques, respectivament; a partir de l’estimació del número de Re i calculant el producte de la constant i el coeficient d’arrossegament considerant el combustible com partícules cilíndriques, com partícules esfèriques o com un llit empaquetat a partir de la correlació empírica d’Ergun, respectivament. Les tres últimes opcions requereixen la determinació de la velocitat de l’aire per tal de poder estimar el número de Re i estableixen com a paràmetre constant el coeficient d’arrossegament, que per definició varia en funció del règim i el tipus de partícula. L’estudi revela que és necessari un grau de precisió molt elevat per determinar la velocitat de l’aire per calcular el número de Re i que, a no ser que es disposi de la tecnologia adequada, és més adient introduir la constant d’arrossegament i la geometria de la partícula. També posa de manifest que, tot i que el combustible experimental té una geometria cilíndrica, no hi ha diferències significatives quan aquest es simula com a tal o com a geometria esfèrica. Dels dos blocs experimentals estudiats, se n’ha aconseguit simular correctament un dels dos i s’ha corroborat que la força d’arrossegament no és un paràmetre decisiu a l’hora d’aconseguir resultats més acurats, sinó que és més important ser precís en l’avaluació d’altres paràmetres. En aquest sentit, cal assenyalar la necessitat d’especificar correctament la velocitat de màxima de crema, que s’ha detectat com a sensible a mesura que s’augmenta les dimensions del llit de combustible.