Caractéristiques de l'incendie

Dans cette campagne d'essais, les feux de véhicules sont simulés par des incendies de bac d'heptane.

Les caractéristiques de la nappe de retour dépendent du foyer d'incendie. En eet, il est le point d'ignition de la nappe.

Il est nécessaire de le caractériser en déterminant :  la puissance totale ;

 le rendement de la combustion ;

 la puissance convectée et la puissance radiative ;  l'évolution de la température du panache au plafond.

Une répétabilité d'un tel foyer est indispensable an d'étudier l'inuence du jet plan pariétal sur la nappe.

La puissance totale de l'incendie a été déterminée dans cette campagne par la perte en masse du bac d'heptane (débit d'évaporation d'heptane) au cours du temps. Le pouvoir calorique inférieur (chaleur sensible) de l'heptane est de 44,655 MJ/kg. En multipliant le débit d'évaporation par le pouvoir calorique inférieur, on obtient la puissance totale de l'incendie.

La mesure des concentrations en O₂, en CO et en CO₂ permet de calculer la puissance totale chimique en se basant sur la réaction de combustion de l'heptane par la formule suivante :

Q_chimique=  ΔH_C7H16−ΔHCO− ΔH_C7H16 ^{1 − φ} 2 XCO XO2  × ^m˙ 1 + φ (α − 1)  1 − X⁰_H2O^X0 O2 MO2 M_air (2.12)

avec φ = ^XO2⁰ (1−X_CO2−XCO)−XO2(1−XCO2)0

(1−X_O2−X_CO2−XCO)X0

O2

et α = 1, 1

Pour calculer la puissance totale chimique, il faut connaître les caractéris-tiques de l'air avant incendie. Les concentrations obtenues avant incendie pour le CO, le CO2et l'O2étaient respectivement de 2ppm, 0,04% et 20,93 %. L'humi-dité relative est xée à 60 %, la pression atmosphérique à 1 bar et la température à 10 °C.

Pour calculer la concentration volumique en vapeur d'eau, l'humidité absolue est déterminée grâce à l'utilisation du diagramme de Mollier. Pour ces essais, l'humidité relative est de 2,8 g/kg d'air sec, la pression partielle de vapeur d'eau est donc de 448 Pa. La fraction en volume de vapeur d'eau est de 0,448 %.

Le ratio entre la puissance totale chimique et la puissance totale (basée sur le débit d'évaporation de l'heptane) donne le rendement de la combustion de l'heptane dans le tunnel.

An de simuler numériquement la nappe de retour, il est indispensable de connaître la fraction radiative de l'incendie. Pour la déterminer, le premier prin-cipe de la thermodynamique est appliqué entre l'entrée du tunnel et l'aval de l'incendie. L'augmentation de puissance convectée doit être calculée entre l'en-trée du tunnel et l'aval de l'incendie : c'est la puissance convectée de l'incendie. Une mesure de débit et de température est réalisée dans le tunnel avant incendie.

Un mât avec 8 sondes de Mac Carey et 8 thermocouples est installé à 5 m en aval de l'incendie an de déterminer le champ de vitesse et de température. L'augmentation de la puissance convectée à l'aval de l'incendie se calcule grâce à l'intégrale :

˙Q =^{ˆ ˆ} Cpρ(T − T₀)−^→V .−→

dS (2.13)

Sous forme discrète, on obtient :

˙Q =^Cpρ(T − T₀)US (2.14) L'une des dicultés dans le calcul de la puissance convectée à l'aval de l'incendie est d'évaluer la masse volumique et la capacité calorique des fumées. An de les évaluer, la proportion des produits de combustion de l'heptane uti-lisé dans cette campagne est déterminée. Connaissant la masse volumique et la capacité calorique de ces produits et leurs proportions, il est possible d'évaluer la masse volumique et la capacité calorique des fumées. Il n'est pas possible de quantier tous les produits de combustion lors d'un incendie dans la galerie. Par contre, une combustion réalisée en utilisant un cône calorimétrique de Tewarson permet de connaître la composition des produits de combustion. L'hypothèse que les produits de combustion sont identiques dans le cas d'une combustion avec un cône calorimétrique de Tewarson et d'une combustion dans la galerie est faite an de calculer la capacité calorique et la masse volumique des fumées.

Les fumées de l'heptane sont composées :  d'heptane imbrûlé ;  de suies ;  de dioxyde de carbone ;  de monoxyde de carbone ;  de la vapeur d'eau ;  de dioxygène ;  de diazote ;  et de monoxyde d'azote.

Les capacités caloriques, les masses volumiques et les proportions de chaque composant des fumées sont prises en compte pour obtenir la capacité calorique des fumées de 1 017 kJ/kgK et la masse volumique des fumées de 1, 49 kg/m3

à une température de 273 K. La capacité calorique des gaz n'évolue pas signi-cativement avec la température, elle sera donc supposée constante. Nous ne possédons pas les données qui permettent de déterminer l'évolution de la masse volumique des fumées en fonction de la température.

En outre, nous connaissons l'évolution de la masse volumique de l'air en fonc-tion de la température. La masse volumique de l'air à 273 K est de 1, 293kg/m3. Le fait de supposer que les fumées sont de l'air correspond donc à une approxi-mation de l'ordre de 16 %. Au cours des essais, le fait de ne pas prendre en compte l'inuence de la température des fumées sur la masse volumique de l'air représente une approximation de l'ordre de 34 %. Les fumées étant en majorité composées des mêmes composants chimiques que l'air, on peut supposer que la masse volumique doit avoir la même évolution vis-à-vis des variations de température. Le fait de négliger l'évolution de la masse volumique en fonction de la température entraîne une erreur plus importante que le fait de supposer que la fumée est de l'air pour le calcul de la masse volumique.

La fraction radiative est la fraction de la puissance totale théorique qui est rayonnée par le foyer.

La longueur de la nappe de retour est fonction de la température du panache au dessus du foyer d'incendie. En eet, le point d'impact du panache est le point d'ignition de la nappe de retour. Les températures dans le panache au dessus du foyer d'incendie sont mesurées pendant toute la durée de l'essai.

An de représenter deuxincendies de puissances diérentes, deuxbacs d'hep-tane de sections diérentes sont employés pour les essais. Pour chaque taille de bac, deuxessais de caractérisation de l'incendie sont réalisés an de s'assurer de la répétabilité de l'incendie.

Essais avec foyer d'heptane Les premiers essais d'incendie dans la galerie ont été réalisés avec des incendies de bacs d'heptane de 0, 25 m2. An de pou-voir procéder auxmesures de température le long de la nappe de retour au moyen de la structure mobile, l'incendie doit avoir une puissance constante sur environ 30 minutes. De plus, l'étude de l'inuence du jet nécessite d'obtenir des puissances d'incendie reproductibles.

Le premier essai d'incendie de bac d'heptane de 0, 25 m2réalisé dans le tunnel de la galerie a révélé des variations importantes de la puissance de l'incendie. Le graphe suivant présente l'évolution de la vitesse de combustion de l'heptane durant l'essai du 3 Octobre 2008.

Fig. 2.20. Vitesse de combustion lors de l'essai du 3 Octobre 2008

Dans un premier temps, cette évolution correspond à celle attendue pour un feu de nappe. La vitesse de combustion augmente en 7 minutes pour atteindre un régime établi sur environ 7 minutes. Toutefois, le connement dû au tunnel

induit un léger acroissement de la vitesse de combustion lorsqu'elle atteint la valeur du régime établi. Cette eet est dû au réchauement des parois qui vont augmenter le ux radiatif vers la surface du bac et donc accélérer la combustion de l'heptane.

La vitesse de combustion va ensuite légèrement diminuer puis augmenter rapidement. La vitesse de combustion est doublée en 2 minutes environ. Ce pic provient d'une ébullition en volume de l'heptane. Des mesures de tempéra-tures dans la bac ont montré que ce pic de vitesse de combustion se produit lorsque l'heptane situé au fond du bac de combustible atteint sa température d'ébullition, c'est à dire 98 °C environ. Il se produit alors une vaporisation en volume, le combustible ne se vaporise plus uniquement au niveau de la surface du combustible. La présence de ce pic a été observé par Meyrand [30] dans les essais d'incendie d'heptane réalisés avec la maquette du CSTB.

La vitesse de combustion va ensuite diminuer du fait de l'extinction progres-sive du foyer.

La durée d'essai avec une vitesse de combustion constante est d'environ 7 minutes. Ceci ne permet pas de mesurer l'évolution des températures le long de la nappe de retour.

Un système de refroidissement par circulation d'eau a donc été mis au point an de réguler la température dans le bac d'heptane. L'installation de ce système dans le bac a permis d'obtenir l'évolution de la vitesse de combustion présentée sur la gure suivante.

Fig. 2.21. Vitesse de combustion pour l'essai du Décembre 2008

Ce graphe présente l'évolution de la vitesse de combustion au cours de l'es-sai du 2 Decembre 2008. La vitesse de combustion augmente en 7 minutes pour atteindre un régime établi. L'utilisation du système de refroidissement permet d'obtenir un régime établi avec une puissance d'incendie constante durant envi-ron 30 minutes. Ce système de refroidissement conduit à une diminution de la vitesse de combustion de dimensionnement.

L'utilisation de ce système permet d'obtenir une puissance d'incendie stable durant 30 minutes. Ceci va permettre de procéder aux mesures de températures le long de la nappe de retour.

Bac de 0, 25 m2 Les deux essais de caractérisation de l'incendie de bac de 0, 25 m2 ont des courbes de pertes de masse dans le temps qui se superposent comme le montre le graphe suivant.

Fig. 2.22. Perte de masse du bac d'heptane pour l'incendie de 0, 25 m2

Cette superposition des courbes permet de conclure que l'incendie est re-productible. La perte de masse du bac est stationnaire de 500 à 2 100 s après le début de l'incendie, ceci donne une période stationnaire de 27minutes environ qui permettra de déplacer la structure de mesure le long de la nappe. La puis-sance totale basée sur la perte de masse est en moyenne de 358 kW pour un incendie de bac d'heptane de 0, 25 m2.

L'évolution temporelle de la puissance totale chimique est représentée sur le graphe suivant.

Fig. 2.23. Puissance totale chimique pour l'incendie de 0, 25 m2

Les courbes de puissance totale chimique se superposent aussi. Ce graphe montre que la combustion est stationnaire entre 700 et 2 100 s après le début de l'incendie, il faudra donc prendre la période entre 700 et 2 100 s après l'incendie comme période de mesure. La puissance totale chimique est en moyenne de 303 kW pour un incendie de bac d'heptane de 0, 25 m2. Le rendement de la combustion du bac d'heptane de 0, 25 m2 dans la galerie est en moyenne de 85 %.

Il faut maintenant s'assurer que la température au plafond au dessus du foyer de l'incendie est quasi-identique d'un essai à l'autre. Les températures dans le panache au dessus du foyer d'incendie sont mesurées pendant toute la durée

de l'essai. Les températures au plafond sont reproductibles d'un essai à l'autre. La température au plafond est en moyenne de 280°C pour un incendie de bac d'heptane de 0, 25 m2.

Les mesures de la température et de la vitesse à 5 m à l'aval de l'incendie permettent d'obtenir une répartition discrète des champs de température et de vitesse à l'aval de l'incendie et donc de calculer l'augmentation de la puis-sance convectée du fait de l'incendie. La puispuis-sance convectée de l'incendie est en moyenne de 249 kW pour un bac d'heptane de 0, 25 m2. Ceci donne alors une fraction radiative de la puissance totale basée sur l'évaporation d'heptane de 30%. Cette puissance convectée correspond à un puissance convectée à échelle reélle de 4 MW.

Bac de 0, 2 m2 La réalisation des deux essais de caractérisation de l'incendie de bac d'heptane de 0, 2 m2conduit à la même conclusion de répétabilité d'incendie que pour celui de 0, 25 m2. La puissance totale basée sur la perte de masse est en moyenne de 266 kW pour un incendie de bac d'heptane de 0, 2 m2. La puissance totale chimique est en moyenne de 242 kW pour un incendie de bac d'heptane de 0, 2 m2 . Le rendement est en moyenne de 91 % pour l'essai avec un bac d'heptane de 0, 2 m2. La combustion est stationnaire entre 600 et 1 500 s après le début de l'incendie. La période entre 600 et 1 500 s après l'incendie est la période de mesure. La puissance convectée de l'incendie est en moyenne de 184 kW pour un bac d'heptane de 0, 2 m2. Ceci donne alors une fraction radiative de la puissance totale basée sur l'évaporation d'heptane de 31 %. Cette puissance convectée correspond à un puissance convectée à échelle reélle de 3 MW. La température au plafond est constante entre 700 et 1 800 s après le début de l'incendie et vaut en moyenne 238°C.

Le graphe suivant obtenu par Tewarson présente l'évolution de la fraction radiative de la puissance totale en fonction du diamètre du bac pour diérents carburants. Les bacs de 0, 25 m2et de 0, 2 m2 ont respectivement des diamètres de 0,564 m et 0,506 m.

Pour des bacs d'heptane de diamètre compris entre 0,5 et 0,6 m, la fraction radiative de la puissance totale est de 40 % d'après ce graphe.

Fig. 2.24. Fraction radiative en fonction du diamètre du bac pour diérents combus-tibles [44]

Tewarson [44] présente le tableau suivant donnant pour l'heptane un ren-dement de combustion compris entre 85 et 96 % et une fraction radiative de la puissance totale comprise entre 20 et 35 %.

Fig. 2.25. Ecacité et fraction radiative pour diérents types de combustibles [44]

Tewarson a déterminé à partir d'expérience une relation entre le rendement de la réaction et la fraction radiative de la puissance totale :

χrad= −2, 88χ3+ 3, 56χ2− 0, 51χ − 0, 002

Un rendement de 85 % implique une fraction radiative de la puissance totale de 37 % et pour 91 %, 31 %.

Les résultats de caractérisation de l'incendie dans cette étude expérimentale sont de l'ordre de grandeur des résultats des études de Tewarson.

2.3.2. Caractéristiques de la nappe sans perturbation et inuence de la puissance de l'incendie

Cette partie de l'étude expérimentale conduit à la réalisation de 2 essais in-cendie dans la galerie an d'identier les caractéristiques de la nappe de retour sans perturbation c'est à dire sans jet et de déterminer l'inuence de la puis-sance de l'incendie sur ces caractéristiques. Tout d'abord, les caractéristiques d'une nappe de retour sont dénies à partir des mesures expérimentales. Les caractéristiques des nappes de retour pour les foyers de 184 kW et de 249kW sont ensuite déterminées an d'analyser l'inuence de la puissance de l'incendie sur celles-ci.

2.3.2.1. Dénition des caractéristiques de la nappe de retour pour