Modélisation des interactions combustion turbulence pour la simulation des incendies en milieux confinés et ventilés

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Nom du doctorant : Uday CHIKKABIKKODU
Lieu de thèse : Laboratoire de l'incendie et des explosions (LIE) - Cadarache (13),
Date de début : octobre 2020

Dans le cadre de ses activités de recherche, l'IRSN développe le logiciel de simulation des incendies CALIF3S-ISIS dans le but de réaliser des études en support à l’analyse de sûreté et à la réalisation d'essais expérimentaux menés dans ses installations à échelle réelle. Les flammes rencontrées en incendie sont des flammes non-prémélangées pour lesquelles, en première approximation, le temps caractéristique des phénomènes chimiques est beaucoup plus court que celui du mélange turbulent à l'échelle des structures dissipatives. C'est pourquoi la plupart des modèles de combustion turbulente utilisés pour la simulation aux grandes échelles des incendies supposent que le taux de réaction ne dépend que du temps caractéristique du mélange turbulent (approche "mixed is burnt", modèle EDM) sans prendre en compte l'effet de la chimie ou d'autres phénomènes (étirement, pré-mélange partiel); hypothèse conduisant à deux principales limites. D'une part, la concentration de sous-produits de combustion liés à la chimie tels que les suies, qui influent peu sur la dynamique de la flamme mais ont une grande influence sur les transferts thermiques dans la flamme, ne peut pas être correctement prédite. D'autre part, l'hypothèse de taux de combustion ne dépendant que du mélange turbulent est mise en défaut dans le cas d'incendies en milieu sous-oxygéné ou de foyers complexes tels que les boîtes à gants, qui sont des configurations largement étudiées par l'IRSN ces dernières années.

Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'améliorer les capacités du logiciel CALIF3S-ISIS et plus particulièrement la modélisation de la combustion turbulente afin que soient pris en compte les effets de la chimie et des phénomènes complémentaires au mélange turbulent (pré-mélange partiel, étirement) sur le taux de réaction. Pour cela, on s'intéressera aux modèles basés sur l'emploi de densités de probabilité (PDF) présumées. Ces modèles consistent à pondérer, par le biais de PDFs présumées, la concentration des différentes espèces à partir d'une structure de flamme laminaire elle-même paramétrée à partir d'un nombre réduit de variables telles que la fraction de mélange et le taux d'étirement. Il s'agira dans un premier temps d'implémenter une modélisation de ce type dans le cas simplifié d'une chimie infiniment rapide et irréversible en utilisant une PDF présumée simplifiée. Par rapport au modèle EDM, cette approche est susceptible d'une part de conduire à une amélioration de la prédiction de niveaux de température et de taux de production de suies, et d'autre part de mieux prendre en compte la dépendance de la combustion à la sous-oxygénation. Dans un second temps, cette approche pourra être étendue au cas de régimes partiellement pré-mélangés, en introduisant une PDF jointe dépendant de la fraction de mélange et d'une variable d'avancement indiquant la présence de gaz brûlés ou de gaz frais. On pourra supposer dans un premier temps l'indépendance statistique des deux quantités et ensuite proposer des modèles plus complexes de PDF conditionnelles pour la variable d'avancement.