A multiscale approach to the simulation of wildfires

The aim of this research is the development of a fundamentally based approach towards the formulation of fire spread correlations analogous to the Rothermel Surface Fire Spread Model (RSFSM). These models are powerful tools to estimate the rate of spread of wildland fires, an essential information to predict fire behavior in relation to the fuel bed parameters and environmental conditions. Due to the amount of information required to formulate and apply the empirically based RSFS model, a detailed characterization of the fuel prior to the experimental campaign is needed. The determination of the model coefficients and its validation then, requires logistically complex measurements involving sizable portion of a land with the correct characteristics (vegetation and slope) and burn it under the correct weather conditions. This procedure is practically challenging and can be quite costly, hence the scope of this research is aimed at using kinetic, particle and CFD simulations to generate artificial experimental data. The software used for the simulations are BioSmoke++ by POLIMI’s CRECK modeling group, Fire Dynamic Simulator (FDS) and Smokeview (SMV), developed as free and open-source tools by the National Institute of Standards and Technology (NIST) of the United States Department of Commerce. By creating a simple input file that takes into account all the fuel bed parameter from small scale measurements, FDS should provide an output from which the rate of spread of the flame front can be extracted, removing, or at least reducing, the needs of the field experiments. The model was designed using a multiscale approach, starting from the small scale with the kinetic and particle model, proceeding to the large scale with the fuel bed and final rate of spread model.

Lo scopo di questa ricerca è lo sviluppo di un approccio per la formulazione di correlazioni per l'avanzamento di incendi, analoghe al Modello Rothermel per la propagazione di incendi(RSFSM). Questi modelli fungono da potenti strumenti per la stima della velocità di propagazione degli incendi in ambiente rurale, un informazione essenziale per poter predire il comportamento dell'incendio in relazione ai parametri del letto erbaceo e delle condizioni ambientali. A causa della quantità di informazioni richiesta per poter formulare ed applicare un modello RSFS di base empirica, è necessaria una precisa caratterizzazione del letto combustibile prima di poter procedere con la sperimentazione. Di conseguenza, determinare i coefficienti del modello e la sua validazione richiede operazioni complesse che coinvolgono estesi terreni con le corrette caratteristiche (vegetazione e inclinazione), che poi verranno bruciati con le corrette condizioni ambientali. Queste procedure sono praticamente complesse e possono essere notevolmente costose, da qui l'obiettivo di questa ricerca concentra nell' utilizzo di modelli cinetici e di particella in simulazioni CFD per generare dati sperimentali artificiali. I software utilizzati per le simulazioni sono BioSmoke++ sviluppato dal POLIMI 's CRECK modeling group, Fire Dynamic Simulator (FDS) e Smokeview (SMV), sviluppati come strumenti gratuiti ed open-source dal National Institute of Standards and Technology (NIST) del Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti. Creando un semplice file di input che prende in considerazione tutti i parametri del letto combustibile presi da misure sulla piccola scala, FDS dovrebbe produrre un output dal quale può essere estratta la velocità di propagazione del fronte di fiamma, riducendo la necessità di esperimenti su letti erbacei reali. Il modello è stato costruito con un approccio multiscala, partendo dalla piccola scala con il modello cinetico e di particella, procedendo su larga scala con il modello per il letto combustibile e il modello finale per la velocità di avanzamento del fronte di fiamma.