Études expérimentales sur les gouttes de sodium

Dans cette partie, tous les graphiques, photos, schémas, équations et résultats sont tirés des documents cités en sous-titre.

i) MOREWITS et al. (Morewitz, 1977)

Morewits et al. (1977) ont étudié la combustion d’une goutte de sodium en chute libre (14,7 m de distance de chute). On peut voir ci-dessous, Figure 9, le schéma de l’expérience. Les gouttes de sodium ont un diamètre de 0,2 à 0,9 cm (barre d’erreur de 5%) et une température de 555°C à la sortie de l’injecteur. Elles sont recueillies à la suite de leur chute dans un collecteur saturé en argon.

Figure 9 Schéma du générateur de gouttes de sodium

Chaque chute de goutte a été filmée (Figure 10) et analysée. Il en résulte que :

 les gouttes d’un diamètre inferieur à 0,3 cm finissent leur combustion avant la distance de chute de 14,7 m,

 les gouttes d’un diamètre supérieur à 0,8 cm sont instables et se divisent en gouttes de diamètre inferieur jusqu’à atteindre un diamètre stable.

La taille des gouttes de sodium est un paramètre très important, impactant fortement la quantité d’aérosols produits.

Une estimation fiable de la taille des gouttes est primordiale pour calculer la quantité d’aérosols libérés durant la combustion.

Les distances de chute avant combustion et la fraction de la masse de sodium consumé lors de la chute libre ont été mesurées lors de l’expérimentation et les mesures sont disponibles ci- dessous, Figure 11.

Figure 11 Distance de chute avant combustion de la goutte de sodium dans l’air (gauche) et fraction de la masse de sodium consumé durant la combustion à 14.73 m (droite)

Les résultats des expériences réalisées par Morewits et al. sont d’un très grand intérêt concernant la cinématique de chute et la fraction de la masse de sodium consumé (diamètre > 0,3 cm) lors de la chute libre. Ils serviront de base à la validation du code de calcul, déterminant si le modèle de transfert de chaleur et de cinématique déclenchant la combustion est bien adapté. Cependant, les résultats concernant la fraction de la masse de sodium consumé des gouttes d’un diamètre inferieur à 0,3 cm ne sont pas assez précis et ceux concernant les variations de température du sodium durant la chute sont très insuffisants (trop grande incertitude sur les résultats) pour servir à la validation d'un modèle théorique.

En déterminant l’instant précis du départ de la combustion, on détermine également le début de la production d’aérosols ; en déterminant la masse de sodium brûlé, on détermine la quantité d’aérosols produits ; le tout étant déterminé par la taille des gouttes de sodium.

ii) MAKINO et al. (Makino & Fukada, 2005)

Comme pour l’expérience précédente, le montage expérimental consiste à filmer la chute libre d’une goutte de sodium dans une atmosphère d’oxygène à l’aide d’une caméra (cf. Figure 12).

Figure 12 Montage expérimental

La cinématique de la chute des gouttes a été étudiée et accrédite le modèle théorique de la chute d’une sphère dans une atmosphère donnée (Figure 13, II.3.2.i).

L'expérience montre que le temps d'oxydation n'est pas négligeable et qu'il doit être pris en compte dans la modélisation afin de ne pas surestimer la quantité d'aérosols produite. En effet durant ce laps de temps d'oxydation, il n'y a pas production d'aérosols, ce phénomène a lieu uniquement lors de la combustion.

Cependant, l’étude montre une lacune lors de la combustion. La création de la flamme a pour effet d’augmenter artificiellement le diamètre de la goutte, d’augmenter le coefficient de traînée et donc de ralentir sa chute. L’étude montre que le coefficient de traînée a une valeur supérieure lorsqu’il y a combustion et que le nombre de Reynolds est supérieur à 500. Dans ces conditions, l’étude préconise un changement de la valeur du coefficient de traînée théorique, de 0,44 ultérieurement, à une valeur de 2 (cf. Figure 14).

Figure 14 Variation du coefficient de traînée avant et après combustion (gauche) et variations en fonction du temps de la vitesse et la distance de chute d'une goutte de sodium

Les résultats présents ci-dessus montrent que la correction du coefficient de traînée coïncide parfaitement avec les résultats expérimentaux.

Cette étude de la cinématique sera précieuse pour comparer les différentes modélisations qui ont été réalisées dans les codes de calcul.

iii) AI LTV (Tsai, 1979)

Atomics International (AI) a conduit une série d’expériences sur les feux de sodium pulvérisé. Quelques kilogrammes de sodium (de 1,72 à 5,62 kg) ont été pulvérisés dans une enceinte (Large Test Vessel – LTV) avec différentes concentrations en oxygène (0 à 21%) et à différents taux d’humidité (48 à 8000 ppm vol).

Des mesures de pression, de concentration en oxygène et de quantité de sodium brûlé ont été faites.

Figure 15 Schéma de l’expérience AI LTV

Les expériences AI LTV (cf. Figure 15) possèdent une documentation concernant les données d’entrée pour confronter ou valider les codes de calcul assez complète. On connaît notamment la taille moyenne des gouttes de sodium, donnée absente dans la plupart des expériences.

Cependant, les expériences réalisées ne sont pas représentatives de celles des AG (AG : pulvérisation possible de 2 tonnes de sodium). L'expérience servira donc la validation pour les feux de sodium de l'ordre de quelques kilogrammes.

iv) FAUNA (Cherdon, 1985)

Les expériences FAUNA (cf. Figure 16) consistent à injecter de 10 à 60 kg de sodium dans une enceinte de 200 m3 en 1 seconde. Les données d’entrée sont très complètes (masse de sodium, débit, températures, taux d’oxygène, …) mais une donnée primordiale manque, la taille moyenne des gouttes de sodium.

Figure 16 Schéma de l'expérience FAUNA

Les données de sortie des expériences sont également très pertinentes. La quantité de sodium brûlé y est détaillée ainsi que la concentration en oxygène mais aussi les variations de température de l’atmosphère de l’enceinte et de ses murs en fonction du temps et à différents points de l’enceinte. La plupart des expériences donne une température moyenne plus ou moins fiable. La pression est elle aussi mesurée en fonction du temps.

Bien que ne possédant pas d’information sur la taille moyenne des gouttes de sodium, l’expérience FAUNA est très riche et constitue l’expérience pour laquelle la plus grosse quantité de sodium a été pulvérisée un temps très court (situation se rapprochant le plus d’un AG).

L’expérience FAUNA fait le lien entre la proportion d’oxyde/peroxyde formée durant la combustion et l'évolution de la concentration en oxygène durant les expériences réalisées. Cependant il n'apparait pas simple de dégager des tendances claires permettant d'envisager sur cette seule base de développer une modélisation empirique de l'évolution des concentrations des espèces formées en fonction de la quantité d'O2. Or ce modèle a une importance non négligeable dans la construction d’une modélisation destinée à calculer la quantité d’aérosols de sodium produit lors d'un feu.