Simulação numérica de incêndios de superfície na Região Amazônica com modelo de turbulência de grandes estruturas. - Mendes, Paulo Roberto Bufacchi (2013)
O incêndio florestal é uma complexa combinação da energia liberada na forma de calor devido à combustão dos produtos oriundos da pirólise da vegetação e o transporte dessa energia para o ar e para a vegetação à sua volta. O primeiro é o domínio da química e ocorre na escala de moléculas e o segundo é o domínio da física e ocorre em escalas de até quilômetros. É a interação desses processos sobre uma ampla gama de escalas temporais e espaciais envolvidas no incêndio florestal que faz a modelagem do seu comportamento uma tarefa tão difícil. A propagação do incêndio através de vegetação rasteira e folhas mortas foi simulada numericamente usando a formulação física do WFDS. A abordagem utilizada foi tridimensional e transiente, e baseada em uma descrição dos fenômenos físicos que contribuem para a propagação de um incêndio de superfície através de uma camada de combustível. Neste cenário de incêndio, existem duas regiões: vegetação e ar, cada uma com suas propriedades físicas e químicas e, embora elas precisem ser integradas no mecanismo de solução, há diferentes fenômenos que ocorrem em cada uma. Na região de vegetação, a abordagem é representá-la como partículas submalha cercadas de ar. O caráter heterogêneo da vegetação, como sua natureza, folhagens, pequenos galhos, etc. foi levado em conta usando propriedades físicas médias características da floresta amazônica. Os fenômenos na região de vegetação são a evaporação da sua umidade, a pirólise e a transferência de calor por radiação e por convecção. Na região do ar, a combustão com chama ocorre em um ambiente turbulento, onde as transferências de calor por radiação e por convecção desempenham um papel significativo. Para incorporar a radiação dos gases de combustão, o modelo físico emprega o método de volumes finitos, que resolve a equação de transferência de calor por radiação como uma equação de transporte para um número finito de discretos ângulos sólidos, e que pode ser usado em uma ampla faixa de espessuras óticas e meios participantes. A combustão turbulenta para a fase gasosa é modelada com base no modelo Eddy Dissipation Concept (EDC). O modelo de combustão turbulenta adota a hipótese de reação química infinitamente rápida entre o combustível e o ar e é controlado apenas pela velocidade de mistura desses reagentes. Esse modelo representa bem a física de incêndios em ambientes ventilados, como é o caso dos incêndios florestais. Para incluir os efeitos do transporte turbulento é utilizado o método Large Eddy Simulation (LES), que calcula explicitamente as grandes estruturas turbulentas, mas trata a dissipação e a cascata inercial em escalas menores usando aproximações na escala submalha. As regiões de vegetação e ar trocam massa e energia. O comportamento da mistura gasosa resultante da degradação térmica da vegetação e das reações de combustão é regido pelas equações de Navier-Stokes. As equações que regem os modelos físicos são formuladas como equações diferenciais parciais que são resolvidas por métodos numéricos. O método utilizado para discretização das equações é o método de diferenças finitas em malha deslocada. O modelo numérico utilizado resolve as equações de Navier-Stokes para fluidos compressíveis usando o filtro de Favre. A dissipação de energia cinética é obtida através de um fechamento simples para a tensão turbulenta: o modelo de coeficiente constante de Deardorff. O transporte turbulento de energia e massa é contabilizado pelo uso, respectivamente, de números de Prandtl e de Schmidt turbulentos constantes. Os resultados das simulações do modelo físico descrito foram comparados aos dados experimentais obtidos em campo para a propagação do incêndio na floresta amazônica. Apesar da idealização das condições de combustível, vento e as incertezas dos dados experimentais, as previsões do modelo estão na mesma ordem de grandeza dos experimentos. As taxas de propagação do incêndio experimentais variam de 0,12 +/-0,06 a 0,35+/-0,07 m/min. Mesmo considerando-se o desvio padrão da taxa de propagação do incêndio experimental, os valores das taxas simuladas ficaram dentro do erro experimental somente em dois de sete casos. As simulações mostraram que os parâmetros importantes para o modelo são a área superficial por volume da vegetação, sua massa específica aparente e sua umidade. Como o coeficiente de absorção por radiação é função direta da massa específica aparente e da área superficial por volume da vegetação, esses parâmetros afetam o comportamento numérico do incêndio de superfície. De acordo com os resultados das simulações numéricas, a umidade da vegetação também tem importância no incêndio de superfície. A temperatura inicial da vegetação e a umidade do ar na faixa de variação analisada não influenciam a taxa de propagação do incêndio. As simulações também mostraram que o processo de radiação é muito importante, e afeta diretamente todos os demais processos e a taxa de propagação do incêndio. A convecção tem importância muito menor que a radiação na condição de ausência de vento externo. A coerência das taxas de propagação do incêndio experimental e numérica em função da massa específica aparente de material combustível e da umidade da vegetação foi investigada. O modelo numérico é coerente em todas as nove combinações de casos. Já o experimento é coerente em quatro combinações. Com base nas comparações entre cada dois casos experimentais e as respectivas simulações numéricas, nota-se que as taxas de propagação a partir das simulações numéricas foram mais coerentes que as experimentais.