Étude expérimentale de l’effet de la sous-ventilation sur les paramètres de combustion en régime radiatif dominant

Laboratoire d'accueil : Laboratoire d'expérimentation des feux (Lef)

Date de début de thèse : février 2012

Nom du doctorant : Arnaud Brunner

Descriptif du sujet

Contexte

Un incendie qui se déclare dans une installation nucléaire, dont une des caractéristiques est d’être étanche, peut conduire à des feux sous-ventilés. Il s’en suit généralement un accroissement de la production globale de suie du fait de la viciation du milieu ambiant et une modification du rayonnement de la flamme vers la surface du combustible. Ceci modifie en retour le processus de pyrolyse du matériau combustible et donc la puissance du feu. Il est dès lors nécessaire d’appréhender les effets du niveau d’oxygène ambiant sur la production de suies et d’espèces gazeuses issues de la combustion, le débit de pyrolyse, les échanges radiatifs de la flamme vers l’extérieur et vers la surface du matériau combustible, ainsi que sur la structure de flamme.

La plupart des modèles utilisés à ce jour dans les codes de calculs sont généralement alimentés par des données expérimentales issues de tests réalisés à l’échelle du laboratoire en cônes calorimètres.

Les mécanismes de pyrolyse sont gouvernés par des transferts de chaleur par rayonnement et par convection à la surface du combustible. Les mécanismes dominants sont les transferts convectifs pour les combustibles de faible dimension et radiatifs pour ceux de grande dimension. Pour les feux de nappe, la transition entre les deux régimes se situe autour d’un diamètre de 0.2 m. Pour les dimensions testées sur les calorimètres de laboratoire, le régime est majoritairement convectif et un apport externe de rayonnement est nécessaire afin de se rapprocher des situations réelles d’un incendie.

Afin d’exploiter ces résultats à échelle réelle, il est nécessaire d’évaluer l’influence des effets d’échelle. La démarche la plus classique pour traiter ce point est de réaliser des essais pour différentes tailles de combustible et ainsi d’identifier une loi de comportement. Ceci a été appliqué pour les feux de nappe en milieu ouvert mais cette démarche est plus difficile à mener pour les études en atmosphère contrôlée en raison des difficultés à maintenir une répartition homogène du comburant autour du foyer et à réaliser des essais à plus grande échelle.

L’objectif de la thèse est d’étudier l’effet de la sous-ventilation sur les paramètres de combustion en régime radiatif dominant. La sous-ventilation consiste à diminuer la teneur en oxygène du comburant. L’approche en régime radiatif dominant consiste à réaliser des tests sur des foyers de dimension caractéristique supérieure à 0,2 m.

Dans ce cadre général, nous proposons de réaliser des tests dans un calorimètre à atmosphère contrôlée, représentatifs d’incendie réel en milieu confiné. Ce dispositif de l’IRSN nommé Caducee (Controled Atmosphere Device for Unburnt and Carbon Emission Evaluation) permettra de constituer une base unique de données expérimentales sur les paramètres de combustion. Cette base couvrira les deux régimes de combustion (convectif et radiatif dominants), divers niveaux de fraction volumique d’oxygène du comburant ambiant (de 0 à 21%) et pour des combustibles de différentes natures (gazeuse, liquide et solide) et de propriétés variées (capacité à produire des suies, capacité à se vaporiser, etc…). Les grandeurs mesurées sont les produits de combustion en sortie du dispositif (CO, CO2, imbrûlés), la concentration des suies, les flux radiatifs de la flamme dans le champ proche.

Après une étude bibliographique, le travail de thèse consistera tout d’abord à réaliser une série de tests sur des combustibles gazeux dans le calorimètre à atmosphère contrôlée, Caducee. Cette étape expérimentale permettra de valider les modèles existants de  transferts radiatifs et de production de gaz et de suies, en s’affranchissant du processus de pyrolyse.

Le travail de thèse se poursuivra par une étude expérimentale, dans Caducee, de l’effet de la sous-ventilation sur les paramètres de la combustion de matériaux solides et liquides. En parallèle, le doctorant effectuera des simulations numériques sur les logiciels développés au sein du laboratoire commun de recherche Etic, Isis et Safir. La confrontation des résultats de simulations et des résultats expérimentaux permettra d’évaluer les sous-modèles de pyrolyse existants, puis de les enrichir par une meilleure prise en compte des effets d’une teneur en oxygène réduite sur le rayonnement de la flamme et la cinétique chimique en phase gazeuse.