Effet de la sous-oxygénation sur les paramètres de combustion

​David Alibert a soutenu sa thèse le 22 novembre 2017 à l'IUSTI, à Marseille.

​L’apport d’oxygène joue un rôle prépondérant dans le développement d’un incendie en milieu confiné. La quantité d’oxygène disponible pour la combustion va dépendre de son appauvrissement dû au feu mais aussi de l’apport d’air par le système de ventilation et/ou les ouvertures. Une baisse du niveau d’oxygène du mélange oxydant va conduire à une diminution du flux de chaleur provenant de la flamme vers la surface du combustible, ce qui, en retour, va entraîner une diminution du débit de pyrolyse. Ces phénomènes s’accompagnent de changements notables d’autres propriétés, comme la vitesse de régression de la surface du combustible en feu, la température et la composition des produits de combustion, ainsi que les flux de chaleur échangés. La présente étude expérimentale a un double objectif : comprendre les effets d’une atmosphère appauvrie en oxygène sur la combustion de matériaux solides et liquides et fournir des données nécessaires à la validation des outils de simulation numérique d’un incendie. Les essais expérimentaux ont été menés dans le calorimètre à atmosphère contrôlée CADUCEE de l’IRSN dans des atmosphères où nous avons fait varier la concentration volumique en oxygène de la concentration limite, conduisant à l’extinction du foyer, jusqu’à 21 %. Le poly méthacrylate de méthyle (PMMA) et l’heptane ont été utilisés comme combustibles, et pour chacun d’eux, différentes tailles de foyer ont été considérées. L’analyse des résultats obtenus pour les deux combustibles montre qu’une diminution de la concentration en oxygène du mélange oxydant entraîne une diminution linéaire du débit de pyrolyse, des flux thermiques, des températures de gaz et du facteur d’émission de CO₂, mais une augmentation du facteur d’émission de CO. Pour le PMMA, les proportions radiative et convective au flux total et le facteur d’émission des suies restent pratiquement constants quelles que soient la taille de l’échantillon et la concentration en oxygène considérées. En revanche, pour l’heptane, ce facteur diminue avec la concentration en oxygène et présente une évolution à seuils en fonction du diamètre de la nappe de combustible. Une mesure de la température dans la nappe d’heptane a permis de mettre en évidence une diminution des flux thermiques incidents à la surface du combustible avec la fraction molaire d’oxygène. Les données collectées dans cette étude ont été comparées avec celles de la littérature pour divers matériaux et différentes échelles, révélant un bon accord. En supposant l’équilibre chimique, le calcul de la richesse du milieu réactionnel, à partir de la concentration de CO₂ dans les fumées extraites, donne une richesse proche de l’unité, ce qui révèle une combustion incomplète faiblement réductrice. En fait, la flamme, et donc le débit de pyrolyse, s’adaptent à la concentration d’oxygène dans le mélange oxydant pour rester proche de la stœchiométrie.