Foyers à combustible solide

m^”_c [kg.m⁻².s⁻¹] Débit massique surfacique de l’heptane

∆H_c [J.kg⁻¹] Chaleur de combustion de l’heptane

Connaissant le débit calorifique du foyer à dimensionner (1479 kW), on détermine la surface de nappe à utiliser : S=0,543 m², correspondant à une nappe circulaire de diamètre 83 cm. On en déduit le débit massique de combustible par unité de surface : m˙^”

= 59 g.m⁻².s⁻¹. Le fait d’utiliser une telle cuve sans alimentation en continu (régression de la surface) peut conduire à des effets de bord difficilement quantifiables, mais, de toute façon négligeables dans le cas présent compte tenu de la surface de la nappe.

Pour des raisons d’encombrement, les bacs utilisés doivent être rectangulaires et de largeur 50 cm. On en déduit une longueur de bac de 1,09m. De manière pratique, cette longueur est arrondie à 1 m, nous donnant une surface de nappe de 0.5 m².

III.2.4 Foyers à combustible solide

Deux types de foyers à combustible solide sont utilisés : foyers de type bûcher et foyer d’empilements de palettes. Ces foyers sont plus représentatifs, en gabarit, en répartition de "surfaces cachées" et en cinétique de montée en puissance, de feux de véhicules.

III.2.4.1 Feux de bûchers

Le bûcher considéré ici est un empilement de plusieurs lits croisés de baguettes de section carrée (figure III.4). Ce type de foyer est représentatif de feux de grande surface combustible dont la majorité est plus ou moins cachée. Le caractère compact du foyer fait qu’il est peu ventilé et que l’oxygène n’accède pas facilement aux surfaces intérieures. Cet empilement repose sur un bac dans lequel est versé une mince couche d’heptane servant à l’allumage.

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Fig.III.4 – Schéma et dimensions d’un bûcher avec : D_bag [m] Côté de la section des baguettes

lbag [m] Longueur des baguettes h [m] Hauteur du bûcher

s_bag [m] Distance entre les baguettes

La combustion d’un tel bûcher est régie par trois facteurs principaux :

◾ la surface de combustible mise en jeu

◾ l’accessibilité du comburant (oxygène) au combustible au travers des interstices

◾ la ventilation ambiante

L’expression du débit massique couramment utilisée pour ce type de foyer est la sui-vante [71] :

˙

mc= 4

D_bag ⋅m0,bcher⋅r⋅ (1−2⋅r⋅t

D_bag ) (III.3)

avec : m˙_c [kg.s⁻¹] Débit massique de combustible Dbag [m] Côté de la section des baguettes m_0,bcher [kg] Masse initiale du bûcher

r [m.s⁻¹] Vitesse de régression de la surface des baguettes de bois constitutives du bûcher

t [s] Temps

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Ce qui permet d’évaluer le débit calorifique du foyer par :

Q˙ =m˙_c⋅∆H_c (III.4)

avec : Q˙ [W] Débit calorifique du foyer

˙

m_c [kg.s⁻¹] Débit massique de combustible

∆H_c [J.kg⁻¹] Chaleur de combustion du combustible

Cette relation donne l’évolution du débit calorifique en fonction du temps à partir du moment où il y a combustion maximale du bois (correspondant à la valeur maximum du débit calorifique). On retient les données suivantes pour son application :

∆H_c=12.10⁶ [J.kg⁻¹] Chaleur de combustion correspondant aux résineux (bois constitutif des bûchers)

r=2,2⋅10⁻⁶⋅D⁻⁶ [m.s⁻¹] Vitesse de régression de la surface des baguettes de bois constitutives du bûcher

Les paramètres h, lbag et Dbag sont les seuls sur lesquels on puisse jouer pour dimension-ner le bûcher afin que le débit calorifique maximum (à t=0) soit de l’ordre de la puissance de référence de 1,5 MW. Pour ce faire, on utilisera un bûcher de 5 baguettes de 10x10x100 cm par couche, espacées d’une largeur de section (sbag=Dbag=0,1 m) sur 11 couches.

III.2.4.2 Feux de palettes

Les feux de palettes sont très souvent utilisés lors d’essais en vraie grandeur. Ils re-présentent un foyer de solide différent du précédent , en ce sens qu’il est plus ouvert : il comporte moins de surfaces cachées qu’un bûcher, est plus ventilé et la répartition du bois en son sein n’est pas régulière (figure III.5). Les palettes utilisées pour ce travail sont des palettes normalisées de 120 cm par 80 cm.

L’évaluation du débit calorifique maximal d’un empilement de palettes se fait via la formule suivante (source : [72]) :

Q˙_pal,max=S_sol,pal⋅970⋅ (1+2,14h_p) ⋅ (1−0,027M) (III.5)

avec : Q˙_pal,max [kW] Débit calorifique maximal de l’empilement de palettes S_sol,pal [m²] Surface au sol de l’empilement de palette

hp [m] Hauteur de l’empilement de palettes M [-] Taux d’humidité relatif du bois

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Fig. III.5 – Schéma et dimensions d’un empilement de palettes normalisées

L’évolution du débit calorifique d’un feu d’un empilement de palettes en fonction du temps est présentée sur la figure III.6. La chaleur de combustion du bois est celle utilisée pour les bûchers. Il est à noter que la relation (III.5) est valable pour des empilements élvevés et a tendance à surestimer le débit calorifique pour des empilements plus bas (moins de 1 m) (voir figure III.7).

On détermine le nombre de palettes à empiler pour obtenir Q˙ =1479 kW, les palettes considérées ayant une surface au sol de 0,96 m². On considère un bois sec en stockage protégé, soit un bois dont le taux d’humidité est M = 15 %. Pour deux palettes, on obtient ainsiQ˙ =1479 kW ce qui correspond à un empilement de 29 cm de haut. Même si les résultats obtenus avec cette relation sont cohérents avec des résultats expérimentaux (figure III.7), la pertinence de l’utilisation d’un foyer aussi peu élevé est discutable car correspondant peu à la géométrie du problème considéré. Un tel foyer n’a que peu de surfaces cachées en regard et ne correspond pas à un scénario de feu au sein d’un véhicule.

L’idée a alors été de mettre en œuvre des palettes à échelle réduite. Le paramètre principal intervenant pour dimensionner le foyer (relation III.5) est la surface au sol de la palette. Afin de la réduire d’un facteur 2, on réduit les dimensions de la palette normalisée d’un facteur √

2 . On obtient des palettes de 85 cm de longeur pour 56,6 cm de largeur avec une épaisseur de 5,5 cm. On constitue alors le foyer avec ces palettes réduites et on obtient dans ces conditions un foyer avec un débit calorifique maximal de 1479 kW pour un empilement de 10 palettes.

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Fig. III.6 – Evolution du débit calorifique pour un empilement de palettes normalisées (source : [72]

Fig. III.7 – Evolution du débit calorifique d’un empilement de palletes en fonction de sa hauteur (source : [72])

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III.3 Métrologie

Le tunnel est instrumenté avec un total de 222 capteurs. Compte tenu de la configu-ration symétrique par rapport au plan médian vertical longitudinal, le prototype n’a été instrumenté que sur une moitié du tunnel (à l’exception des mesures de composition de gaz). Ceci permet de disposer d’une plus grande densité de capteurs sur la partie instru-mentée. Les capteurs sont regroupés en sections, situées de part et d’autre du foyer. La numérotation des sections de mesures se décompose en deux parties :

◾ L’étiquette renseigne sur le type de mesure effectuée sur cette section :

◇ S : Désignation générique d’une section

◇ T : Température

◇ FM : Fluxmétrie

◇ V : Anémométrie

◇ Compo : Analyse de composition des gaz (CO, CO₂, O₂)

◇ Hr : Hygrométrie

◇ OPA : Opacimétrie

◾ La valeur numérique renseigne la position de la section de mesure par rapport à la section 0 (correspondant à la position du foyer dans le tunnel, situé à 17,5 m en aval de l’entrée)

◇ Valeur numérique négative : Section située à X mètres en amont du foyer

◇ Valeur numérique positive : Section située à X mètres en aval du foyer

Par exemple, la section T+4 est une section de mesure de température située quatre mètres en aval du foyer, et l’appellation générique de S+7 signifie que l’on décrit un phénomène se déroulant 7 mètres en aval du foyer.

Le récapitulatif des emplacements des différentes sections de mesure est visible en figure III.8, et la répartition des capteurs en figure III.9.

Fig.III.8 – Schéma d’implantation des sections de mesure dans le tunnel

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Fig.III.9 – Répartition des capteurs dans le tunnel