Annonce déposée le 07 juin 2016
Titre : Evolution morphologique de protection thermique
Nom de la personne de contact : Khaled CHETEHOUNA
Courriel de la personne de contact : khaled.chetehouna@insa-cvl.fr
Durée : 3 ans
Début envisagé pour : Début 2017
Descriptif – Depuis les cinq dernières décennies, les matériaux composites thermostructuraux (à base de carbone et autres) et les protections thermiques se sont répandus dans de nombreuses applications à haute température, rencontrant de grandes contraintes comme la tenue thermique, le comportement mécanique, la dégradation chimique ou encore les émissions gazeuses. Des applications comme le vol à grande vitesse, les systèmes de rentrée atmosphérique et l’aéronautique de manière générale sont des défis technologiques et ils nécessitent des études et des outils scientifiques dédiés. En effet, la compréhension fine des phénomènes physico-chimiques associés est à même de générer des impacts positifs tels que la réduction du coût et du poids ou l’augmentation de la durée de vie des matériaux… Derrière cette catégorie de matériaux, certains sont plus prometteurs à condition que la connaissance appropriée puisse être mise à disposition à un prix abordable (temps et coût technologique). La présente offre de thèse CIFRE entre l’entreprise MBDA et l’équipe P2CF (Pyrolyse, Perméation, Combustion et Feux) du Laboratoire PRISME au sein de l’INSA Centre Val de Loire est proposée afin de renforcer le lien entre les attentes opérationnelles et les connaissances scientifiques. Après un état de l’art sur les protections thermiques ablatives, les matériaux CMC (Composites à Matrice Céramique), pour applications rentrée atmosphérique ou propulsion, le(a) doctorant(e) aura comme objectif de réaliser une étude comparative des outils numériques existants et de développer un code de calcul simple, multiphysique, pour répondre aux besoins industriels. Cet outil numérique doit être capable de reproduire et de prédire le comportement morphologique des matériaux étudiés et permettra de créer des corrélations macroscopiques prenant en compte des échelles plus fines si nécessaires. Les phénomènes couplés de transfert de chaleur et de masse, la chimie (combustion, pyrolyse), l’évolution de la porosité et de la perméabilité, et les contraintes mécaniques seront étudiées en fonction du temps pour pouvoir examiner certains cas test de fonctionnement (similaires à des configurations de véhicules de rentrée atmosphérique, ou de type banc moteur, aérobie ou fusée). Des expériences devront être développées et utilisées pour générer les données expérimentales nécessaires à la validation des résultats numériques. Pour réaliser ces expériences, le(a) candidat(e) s’appuiera sur le banc d’essai incendie (brûleur NexGen) de l’équipe P2CF tout en apportant des améliorations par l’ajout des équipements supplémentaires et le développement de nouvelles métrologies.
Afin de quantifier les avantages du code de calcul développé dans le cadre de cette thèse, une configuration opérationnelle représentative d’un système intégré proposée par l’entreprise MBDA sera simulée numériquement. Deux matériaux génériques seront étudiés durant la thèse : un matériau de référence et un matériau plus proche d’une application industrielle fourni par MBDA. Des questions comme les suivantes doivent être abordées au cours de ce travail. Si on considère l’exemple de la protection thermique, les contraintes thermiques appliquées au matériau sont-elles bien modélisées dans l’outil numérique en terme d’impact sur la dégradation (taux de régression) sous un régime d’écoulement très rapide ? Ou encore, quels sont les paramètres opératoires acceptables pour garantir qu’un matériau composite donné est capable de supporter une charge (thermique ou mécanique) pendant un laps de temps donné sans diminution majeure de ses propriétés physiques ? Enfin, peut-on établir une relation entre une caractéristique physique mesurable en process du matériau et la performance thermo érosive prédite en modèle, corrélée en essais ? Plan d’expériences, matrice de tests, quantification des effets des paramètres d’étude et hiérarchisation des phénomènes physico-chimiques sont généralement des points clés au cours des travaux scientifiques ou d’ingénierie. Pour ce travail de thèse, l’optimisation du temps/coût de calcul sera considérée comme objectif afin d’identifier les meilleures solutions dans un cadre purement opérationnel.
Profil recherché : Ingénieur ou Master recherche avec de bons résultats académiques. Forte expérience de programmation avec de très bonnes connaissances dans le domaine des matériaux, de la cinétique chimique (combustion, incendie) et des transferts de chaleur et de masse. Le(a) candidat(e) doit montrer des qualités comme la rigueur, l’ouverture d’esprit, la méthodologie, la flexibilité, une grande capacité de travail, l’analyse et de l’esprit de synthèse. Elle/Il doit être capable de travailler de façon autonome en tenant compte des suggestions de l’équipe dans laquelle il sera intégré.
Annonce déposée le 21 mars 2016
Titre : Maîtrise de la ventilation transversale des tunnels comme outil de sécurité et sûreté
Nom de la personne de contact : SALIZZONI Pietro
Courriel de la personne de contact : pietro.salizzoni@ec-lyon.fr
Durée : 3 ans
Début envisagé pour : Octobre 2016
Descriptif – La problématique des incendies dans les tunnels est aujourd’hui une des préoccupations majeures des pouvoirs publics en matière de risques, en raison des conséquences de tels accidents sur les vies humaines, les infrastructures et l’activité économique. L’objectif de ce projet de recherche est d’étudier les processus physiques qui règlent le comportement des fumées en cas d’incendie, afin de dégager des propositions pour améliorer la sécurité dans les tunnels. L’étude aura pour objet de déterminer le comportement des fumées – qui peuvent transporter des gaz toxiques ou gêner l’évacuation des personnes et l’intervention des secours – et leur interaction avec la ventilation du tunnel. Ces recherches seront menées au moyen d’expérimentations sur une maquette de tunnel à échelle réduite et de simulations numériques.
Objectifs de l’étude – Cette étude vise à clarifier le rôle des processus physiques régissant la propagation des fumées chaudes dans un tunnel ventilé transversalement. En particulier, on focalisera notre attention sur les aspects suivants :
a) Évaluer la dépendance du débit de confinement, défini comme le débit d’extraction imposée aux trappes de désenfumage permettant de confiner les fumées émis par le foyer dans la région comprise entre deux trappes, des conditions imposées au foyer et de la pente du tunnel
b) Évaluer la stabilité de la stratification thermique au sein du tunnel en fonction des débits extrait aux trappes, les conditions à la source et la pente du tunnel
c) Identifier les conditions qui induisent l’apparition du phénomène de poinçonnement en proximité des trappes.
Ces problématiques nous amènent également à aborder des questions ouvertes concernant la dynamique des écoulements flottants caractérisés par des fortes différences de densité, conditions qualifiées dans la littérature de « non-Boussinesq ». Pour aborder ces problèmes, on utilisera deux moyens d’étude : une installation expérimentale et des simulations numériques. L’installation expérimentale est situé au LMFA qui peut être utilisée comme maquette réduite aéraulique chaude ou froide, dont le foyer est modélisé par un rejet d’air chaud dans de l’air frais ou d’un mélange d’air et d’hélium dans de d’air frais. L’interprétation des résultats expérimentaux sera complétée avec des simulations RANS, effectuées au CETU, en adoptant un modèle de fermeture k −eps. Ces simulations seront validées grâce aux résultats expérimentaux. Elles permettront ensuite d’obtenir des champs de vitesses, de températures et de flux thermiques plus complets et, de plus, les paramètres extérieurs tels que l’épaisseur ou la nature des parois peuvent être modifiés, ce qui est beaucoup plus fastidieux à réaliser dans les maquettes expérimentales.
Annonce déposée le 21 mars 2016
Titre : Modeling of finite rate chemistry effects in the combustion of solid fuels relevant to fire safety problems
Nom de la personne de contact : ROGAUME Thomas
Courriel de la personne de contact : thomas.rogaume@univ-poitiers.fr
Durée : 3 ans
Début envisagé pour : 01 septembre 2016
Descriptif – Fire safety engineering makes extensive use of CFD-based simulation software, for instance the Fire Dynamics Simulator (FDS) and FireFOAM. CFD-based fire models provide a description of the thermal decomposition of solid fuels, of the turbulent flow, mixing and combustion processes, and the resulting convective and radiative heat transfer that control flame spread and fire growth. In FDS and FireFOAM, the thermal decomposition of solid fuels is typically described using simplified single-step chemistry models and the combustion is described assuming fast equilibrium chemistry. The present project is aimed at bringing more detailed information on solid decomposition chemistry and gas-phase combustion chemistry into CFD-based fire models. Detailed information on chemistry is required for a description of ignition and extinction phenomena as well as a description of soot formation and the emission of toxic products.
The proposed work will take place in a succession of four major phases:
Phase 1 will focus on the combustion chemistry of fuel-air mixtures characterized by different fuels and different fuel-air ratio conditions, ranging from well-ventilated to under-ventilated. The selected fuels will be representative of the pyrolyzate gas produced by thermally-degrading solid materials. The combustion conditions will vary from fast to slow chemistry. A finite rate, detailed chemical kinetic model taken from the literature will be selected and implemented into the CFD fire model FireFOAM. Phase 1 will take place at the University of Maryland during months 1-10 of the PhD project.
The detailed chemical kinetic model selected in phase 1 will then be evaluated by comparison with experiments performed in a controlled atmosphere cone calorimeter. The cone calorimeter will be instrumented with a flame imaging system, thermocouples and gas analysis. The experiments will use wood. The experimental campaign will be aimed at characterizing the gas-phase combustion and emission processes as a function of radiant loading and oxidizer composition. Phase 2 will take place at Institut Pprime during months 11-22 of the PhD project.
The comparison between experimental data and FireFOAM results obtained with a detailed chemical kinetic model performed in phase 2 will then provide the basis for developing a reduced (skeletal) kinetic model adapted to a CFD-based description of combustion of the pyrolyzate gas produced by thermally-degrading wood materials in configurations representative of fire problems. Phase 3 will take place at Institut Pprime during months 23-28 of the PhD project.
In a final phase, the reduced kinetic model will be implemented into FireFOAM and tested. The series of test will focus on the ignition and extinction limits of combustion fueled by thermally-degrading solid materials. Phase 4 will take place at the University of Maryland during months 29-36 of the PhD project.
Annonce déposée le 21 mars 2016
Titre : Modélisation du terme source d’incendie : montée en échelle à partir d’essais de comportement au feu vers l’échelle réelle – approche « modèle », « numérique » et « expérimentale »
Durée : 3 ans
Pour postuler : Site de l’ABG
Date limite de candidature : 17 juin 2016
Descriptif – Le Laboratoire Central de la Préfecture de Police (LCPP) est un organisme scientifique pluridisciplinaire placé sous l’autorité du Préfet de Police qui intervient à Paris et en Petite Couronne sur toutes les questions de sécurité des personnes et des biens, de salubrité et de pollution. Il procède en particulier aux investigations post-incendie à la demande de la justice dans le cadre d’enquêtes préliminaires ou d’expertises. C’est de plus un référent en prévention au travers de ses actions aux divers commissions de sécurité et à la DGSCGC.
La simulation numérique de type CFD est actuellement utilisée par le Laboratoire Central de la Préfecture de Police (LCPP) pour calculer et prédire le développement d’un incendie dans un local ou un bâtiment. Cet outil permet des applications tant dans le domaine de l’expertise post-incendie que dans celui de la prévention, par le biais de l’Ingénierie de la Sécurité Incendie.
La thèse de doctorat de M. Suzanne [SUZANNE, 2009] a permis de mettre en exergue l’intérêt de cette approche au bénéfice des métiers « incendie » du Laboratoire central, et de rédiger les premières méthodes d’application sur la reconstitution de sinistre. Par la suite, la thèse de Mlle Riera [RIERA, 2013] a enrichi le panel de méthodes liées à l’exploitation des dégradations relevées sur site, permettant de comparer des éléments prélevés sur scène d’incendie à des résultats de simulations numériques.
Ces travaux réalisés, l’accent est maintenant porté sur une problématique particulièrement complexe, la définition du terme source. Dans le cadre d’un feu confiné, les sinistres généralement étudiés présentent une phase de contrôle par la ventilation. Dans ce cas, la prédiction du terme source, par exemple à partir d’essais à l’échelle 1, est difficile car elle dépend de nombreux paramètres délicats à prendre en compte avec les outils existants (concentration en oxygène, rayonnement de la flamme et des parois, débit massique induit…). De même, tout changement d’échelle spatiale par rapport aux données disponibles induit des différences de comportement des foyers qui ne sont pas considérées dans les modèles. Ceci est illustré par les deux photographies d’essai ci-dessous où les structures de flammes sont différentes. Ce terme source s’exprime généralement sous la forme d’une production d’énergie (en kW ou MW) ou d’une production de gaz combustibles issus de la pyrolyse. C’est cette dernière représentation qui est envisagée dans la présente étude. À ce jour, de nombreux travaux sont initiés dans la communauté scientifique pour faciliter la détermination de ces termes sources, soit à partir d’approches « matière » (modélisation des phénomènes de dégradation thermique à petite échelle) [LAUTENBERGER, 2009, BATIOT, 2014] soit à partir d’approches « matériaux » (par exemple en extrapolant un essai à l’échelle 10-1 m vers l’échelle réelle) [HERMOUET, 2015].
L’objectif de ces travaux de thèse est de travailler sur l’approche « matériaux », elle-même focalisée sur la perte de masse en phase condensée. La thèse se déroulera au sein du LCPP, avec un suivi académique de Pascal BOULET et Anthony COLLIN. Une période de 6 mois à un an pourra être effectuée à l’Université de Lorraine en fonction du développement des travaux et des besoins expérimentaux. Elle intégrera à la fois des essais en laboratoire (cône calorimètre), des essais à l’échelle 1, la définition de modèles ou l’amélioration de l’existant et, enfin, la réalisation d’outils appliqués permettant l’utilisation des travaux par les ingénieurs chargés de simulations incendie.
Profil des candidats – Master Mécanique des fluides numérique, Énergétique, Écoles d’ingénieurs: Énergétique, Mécanique des fluides numérique, compétences : mécanique des fluides numérique, thermique, programmation (Fortran)
Annonce déposée le 04 février 2016
Titre : Modélisation de la décomposition thermique des matériaux solides
Nom de la personne de contact : ROGAUME Thomas
Courriel de la personne de contact : thomas.rogaume@univ-poitiers.fr
Durée : 3 ans
Début envisagé pour : Septembre 2016
Descriptif – La multiplicité des scénarios d’incendie peut engendrer des conditions de combustion très différentes, impactant fortement l’environnement dans lequel les solides impliqués se décomposent sous l’effet de la chaleur. La décomposition thermique des solides est très dépendante de ces conditions environnantes. De plus, les matériaux solides mis en jeux lors des incendies peuvent être variés d’un point de vue de leurs structure et propriétés physico-chimiques. Ces différences impactent fortement les processus de transferts de masses et de chaleur en phase condensée et donc le processus même de décomposition thermique. Trois processus majeurs impactent la décomposition thermique d’un solide, à savoir : 1) Les processus de transferts thermiques internes et externes au solide. 2) Les processus de transferts de masses internes et externes au solide. 3) Le processus de réaction chimique en phase condensée. Les processus de transferts de chaleur et de masses externes au solide impactent le processus de décomposition thermique des matériaux et peuvent varier fortement en fonction des conditions de combustion en phase gazeuse (ventilation du feu, aéraulique…). Les processus de transfert de masses et de chaleur en phase condensée jouent un rôle également très important sur la dégradation thermique. Les matériaux mis en jeu lors des incendies peuvent être de nature très différente avec des propriétés thermiques et optiques également très différentes, impactant donc les processus de transferts au sein du solide. Les matériaux composites par exemple, qu’ils soient naturels ou synthétiques ont souvent une porosité non nulle permettant les transferts de masse au sein de la matrice solide, ce qui impacte les processus de transfert de chaleur mais aussi le processus de réaction. Enfin, les réactions chimiques sont responsables quant à elles de la décomposition thermique du matériau et pilote le débit de gaz volatils. Ce processus, très dépendant de la température et de la concentration locale des gaz au sein du solide dépend donc fortement des transferts de chaleur et de masses internes et externes au solide. Ces différents processus, mis en jeu lors de la décomposition thermique des matériaux solides, interagissent entre eux et en fonction des conditions dans lesquelles le solide se décompose. Un ou plusieurs de ces processus peuvent piloter plus ou moins le processus global de décomposition thermique. En fonction de ces conditions, 4 grandes classes de décomposition thermique d’un matériau solide peuvent être définies : 1) Le processus de dégradation est contrôlé par les transferts thermiques externes au solide. Lorsque les transferts thermiques en phase condensée sont très rapides, la température du solide peut être considérée comme uniforme. Si cette température est suffisante pour initier la réaction, la zone de réaction s’étant sur toute la profondeur de la particule et la vitesse de réaction est indépendante de la position dans l’espace physique du solide. 2) Le processus est contrôlé par la cinétique. Lorsque la vitesse de transfert de chaleur externe et interne au solide est rapide devant la vitesse de réaction, la température du solide est non seulement uniforme mais aussi égale à la température de l’environnement externe. La cinétique contrôle alors totalement le processus de décomposition thermique et la réaction est isotherme. 3) Le processus est piloté par les transferts internes. Ce cas est rencontré lorsque le processus de transfert thermique en phase condensée est très lent comparé au processus cinétique. Dans ce cas, les gradients de températures au sein du solide sont forts et la réaction peut être assimilée à un front de décomposition mince (faible épaisseur) se propageant à la même vitesse que l’onde de transfert de chaleur en phase condensée. 4) Le processus de dégradation n’est piloté par aucun des processus évoqués précédemment. Dans ces conditions, les échelles caractéristiques de temps de ces différents processus sont du même ordre de grandeur. Les gradients de température au sein du solide sont importants et dépendent du temps. La réaction n’est plus considérée comme infiniment rapide devant le transfert thermique. Le front de dégradation ne peut donc plus être considéré comme mince. La vitesse de propagation du front de dégradation ne dépend donc plus uniquement de la vitesse de propagation de l’onde thermique au sein du solide mais également du processus chimique. Dans le cadre de cette étude, le travail portera sur l’étude des différentes conditions de décomposition thermique d’un solide lors des incendies et évoquées précédemment. L’interaction entre ces processus pour les différentes conditions de décomposition sera particulièrement étudiée dans le but d’améliorer la compréhension des phénomènes physico-chimiques s’opérant lors de la décomposition thermique des matériaux solides. Un des objectifs à terme étant d’être capable d’établir des modèles efficients et efficaces permettant la simulation numérique de scénarios d’incendie divers. La compréhension des phénomènes fondamentaux de décompositions thermique des solides permettra d’adapter le niveau de complexité des modèles de pyrolyse à utiliser selon les scénarios et les conditions d’incendie à modéliser. Pour ce faire, le travail repose sur un développement expérimental et numérique basé sur une approche multi-échelles se résumant en 4 grandes étapes. La première étape consiste au développement d’un modèle de pyrolyse sous la plateforme OpenFOAM, à partir des travaux déjà réalisés au sein de l’équipe de recherche. Le modèle devra prendre en compte les transferts de masses et de chaleur au sein de la phase condensée en 1D. Les phénomènes de transferts seront couplés à la description d’une cinétique chimique non infiniment rapide. Les réactions prises en compte seront de deux types ; les réactions de pyrolyse et les réactions d’oxydation. Le nombre de réactions à décrire dépendra du matériau étudié et sera choisi ultérieurement. A terme, le modèle de pyrolyse développé sera couplé à un modèle de combustion en phase gazeuse permettant la simulation de divers scénarios d’incendie. La deuxième étape porte sur le calage du modèle. En effet, les propriétés physico-chimiques et optiques des espèces en phase condensée ne sont pas connues et seront estimées numériquement par l’utilisation de méthodes inverses. Le modèle de pyrolyse développé à l’étape précédente sera donc couplé à un algorithme d’optimisation sous la plateforme OpenFOAM afin de déterminer ces paramètres inconnus et ainsi fermer le modèle. La troisième étape du travail consiste à la réalisation d’une campagne expérimentale en utilisant une démarche multi-échelles afin de déterminer les paramètres inconnus du modèle. La démarche multi-échelle adoptées dans le cadre de ce travail consiste à séparer les processus physico-chimiques afin de les étudier d’abord séparément puis en interaction. A chaque échelle, les données expérimentales constitueront les données d’entrées du modèle d’optimisation et les paramètres inconnues des processus physico-chimiques mis en jeu à chacune de ces échelles seront déterminés. Dans un premier temps, des expérimentations en ATG seront réalisées afin de définir un mécanisme réactionnel et par optimisation, les paramètres cinétiques des réactions seront calculés. Plusieurs essais seront réalisés sous différentes conditions de chauffage et d’atmosphère afin de séparer les réactions de pyrolyse et d’oxydation et de valider le modèle cinétique associé. Les essais ATG seront couplés à des analyses de gaz par infra-rouge a transformée de Fourier. Afin de faciliter l’identification des étapes réactionnelles et de définir les enthalpies de réactions associées, des analyses DSC seront également réalisées. A ce stade, seule la partie réactionnelle du modèle de pyrolyse est complétement fermée. Cependant, les paramètres physiques et optiques des espèces en phase condensée identifiées restent inconnus. Afin de les déterminer par méthode inverse, des essais en cône calorimètre à atmosphère contrôlée seront effectués. Plusieurs essais à des conditions d’éclairement énergétique et atmosphère différentes seront réalisés afin de déterminer les paramètres inconnus et de valider le modèle. La dernière étape du travail consiste en une analyse de l’interaction des processus impliqués dans la décomposition thermique des matériaux solides en menant une analyse de sensibilité du modèle orientée sur les termes des équations définissant ces processus dans un premier temps. Puis, dans un second temps, l’analyse de sensibilité sera effectuée sur les paramètres estimés par méthode inverse des différents termes décrivant ces processus. Ces étapes permettront de comprendre le degré d’interaction des processus en fonction des conditions de décomposition thermique fixées et ainsi définir plusieurs modèles de degré de complexité différents applicables par rapport aux conditions types dans lesquelles les matériaux solides peuvent se décomposer en situation incendie, c’est-à-dire à échelle réelle.
Annonce déposée le 04 février 2016
Titre : Modélisation de la combustion de matériaux solides dans des conditions caractéristiques des feux en milieu sous ventilé
Nom de la personne de contact : ROGAUME Thomas
Courriel de la personne de contact : thomas.rogaume@univ-poitiers.fr
Durée : 3 ans
Début envisagé pour : Septembre 2016
Descriptif – Les incendies en milieu bien ventilé suivent la plupart du temps la courbe d’évolution classique du développement d’un feu, pouvant être définie d’un point de vue macroscopique en trois phases : Après la phase d’allumage, le taux de chaleur dégagée par la combustion croit rapidement. Ce taux de croissance est souvent assimilé à une loi de dépendance au carré du temps. Le taux de dégagement de chaleur atteint alors un maximum sous forme de palier puis décroit linéairement jusqu’à l’extinction. Ce maximum, ainsi que la phase de décroissance sont pilotés en partie par la quantité de combustible disponible (car en configuration bien ventilée). Dans le cas où l’incendie se produit dans un milieu confiné, par exemple dans un Etablissement Recevant du Public, un entrepôt ou une habitation individuelle, il s’opère la plupart du temps une transition dans les conditions de développement du feu ; ce dernier évoluant ainsi d’un milieu bien ventilé à un milieu sous ventilé. Lorsque cette transition a lieu, le taux de dégagement de chaleur est gouverné en partie par la ventilation du feu, définie par le mélange entre le comburant disponible c’est-à-dire l’air du milieu environnant et les gaz combustibles issus de la pyrolyse des matériaux solides. Dans les cas de cette sous ventilation, les concentrations locales en oxygène et en produits de pyrolyse peuvent atteindre des ordres de grandeurs similaires. Les gradients de fraction de mélange peuvent être localement élevés et donc le taux de dissipation scalaire augmente également. Le nombre de DamKöhler, rapport entre le temps caractéristique de l’écoulement et celui de la chimie devient finie en raison de la diminution de l’échelle de temps caractéristique de l’écoulement assimilable à l’inverse du taux de dissipation scalaire. Dans ce cas, le processus de cinétique chimique ne peut donc plus être considéré comme infiniment rapide devant le processus de mélange local de l’air et des gaz combustibles. Ce phénomène conduit à la coexistence de gaz imbrulés et d’air. Dans certaines conditions, ce pré mélange peut s’enflammer et conduire à un accident thermique de type « backdraft ». Afin de capter correctement ce phénomène par la simulation numérique et plus généralement décrire les cas de combustion en milieux sous ventilés, il est nécessaire d’utiliser des modèles de combustion capables de prendre en compte une chimie non infiniment rapide. Actuellement, les outils de simulation numérique utilisés dans le domaine de l’incendie utilisent des modèles de combustion « à chimie infiniment rapide », comme par exemple les modèles à fraction de mélange ou « Eddy Dissipation Concept ». Ces modèles n’étant pas capable de décrire correctement les scénarios d’incendies en milieu sous ventilé, c’est dans ce cadre que s’inscrit le présent travail, l’objectif étant donc de développer un modèle de combustion capable de simuler des scénarios d’incendie où la chimie est non infiniment rapide. Le travail peut se résumer en trois étapes majeures. La première phase consiste à étudier d’un point de vue théorique les caractéristiques physico-chimique des flammes mises en jeux lors de feux de solides en conditions bien ventilés à sous ventilés. L’analyse s’appuiera entre autres sur les régimes de combustion des flammes de diffusion définis en fonction du nombre de Damköhler. A la suite de cette analyse, un modèle de combustion dont les hypothèses seront en adéquation avec les caractéristiques des flammes rencontrées dans les incendies mettant en jeux des solides sera choisi. Le modèle devra également être capable de décrire une cinétique chimique non infiniment rapide. Le modèle sera ensuite implémenté sous la plateforme OpenFOAM afin d’effectuer des simulations numériques de cas bien ventilés à sous ventilés et ainsi valider le modèle développé. Le mécanisme cinétique utilisé sera choisi parmi ceux disponibles dans la littérature en fonction des conditions de richesses et de températures rencontrées lors des incendies. Afin de valider le modèle, des expériences à l’échelle du laboratoire seront réalisées à l’aide du dispositif du « Cône calorimètre à atmosphère contrôlée ». Un ou plusieurs matériaux solides seront choisis comme cas d’étude. Un dispositif d’imagerie de la flamme et de mesure de températures locales sera développé. Le dispositif expérimental sera également instrumenté en analyse de gaz afin d’avoir une caractérisation physico-chimique complète du processus de combustion en phase gazeuse (cartographie des espèces dans l’espace et le temps, au sein de la zone de combustion). Plusieurs conditions de flux de chaleur et de concentration d’oxygène seront testées permettant de caractériser le processus de combustion pour différentes sévérités d’agression thermique du solide et différentes conditions de ventilation. Des premières simulations numériques seront réalisées, les résultats des calculs seront confrontés aux résultats expérimentaux. Des conclusions seront tirées quant à la performance du mécanisme réactionnel choisi afin d’orienter la deuxième phase du travail. En effet, les mécanismes réactionnels développés à ce jour par la communauté scientifique ont été validés dans des conditions différentes de celles rencontrées lors des incendies. La deuxième phase du travail porte donc sur le développement d’un mécanisme réactionnel suffisamment détaillé (plusieurs réactions) capable de décrire correctement la flamme en conditions non stœchiométriques et éventuellement de capter les phénomènes d’allumage. Le niveau de détails de cette étude dépendra des résultats obtenus lors de la première phase et donc de la capacité des mécanismes réactionnels issus de la littérature à reproduire des cas de combustion de solides en milieu sous ventilé. Les espèces et réactions mises en jeux au sein du mécanisme à développer devront être en adéquation avec les espèces gazeuses libérées lors de la pyrolyse des matériaux solides mis en jeux lors d’incendies et identifiées expérimentalement. A partir des analyses de gaz réalisées, un mécanisme réactionnel adapté aux conditions testées sera développé par une approche numérique d’analyse de sensibilité afin d’identifier les étapes réactionnelles prépondérantes dans les conditions testées. Un mécanisme détaillé de référence sera choisi parmi ceux disponibles dans la littérature. L’analyse de sensibilité aboutira à la réduction de ce mécanisme détaillé en un ou plusieurs mécanismes réduits adaptés aux conditions de combustion des solides rencontrés en incendie. Ces mécanismes seront testés numériquement par une approche de réacteur partiellement agité (Chemkin) et les résultats seront comparés à ceux obtenus en cône calorimètre pour des conditions où la flamme n’est pas présente afin de s’affranchir du couplage des phénomènes de transport et des phénomènes réactionnels. La dernière étape consiste en l’implémentation du modèle réactionnel développé à la phase précédente au sein du modèle de combustion à chimie non infiniment rapide couplant la résolution de la réaction chimique et les phénomènes de transport, de masse et de chaleur. Le modèle complet sera validé sur des cas de simulations d’expériences faites en cône calorimètres aux différentes conditions testées ou l’inflammation a eu lieu.
Annonce déposée le 02 février 2016
Titre : Étude expérimentale et analytique de la propagation du feu sur de multiples chemins de câbles électriques
Nom de la personne de contact : Laurent FERRY (Directeur de thèse, Ecole des Mines d’Alès), Pascal ZAVALETA (Encadrant IRSN)
Courriel de la personne de contact : laurent.ferry@mines-ales.fr
Durée : 3 ans
Début envisagé pour : Octobre 2016
Descriptif – La thèse proposée s’inscrit dans un partenariat liant le Centre des Matériaux de l’école des Mines d’Alès (C2MA) et l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN). La thèse sera dirigée par le professeur Laurent Ferry de l’École des Mines d’Alès. Ce dernier est responsable de l’équipe du comportement au feu des polymères et de l’axe endommagement thermique. Cette équipe est intégrée dans le pôle matériaux des polymères avancés (MPA) du C2MA. Le doctorant sera encadré pour l’IRSN par Pascal Zavaleta, ingénieur-chercheur et responsable d’essais dans le Laboratoire d’Expérimentations des Feux (LEF) de l’IRSN situé à Cadarache (13).
Les installations nucléaires contiennent plusieurs milliers de kilomètres de câbles électriques cheminant le long de multiples chemins de câble. Plusieurs feux de câbles électriques ont été recensés dans les installations nucléaires. Un des plus sérieux s’est produit en 1975 dans la centrale nucléaire de Browns Ferry et a conduit à la perte d’un système de refroidissement d’urgence du coeur. Des efforts importants ont été menés dans le passé pour caractériser les feux de chemins de câble. Ils se poursuivent actuellement dans le cadre du projet CHRISTIFIRE conduit par la NRC et du programme OCDE PRISME-2 mené par l’IRSN. La prédiction de la puissance du feu d’un ensemble de chemins de câbles constitue toujours un verrou scientifique qui est généralement abordé suivant deux grands axes de recherche, tels que déclinés dans le programme IRSN sur les feux de câbles. Le premier met en jeu une modélisation théorique et détaillée de la pyrolyse, alors que le deuxième consiste en une évaluation simplifiée de la puissance du feu. Le sujet de thèse proposé, qui s’inscrit dans ce deuxième axe, vise à disposer d’un modèle simplifié permettant d’évaluer la puissance du feu d’un ensemble de chemins de câbles en fonction de ses principales caractéristiques.
Une des approches simplifiées les plus rencontrées repose sur l’hypothèse d’équivalence, entre deux échelles, des puissances du feu par unité de surface de câbles enflammée. Ainsi, les modèles simplifiés de Lee et FLASH-CAT sont construits sur ce principe. En effet, ils évaluent la puissance du feu d’un ensemble de chemins de câble horizontaux à partir de leur surface totale enflammée et de la puissance surfacique d’un feu d’échantillons de câbles identiques. Cette dernière est mesurée sous cône calorimètre. La difficulté de cette approche réside dans l’estimation de la surface totale de câble enflammée déduite des vitesses de propagation verticale et horizontale des flammes le long des chemins de câble. En effet, des résultats expérimentaux ont montré que ces vitesses dépendent fortement de paramètres de l’installation (géométrie des ensembles de chemins de câbles, chargement des chemins, disposition des câbles …) et de la nature des câbles. Ainsi, il est constaté que les vitesses de propagation initialement préconisées pour le modèle FLASH-CAT conduisent à sous-estimer notablement avec cette corrélation la croissance du feu et sa puissance pour des configurations de chemins de câble différentes. En revanche, la prise en compte dans ce modèle des vitesses de propagation optimisées, obtenues par un traitement vidéo lors des essais précédents, permet de calculer correctement les puissances du feu.
Par conséquent, une prédiction satisfaisante de la puissance du feu, avec cette approche simplifiée, repose sur l’utilisation de corrélations pertinentes reliant les vitesses de propagation verticale et horizontale des flammes aux paramètres de l’installation énoncés ci-avant. A cet effet, une base de données sera élaborée à partir d’expérimentations qui permettront de mesurer les vitesses de propagation en fonction de paramètres tels que la largeur des chemins de câble, leur espacement, la présence d’un mur et/ou d’un plafond, le chargement des câbles.
Cependant, compte tenu du nombre limité d’essais réalisables et donc de la restriction des domaines de validation des corrélations, il sera également établi, préalablement aux essais, des formulations analytiques donnant les vitesses de propagation. En effet, l’utilisation de ces vitesses dans un outil CFD permettra de consolider les corrélations proposées et de prolonger leur domaine de validation. D’après les travaux de Quintière, les formulations analytiques relient les vitesses de propagation aux grandeurs thermiques caractéristiques telles que les flux de chaleur reçus par les câbles, leurs températures d’ignition et leurs propriétés thermo-physiques. En outre, la mise en place dans le dispositif d’essais de mesures des flux de chaleur et des températures des câbles permettra également de valider ces formulations analytiques.
Annonce déposée le 12 janvier 2016
Titre : Influence de la porosité sur les transferts thermiques au sein des chemins de câbles
Nom de la personne de contact : Germain Boyer
Courriel de la personne de contact : germain.boyer@irsn.fr
Durée : 3 ans
Début envisagé pour : Octobre 2016
Descriptif – Les installations nucléaires contiennent une importante masse de câbles, assemblés sous forme de faisceaux ou de chemins, qui sont susceptibles de subir une dégradation thermique en cas de départ de feu et donc de dégager de grandes quantités d’espèces volatiles inflammables. Pour caractériser les incendies impliquant des câbles, l’IRSN s’intéresse notamment à des configurations idéalisées à plusieurs chemins de câbles horizontaux superposés pour comprendre les mécanismes de propagation du feu horizontale (le long d’un chemin) et verticale (d’un chemin à l’autre). Deux approches sont mises en oeuvre en parallèle pour modéliser cette propagation. D’une part, est développée une approche semi-empirique qui vise à déterminer le dégagement de chaleur total instantané et le scénario de propagation -plus précisément les vitesses de propagation horizontale et verticale- en fonction des paramètres macroscopiques des chemins de câbles immédiatement identifiables lors d’une expertise in situ. D’autre part, en vue d’effectuer la simulation numérique complète de ces incendies, un module de pyrolyse multi-composant, inspiré des modèles Gpyro, Thermakin et Pyropolis, a été récemment développé pour le code de simulation de l’incendie ISIS de l’IRSN. Dans ce contexte, la thèse proposée vise à évaluer la capacité d’outils numériques s’appuyant sur une modélisation fine de la pyrolyse à simuler les transferts thermiques en milieux poreux et à évaluer les temps de propagation verticale sur les chemins de câbles. Ainsi, la première étape de la thèse consistera à caractériser les paramètres thermiques intervenant dans la pyrolyse des matériaux charbonneux utilisés dans la fabrication des câbles (principalement PVC et polyéthylène à retardateur de flamme). En effet, le modèle actuel rend compte de manière satisfaisante de la pyrolyse de matériaux non-charbonneux sous réserve de bien connaître leurs propriétés thermiques et leur scénario de dégradation. En revanche, dans le cas de matériaux charbonneux, les propriétés des résidus (porosité, conductivité, chaleur spécifique, densité, absorption radiative) sont très mal connues alors que le modèle a montré une très grande sensibilité vis-à-vis des ces paramètres. Les travaux envisagés visent donc à quantifier notamment la conductivité équivalente de ces résidus charbonneux en fonction des valeurs des conductivités thermiques locales des phases solide et fluide ainsi que de la structure de la matière à l’échelle microscopique. Pour cela, on utilisera le formalisme de prise de moyenne volumique (ou méthode d’homogénéisation) qui permet de passer des équations locales à l’échelle microscopique (impliquant des paramètres locaux) à des équations moyennées valables à l’échelle mésoscopique faisant intervenir des propriétés équivalentes par le biais d’un problème de fermeture. On s’appuiera notamment sur des caractérisations expérimentales de la conductivité et de la porosité de ces matériaux. Dans un second temps, ces résultats et les modèles qui en découlent seront implémentés dans le code ISIS et seront utilisés pour évaluer par simulation numérique directe la réponse à un stress thermique de paquets de câbles similaires à ceux rencontrés dans les essais expérimentaux. On s’intéressera notamment à la propagation verticale d’une onde thermique au sein de ce paquet soumis à un stress thermique sur sa face inférieure. Cela permettra d’une part de déterminer s’il existe des configurations (en terme d’arrangement ou de porosité moyenne) dont le comportement s’approche d’un milieu poreux ou si au contraire il est nécessaire de considérer systématiquement les différents câbles pris individuellement. D’autre part, ces simulations permettront de caractériser le délai d’inflammation de ces paquets de câbles, et donc d’évaluer la vitesse de propagation verticale d’un chemin de câbles à un autre, en fonction des paramètres macroscopiques de la configuration (largeur, espacement, arrangement des chemins, porosité, types de câbles). On pourra comparer les résultats obtenus sur ces configurations idéalisées aux délais d’ignition constatés expérimentalement et à ceux traditionnellement utilisés dans les approches semi-empiriques employées en expertise.
Descriptif complet : Sujet de thèse
Annonce déposée le 23 octobre 2015
Titre : Développement d’une méthodologie expérimentale et numérique multi-échelles du comportement thermique de matériaux à base de bois – Application à la propagation de feux de façades
Nom de la personne de contact : Thomas Rogaume
Courriel de la personne de contact : thomas.rogaume@univ-poitiers.fr
Durée : 3 ans (début de la thèse au 1er trimestre 2016, selon la réponse de l’ANRT)
Descriptif – Le renforcement de la sécurité incendie est une priorité de par la forte sinistralité et victimologie engendrées par ce type de sinistre. Il repose sur le développement des études d’ingénierie de la sécurité incendie, qui visent à mieux comprendre et décrire les phénomènes mis en jeu au cours des processus d’incendie, afin de prendre des mesures de prévention et de protection pertinentes. Ces études s’articulent également autour d’une évolution constante des contraintes réglementaires et normatives. Elles reposent alors sur le développement des modèles de simulation numérique. Dans ce contexte, un volet important concerne la sécurité incendie au sein des bâtiments, quelle qu’en soit la nature et l’activité. Il s’agit alors de renforcer la sécurité associée aux matériaux de construction et d’ameublement notamment mais aussi aux choix architecturaux réalisés. En parallèle, nous observons ces dernières années un fort développement de l’utilisation de matériaux « verts », naturels et respectueux de l’environnement dans la construction. Le bois en fait partie et les constructions à base de ce matériau connaissent un fort essor. C’est dans ce cadre que l’Institut echnologique FCBA (Forêt Cellulose Bois construction Ameublement) développe des travaux visant à soutenir la filière bois. Parmi les thématiques d’étude de FCBA, un volet concerne la caractérisation du comportement au feu de ce matériau. En lien, la règlementation nationale concernant les feux de façade vient d’évoluer avec l’utilisation du test normalisé LEPIR (Laboratoire d’Essais pour Incendie Réel). Un enjeu fort concerne alors la caractérisation du comportement au feu des façades à base de bois (de type bardage), afin d’en optimiser le comportement. L’amélioration des performances des matériaux (afin de satisfaire au test) repose en partie sur la réalisation d’essais expérimentaux (lorsque possible) mais également et principalement sur la compréhension et la description des phénomènes mis en jeu dans ce type de configuration. De plus, les essais expérimentaux se révèlent très fréquemment (et c’est le cas pour le test LEPIR) forts onéreux. L’utilisation de simulations numériques est alors indispensable, toutefois il convient que les modèles utilisés soient pertinents et puissent décrire de tels scénarios. C’est dans ce contexte que s’inscrit la présente étude. Un enjeu réside alors dans l’étude des feux de façade et dans l’amélioration des modèles afin de décrire avec le plus de précision possible le comportement du matériau bois en cas d’incendie. Les études doivent également permettre l’optimisation des mesures constructives qui peuvent être mises en place afin d’améliorer la sécurité des installations (déflecteurs, parements par exemple).
Descriptif complet : Sujet de thèse
Annonce déposée le 30 juin 2015
Titre : Influence du vieillissement sur le comportement au feu de formulations hétérophasées ignifugées
Nom de la personne de contact : Henri VAHABI
Courriel de la personne de contact : henri.vahabi@univ-lorraine.fr
Durée : 3 ans
Descriptif – Cette thèse sera réalisée au sein de l’équipe polymère du Laboratoire LMOPS basée à Saint Avold en partenariat avec deux autres laboratoires: C2MA à l’école des Mines d’Alès et le laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE), Paris. Des déplacements entre le laboratoire de Saint Avold, ceux d’Alès et Paris sont à prévoir. Le Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes (LMOPS) est une Unité de Recherche de type équipe d’accueil (EA 4423) qui relève de la double tutelle de l’Université de Lorraine et de Supélec. Les recherches développées par le laboratoire sont menées par des équipes rattachées à trois thèmes scientifiques : (1) Matériaux, (2) Photonique, (3) Contrôle et capteurs optiques. Le laboratoire LMOPS regroupe actuellement 62 personnes dont 25 doctorants, et 30 enseignants-chercheurs. L’équipe «polymères nanocomposites» est basée sur le site délocalisé de l’université, à l’IUT de Moselle-Est à Saint Avold. Description du sujet de thèse – Le comportement au feu de matériaux polymères peut changer plus ou moins fortement après vieillissement, mettant en péril les biens et les personnes en cas d’incendie. Ces changements dépendent du système considéré (nature du système retardateur de flamme, de la matrice polymère) et des conditions de vieillissement. Or jusqu’à aujourd’hui, les normes exigent l’évaluation de la réaction au feu d’un matériau juste après fabrication et rarement après un vieillissement représentatif des conditions réelles d’utilisation. Ces dernières années, seulement quelques études ont mis en évidence l’importance d’évaluer l’impact du vieillissement sur le comportement au feu des polymères. Le manque de connaissances sur l’évolution des performances feu de nombreux matériaux au cours de leur vie en service est réel. L’objectif principal de cette thèse sera donc de mettre en place une méthodologie d’étude afin d’évaluer l’impact du vieillissement des systèmes complexes de polymères ignifugés. Le vieillissement peut avoir des conséquences variées, notamment sur la masse molaire du polymère, la morphologie (dispersion des retardateurs de flamme), la dégradation du retardateur de flamme et donc sur le comportement au feu.