HAL Id: jpa-00246100
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Submitted on 1 Jan 1989
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Propagation de la combustion sur un réseau hétérogène bidimensionnel
Jean Nahmias, Hervé Téphany, E. Guyon
To cite this version:
Jean Nahmias, Hervé Téphany, E. Guyon. Propagation de la combustion sur un réseau hétérogène
bidimensionnel. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1989, 24 (7),
pp.773-777. �10.1051/rphysap:01989002407077300�. �jpa-00246100�
773
Propagation de la combustion sur un réseau hétérogène bidimensionnel
Jean
Nahmias (1),
HervéTéphany (2)
et E.Guyon (3)
(1)
Consultant enmécanique
desfluides, Chargé d’enseignement
à l’Université ParisSud,
14 rue du St.Gothard,
75014Paris,
France(2)
36 rueCarnot,
92370Chaville,
France(3) E.S.P.C.I.,
U.A. 857 duCNRS,
10 rueVauquelin,
75231 Paris Cedex05,
France(Reçu
le 5janvier 1989, accepté
le 29 mars1989)
Résumé. 2014 Nous avons construit un modèle sur réseau
carré, comportant
des sites combustibles et noncombustibles aléatoirement distribués en
pourcentages
variables(q
étant la fraction des éléments noncombustibles),
afin d’étudier l’influence de cette distribution sur lapropagation
du feu. En absence de vent, lapropagation
estcompatible
avec un modèle depercolation
d’invasion sur un réseau carré de sites avecinteraction de
premier plus proche
voisin conduisant à un seuil peu différent de la valeurthéorique
qc
= 0,41.
Le seuil estplus grand quand
le vent souffle sur le modèle. La valeur maximale du seuil obtenue est qc= 0,65.
L’observation de l’état final du modèlepermet
dedégager
les caractèresdirigé,
non local et corréléde la
contagion.
Abstract. 2014 We have built a square network model
containing
combustible and non combustible blocksrandomly distributed,
with a variable concentration(q
is the fraction of non combustibleelements)
in order tostudy
the effect of randomness on thepropagation
of fire. In the absence ofwind,
thepropagation
is consistent with a model of invasionpercolation
on a square site lattice with nearestneighbour
interactionleading
to athreshold not far from the theoretical value qc ~ 0.39. The threshold is
larger
when wind blows on model. Thelargest
threshold value obtained was qc = 0.65. The observation of the final state of the modelpermits
tobring
out the
directed,
non-local and correlated characters of thecontagion.
Revue
Phys. Appl.
24(1989)
773-777 JUILLET1989,
Classification
Physics
Abstracts44.00 - 05.50
Divers
modèlesnumériques de simulation
de lapropagation des
feux ont étédéveloppés
enrelation
avec la
prévention
desincendies [1]. Dans le
casdes
incendies de forêt,
cesmodèles utilisent
unmaillage
discret
de la zonecombustible
enattribuant
àchaque
maille desparamètres
liés à latopographie locale, les qualités de combustion
de lavégétation
enplus
deparamètres plus globaux tels que
le vent oul’humidité.
Lescalculs décrivent alors
unecontagion
du
feu
deproche
enproche et,
convenablementajustés, conduisent
à unedynamique
defront
en bonaccord avec les
données
réelles enparticulier
dans lecas
de
zonesforestières étendues
et assezhomogè-
nes.
Des expériences
modèlesutilisant des
litsrégu-
liers
departicules
ont été aussiconduites dans
destunnels aérodynamiques [2]
etconduisent générale-
ment à des
profils réguliers
defront.
Al’opposé,
dans le cas de zones où la
végétation
etles
conditionsgéographiques
sont trèshétérogènes, l’utilisation
d’une approche
dutype percolation, peut
semblerintéressante [3].
Defait, différents modèles faisant
explicitement référence
à lapropagation
desincen-
dies
ont étéformulés. Une première approche [4]
avait
utilisé un réseau carré deliens
danslequel les arbres, supposés isolés les
unsdes
autres commedans un
verger, occupent les
noeudsdu
réseau.La probabilité
pourque le feu
« saute »d’un arbre
à unautre est une
fonction rapidement décroissante de
la distance desarbres
entre eux,ainsi que
devariables, caractéristiques de
la nature desespèces végétales
etdes
conditions extérieures locales.
Un telmécanisme de transfert peut
êtrerapproché
dutransport
par sautactivé des
électrons dans lessemiconducteurs désordonnés [5].
Il est deplus possible d’introduire
dans ce modèle deseffets de corrélation
entre sites[6]. Récemment plusieurs modèles basés
sur lesnotions
depercolation [7]
ont étédéveloppés. Citons
les travaux de
Grassberger [8], repris par McKay
etArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:01989002407077300
774
Jan
[9],
ainsique
ceux de Albinet etal. [10].
Cesmodèles
permettent
deprendre
encompte
ladyna- mique
de lapropagation
dufeu,
enintroduisant
des durées decombustion
des arbres et des duréesd’échauffement
des arbres voisins. Dans[9],
ils’agit
d’un modèle de
percolation
de liens etdans [10]
d’une percolation
de sites. Dans ce dernier cas, on aenvisagé des
interactions de sitespossibles
au-delàdu premier plus proche voisin. Sur
le mêmetype
demodèle
unetentative d’introduction de l’influence
du vent a été effectuée[11].
A notre
connaissance, cependant,
cesmodèles
n’ont pas
fait l’objet de comparaison
avecdes
situations réelles
oumodèles.
Dans cette note nousprésentons
unesimulation expérimentale directe
dela
propagation d’un feu,
en absence ou enprésence
de vent, dégageant des caractéristiques de la percola-
tion
etsuggérant
la nécessité demodèles plus
élaborés.
Le modèle
physique
utilisé sedivise
en trois zones(Fig. 1).
Lapremière (zone 1)
estuniquement
consti-tuée de
combustible. Elle
estsuivie
d’unedeuxième
zone
dans laquelle
sontdistribués aléatoirement des
élémentscombustibles
et noncombustibles
de forme carrée. Une troisième zone entièrement combusti-ble,
situéeaprès
la zone2, permet
dedétecter,
si elles’enflamme,
le passagedu feu
à travers la zone 2.Les éléments
combustibles
et noncombustibles
sont despavés
carrés dedimensions de
15 mm x 15 mmet 3 mm
d’épaisseur.
Les zones1,
2 et 3 ontpour
longueur
525 mm etlargeurs respectives
75 mm, 300 mm,30
mm(c’est-à-dire 35
éléments selon lalongueur
etrespectivement 5, 20
et 2éléments selon
lalargeur).
La zone 2comporte
donc 700sites,
nombre
acceptable
euégard
aux effets detaille des réseaux, qui doivent
êtrepris
encompte
dansl’application
de la théorie. Lecombustible,
àbase
desciure de bois et de
paraffine fortement compactées,
a été débité dans des
petits
blocs. Le noncombusti-
ble est taillé
dans
desplaques
defibrociment
dequalité
courante.L’épaisseur
de 3 mm aété
retenuepour réaliser un
compromis
entre lafacilité
defabrication
despetits carrés,
le caractère 2Ddu
modèle et lahauteur
desflammes,
car celle-ci croîtrapidement
avecl’épaisseur
du combustible. Lerapport
hauteur deflamme/épaisseur
ducombustible
a une valeur de
l’ordre
de30
pour lefoyer
de lazone 1
pleinement développé.
Deux
séries d’expériences
ont étéeffectuées,
sanset avec vent. Lors
de
cesexpériences
lamise
à feus’effectue simultanément
sur toute lapremière ligne
de la zone 1.
Sans
vent nous laissons le feu sepropager
surle
réseaujusqu’à l’extinction.
Lespourcentages indiqués
par lasuite
pour caractériser ladistribution des
sites dansla
zone 2 sontdéfinis
comme le
rapport
qdu nombre de
sites noncombusti- bles
aunombre de
sitestotal.
1)
Sansvent,
la «contamination
» des sites se faituniquement
par lespremiers plus proches
voisins.Les
expériences
montrentque,
pour despourcenta-
gesd’éléments
noncombustibles q(0 Z q % 1)
stric-tement
supérieurs
à0,45,
lefeu
ne traversepas
lazone 2. Les
flammes progressent
àpartir de
lazone 1
dans
les -amas ïtecombustible qui
leur sontofferts
ets’arrêtent
enl’absence d’amas combustible
«
infini » (en percolation
on utiliseabusivement
l’expression
amas « infini » pourindiquer
l’amasqui
relie les faces
opposées
d’un réseau detaille
finie au-Fig.
1.775
delà du seuil de percolation, c’est-à-dire pour
qqc).
Pour cetteconfiguration de
réseau(réseau
carré de
sites
avecinteractions possibles uniquement
entre
les premiers plus proches voisins), le seuil théorique de percolation
est del’ordre
deqc = 0,41.
Les dixexpériences faites au-dessous
de cepourcentage confirment
toutesque
lefeu
traversecomplètement la
zone 2 etenflamme la
zone3.
Pour q =0,45, c’est-à-dire
nonloin du seuil théorique,
lefeu
traverse ou non la zone2 selon que celle-ci comporte
oupas
un amas «infini
»,qui
connecteles
zones 1 et 3
(voir
sur laphoto
1 un cas detirage
oùle
feu
ne traverse pas la zone2).
Pour
cettecatégorie d’expériences
lemodèle
depercolation d’invasion, introduit
enpremier
pourdécrire le drainage quasistatique
d’unmilieu
poreux par unfluide
nonmouillant [12], décrit donc bien
latransition propagation/non-propagation du feu
àtravers une zone de
largeur donnée. Une expérience
sur un réseau
hexagonal
desites triangulaires
apermis de
retrouver cesmêmes résultats
autourde la
valeurdifférente du seuil
de ce réseau(q
=0,35
avec qc =
0,30).
2)
Avantd’étudier l’effet du vent,
cettefois
uniquement
sur réseaucarré,
nous avonsdéterminé la vitesse du
courantd’air
à créer surle banc
expérimental, qui conduisait
auxvitesses de propaga- tion
de laflamme
lesplus élevées
surle combustible
déjà utilisé
pour le réseau carréprécédent. Ce
courant d’air est
produit par
unesoufflerie construite
spécialement
dontle jet horizontal
à lasortie,
estde 80 cm
x 2 cm. Lavitesse peut être considérée
comme
quasi-uniforme
sur toutel’étendue du modèle.
Lamise
àfeu s’effectue
dela
mêmefaçon
que
pourles expériences
sans vent. Lasoufflerie
estmise
en routeuniquement lorsque le feu atteint la troisième ligne
dela
zone 1. Nouslaissons
ensuitele
feu
sepropager jusqu’à extinction.
Pour une
vitesse
de0,8 m.s-1
nous avons mis enévidence
que,
pourdes pourcentages supérieurs
àq =
0,65
lefeu
ne traverse pasla
zone 2(voir photo 2). Pour
despourcentages inférieurs (0,63 ; 0,60 ; 0,55),
lefeu
traversetoujours
la zone 2.L’effet
du ventapparaît clairement
sur lesphotos
3et
4,
pour une mêmedistribution à q
=0,60.
Lasensibilité
à la vitesse du courantd’air qui
nous aconduit
auchoix
de0,8 m.s-1,
aété plus particuliè-
rement
étudiée
sur unerépartition à q
=0,63.
Pourdes
vitesses comprises
entre0,8
et1,0 m-s-1 le feu atteint
la zone3.
Pourdes vitesses inférieures
à0,8 m.s-1
ousupérieures
à1,0 m.s-1
lefeu
s’arrêteà
l’intérieur
de la zone2.
Ilserait intéressant
dedéterminer
dans untravail ultérieur
lavariation
non monotonedu seuil
depercolation
enfonction
dela
vitesse du vent
ainsi que le mécanisme local
depropagation de
lacombustion par la flamme.
Les
études
enprésence de
ventappellent plusieurs
remarques susceptibles
deguider
uneanalyse théori-
que ultérieure. On
se trouveévidemment dans
un casde transport dirigé [13].
Lapercolation dirigée
afait l’objet de nombreuses études
et sescaractéristi- ques critiques, différentes
decelles de la percolation usuelle,
sontbien
connues.Par
ailleurs la propagation
ne sefait plus
entreplus proches voisins mais dans certains
cas entredeux sites distants de 3 mailles suggérant
une corres-pondance
avecle transport activé dans des conduc-
teursmentionné plus haut. Il
estainsi possible de
décrire
uneprobabilité continue de
sauterd’un site
àun autre
fonction
dela séparation,
del’orientation des sites
parrapport
auvent, voire d’un paramètre équivalent
à ladifférence d’énergie
entre lesniveaux électroniques qui pourraient traduire des effets
decombustion plus facile
si ladénivelée
entre lesite
dedépart
etd’arrivée
est nulle oupositive.
Le problème
de lapropagation
encombustion
est donc à lafois corrélé,
nonlocal
etdirigé.
Lefait que
nous n’avons
qu’une observation de
l’étatfinal du
système,
nepermet
pasd’isoler
lacontribution
respective de
chacunde
ces caractères. Lecaractère
dirigé apparaît dans
lesrégions
notées A sur lesphotos
2 et 4.Le caractère
nonlocal, correspondant
à la
situation de
sautactivé dans
lessemiconducteurs désordonnés,
estconstaté
à lacomparaison des photos 3
et 4où,
enprésence de vent,
des amasde
combustible
nonconnectés
entrentquand même
encombustion. Cette contagion
àdistance
estd’autant plus facile que l’amas contagieux
estgrand
etdonc
constitue
unfoyer important (dans
lesrégions
Bde
la
photo
4la taille de
l’amascombustible
amontpermet la contagion
àdistance alors que dans
lesrégions C de la photo
2 lefeu
ne sepropage pas du fait
de lataille réduite
des amascombustibles
enamont). Ce résultat suggère
unecorrespondance
avec les
modèles de percolation corrélée
où laprobabilité d’occupation
d’unsite
estfonction de celle des sites voisins [14]. Peut-être
defaçon plus précise,
unmodèle de percolation
de «bootstrap
»conduisant
pour uneprobabilité donnée
à unetransition
brutalede percolation (et
nonplus conti- nue), serait appropriée [15].
Dans ce modèle onpart d’une probabilité p (= 1 - q)
de sitesoccupés.
Ensuite
tous les sitesqui
n’ontpas n proches voisins (n = 1, 2, 3...)
sont rendusinoccupés.
Le processus estitéré jusqu’à
cequ’il
enrésulte
uneconfiguration
où
chaque site
a nvoisins occupés.
Ilrésulte
de cetteloi
unevariation
duseuil
parrapport
à lapercolation
usuelle ainsi que, de façon plus importante, du comportement critique.
Enparticulier pour
n k 3 latransition
est dupremier ordre
enconcentration.
L’hystérésis résultant
n’estpas
sansanalogue dans
les
problèmes
depropagation
desfeux.
Il
peut
êtreintéressant
à ceniveau de
faire nettement ladistinction
entre leseffets dus
à ladirectivité
etcelui de corrélation (illustré
par le modèle «bootstrap ») qui,
tousdeux, participent
auPhoto 1.
q =
0,45
v =O
Photo 3.
v=0
Photo 2.
q = 0,65
v =
0,8 m. s-1
Photo 4.
s ;
q = 0,60
v =
0,8
m.s-1
Photos 1-4. - q est le
rapport
du nombre d’éléments non combustibles au nombre de sites total. Les éléments non combustiblesapparaissent
enplus
clair sur lesphotos,
les éléments combustibles non brûléslégèrement
foncés et leséléments combustibles brûlés noirs. v est la vitesse du vent
(du
bas vers le haut desphotos).
Lesquatre photos représentent
l’état finalaprès
combustion du modèle pour des valeurs différentes de la vitesse du vent et du pourcentage q. Sur toutes lesphotos,
les éléments non combustibles recouverts de suie au terme desexpériences (et
donc difficiles àdistinguer
des élémentsbrûlés),
ont été retournés pour des raisons de clarté. Laphoto
1correspond
à une « invasion »de la combustion en dessous du seuil de
percolation théorique
pour un réseau de sites carré avec interaction entreproches
voisins. Laphoto
2correspond
à unpourcentage
de sites non combustiblesjuste supérieur
à la valeur de la concentrationcritique
pour un vent de0,8
m.s-1. Lacontagion
ne se faitplus
seulement entreproches
voisins. Lesphotos
3 et 4correspondent
au mêmetirage
avec uneconcentration q
=0,60
en l’absence(3)
et enprésence (4)
d’unvent de
0,8
m,s-1. Sur lesphotos
2 et 4 lesrégions
notées A montrent que lacontagion
est rendue difficile dans la directionperpendiculaire
à celle du vent. Dans tous les cas où les zones brûlées ont des brasdirigés
versl’amont,
ceux-ciont été brûlés du bas vers le haut. Sur la
photo
2 lesrégions
notées C et sur laphoto
4 celles notées B montrent les caractères non local et corrélé de lacontagion.
En B l’amas amont,large, permet l’allumage
de l’amas avalmalgré
les2 sites non combustibles
d’écart,
alorsqu’en
C avec un seul site d’écart mais avec unplus petit
amas en amontl’allumage
ne se fait pas.
[q
is the fraction of non combustible elements. The non combustible elements appear in mostlight
on thepictures,
theunbumt combustible elements appear
lightly
dark and the burnt ones are black. v is thevelocity
of the wind(from
bottom to the
top
of thepictures).
The fourpictures
represent the final state of the model aftercombustion,
for different values of the windvelocity
and fraction values q. On all thepictures,
the non combustibleelements,
covered with soot after theexperiments and, therefore,
difficult todistinguish
from the bumtelements,
were turnedupside-down
forclarity.
Picture 1 shows an « invasion » of the combustion below the theoretical sitepercolation
threshold for a square lattice with nearestneighbour
interaction. Picture 2corresponds
to afraction q just
above the critical value for a wind of0,8
m.s-1. Thecontagion
does not takeplace only
between nearestneighbours.
Pictures 3 and 4correspond
to the sameconfiguration for q
= 0.6 in the absence(3)
and in the presence(4)
of wind. Inpictures
2 and4,
theregions
marked Ashow that the
contagion
is made difficult in the directionperpendicular
to the direction of the wind. In all cases where burnt zones haveupstream
arms, the latter were burnt from bottom totop.
Inpicture 2,
theregions
marked C and onpicture
4 those markedB,
show the non local and correlated characters of thecontagion.
InB,
the upper cluster allows thelighting
of the lowercluster,
inspite
of the non combustible 2 site gap, while in C with asingle
site gap, thelighting
does not
occur.] ]
777
processus de
propagation
dufeu,
et ceux dus à deseffets localement corrélés
ou encore à des effets nonlocaux (propagation
auxseconds, troisièmes,
...proches voisins).
Lesseconds problèmes
entraînentune modification
des seuils critiques mais,
en aucunefaçon,
nechangent
laclasse d’universalité
du pro-blème.
Par contre laprésence
oul’absence
despremières propriétés
setraduisent
par desmodifica- tions
desexposants critiques, éventuellement même
pardes changements d’ordre de transition.
Un
modèle numérique prenant
encompte
à lafois
leseffets
dedirection,
debootstrap
et lanon-localité peut
être aisémentformulé et,
àpart
pour leseffets
denon-localité, peut
seprêter
àdes calculs d’auto-
mates cellulaires.Notons que ces
approches,
ainsique
nosexpérien-
ces
dans lesquelles
la combustion desbriquettes
sefait sur un
temps suffisamment long,
neprésentent
pas de
caractéristique critique dynamique.
La situa-tion serait très
différente
dans le casoù,
parexemple,
les
briquettes seraient
de trèsfaible épaisseur
et où ilserait nécessaire de tenir
compte de
la simultanéitéde
combustion de sites dans
unmodèle de percola-
tion
corrélée
commedans
le modèle de[9].
Ce
travailfait partie d’un projet plus long
derecherche appliquée (mené
par J.N.)
sur lapropaga- tion des incendies.
Desexpériences
àéchelle
inter-médiaire (lits
de fibre de bois de 2 m x3 m)
ainsiqu’un programme
sursite
réel(800 m2)
ont étéconduites.
Leuranalyse
etinterprétation
sont encours.
Remerciements.
Ce travail
a pu êtreréalisé grâce
au soutien financier de la sociétéCerberus-Guinard, 78530 Buc,
France.Nous
voudrions
remercierplus particulièrement
sondirecteur
général
R.Fondraz
et son directeurscienti- fique
J.Duboys
pour l’intérêtqu’ils
ontporté
à cestravaux.
Nous remercions
également S. Roux,
pour ses nombreux conseils etcritiques
ainsique
leprofesseur
J. Pantaloni pour les
échanges
d’information sur les incendiesde
forêt.Bibliographie
[1]
ROTHERMEL R.C.,
USDA Forest Service Res.Paper
Int. 115(1972) ;
ALBINI F.
A.,
Forest andRange Expt. Station ;
U.S.dept.
ofAgriculture (1976).
Ces deuxexemples
font
partie
d’une série de travaux faits enparticu-
lier autour du U.S. fire
department
et dedépar-
tements
analogues
au Canada et en Australie.Ces
modèles,
construits en utilisant les éléments de latopographie locale,
de la nature du sol et dela
végétation, conduisent,
en fonction des condi- tionsmétéorologiques
à un instantdonné,
à desprévisions
de lapropagation
des incendies de forêt. Ils sont utilisés actuellement en situation réelle.[2]
LEE S. L. et HELLMAN J.M.,
Adv. HeatTransfer
10(1974) 219 ;
LEE S. L. et EMMONS H.
W.,
J. Fl. Mech. 11(1961)
353.
[3] L’exemple
d’un vaste incendie autour de Calvi enjuillet 1977, remplissant
bien cesconditions,
a faitl’objet
d’uneanalyse
nonpubliée (E.
Guyon).
A cause de lagrande hétérogénéité
durelief et de la
végétation,
lapropagation
dufeu, qui
s’estpoursuivi
surplusieurs jours,
a suivi uncontour
irrégulier
avec aussi unrythme irrégu- lier,
fonction deshétérogénéités
locales. Cette situation est tout à fait àl’opposé
desexpériences
voulues
(projet Flambeau)
ou subies sur lecontinent américain sur de vastes étendues fores- tières
[1].
[4]
GUYONE.,
Vieacadémique
C.R.A.S.(1982)
p.27 ;
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de réseaux(Editions
duCNRS) 1986, p.115.
[5]
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semiconductors(Springer-Verlag) 1984, Chaps. 8
et 9.[6]
FRIEDMAN L. et POLLAKM.,
Philos.Mag.
B 38(1978)
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