[论文解读] Modelling turbulence effects in wildland fire propagation by the randomized level-set method

Gianni Pagnini, Massidda, Luca|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2014

Fire effects on ecosystems参考文献 31被引用 11

一句话总结

本文提出一种随机化水平集方法，通过将湍流热空气粒子位移的概率密度函数（PDF）引入水平集轮廓演化，以模拟湍流驱动的野地野火蔓延。该方法能够模拟由于热空气扩散导致的预热及防火带跨越现象，从而在湍流条件下更真实地捕捉野火动力学，优于经典水平集方法。

ABSTRACT

Turbulence is of paramount importance in wildland fire propagation since it randomly transports the hot air mass that can pre-heat and then ignite the area ahead the fire. This contributes to give a random character to the firefront position together with other phenomena as for example fire spotting, vegetation distribution (patchiness), gaseous combustion fluctuation, small-scale terrain elevation changes. Here only turbulence is considered. The level-set method is used to numerically describe the evolution of the fireline contour that is assumed to have a random motion because of turbulence. The progression of the combustion process is then described by a level-set contour distributed according to a weight function given by the probability density function of the air particles in turbulent motion. From the comparison between the ordinary and the randomized level-set methods, it emerges that the proposed modelling approach turns out to be suitable to simulate a moving firefront fed by the ground fuel and driven, beside the meteorological and orographical factors, also by the turbulent diffusion of the hot air. This approach allows the simulation of the fire overcoming of a firebreak zone. The discussed results are explorative and need to be subjected to a future validation.

研究动机与目标

• 解决经典水平集方法在模拟湍流驱动野地野火蔓延时的局限性。
• 模拟由热空气团湍流输运引起的火线随机运动。
• 实现通过热空气扩散跨越防火带的模拟，该现象在标准模型中无法捕捉。
• 通过引入湍流气流引起的随机预热效应，提升野火蔓延预测能力。
• 为湍流条件下火线演化的物理基础坚实、统计一致的框架提供支持。

提出的方法

• 通过基于湍流粒子位移PDF的随机轮廓位置，而非确定性运动，对水平集方法进行改进。
• 使用正态分布PDF作为水平集演化的核函数，其来源于湍流扩散的抛物线模型（式17）。
• 将火线建模为随机轮廓的加权分布，权重由热空气粒子位置的PDF给出。
• 保留平均水平集轮廓作为确定性基准，同时允许随机波动以表示湍流效应。
• 在结构化笛卡尔网格上实现该方法，以自然方式处理拓扑变化（如合并或岛屿形成）。
• 将随机化水平集方法的结果与普通水平集方法进行对比，以评估其在真实感与预测能力方面的改进。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能在水平集框架内有效建模由湍流引起的热空气随机输运，以改善野火蔓延模拟？
• RQ2 与确定性模型相比，通过湍流扩散引入的随机预热如何影响野火蔓延的速度与模式？
• RQ3 所提方法能否模拟热空气扩散跨越防火带的现象？该现象在经典水平集模型中缺失。
• RQ4 湍流强度对火线前方预燃发生的时间与范围有何定量影响？
• RQ5 在烧灼面积增长与火线传播速度方面，随机化水平集方法相较于普通水平集方法表现如何？

主要发现

• 由于湍流热空气引起的随机预热，随机化水平集方法相比普通水平集方法实现了更快的野火蔓延。
• 当不考虑预热时，随机化方法的传播速度慢于经典方法，与该过程的扩散特性一致。
• 该模型成功模拟了防火带跨越现象：热空气粒子可扩散穿越无燃料区域并在其后方引发新火，此特征在标准水平集模型中缺失。
• 该方法捕捉到了由湍流引起的火线运动随机性，火线轮廓作为粒子位移PDF加权分布而演化。
• 在水平集演化中使用正态分布PDF作为核函数，其物理合理性由湍流扩散的抛物线模型（式16–17）支持。
• 结果具有探索性，未来仍需验证，但该方法在湍流大气条件下具有显著的业务化野火建模潜力。