对野火蔓延的更好预测可能位于树梢上方

2018年，当帕洛阿尔托上空因营火产生的烟雾而变暗时，斯坦福大学研究员HayoonChung正在校园的流体力学实验室里研究洋流如何在海草丛中流动。她想知道附近野火的快速且看似随机的蔓延中是否可能存在与她在实验室实验中观察到的类似的模式。

钟敲开了她的导师、土木与环境工程教授杰弗里·科塞夫的门。他们共同制定了一项计划，将项目的重点从洋流转移到研究野火羽流如何在森林树冠上变形和流动。在那之前，野火模型从未捕捉到树顶高度和间距如何影响风流。

“我想证明我感兴趣的物理学与野火有关。我想帮助那些试图模拟野火蔓延的人们了解应该纳入哪些物理学，”土木博士后学者钟说。和环境工程，是斯坦福杜尔可持续发展和斯坦福工程学院的一个系。

在实验室中，科塞夫和钟发现，确实，森林树冠的长度和整体尺寸强烈影响火羽的行为——从火焰中冲出的热湍流空气，可以将余烬喷射到空中。他们的研究于6月23日发表在《物理评论流体》杂志上，表明森林树冠会产生自己的风流和湍流，并且野火行为可能会根据树冠的尺寸而变化。

学者们现在正在这项研究的基础上，为减轻由飞扬余烬引发的“点火”提供信息，这是一种越来越常见的野火蔓延途径，是造成野火期间许多甚至大部分火灾最终摧毁房屋的原因。

飞行余烬的物理原理

由于由火羽飘逸并随风携带的余烬可能会降落在距离主火线数英里之外的地方，因此传统的火灾管理策略(例如切断防火带和间伐)对局部火灾不起作用，而且影响余烬飞向何处的因素也并不适用。完全了解。

为了帮助解决这个问题，Koseff和Chung与土木与环境工程教授NicholasOullette和博士合作。学生埃里卡·麦克唐纳和劳拉·桑伯格。他们于2022年获得了斯坦福以人为中心的人工智能研究所(HAI)的种子基金，用于研究森林结构、风速和火焰强度等物理特征如何影响火炬轨迹，并着手提供未来的人工智能驱动模型现场火灾蔓延的信息以及有关潜在物理动力学的信息。

科塞夫说：“通过越来越多地了解这些飞行余烬背后的物理原理，我们可以消除预测中的一些不确定性。”“这并不是说我们会有完美的预测。但是通过进行我们正在做的各种实验，您可以开始更好地了解可能发生的情况。”

该团队的火灾模拟发生在一个不太可能的空间：一个30英尺长、4英尺宽、3英尺深的水槽。尽管水槽更常用于模拟流体在水生环境中翻滚的物理现象，但它也使斯坦福大学团队能够可视化从火焰中向上涌出的流体状热空气流，并与大气中较冷的气流相互作用。

为了模拟森林树冠，科学家们以可重复的模式排列了简单的木销钉。他们让水流过销钉，以模拟空气流过顶篷。接下来，他们在销钉顶部打开一股非常热的水，观察这种“羽流”如何与树冠上的水流相互作用，并对销钉之间更大或更小的间隙做出反应。

作为最后的润色，研究微塑料如何在海洋中分散的森伯格添加了微小的塑料球和棒，其行为就像水槽中的余烬。她观察热水喷射如何将塑料碎片从销钉上抬起并推开，以及它们落在水箱中的位置。“我们试图梳理存在的不同物理现象，并询问，‘如果森林树冠在上游真的很长，这重要吗?’我们发现确实如此。‘如果有热羽流，这重要吗?’是的，确实如此，”孙伯格说。

研究人员将实验重点放在树冠结构上，因为与风和地形不同，野火管理者可以通过燃料管理实践对其进行一定程度的控制，例如规定的燃烧或简单地砍伐树木。

消防员在扑灭野火时，经常会砍倒一片树林，以便尽可能快速、安全地进入森林。但这些削减可能会无意中影响风流和湍流，从而加剧现场火灾的挑战。

“我们生成的数据对于野火管理者可能想要开发的任何类型的预测方案都至关重要，”科塞夫说，他也是斯​​坦福伍兹环境研究所的高级研究员。“我们的数据包含了我们认为元素相互作用的重要物理原理：流过树冠，存在着火产生的热羽流，然后是树冠间隙。”

最终，斯坦福大学团队希望与加州消防局、美国林务局和其他野火管理机构的更多建模者建立联系。“有了他们的意见，我们可以进行更多的实验来反映他们在现场的需求，以防止这些现场火灾和燃烧的余烬造成真正的破坏。”

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