Modélisation numérique de la pyrolyse en atmosphère normalement oxygénée et sous-oxygénée

Les capacités prédictives des modèles à champ ou CFD (computational fluid dynamics) d’incendie dépendent de la précision avec laquelle le terme source dû à la pyrolyse du combustible est déterminé. Le taux de pyrolyse est un paramètre-clé du comportement et du développement ultérieur du feu qui, à son tour, contrôle le transfert de chaleur à la surface du combustible. Dans la présente étude, un modèle de pyrolyse volumique d’un combustible solide semi-transparent (ici, du poly(méthacrylate de méthyle) ou PMMA) prenant en compte le rayonnement au sein du solide et la régression de l’interface gaz/solide a été couplé au code ISIS de l’IRSN incluant la turbulence, la combustion (réaction à une étape) et le rayonnement pour la phase gazeuse. Un algorithme génétique a été associé au modèle de pyrolyse afin de déterminer un jeu unique et optimal de paramètres cinétiques pour la pyrolyse du PMMA à partir de données d’une expérience de pyrolyse pure sous cône calorimètre en atmosphère normalement oxygénée. Des expériences de pyrolyse avec flamme de plaques planes carrées de PMMA de 10, 20 et 40 cm de côté ont été réalisées afin de valider les résultats du modèle couplé.

L’analyse des résultats expérimentaux obtenus au centre de l’échantillon montre que i) pour les trois tailles de plaque, la vitesse de régression de la surface devient quasiment constante en fonction du temps et que, ii) bien que les flux radiatif et total augmentent significativement avec la taille de l’échantillon, la contribution radiative au flux de chaleur total reste pratiquement constante (~80 %). Les résultats du modèle couplé sont en bon accord avec la littérature et les mesures de la présente étude en termes de flux de chaleur, de température de gaz et de vitesse de régression de la surface au centre de la plaque. Néanmoins, des écarts sont observés entre les taux de pyrolyse totaux mesurés et calculés qui sont dus à une sous-estimation du flux de chaleur incident aux bords de l’échantillon, ce que confirme la comparaison des topographies de surface prédites et mesurées d’échantillons brûlés. Une bonne concordance est obtenue entre les hauteurs de flammes calculées avec le modèle et celles déduites de la corrélation de Heskestad. Enfin, pour simuler de façon prédictive la pyrolyse du PMMA en atmosphère sous-oxygénée, une chimie à deux étapes avec prise en compte du phénomène d’extinction de la flamme, basé sur un diagramme d’inflammabilité, a été utilisée. La validation du modèle couplé a consisté à confronter les résultats des simulations aux mesures réalisées dans le dispositif CADUCEE de l’IRSN sur des plaques de PMMA de 20 cm de côté pour des fractions volumiques d’oxygène de 18,5 % et 19,5 %. La tendance observée expérimentalement, à savoir une baisse du taux de pyrolyse total et, à un degré moindre, des températures de flamme avec la fraction volumique d’oxygène est bien reproduite par le modèle.