sábado, 9 de junio de 2018

Cuando la esencia de la llama explica el fuego forestal

En el año 2015 apareció la que probablemente sea la teoría más elegante descrita hasta la fecha para explicar el comportamiento del fuego: la teoría de pulsos. Esta investigación publicada en Proceedings of the National Acadamic of Sciences (PNAS) fue coordinada por el prestigioso Fire Science Laboratory "FireLab" de Missoula (US Forest Service). Su primer autor, Mark Finney, es el responsable del desarrollo de gran cantidad de modelos y herramientas como el conocido simulador FARSITE. Mientras la discusión entre modelos físicos, empíricos y semiempíricos para predecir el comportamiento del fuego sigue abierta, este equipo multidisciplinar de ingenieros mecánicos y forestales y físicos ha dado una explicación del comportamiento del fuego volviendo a la esencia, volviéndolo a mirar con otros ojos...o más bien, mirando minuciosamente qué hace el fuego y buscando una explicación a si lo que hace es en realidad su verdadera naturaleza y razón por la que se mueve en nuestros bosques.

Finney et al. (2015)

¿Cuántas veces nos hemos quedado embelesados mirando el fuego? Una vez que hemos encendido una chimenea tenemos una irresistible atracción por mirar las formas fantasmagóricas que generan un efecto hipnótico ¿por qué creéis que ocurre? Porque realmente tienen esa capacidad. Efectivamente, un fuego "en marcha" con suficiente combustible genera unos ciclos de mayor y menor intensidad, unos irresistibles pulsos constantes que te hipnotizan cual sesión de psiquiatra. Los que trabajáis en fuegos forestales este efecto se traduce en el campo en frentes de llama en forma de "dientes de sierra", coincidiendo los pulsos de mayor intensidad con los "picos"y las de menor intensidad con los "valles". Ya se habían descrito en experimentos de laboratorio y son debidos a los flujos de gases calientes detrás de la llama que genera concavidades, auténticas tuberías de gas que canalizan como un tubo dichos gases calientes hacia la llama generando fuertes turbulencias (ver figura de portada). Este fenómeno es conocido como vorticidad de Taylor-Görtler.

Ejemplos de "picos" y "valles" formados por los frentes de llama en fuegos reales y simulaciones con modelos físicos. Finney et al. (2015)

Vais a flipar con estos vídeos de los experimentos que Finney et al. ponen a disposición del lector para entender la geometría y la estructura de un frente de llama y mostrar los comentados "dientes de sierra" con sus picos y valles:

Vídeo 1: http://movie-usa.glencoesoftware.com/video/10.1073/pnas.1504498112/video-1
Vídeo 2: http://movie-usa.glencoesoftware.com/video/10.1073/pnas.1504498112/video-2
Vídeo 3: http://movie-usa.glencoesoftware.com/video/10.1073/pnas.1504498112/video-3

Estas "formas" que hace el fuego no pueden ser descritos por los modelos de comportamiento del fuego empíricos. Ni siquiera con los modelos semiempíricos como el clásico modelo de Rothermel (1972) basado en los procesos de intercambio de energía en el que la radiación de la llama sobre los combustibles es el fundamento mediante el cual se explica la ignición y la generación de la conocida reacción en cadena que hace avanzar el incendio. Esto es así porque la estructura de los combustibles que presentan gran porosidad y una altísima relación superficie/volumen debido al pequeño tamaño de las partículas de biomasa (acículas, ramillas, hojas, etc) paradojicamente impide que se calienten por efecto de la radiación a no ser que la llama se encuentre a pocos centímetros de los combustibles. Efectivamente si colocamos termopares o si observamos con cámara térmica un combustible expuesto a una llama por fuerte que sea, en su entorno no se observa un aumento de temperatura hasta que la llama está muy cerca. Este efecto lo hemos observado en muchas ocasiones en nuestros ensayos del túnel de viento del INIA y por ejemplo lo cuantificaron nuestros compañeros de Lourizán en una serie de experimentos en el proyecto INFOCOPAS:

Experimento de subida de fuego a copa en imagen térmica y visible. Se puede comprobar en la imagen (b) donde el frente de llama está muy próximo al arbolado que la imagen térmica no ofrece respuesta de aumento significativo de temperatura. Fuente Rodríguez Silva et al. (2017)

Esta evidencia aparente absurda sólo se explica si tenemos en cuenta que es la convección de la llama y no la radiación la que realmente causa la ignición de los combustibles forestales. La propia llama y el aire caliente que genera tiene un poder mucho más "envolvente" para calentar y hacer arder los combustibles forestales que la radiación, al contrario de lo que suele ocurrir en los materiales de construcción, que en general se calientan y terminan ardiendo por efecto de la radiación producida por la llama y la conducción entre superficies que se encuentran a altas temperaturas. De igual forma los bomberos forestales reciben con mucha más eficacia la radiación de la llama y es la que en general les impide acercarse al frente de llama. Pero los combustibles forestales son otra cosa. Este cambio de paradigma hace que haya que replanteárselo casi todo y eso es lo que hicieron el equipo de FireLab ¿Por qué se producen los picos y valles? ¿Cómo la llama y su convección asociada son capaces de producir la ignición del combustible por delante del frente de llama? ¿Es ese proceso el que realmente explica el movimiento del fuego forestal?

Para demostrar este efecto en fuegos forestales los investigadores del FireLab diseñaron una serie de experimentos en túnel de viento usando pequeños trozos de cartulina alineados simulando un combustible forestal muy homogéneo y monitorizados con sensores para describir al detalle la geometría de la llama y los gases de convección con vídeos de alta resolución temporal y termopares. Esto les permitió comprobar que la intermitencia de las llamas tenían una frecuencia aproximadamente constante para cada experimento (mismo viento y longitud de llama). Mediante un procedimiento denominado "análisis dimensional" que permite extender los resultados de laboratorio a escala real, definieron dos números adimensionales, número Strouhal y número de Froude, que no os serán ajenos a los "frikis" de la mecánica de fluidos y la hidrología. Los autores definieron estos números usando como variables la frecuencia observada de los "pulsos" de fuego, la longitud de llama y la velocidad del viento. La correlación entre los números de Strouhal y Froude así definidos resultó tener un ajuste con alta significación (89%) y con una relación exponencial muy similar a la obtenida en otros experimentos clásicos de mecánica de fluidos llevados a cabo con combustibles líquidos como los que se realizan en tanques y piscinas para simular la combustión de hidrocarburos ¿Qué implican estos resultados?: 1) Que los pulsos intermitentes y aparentemente irregulares del frente de llama se pueden modelizar 2) Que según las definición de los números adimensionales se puede asegurar que la frecuencia aumenta con la velocidad del viento y disminuye con la longitud de llama 3) Que esta metodología permite contrastar los resultados con datos de campo y los autores constatan que, a pesar de las limitaciones de la obtención de datos en fuegos reales, esta relación se cumple en fuegos de pastos e incluso podría cumplirse en fuegos de copa


Detalle de la intermitencia de llama que forma los "picos y valles" y los "pulsos" del frente de llama. Cuando la llama adquiere intermitentemente forma de valle es "aplastada" sobre el combustible por delante del frente de fuego como consecuencia de la vorticidad de gases formada detrás de la llama. Esto es lo que produce la ignición del combustible y el avance del fuego en forma de "pulsos" (Finney et al. 2015)

Ya estamos llegando al final del razonamiento ¿en qué se traducen estos descubrimientos sobre la geometría de la llama y el calentamiento de las partículas de combustible? Si unimos la presencia de la vorticidad de Taylor-Görtler, la intermitencia de la llama y la evidencia contrastada que la radiación por sí misma no es capaz de producir la ignición inmediata del combustible, el resultado es que ES LA LLAMA en sí misma empujada por el aire caliente de los vórtices intermitentes la que produce la ignición del combustible y por tanto el avance del fuego. Por tanto cuando la llama adquiere intermitentemente forma de valle ésta es "aplastada" sobre el combustible por delante del frente de fuego como consecuencia de la vorticidad de gases formada por detrás del frente, produciendo la ignición del combustible y el avance del fuego en forma de "pulsos". Esta explicación aparentemente sencilla e intuitiva cumple a la perfección el principio de parsimonia en ciencia, también conocido como "La navaja de Ockham", esto es, que entre diferentes explicaciones posibles la más sencilla suele ser la más probable. Queda mucho por aclarar sobre esta teoría y la discusión sigue abierta sobre si son los intercambios de energía o si es realmente la geometría de la llama lo que condiciona su avance, o quizás una combinación de ambas. Lo cierto es que la teoría de pulsos aquí descrita abre un nuevo campo de investigación que permitiría la predicción del comportamiento del fuego basado en simulación numérica que presenta tiempos de computación mucho menores que la simulación de procesos de los actuales modelos físicos y por tanto haría más operativa la simulación en tres dimensiones, paso necesario para mejorar muchas de las incertidumbres existentes en fenómenos de comportamiento del fuego no estacionario como los fuegos eruptivosfuegos de copa, o el impacto de frentes de fuego sobre edificaciones en la interfaz urbano-forestal. En los próximos años veremos hacia dónde se dirigen estos pasos y las teorías están para eso, para contrastarlas o desmentirlas. La teoría de pulsos no tiene por qué ser la definitiva pero el hecho de que sea una "nueva" teoría hace que debamos creer más que nunca en el poder de la ciencia y el conocimiento. 

Referencia 

Mark A. Finney, et al.  Role of buoyant flame dynamics in wildfire spread. PNAS 112 

4 comentarios:

  1. Javier, muito bom!
    Os modelos existentes de facto não têm em conta estas estruturas do escoamento. Há muito tempo que não vinha aqui ao teu blogue, tenho que vir com mais frequência.
    Este ano (desde Setembro de 17) andei a frequentar um Mestrado em Comunicação de Ciência. Cosas que ocurren a los jubilados!
    No âmbito desse mestrado, comecei um blogue
    https://comcienciajv.wordpress.com
    Aguardo a tua visita.
    Abrazos para ti y también para las compañeras!
    João

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    1. Gracias João por tu apoyo, muchas ganas de vernos un día y compartir un rato juntos. Un abrazo de todo el equipo.

      P.D. Visitaré también con más frecuencia tu blog, prometido

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  2. Que interesante!!! Algo había leído hace tiempo sobre la irrelevancia de la radiación en la propagación de IIFF. Ahora, ya lo tengo más claro.
    Aprovecho la oportunidad para comentarle a mi tocayo que fue una pena que al final no me decidiera a asistir al curso sobre "Quemas Prescritas" que se realizó en Cantabria, auspiciado por la incansable y necesaria Virginia Carracedo. Acababa de terminar un año agotador y necesitaba algo de ambiente "Malibú". Ya daba por hecho que me iba a perder un curso estupendo porque Virginia me tenía al tanto de su programación paso a paso. Lo que más siento, es no haber aprovechado la oportunidad para conocerte en persona...Todo se andará...Gracias por todo!!!

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    1. Gracias por tus amables palabras. Ya habrá oportunidad de conocernos en algún "sarao". Próximos eventos en Valencia y Madrid. Atentos al TL de tuiter. Saludos

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