Caractérisation expérimentale et numérique des scenarii de feu impliquant un conduit de fumée d'appareils de combustion bois

Experimental and Numerical Characterization of Fire Scenarios Involving a Flue Duct of Wood Burning Appliances

• Auteur / Autrice : Pierre Cremona
• Direction : Thomas Rogaume, Franck Richard, Jocelyn Luche, Lionel Druette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 22/12/2017
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime- ENSMA
• Jury : Président / Présidente : Gilles Parent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Rogaume
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : José Luis Torero, Bernard Porterie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais de comportement au feu

Simulation par ordinateur

Rayonnement thermique

Chaleur -- Convection

Transfert de chaleur

Bois -- Déchets (combustible)

Combustion spontanée

Combustion

Conduits de fumée

Incendies -- Prévention

Mots clés libres

Cône calorimètre

Cone calorimeters

Résumé

L’évolution structurelle des bâtiments résidentiels du fait des réglementations thermiques, environnementales ainsi que du déploiement du Règlement des Produits de la Construction génère des enjeux majeurs pour les fabricants de conduit de fumée, notamment en ce qui concerne la sécurité des habitants en cas d’incendie. Deux scenarii de résistance au feu sont considérés par la règlementation européenne : celui associé au développement du feu dans la pièce où se situe le conduit et celui-ci relatif au développement du feu dans le conduit lui-même, par l’inflammation de dépôts. Dans les deux cas, le conduit ne doit pas être vecteur de propagation du feu aux pièces et aux matériaux combustibles adjacents. Dans ce contexte, la présente étude vise à caractériser les principaux transferts thermiques mis en jeu au cours des deux scenarii et de mieux comprendre la cinétique de formation, de décomposition, d’inflammation et de combustion des dépôts au sein des conduits. Pour ce faire, une démarche expérimentale et numérique a été adoptée. La partie expérimentale permet de déterminer les caractéristiques chimiques (analyses élémentaire et chimique) et thermo-physiques (densité, conductivité, effusivité et capacité thermique, porosité, pouvoir calorifique) de 24 résidus provenant d’installations réelles ou créés en laboratoire dans des conditions de combustion maîtrisées. Ces résidus sont par la suite étudiés en analyseur thermogravimétrique et au Cône Calorimètre afin de déterminer les étapes de décomposition thermique, ainsi que les propriétés d’inflammabilité et de combustibilité, en inflammation pilotée et en auto-inflammation. Une base de données conséquente de l’ensemble des propriétés est alors générée. Un four de résistance au feu (selon la norme EN 1366-13) a permis l’étude de la participation du conduit à la propagation du feu d’une pièce à une autre, à travers la mesure de champs de température, notamment au-dessus du plafond. Les essais dans ce dispositif permettent l’acquisition de données essentielles à la définition des conditions initiales et aux limites nécessaires au développement et à la validation d’un modèle numérique développé sous Fluent. Ce modèle décrit les transferts thermiques par conduction, convection et rayonnement. Il permet d’estimer le niveau de température sur la paroi extérieure du conduit de fumée au-dessus du four, requis lors des essais de déclaration de performance EI selon la norme EN 1366-13 et ce, quelle que soit la configuration du conduit (diamètre, nature…). Les résultats obtenus répondent au besoin de Poujoulat, dont l’enjeu est de disposer d’un outil expérimental et numérique de développement de conduits résistant au feu et d’une base de données relative aux dépôts afin de préconiser des conseils d’utilisation aux habitants

The structural evolution of residential buildings due to thermal, environmental regulations and roll out of the Construction Products Regulation generate major challenge for chimney manufacturers, in particular with regard to the safety of residents during a fire. Two fire resistance scenarios are eloquent in European Regulations: the one associated with the development of fire in the room where the chimney is located and the last reported on the development of fire in the chimney itself, by ignition of the deposits. In both cases, the chimney must not be a vector for propagating fire to adjacent rooms and combustible materials. In this context, the present study aims to characterize the main thermal transfers involved in the two scenarios and to better understand the kinetics of formation, decomposition, ignition and combustion of the deposits within the chimney. To do this, an experimental and numerical approach was adopted. The experimental part allows to determine the chemical characteristics (elemental and chemical analyzes) and thermo-physical characteristics (density, conductivity, effusivity and thermal capacity, porosity, calorific value) of 24 residues from real installations or created in laboratory under representative conditions of combustion. These residues are then studied in thermogravimetric analyzers (TGA) and Cone Calorimeters in order to determine the thermal decomposition steps as well as the flammability and combustibility properties, in cases of piloted and auto-ignition. A consequent database of the set of properties has then been generated. A fire-resistant furnace (according to EN 1366-13) allowed the study of the chimney participation in the propagation of fire from one room to another, through the measurement of temperature fields, above the ceiling. The tests allow the acquisition of data essential to the definition of the initial conditions and the limits necessary for the development and the validation of a numerical model developed under Fluent. This model describes heat transfer by conduction, convection and radiation. It makes possible to estimate the temperature level on the outer wall of the chimney above the furnace, which is required in the EI performance declaration tests according to EN 1366-13, regardless of the configuration of the chimney (diameter, materials...). The results obtained correspond to the need for Poujoulat, whose challenge is to have an experimental and numerical tool for the development of fire-resistant chimney and a database relating to deposits in order to advise the habitants.