Laboratoire de l'incendie et des explosions (LIE)

Le laboratoire a pour objectif principal d’améliorer la connaissance sur les risques incendie et explosion en milieu confiné et ventilé. L’incendie est un initiateur possible d’accidents nucléaires. Il peut être à l’origine d’une rupture du confinement avec une dispersion de radioactivité dans l’installation, voire dans l’environnement. 

A partir de travaux d’interprétation de résultats expérimentaux obtenus pour l’essentiel dans le cadre de programmes internationaux et nationaux, le laboratoire modélise les phénomènes physiques associés à l’incendie (pyrolyse des matériaux solides, combustion turbulente) et l’explosion (flamme de prémélange de gaz et de poussière). Il capitalise ensuite cette connaissance par le développement de logiciels scientifiques à champ et à zone pour simuler les scénarios d’incendie et d'explosion en milieux représentatifs des installations nucléaires.

Les logiciels développés, validés, maintenus et diffusés sous licence par le laboratoire sont rassemblés au sein de plateforme logicielle S3AFER.
Au sein de l’IRSN, le laboratoire appartient au groupe thématique de recherche « incendie-explosion » et a été agréé par l’HCERES en 2021. Il apporte également un soutien technique dans le cadre des expertises de sûreté incendie.

Les savoirs et métiers du laboratoire sont les suivants :

• Pyrolyse des matériaux complexes
• Combustion (flamme de diffusion turbulente, flamme de pré-mélange, rayonnement…)
• Mathématiques appliquées (volumes finis, éléments finis, schéma numérique, solveur…)
• Mécanique des fluides et thermique (turbulence, écoulement compressible, incompressible…)
• Développements de logiciels scientifiques (IHM, HPC, génie logiciel…)
• Traitement du signal (analyse de Fourier, rapport signal/bruit, techniques de lissage, analyse d’images…)

Les axes de recherche du LIE concernent la modélisation d'incendie en atmosphère libre et confinée, la dispersion des mélanges gazeux et l’explosion des mélanges combustibles en milieux ouvert/confiné et libre/encombré.

Concernant l’incendie, pour mieux comprendre les phénomènes d’inflammation, de propagation et de cinétique globale des foyers solides, l’étude de la pyrolyse des matériaux, c’est à dire leur dégradation sous l’effet d’un stress thermique est nécessaire. Le travail porte sur la caractérisation et l’évolution des propriétés effectives des matériaux qui régissent les transferts thermiques et de masse entre le solide et le gaz (conductivité, propriétés radiatives, perméabilité et diffusivité, etc.). La modélisation de la combustion turbulente non-prémélangée est également étudiée pour mieux prédire les phénomènes de re-inflammation, la production d’intermédiaire de réaction et d’imbrulés lié aux conditions de sous-oxygénation. Enfin, liés à l’incendie, la modélisation de la propagation des fumées et de suies dans les installations est étudiée.

Concernant la dispersion des mélanges gazeux, le travail principal concerne la modélisation de la turbulence. Elle s’appuie sur deux grandes familles de modèles : l'approche statistique (RANS pour Reynolds Averaged Navier-Stokes) d'une part, et l'approche SGE (pour Simulation des Grandes Echelles) d'autre part. Une dernière approche dite hybride est également étudiée et vise, dans un contexte hybride dit zonal, à réaliser une transition continue entre RANS et SGE ou, dans un contexte hybride dit continu, à améliorer les prédictions d’une approche SGE sur des maillages plus grossiers.

Concernant l’explosion des mélanges combustibles, compte tenu des coûts et des contraintes expérimentales, la recherche menée au sein du laboratoire vise à se doter d’outils de simulation complémentaires pour mieux caractériser les phénomènes de déflagration. Une approche par simulation des grandes échelles pour la déflagration est donc développée.

Pour développer ses logiciels, le LIE mène également des recherches en méthodes numériques pour la résolution des équations aux dérivées partielles (EDP) de la physique des transferts (mécanique des fluides numérique, écoulement compressible, incompressible ou faiblement compressible).

Le développement de logiciels de calcul scientifique nécessite également des connaissances en génie logiciel (solveur, mailleur, IHM) et traitement de données pour exploiter les résultats expérimentaux qui permettent de valider les logiciels.

Les approches utilisées pour les logiciels se classent en deux catégories :

• Des approches « simplifiées » avec les logiciels à zone qui vont permettre de donner des réponses rapides en expertise et de discriminer les situations sensibles
• Des approches détaillées avec des outils CFD qui vont permettre une modélisation détaillée 3D des situations d'intérêts
   

La plateforme logicielle S3AFER

La plateforme logicielle S3AFER (Scientific Simulation Software for Assessment of Fire and Explosion Risk) abrite tous les logiciels et composants logiciels permettant le développement des outils pour la simulation d’incendie et d’explosion.

Les bibliothèques

• la bibliothèque PELICANS qui contient les outils d’algèbre, les solveurs et mailleurs
• la bibliothèque PelGUIs qui contient les outils pour développer les IHM
• la bibliothèque ANTARES qui contient toutes les méthodes de traitement du signal pour l’utilisation des données expérimentales

Les logiciels

• le logiciel « simplifié » SYLVIA pour l'incendie, la ventilation et l'explosion
• le logiciel CALIF3S qui contient les modèles physiques CFD (thermique, turbulence,…) et les applications métier pour l'incendie (CALIF3S-Isis) et l’explosion (CALIF3S-P2remics)

Le laboratoire élabore, développe et valide ces logiciels à partir de travaux d’interprétation de résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de programmes internationaux réalisés à l’IRSN par le laboratoire d’expérimentation des feux. On peut citer les programmes OCDE PRISME et FAIR sur les foyers complexes ainsi que le projet FIGARO pour les feux de boite à gant. Les expériences d’explosion sont obtenues dans le cadre de collaborations nationales (Mines d’Alès pour l’explosion de poussière, Institut ICARE et l’INERIS pour les explosions de gaz).

Principaux partenaires académiques

• I2M, M2P2, IUSTI, IRPHE (Marseille)
• PPRIME (Poitiers)
• IMFT (Toulouse)
• EM2C (CentraleSupelec Paris)
• Mines d’Alès (Alès)
• Participation au réseau de recherche français sur les feux (GDR Feux)

Principaux partenaires internationaux

• NRC (États Unis)
• NRA (Japon)
• JAEA (Japon)
• CRIEPI (Japon)
• BelV (Belgique)
• Tractebel (Belgique)
• CSN (Espagne)
• KINS (Corée du Sud)
• KAERI (Corée du Sud)
• VTT (Finlande)
• GRS (Allemagne)
• ONR (Royaume Uni)

Laboratoires IRSN partenaires

• Laboratoire d’Expérimentation des Feux (SA2I/LEF)
• Laboratoire d’Expérimentations et de modélisation en aérodispersion et confinement (SA2I/LEMAC)
• Laboratoire d'étude de la physique du corium (SAM/LEPC)
• Bureau de modélisation des transferts dans l’environnement pour l’étude des conséquences des accidents  (SESUC/BMCA)
• Laboratoire expérimental de recherche et d'expertise sur les transferts des radionucléides dans l'atmosphère (STARR/LERTA)
• Laboratoire de réalisation d'équipements expérimentaux (LR2E)

Guillaume Brillant, chef de laboratoire
Fabrice Babik, ingénieur (math appli, génie logiciel CFD, informatique scientifique)
Sophie Bascou, ingénieure (étude CFD, modélisation incendie)
Germain Boyer (Dr), ingénieur-chercheur (pyrolyse, combustion turbulente, étude CFD), n°ORCID 0000-0001-5070-9032
Fabien Duval (Dr), ingénieur-chercheur (modélisation de la turbulence, étude CFD)
William Hay (Dr), ingénieur-chercheur, (étude CFD incendie/explosion), n°ORCID 0000-0002-3151-9003
Laura Gastaldo (Dr), ingénieure-chercheuse (modélisation de l’explosion, étude CFD)
Jean-Paul Joret, ingénieur (génie logiciel, informatique scientifique, IHM)
François Lamare, ingénieur (génie logiciel, math appli, informatique scientifique)
William Plumecocq (Dr), ingénieur-chercheur (modélisation incendie, aérosol, étude), n°ORCID 0000-0002-6325-9509
Philippe Querre, ingénieur (analyse des données, traitement du signal)
Samuel Vaux (Dr), ingénieur-chercheur (modélisation de l’aéraulique, étude CFD)

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