火焰合并：调查野外火灾的蔓延

当火焰共同合并时，荒地火灾传播：个人叶子点燃，火焰合并，火蔓延。同样，当相邻的灌木丛着火时，火焰合并在一起形成能够更快地传播的更大，更强烈的火灾。Brigham H. Brigham H. Fletcher教授进行了实验室实验和融合在一起的火焰的计算模拟，以便在这个过程中阐明并铺平了更有效和野火的计算建模。

2018年加州野火季登上了国际头条，数十人丧生，价值数十亿美元的财产被毁。根据美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的数据，追溯到1933年的记录显示，2018年，加州经历了迄今为止最昂贵、最致命和最大的几次野火。根据美国保险信息研究所的数据，2018年全美共有880万英亩的土地被烧毁，2017年的数据显示，美国有450万户家庭面临火灾的高风险或极端风险。

了解火灾如何蔓延对于改进预测系统和减轻损失至关重要。犹他州杨百翰大学(Brigham Young University)的托马斯·h·弗莱彻(Thomas H. Fletcher)教授是火焰融合研究的前沿人物，他通过研究相邻树叶或灌木丛中的火焰如何结合在一起形成更大的火焰，为拼图拼图提供了关键的一块。

火焰在野火中融合
当火焰融合在一起时，野火蔓延，火焰在灌木丛中蔓延，从一个灌木丛蔓延到另一个灌木丛。弗莱彻教授通过实验室实验和计算模拟对火焰合并进行了研究。对这一过程的更好理解有助于开发更有效、更准确的野火预测模型。

一个双管齐下的方法
之前基于实验室的工作集中于二维平面上火焰的水平融合。弗莱彻教授和他的团队以此为基础，在三维空间中研究火焰融合。通过对火焰合并的三维仔细研究，操作模型得到了极大的加强。该团队的研究着眼于不同几何形状的火焰融合，以模拟灌木丛或树木中火焰融合的复杂过程。

使用在正庚烷中浸泡的两片陶瓷毛毡进行实验，旨在再现固体燃料源的行为，例如树木和灌木（图1）。焊盘平方1.5×1.5英寸，厚度为1/8英寸。陶瓷毡的结构在燃烧过程中不会改变，因此不会影响火焰高度和形状。N-庚烷浸泡的毛毡不会在燃烧时改变形状，消除了以前研究中看到的问题。因此，在该实验期间观察到的燃烧与叶子和灌木之间的相互作用中观察到的燃烧非常相似。为了进行实验，研究人员将毛毡垫放置在薄的陶瓷棒上，导热率非常低，以最小化热量损失，然后在焊盘之间变化。在火焰旁边放置一个尺子杆以测量火焰高度。研究人员对实验进行了视频，并且从视频的计算分析计算了火焰高度和宽度。

调查将叶片或叶子的火焰的过程加入到形成较大的火焰中是拼图的关键曲线。

Fletcher教授和他的团队进行了几个实验，将两枚火焰与不同的初始分离距离合并。研究人员在实验开始时彼此之间彼此之间的水平距离放置垫，以间隔0.5英寸改变间隔的距离。焊盘之间的垂直距离以0.5英寸的增量变化，高达18英寸。研究人员测量了垂直和水平分离距离的每个组合的合并火焰高度，宽度和面积。

结果表明，火焰的垂直距离和水平距离都影响着合并火焰的大小，而不仅仅是初始火焰和水平火焰之间的整体距离。这是一个重要的发现，因为之前的工作只关注火焰之间的水平距离。

使用称为Fire Dynamics Simulator的计算流体动力学模型对团队的调查结果与类似几何的模拟进行了比较。流体动力学模型求解管液行为的方程，以模拟火灾中的温度和速度。

初步对比表明，模拟结果与实验结果基本一致，但实验火焰高度大于模拟火焰高度。不同分离距离下，实验火焰高度与模拟火焰高度的差异趋势相似。有可能模拟火焰高度没有被正确捕获，因为只对一个“切片”进行了分析，这可能与最大火焰高度不一致。

这对野火预测和响应意味着什么?
观察和建模结果的比较很重要，因为已经验证了模型准确地再现实验结果，研究人员可以扩展计算机模型，包括在现实世界中存在的额外火焰或其他重要变量，例如风。求解流体动力学方程是计算密集的，但能够开发更简单和更快的所谓的“经验”模型，该模型描述了基于实验和模拟结果的火焰合并过程。这有助于开发更准确和高效的火焰传播模型，有助于改善对野火的反应。

这有助于开发更准确和高效的火焰传播模型，有助于改善对野火的反应。

控制燃烧以防止野火
规定(或控制)燃烧是移除小型植物的一种方法，以帮助降低野火的蔓延速度。当植物材料被野火焚烧时，会经历两个过程:热解和燃烧。在进一步的工作中，Fletcher教授和他的同事研究了热解，这是第一个热化学反应(在水蒸发后)，涉及燃烧包括植物在内的许多物质的过程。它与燃烧的不同之处在于它不涉及氧气。

热解产物(液体焦油、固体焦和非冷凝/永久气体)在有火源存在的高温下，在可燃性限制内与氧气混合，形成火焰。研究人员研究了14种美国本土植物的活组织和死组织的热解产物。对快速热解(发生在火焰中)和缓慢热解(与阴燃相关)重复了这项工作。活菌与死菌的热解差异不大。但是，快速热解比缓慢热解的焦油产率高。

这些结果以及对不同物种的生活和死亡植物的热解产品差异的额外详细分析，增加了我们对过程的理解，可用于制定更准确的模型，以帮助预测最佳条件开展规定的燃烧，并限制火灾失控。

展望未来
气候变化预计将增加野火季节的长度，并由于较温暖的干燥条件，植被干燥的情况下，增加了美国西部最大火灾的发生，导致火灾更加轻松。2018年11月11月在加利福尼亚州的火灾与炎热的夏天有关，潮湿季节迟到。1984年至2011年间美国大火的数量增加，诺纳说的趋势可以部分地归因于气候变化。弗莱彻（Fletcher教授和他的团队正在制作重要信息，因为风险增加，将有助于减轻野火的影响。更准确和高效的建模将是抗击野火的关键部分，使财产和生命受到保护。