導讀 2018年，當帕洛阿爾托上空因營火產生的煙霧而變暗時，斯坦福大學研究員HayoonChung正在校園的流體力學實驗室里研究洋流如何在海草叢中流動...

2018年，當帕洛阿爾托上空因營火產生的煙霧而變暗時，斯坦福大學研究員HayoonChung正在校園的流體力學實驗室里研究洋流如何在海草叢中流動。她想知道附近野火的快速且看似隨機的蔓延中是否可能存在與她在實驗室實驗中觀察到的類似的模式。

鐘敲開了她的導師、土木與環境工程教授杰弗里·科塞夫的門。他們共同制定了一項計劃，將項目的重點從洋流轉移到研究野火羽流如何在森林樹冠上變形和流動。在那之前，野火模型從未捕捉到樹頂高度和間距如何影響風流。

“我想證明我感興趣的物理學與野火有關。我想幫助那些試圖模擬野火蔓延的人們了解應該納入哪些物理學，”土木博士后學者鐘說。和環境工程，是斯坦福杜爾可持續發展和斯坦福工程學院的一個系。

(資料圖片)

在實驗室中，科塞夫和鐘發現，確實，森林樹冠的長度和整體尺寸強烈影響火羽的行為——從火焰中沖出的熱湍流空氣，可以將余燼噴射到空中。他們的研究于6月23日發表在《物理評論流體》雜志上，表明森林樹冠會產生自己的風流和湍流，并且野火行為可能會根據樹冠的尺寸而變化。

學者們現在正在這項研究的基礎上，為減輕由飛揚余燼引發的“點火”提供信息，這是一種越來越常見的野火蔓延途徑，是造成野火期間許多甚至大部分火災最終摧毀房屋的原因。

飛行余燼的物理原理

由于由火羽飄逸并隨風攜帶的余燼可能會降落在距離主火線數英里之外的地方，因此傳統的火災管理策略(例如切斷防火帶和間伐)對局部火災不起作用，而且影響余燼飛向何處的因素也并不適用。完全了解。

為了幫助解決這個問題，Koseff和Chung與土木與環境工程教授NicholasOullette和博士合作。學生埃里卡·麥克唐納和勞拉·桑伯格。他們于2022年獲得了斯坦福以人為中心的人工智能研究所(HAI)的種子基金，用于研究森林結構、風速和火焰強度等物理特征如何影響火炬軌跡，并著手提供未來的人工智能驅動模型現場火災蔓延的信息以及有關潛在物理動力學的信息。

科塞夫說：“通過越來越多地了解這些飛行余燼背后的物理原理，我們可以消除預測中的一些不確定性。”“這并不是說我們會有完美的預測。但是通過進行我們正在做的各種實驗，您可以開始更好地了解可能發生的情況。”

該團隊的火災模擬發生在一個不太可能的空間：一個30英尺長、4英尺寬、3英尺深的水槽。盡管水槽更常用于模擬流體在水生環境中翻滾的物理現象，但它也使斯坦福大學團隊能夠可視化從火焰中向上涌出的流體狀熱空氣流，并與大氣中較冷的氣流相互作用。

為了模擬森林樹冠，科學家們以可重復的模式排列了簡單的木銷釘。他們讓水流過銷釘，以模擬空氣流過頂篷。接下來，他們在銷釘頂部打開一股非常熱的水，觀察這種“羽流”如何與樹冠上的水流相互作用，并對銷釘之間更大或更小的間隙做出反應。

作為最后的潤色，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，其行為就像水槽中的余燼。她觀察熱水噴射如何將塑料碎片從銷釘上抬起并推開，以及它們落在水箱中的位置。“我們試圖梳理存在的不同物理現象，并詢問，‘如果森林樹冠在上游真的很長，這重要嗎?’我們發現確實如此。‘如果有熱羽流，這重要嗎?’是的，確實如此，”孫伯格說。

研究人員將實驗重點放在樹冠結構上，因為與風和地形不同，野火管理者可以通過燃料管理實踐對其進行一定程度的控制，例如規定的燃燒或簡單地砍伐樹木。

消防員在撲滅野火時，經常會砍倒一片樹林，以便盡可能快速、安全地進入森林。但這些削減可能會無意中影響風流和湍流，從而加劇現場火災的挑戰。

“我們生成的數據對于野火管理者可能想要開發的任何類型的預測方案都至關重要，”科塞夫說，他也是斯??坦福伍茲環境研究所的高級研究員。“我們的數據包含了我們認為元素相互作用的重要物理原理：流過樹冠，存在著火產生的熱羽流，然后是樹冠間隙。”

最終，斯坦福大學團隊希望與加州消防局、美國林務局和其他野火管理機構的更多建模者建立聯系。“有了他們的意見，我們可以進行更多的實驗來反映他們在現場的需求，以防止這些現場火災和燃燒的余燼造成真正的破壞。”

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