36 mois
Réf. THESE/MODFEU/DEC
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Thèse

Thèse : Modélisation des effets de sous ventilation sur la réaction au feu de matériaux H/F

Mission

Le développement d’un incendie dépend fortement du milieu environnant dans lequel il se produit et en particulier d’air frais disponible. Dans un environnement bien ventilé, la puissance du feu est étroitement liée à la quantité de produits combustibles présente. En milieu confiné ou semi-confiné comme par exemple dans les systèmes (aéronautique, ferroviaire, naval) ou des ouvrages (bâtiments, nucléaire), le comportement est différent. Les caractéristiques du milieu (environnement, volume utile, aéraulique) gouvernent la phase de développement de l’incendie et modifient le régime de combustion. Dans ces milieux, une transition peut être observée : le feu évolue ainsi les premiers instants dans un régime bien-ventilé puis tend progressivement vers un régime sous-ventilé lorsque le comburant fait défaut. L’évolution de la richesse dans le temps a pour effet d’altérer la puissance du feu [1,2] et de réduire les transferts de chaleurs et de masse au sein des matériaux solides présents, et donc leurs réactivités même. La nature et les quantités des espèces chimiques toxiques émises s’en trouvent également modifiées [3]. Ce phénomène conduit rapidement à la coexistence de gaz imbrulés et d’oxygène. Dans certaines conditions, ce pré mélange peut s’enflammer et conduire à un nouveau risque d’accident thermique de type explosion de fumée (backdraft).

Ces dernières années, le recours à la simulation numérique apparait comme un moyen performant et peu coûteux pour prévenir le risque incendie au sein des systèmes et ouvrages. Toutefois, les simulations sont généralement réalisées en considérant des scenarii incendie qui s’éloignent souvent de la réalité. Les outils de modélisation ne prennent pas en compte (ou partiellement) ces phénomènes de sous ventilation alors même que ces conditions sont de plus en plus fréquentes. Cela tend à biaiser les prédictions et les conclusions tirées quant aux risques au sein d’un système ou d’un ouvrage.

Pour  prédire les cas de combustion en milieux sous ventilés, il faut être en mesure de simuler finement l’étape de production de gaz par une phase condensée, ainsi que les processus de combustion en considérant une « chimie non infiniment rapide ». Les outils actuels utilisent des modèles de combustion « à chimie infiniment rapide », comme par exemple les modèles à fraction de mélange ou « Eddy Dissipation Concept » [4]  et ne sont donc pas en mesure de prédire correctement les scénarios d’incendies en milieu sous ventilé. A cela il faut ajouter le fait que la modélisation de la pyrolyse est étroitement liée aux phénomènes physico-chimiques se déroulant en phase gazeuse (turbulence, réaction chimique homogène, rayonnement, production de suies), en phase solide (transfert de chaleur et de masse) et au niveau de l’interface solide/gaz.  

 

L’objectif de ce travail de thèse vise donc à étudier et modéliser les effets de la sous ventilation et de la sous oxygénation sur les régimes de combustion et le comportement en phase solide. En particulier, les recherches viseront à :

 

  1. Appréhender expérimentalement les effets de la sous ventilation sur les processus de décomposition thermique et de combustion. Pour réaliser les expériences, le(a) candidat(e) s’appuiera sur un banc d’essai (Cône calorimètre à atmosphère contrôlée) existant au sein des équipes, tout en apportant des améliorations par l’ajout d’équipements supplémentaires et le développement de nouvelles métrologies. Dans cette phase expérimentale, différentes sollicitations thermiques, conditions de ventilation et d’oxygénation seront étudiées.
  2. Etudier expérimentalement les transitions des régimes de combustion. Un banc d’essai de plus grande dimension sera spécifiquement développé pour étudier ces phénomènes. Ce dispositif expérimental permettra de se rapprocher de la réalité et d’étudier l’impact de l’évolution de la richesse du milieu sur la tenue au feu des matériaux. Au préalable, une phase de caractérisation numérique sera réalisée à l’aide du code CFD Openfoam pour étudier les phénomènes aérauliques au sein du dispositif.
  3. Modéliser les transferts de chaleur et de masse ainsi que les phénomènes de pyrolyse à l’aide de code de thermochimique en phase solide. Les résultats des calculs seront confrontés aux résultats expérimentaux obtenus dans des conditions sans flamme afin de s’affranchir du couplage des phénomènes de transport et des phénomènes réactionnels. Des analyses statistiques seront réalisées pour évaluer la sensibilité aux paramètres et les incertitudes numériques en se basant sur des méthodes développées au sein du LNE.
  4. Enfin, simuler les échanges au niveau de l’interface solide/gaz et les problèmes de combustion à l’aide de code CFD Openfoam.

 

Profil

Issu(e) d’une école d’ingénieur ou d’un Master recherche dans le domaine de l’energétique, de la mécanique des fluides, thermique, de la combustion, ou du génie des procédé vous souhaitez poursuivre votre parcours en thèse.

Vous possédez des connaissances dans le domaine des matériaux, de la combustion mécanique, des fluides ou des transferts de chaleur et de masse.

Vous disposez d’une forte expérience en modélisation et d’une grande volonté de développer vos compétences expérimentales dans le domaine de la combustion et de la  thermique.

De solides connaissances en programmation (Matlab ou Python) sont requises pour mener à bien ce projet.

De nature rigoureuse, vous savez faire preuve d’ouverture d’esprit, de méthodologie, de flexibilité́ ; pugnace vous disposez par ailleurs de capacités d’analyse et savez faire preuve d’esprit de synthèse.

Vous êtes capable de travailler de façon autonome.

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