Thesis:

A High-Performance Implementation of a Simplified Coupled Wildfire-Atmosphere Mathematical Model

Los incendios forestales representan una problemática ambiental global con fuerte impacto en Chile, donde cada año se pierden miles de hectáreas de bosques. Este fenómeno provoca pérdida de biodiversidad, degradación del aire, alteración de los ciclos hídricos y daños graves a los ecosistemas, generando además impactos económicos y sociales. A nivel mundial, cerca del 75% de los incendios tienen origen humano; en Chile, según la CONAF, el 99,7% son causados por acción o negligencia humana. Entre 1963 y 2024 se registraron más de 283.000 incendios, con más de 4 millones de hectáreas afectadas. Con el fin de comprender y mitigar esta problemática, se han desarrollado diversos modelos matemáticos y herramientas computacionales. La presente investigación se enfoca en los modelos de propagación físicos acoplados, los cuales integran la dinámica de la atmósfera baja con la propagación del fuego, incorporando además los efectos de retroalimentación entre ambos procesos. A pesar de la existencia de múltiples implementaciones de estos modelos, solo una fracción se encuentra disponible en formato de código abierto. Este proyecto propone un método numérico y desarrolla una implementación de código abierto basada en un modelo físico simplificado y en técnicas de dinámica de fluidos computacional. Dada la naturaleza del algoritmo, la implementación se realizará en unidades de procesamiento gráfico (GPU) con el objetivo de reducir los tiempos de las simulaciones numéricas. De este modo, se busca facilitar estudios intensivos sobre incendios forestales, alcanzando tiempos de ejecución considerablemente menores en comparación con implementaciones en CPU.

Wildfires represent a global environmental problem with a strong impact in Chile, where thousands of hectares of forest are lost every year. This phenomenon causes loss of biodiversity, air degradation, disruption of hydrological cycles, and severe damage to ecosystems, while also generating significant economic and social impacts. Worldwide, around 75% of forest fires are of human origin; in Chile, according to the National Forest Corporation (CONAF), 99.7% are caused by human action or negligence. Between 1963 and 2024, more than 283,000 fires were recorded, with more than 4 million hectares affected. To understand and mitigate this problem, several mathematical models and computational tools have been developed. This research focuses on coupled physical propagation models, which integrate the dynamics of the lower atmosphere with fire spread, also incorporating the feedback effects between the two phenomena. Despite the existence of multiple implementations of these models, only a fraction is accessible in open source format. This project proposes a numerical method and develops an open-source implementation based on a simplified physical model and computational fluid dynamics techniques. Given the nature of the algorithm, the implementation will be carried out on Graphics Processing Units (GPUs) to reduce numerical simulation times. Thus, the project seeks to enable intensive studies of wildfires, achieving significantly shorter execution times compared to CPU-based implementations.