HAL Id: tel-00657278
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00657278
Submitted on 6 Jan 2012
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires
Détermination par un code CFD de l’évolution de la puissance d’un feu en régime de sous-ventilation dans un
milieu confiné et mécaniquement ventilé
Ayoub Nasr
To cite this version:
Ayoub Nasr. Détermination par un code CFD de l’évolution de la puissance d’un feu en régime de sous-ventilation dans un milieu confiné et mécaniquement ventilé. Autre. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechique - Poitiers, 2011. Français. �tel-00657278�
pour l'obtention du Grade de
DOCTEUR DE L'ÉCOLE NATIONALE SUPÉRIEURE DE
MÉCANIQUE ET D'AÉROTECHNIQUE
Eole Dotorale : Sienes et Ingénierie en Matériaux, Méanique,
Energétique et Aéronautique
Seteur de Reherhe : Énergie, Thermique, Combustion
Présenté par
Ayoub NASR
* * * * * * * *
sous la diretion de :
J.-P. GARO et H. El-RABII
Institut PPRIME
* * * * * *
Titre : Détermination par un ode CFD de l'évolution de la puissane
d'un feu en régime de sous-ventilation dans un milieu onné et
méaniquement ventilé
Soutenue le 12 déembre 2011
devant la Commission d'Examen
JURY
A.Trouvé Professeurà l'universitéde Maryland Rapporteur
P. Boulet Professeurà l'universitéde Nany, LEMTA Rapporteur
H.El-Rabii Chargé de reherhe auCNRS, PPRIME Examinateur
J.P. Garo Professeurà l'universitéde Poitiers, PPRIME Examinateur
L.Gay Ingénieur-Cherheur EDF,Paris Examinateur
P. Joulain Direteur de reherhe au CNRS,PPRIME Examinateur
B. Porterie Professeurà l'universitéde Marseille, IUSTI Examinateur
S. Suard Ingénieur-Cherheur IRSN,Cadarahe Examinateur
A ma mère, A mon père,
A ma anée, A mes amis.
Je tiens à exprimer tout d'abord mes remeriements aux membres du jury, qui
ontaepté d'évaluer mon travailde thèse : ProfesseurArnaud Trouvé pour avoir
aepté de fairele voyage depuis lesEtats-Unis an d'être rapporteur, Professeur
Pasal Bouletpouravoiraepté d'êtrerapporteurégalement,Professeur Bernard
Porterie et aux autres membres du jury qui ont aepté de juger e travail : H.
El-Rabii,L. Gay, P. Joulain etS. Suard.
J'exprimemesprofondsremeriementsàmondireteurdethèse,Jean-PierreGaro,
pour avoiraepté de dirigerette thèse etdont l'aidepréieuse m'a été indispen-
sable sur le plan sientique et lors des essais expérimentaux. Je tiens également
à leremerier pour la onane etla sympathie qu'ilm'a témoignées auours de
es trois années de thèse.
UnremeriementpartiulierpourSylvainSuard,monenadrantauseindel'IRSN,
quim'a permis d'eetuer ettethèse dans de trèsbonnesettrès agréables ondi-
tions de travail. Tout au long de es trois années, il m'a apporté une ompréhen-
sion plus approfondie de divers aspets du sujet et m'a appris à maîtriserle ode
àhampsISIS.
Mes remeriements vont aussi à Hazem El-Rabii, mon seond direteur de thèse,
qui a en grande partie ontribué à l'avanement de thèse et à la préparation des
artiles. Son oeil ritique m'a été très préieux pour struturer le travail et pour
améliorerlaqualité des diérentes setions.
JeremerieégalementvivementLaurentGay,Ingénieur-CherheurhezEDF,pour
l'aideompétente qu'ilm'a apportée, pour son intuitionetses nombreux onseils.
A Laurene Rigollet, hef du laboratoire d'étude de l'inendie et de développe-
ment de méthodes pour la simulation etles inertitudes (LIMSI) à l'IRSN, meri
de m'avoir aueilli au sein de ton équipe, pour ta gentillesse et ton sourire sans
esseprésenttoutaulongdees troisans.Tesonseilsétaienttoujourspertinents,
etton soutientun atout préieux.
Ma gratitude s'adresse aussi à Laurent Audouin et Stéphane Mélis sans oublier
Hugues Pretrel. Tout d'abord pour leurs onseils tehniques et pratiques, mais
surtoutpourlesnombreuses disussionsquenousavons euesdanslesdomainesdu
diultés que j'ai renontrées ave l'utilisationdu logiielde alul ISIS.
Je tiens à remerier l'ensemble des personnels du laboratoireet plus partiulière-
ment Marie-Claire, Caroline et Joelyne pour leur gentillesse et leur soutien lors
des diultésadministrativesoulogistiquesquej'ai renontrées.Jesouhaiteaussi
remerier Véronique Bertinqui m'a fait part de ses ommentaires et suggestions.
Unementiontrèspartiulièrepourmesollègues:LauraetPhilippetoujoursprêts
àaiderenLatex, Jean-Paul, Mar,MatthieuainsiqueTalal,Justin,Etienne,Ben-
jaminetQuangpour lagrandequalitédeleurhumouretWalid,Sahin etWilliam
pour leur angélismeetleur andeur.
J'adresse naturellementun grand merià toutemafamillequi atoujours été pré-
sente lorsque j'enai eu besoin, en partiulier àmon père età mamère.
Enn, espérons que e travail apportera aux herheurs des informations et des
éléments de réponses au vaste sujet de feux de ompartiments. Il peut onstituer
unebasesolideetutilepourélairerlesfuturstravauxsurledomainedel'inendie.
Nomenlature 8
Table des gures 11
Liste des tableaux 17
Introdution 18
1 Inendie en milieu onné et ventilé 22
1.1 Terminologie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2 Feuxen milieuonné-ventilé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3 Eetde laventilation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4 Eetthermique externe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.5 Etudede l'inuene d'éhelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.6 Phénomènede l'extintionde la amme . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.7 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2 Détermination du débit massique de ombustible 40 2.1 Synthèse des approhes existantes pour déterminer le débit mas- siquede ombustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2 Développement d'une formulationanalytique . . . . . . . . . . . . . 55
3 Simulation ave le ode ISIS 68 3.1 Présentation du ode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2 Desriptiondes dispositifsexpérimentauxétudiés . . . . . . . . . . 69
3.3 Simulations non-préditives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.4 Simulations préditives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.5 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4 Etude expérimentale 84 4.1 Essais expérimentaux àéhelle réduite . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2 Etudesdes phénomènesliésà un feu dans un loalonné . . . . . 95
4.4 Résultatspour une uve d'heptane de 30 m . . . . . . . . . . . . . 107
4.5 Résultatspour une uve d'heptane de 26 m . . . . . . . . . . . . . 117
4.6 Phénomène d'extintion de la amme . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.7 Comportement du panahe thermiquedans le loal . . . . . . . . . 126
4.8 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5 Validation de l'approhe théorique 130 5.1 Reprodutiondes essais à éhelle réduite . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.2 Synthèse des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.3 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Conlusion 145 Appendies 151 A Modèles physiques ave ISIS 152 A.1 Modèle de ombustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
A.2 Modèle de transfertradiatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
B Spéiation de la orrélation de Peatross et Beyler 155
C Calulde la orretion apportée à la mesure du ux radiatif dans
la uve de ombustible 157
Bibliographie 160
˙
m′′∞ débit massique surfaique pour une nappe de taille innie
(kg/m
2
/s)
˙
m′′F débit massique surfaique de ombustible(kg/m2/s)
˙
ma débit massique d'air (kg/s)
Q˙ débit alorique(W)
˙
qe,r′′ ux thermiqueradiatifexterne (W/m2)
˙
qf,c′′ ux thermiqueonvetifissu de la amme(W/m2)
˙
qf,r′′ ux thermiqueradiatifissu de laamme (W/m2)
˙
qs,r′′ ux ré-rayonné par la nappe de ombustible (W/m2)
˙
qf′′ ux thermiquede laamme (W/m2)
˙
qL′′ uxdehaleurperduàtraverslasurfaeduombustible(W/m2) Q˙r puissane radiative de laamme (W)
Af surfae horizontale du feu (m
2
)
B nombre de transfertde masse
cp haleur spéique à une pressiononstante (J/kg/K)
D diamètre de uve (m)
E énergie d'ativation (J/mol)
Fg, Fw fateurs de forme liés à la onguration gaz-surfae et mur-
surfae
fv fration volumiquede suie
g aélération due à lagravité (m/s2)
Gr nombre de Grashof
H hauteur de la surfae du ombustible (m)
h hauteur de la amme(m)
hc oeient de transfert de haleur par onvetion (W/m2
/K)
hg hauteur de la ouhe de fumée (m)
K oeient d'extintion de lanappe (m
−1
)
k ondutivité thermiquedu gaz (W/m/K)
Kr fateur omprenant la onstante de Stefan-Boltzmann et le fateurdeformeliéàlaongurationamme-surfae(W/K
4
)
Kcond onstante qui omprend les diérents termes liés autransfert
ondutif(W/m/K)
L longueur aratéristique(m)
Lm haleur de gaséiation modiée(J/kg)
Lv haleur de gaséiation (J/kg)
Lλ luminanedu rayonnement inident (W/m
2
/sr)
Nu nombre de Nusselt
O2 onentrationen oxygène (%)
P r nombre de Prandtl
T∞ température des gaz auvoisinage du foyer (K)
Ta température ambiante (K)
Tf température de laamme (K)
Tg température des gaz dans le loal(K)
Tp température des parois (K)
Ts température de surfae de ombustible (K)
Vf volume de la amme(m3
)
YO2,∞ fration massiqued'oxygène auvoisinagedu foyer
Greek
β oeient de dilatation(1/K)
χ rendement de la ombustion
χr fration d'énergieradiativedégagée par laammevers lasur-
fae de ombustible
∆Hc haleur de ombustion par unité de masse de ombustible
(J/kg)
∆Hox haleur de ombustion par unité de masse d'oxygène (J/kg)
∆hvap haleur de vaporisation(J/kg)
κ oeient d'extintion (m
−1
)
µ visosité dynamique (kg/m/s)
νg visosité inématique (m2
/s)
ρf masse volumique (kg/m3
)
σ onstante de Stefan-Boltzmann (W/m
2
/K
4
)
ε émissivité
ϕ fateur de vue
Subsripts
∞ ambiante
21 onditions normalesde ventilation
r ritique
F ombustible
f amme
g gaz
p parois
s surfae du ombustible
1 Test D1(essaisPRISME-Soure[1℄). Extintionpar défautdeom-
bustible. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1 Illustration des proessus de transfert de masse et de haleur à la
surfae d'une nappe de ombustible[2℄. . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2 Phases d'un feu en milieu onné-ventilé. . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3 Evolutionde lafrationmassique desuies en fontionde laonen-
trationen oxygène [3℄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.4 Rayonnementexterneappliquéauxsurfaesduombustibleoupée
etnon oupée par laamme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5 Evolutionde lavitessede ombustionen fontiondudiamètre pour
diérents produits [4℄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.6 Débitmassique dégagé sous une ventilationenrihie en oxygène [5℄. 34
1.7 Conentration en oxygène en fontion de la température pour le
polystyrène [6℄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.8 Débitmassique ritique à l'extintion[6℄. . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.9 Débitmassique ritique du ombustibleen fontionde la tempéra-
ture des gaz [6℄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.10 Diagrammed'inammabilitépour uneammede diusion,en fon-
tion des propriétés de l'air alimentant la amme YO2,∞ et TO2,∞
[7℄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1 DébitmassiquesurfaiquedePMMAetdepolyuréthaneenfontion
de la onentration en oxygène etdu uxradiatifexterne [8℄. . . . . 43
2.2 Evolution du débit massique de ombustion normalisé en fontion
de la onentration en oxygène[9 ℄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3 Variationdu débitmassiquede ombustionen fontiondu degréde
ventilation [10℄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4 Evolutiondudébitmassiquedeombustionenfontiondelaonen-
trationen oxygène [10℄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5 Modèle deouhe limitepourdéterminerlaperte demasse deom-
bustible[11℄.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.7 ComparaisondelaorrélationdePeatrossetBeyleravelesdonnées
du PRISME-Leak [13℄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.8 Débit massique surfaique en fontion du diamètre pour de feux
d'heptane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.9 Eetdelaonentration en oxygène sur ledébitmassiquenormalisé. 65
2.10 Eet de la onentration en oxygène sur les ux thermiques issus
de laamme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.1 Exempled'unesimulationave ISIS d'unfeu dans unloalonné-
ventilé. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2 Loalde 120 m
3
utilisé lorsdu programmePRISME. . . . . . . . . 70
3.3 Variationdelaonentrationen oxygène auvoisinagedufoyer[1,12℄. 72
3.4 Variation de lapression dans leloal[1,12℄. . . . . . . . . . . . . . 73
3.5 Variation de latempératuredes gaz dans leloal[1,12℄. . . . . . . 74
3.6 Comparaisonentre les résultatsexpérimentauxdu test PRS-D1 [1,
12℄ etnumériques obtenus en utilisantlaorrélation de Peatrosset
Beyler[14℄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.7 Comparaisonentre les résultatsexpérimentauxdu test PRS-D1 [1,
12℄ etnumériques obtenus en utilisantla formulationthéorique. . . 77
3.8 Comparaison entre les résultats expérimentaux du test PRS-LK2
[13℄ etnumériques obtenus en utilisantla formulationthéorique. . . 78
3.9 Flux thermiques issus de laamme,Test PRS-D1[1, 12℄. . . . . . 79
3.10 Demi-vue shématique du dispositif expérimental à éhelle réduite
[15℄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.11 Comparaisonentrelesrésultatsexpérimentauxd'Utiskul[15℄ etnu-
mériquesobtenusen utilisantlaformulationthéorique.Variationdu
débitmassique de ombustible. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.12 Comparaisonentrelesrésultatsexpérimentauxd'Utiskul[15℄ etnu-
mériquesobtenusenutilisantlaformulationthéorique.Variationde
laonentration en oxygène. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.13 Comparaisonentrelesrésultatsexpérimentauxd'Utiskul[15℄ etnu-
mériquesobtenusen utilisantlaformulationthéorique.Variationdu
débitde ventilation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.1 Shéma du aissonà éhelle réduite ausein de l'institut PPRIME . 89
4.2 Plaque métalliquepositionnée en faede lagaine d'admission d'air. 90
4.3 Shéma du réseau de ventilation et des points de mesure (vue de
dessus) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4 Shéma delauve pour lesmesures de uxrayonnésàlasurfaede
ombustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
