Numerical modelling of the aerial drop of products for forest firefighting

Abstract

Devido ao aumento da frequência e intensidade, os incêndios florestais de grande dimensão e de interface rural-urbana foram identificados pela Organização Mundial de Saúde como uma das ameaças à segurança e saúde públicas no século XXI. A utilização de meios aéreos no combate a incêndios florestais pode ter, se integrada numa estratégia globalizante e eficiente, um papel importante na protecção humana e do património, particularmente em situações exigindo uma rápida intervenção, como fogos emergentes, zonas montanhosas de difícil acesso, ou áreas de risco. A sua eficácia está, contudo, dependente das características do fogo, das condições atmosféricas e da perícia do piloto. O presente trabalho tem como objectivo o desenvolvimento e validação de um modelo operacional de simulação da largada aérea de produtos no combate a incêndios florestais. O modelo ADM simula o campo de ventos induzido por uma canópia vegetal, sob a influência de diferentes condições de estabilidade atmosférica. A saída do líquido do tanque é calculada com base na geometria e velocidade de abertura das portas. O diâmetro das gotas formadas pela acção das instabilidades de Rayleigh-Taylor e Kelvin-Helmholtz na superfície do jacto é estimado recorrendo à teoria de estabilidade linear. A distribuição por tamanhos e a velocidade das gotas originadas por atomização secundária baseiam-se em correlações experimentais. O método Lagrangeano é aplicado na simulação da deposição do produto, durante a qual o coeficiente de arrasto resultante da deformação da gota é calculado com base em relações experimentais dinâmicas. O processo termina com a retenção do líquido pela canópia. Os principais dados de saída do modelo são a distribuição espacial das concentrações no solo e o comprimento e área dos diferentes níveis de concentração. O processo de validação inclui a análise estatística dos resultados através da comparação do perfil vertical do vento simulado com valores medidos em florestas de pinheiro e eucalipto e da comparação dos resultados do ADM com ensaios de largada à escala real realizados com um sistema de descarga convencional (em Marselha, França) e um sistema de caudal constante (em Marana, Arizona, E.U.A.). A análise permitiu inferir um bom desempenho do modelo na vasta gama de condições testadas. A forma da mancha de deposição no solo revela as mesmas características observadas nos dados medidos. O valor médio do erro quadrado normalizado médio para a estimativa dos comprimentos das manchas de cada um dos níveis de concentração é de 0.01, sendo de 0.03 no caso das áreas ocupadas por esses mesmos níveis. Todos os parâmetros estatísticos revelaram um claro cumprimento dos requisitos impostos pelos critérios de aceitabilidade de modelos numéricos.

Due to their increase in frequency and severity, large wildland fires and wildland-urban interface fires have been identified by the World Health Organization as one of the threats to public health security in the 21st century. Within this framework, aerial firefighting can play, if integrated into an efficient global strategy, an important role towards the protection of human lives and patrimony, particularly in situations requiring a rapid intervention, such as emerging fires, inaccessible mountainous areas, or highly risk areas. The efficiency of aerial means is, however, extremely dependent on fire characteristics, atmospheric conditions and pilot expertise. The objective of the current work is the development and validation of an operational model for the simulation of the aerial drop of firefighting products. The Aerial Dropping Model ADM simulates the vegetative canopy-induced wind flow, under varying atmospheric stability conditions. Vertical turbulent fluxes are calculated through a set of modified flux-profile relationships valid in the atmospheric roughness sublayer. The efflux of liquid from the aircraft tank is calculated based on tank geometry and door-opening rate. The size of droplets formed by Rayleigh-Taylor and Kelvin-Helmholtz instabilities acting on the surface of the jet is estimated applying linear stability theory. The size distribution and velocity of the droplets formed by secondary breakup is based on experimental correlations. A Lagrangian approach is applied to the simulation of the deposition of the spray cloud, during which dynamical drag laws account for droplet shape deformation. The process ends with the canopy retention of the spray cloud. Main outputs are the spatial ground distribution of concentrations, and the line length and area per coverage level. The validation process includes the statistical analysis of modelling results by the comparison of the computed vertical wind profile with values measured in pine and eucalypt forests and the comparison of ADM outputs against a set of real scale drop tests conducted using a conventional delivery system (at Marseille, France) and a constant flow delivery system (at Marana, Arizona, US). From the investigation of model performance, good accuracy was obtained for the wide range of input conditions tested. Ground pattern shape shows the features observed in measured data. The average normalised mean squared error for the estimation of line lengths is 0.01, and 0.03 for the prediction of areas occupied per coverage level. All the statistical metrics are clearly within the limits imposed by the model acceptance criteria. Due to its operational characteristics this tool can potentially be used in training activities with firefighters; or in testing the effectiveness of new firefighting chemicals or delivery systems, complementing the data obtained from real scale drop tests.