Modelação da nuvem de retardante químico: optimização no combate aos fogos florestais

Doutoramento em Ciências Aplicadas ao AmbienteO número de fogos e a área ardida em Portugal têm aumentado nos últimos anos. As causas para este facto são diversas. Importa, pois, conhecê-las para as poder eliminar. Esta filosofia preventiva encontra-se hierarquicamente acima de uma atitude remediativa como o combate aos incêndios florestais. Contudo, não existindo uma eficiência plena na prevenção, deve o Estado munir-se das ferramentas necessárias para um combate eficaz deste problema que surge todos os verões. Os meios aéreos são um exemplo por excelência de eficácia, uma vez que possibilitam a descarga de milhares de litros de água ou retardantes químicos sobre, ou a jusante, da frente de fogo. A sua velocidade, aliada à possibilidade em aceder mesmo a sítios remotos para meios terrestres, torna-os ainda mais valiosos nos meses quentes. Porém, a sua eficácia encontra-se associada à construção de uma linha contínua de retardante, com a largura e concentração adequada. Caso tal não se verifique, estar-se-á a desperdiçar em parte, esta ferramenta. Ainda hoje não se conhece toda a física da nuvem, especialmente a atomização/deformação e dispersão da mesma na atmosfera, pelo que a forma de aplicar o retardante não está optimizada. Exceptuando o sistema MAFFS, a aplicação de retardantes químicos ou água faz-se pela abertura do aerotanque, ficando o líquido sujeito à acção da gravidade. Ao sair do tanque, as forças aerodinâmicas atomizam o fluido, formando gotas milimétricas ou menores. Estas gotas, por sua vez, vão cair até atingirem o solo ou a vegetação. Durante este percurso, a nuvem de gotas é dispersada, sofre ainda evaporação e, em menor extensão, troca de calor com o ar atmosférico. Importa referir que são diversas as variáveis operacionais que condicionam a mancha de retardante no solo. Dentro destas, as mais influentes são (1) a velocidade de voo (2) altura de voo, (3) caudal de saída de retardante, (4) direcção de voo e (5) propriedades físicas do retardante, nomeadamente viscosidade e elasticidade. Estas variáveis devem ser ajustadas de forma a optimizar a descarga de retardante numa situação concreta, interessando analisar a mancha necessária para parar ou diminuir a frente de fogo e variáveis ambientais como o vento, temperatura e humidade atmosférica. De forma a integrar o efeito de todas as variáveis, foram realizadas simulações que utilizam estes parâmetros operacionais como inputs. Foram usados dois modelos distintos - RAM e FLUENT - com propósitos e alcances diferentes. O trabalho desenvolvido permitiu concluir acerca da aplicabilidade de códigos CFDs para modelar a nuvem de retardante. Estas simulações descrevem várias propriedades associadas à nuvem, nomeadamente (i) campo de velocidades, (ii) turbulência, (iii) humidade, (iv) temperatura, (v) densidade, (vi) trajectória das gotas de retardante e (vii) pressão. As simulações comprovam que os aerotanques mais modernos, que controlam e debitam um caudal constante, são mais eficientes, por produzirem uma mancha igualmente mais uniforme segundo a sua longitudinal. O MAFFS é um sistema especial que possui esta mesma vantagem, existindo ainda outros exemplos comerciais com libertação gravítica do fluido. Os sistemas mais recentes são, contudo, mais caros e de utilização limitada na Europa. As simulações efectuadas permitem inferir acerca do efeito das principais variáveis operacionais: • No que se refere à altura de voo, verifica-se uma correlação directa com o aumento da dispersão transversal e uma consequente diminuição das concentrações de retardante. Para largadas a alturas inferiores a 30 metros, existem riscos acrescidos de o fluído atingir o solo antes de ser completamente atomizado, pondo em perigo vidas e bens em terra. Este valor mínimo de segurança deve ser ajustado tendo em conta o caudal, a viscosidade e a elasticidade do retardante, bem como o aerotanque em causa; • A trajectória de voo é definida pela posição e orientação da mancha de retardante necessárias a jusante da frente de fogo. Contudo, o ângulo entre a trajectória do avião e a direcção do vento atmosférico condiciona a dispersão da nuvem, especialmente das gotas mais finas; • A variável mais influente na mancha de retardante é dada pelo cociente entre o caudal de retardante à saída do aerotanque e a velocidade do avião, ou seja, a quantidade de líquido debitado por unidade de tempo e de espaço linear percorrido pelo avião; • As propriedades físicas do fluido influenciam directamente o comportamento da nuvem. A atomização do líquido é inversamente proporcional à visco-elasticidade do retardante, o que afecta a distribuição granulométrica das gotas. A fase final do revestimento do combustível é dependente da visco-elasticidade e também da tensão superficial do retardante; • Diversos outros parâmetros operacionais influenciam o comportamento da nuvem e, portanto, a mancha de retardante, como as condições atmosféricas (vento, humidade e temperatura) e a proximidade à frente de fogo; A título conclusivo, sugerem-se aerotanques que debitem um caudal constante, apontam-se os cuidados a ter com a altura da largada e alerta-se para a necessidade de ajustar as propriedades físicas do fluido às circunstâncias do incêndio em questão. Não se tendo esgotado o presente estudo, recomenda-se a sua continuação ao nível da simulação e da aferição dos modelos através de ensaios à escala real.Both area and number of forest fires have grown during the last years. There are several causes that explain this fact. It is important to know these causes in order to avoid them. Prevention is more desirable than the remediation of fire fighting. However, the efficiency of the prevention is below 100 % and, thus, there is the need of wildfire fighting tools. Aerial means are an excellent example of efficiency as they can drop thousands litres of water or chemical retardants above or at the front of the fire line. Aircraft velocities and its possibility to access remote places for terrestrial means, make them even more important in an integrated system. However, their efficiency is dependent on the continuity of the crop pattern with both cross range and concentrations needed. If these levels of retardant are not achieved, its efficiency can be low. The physics of the retardant cloud is not yet known in detail, especially the atomization/deformation of the bulk liquid, and thus the application of the retardant is not optimized. Except in the MAFFS, the aerial application of retardants begins by the liquid exit promoted by gravity. As the liquid leaves the air tanker, this fluid is subject to aerodynamic forces that atomize the retardant into droplets. These particles fall in the atmosphere till they reach the ground or the vegetation. During the cloud trajectory, droplets are dispersed, evaporated and exchange heat with the surrounding air. There are several operational variables that influence the retardant pattern at the ground. The most important are: (1) airplane velocity, (2) airplane height, (3) retardant flow-rate, (4) direction between airplane and wind and (5) physical properties of the retardant fluid, mainly the viscosity and elasticity. These parameters can and should be adjusted in order to optimize the aerial application of retardants in function of the retardant pattern needed to slow down the fire and the environmental conditions like wind, humidity and air temperature. In order to integrate all of the influencing variables, simulations were made, by using these variables as model inputs. Two models were used – RAM and FLUENT with different purposes. The developed work allowed verifying that CFDs are applicable in order to describe the cloud behaviour. Performed simulations compute several cloud properties such as: (1) wind field, (2) turbulence, (3) humidity, (4) temperature, (5) density, (6) droplets trajectory and (7) pressure field. The simulations preclude that the most modern air tankers that control the flow-rate are more efficient because they produce a more constant retardant pattern along its longitudinal. MAFFS is an example of such technology, coexisting with others where the retardant is released by the gravity force. These new systems are, however, more expensive and rarely used in Europe.The developed simulations allow the following conclusions: • In what concerns the flight height, there is an increase of the lateral dispersion of retardant and a decrease in the retardant pattern maximum concentrations. For drops below 30 meters, there is a considerable risk of injury for people on the ground because the fluid can attain the soil before a complete atomization. This minimum value must be adjusted considering the fluid properties and the retardant flow rate exiting the air tanker and its geometry; • Although the airplane trajectory is defined by the desired fire wall, the angle between the airplane and the wind influences the dispersion of the cloud, especially of the smaller droplets; • The most important parameter affecting the retardant pattern is the ratio between the flow-rate and the airplane velocity, which is the amount of retardant released by unit of time and space; • The retardant properties do affect the cloud behaviour and thus the efficiency. The atomization is inversely proportional to the viscoelasticity. The third phase of the retardant coating is dependent of the viscosity and also on the superficial tension of the chemical retardant. • There are other parameters that influence the retardant cloud at a less extent, like the atmospheric conditions (temperature, humidity and stability) and the proximity of the fire front. The main conclusions that arise from this work are (1) the recommendation of the use of the most modern air tankers with constant flow-rate, (2) care with low height drops, (3) and the adjustment of the retardant physical properties with the real characteristics of the fire being analyzed. The study presented is not terminated and, thus, it is recommended its continuation at the level of the models validation extent based on more experimental work