Etude expérimentale des mécanismes d'atomisation effervescente. Application à la sécurité incendie dans les moteurs aéronautiques.

par Emmanuelle Tinon

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Rudy Bazile.

Le président du jury était Alain Liné.

Le jury était composé de Rudy Bazile, Jean-Charles Sautet, Patrick Gastaldi.

Les rapporteurs étaient Jean-Charles Sautet, Patrick Gastaldi.


  • Résumé

    Les incendies font partie des risques les plus redoutables en aéronautique, en raison des difficultés à les combattre, comme par exemple dans les espaces confinés où la propagation peut être très rapide. Le Halon1301 est utilisé depuis plus de 50 ans comme agent extincteur pour les moteurs d'avions, l'APU (Auxiliary Power Unit) et les applications de protection feux cargo. Le Halon1301 possède des propriétés spécifiques pour les systèmes de protection feux des moteurs. Il possède un point d'ébullition bas et une pression vapeur élevée, ce qui facilite le mélange de l'agent avec l'air de la ventilation dans les zones feux. De plus, son point d'ébullition à -57,8°C et sa capacité à se vaporiser à chaque point de décharge sont des propriétés physiques désirables. Suite à des changements de la réglementation environnementale, il est nécessaire de remplacer le Halon1301, l'agent extincteur actuellement présent sur les systèmes de protection feux des moteurs d'avions. L'utilisation de cet agent a été bannie dans l'industrie par le protocole de Montréal (1994) et de Kyoto (1998) qui vise à réduire les substances qui appauvrissent la couche d'ozone ainsi que les gaz à effet de serre. Des dérogations établies par la Commission Environnementale Européenne existent et sont appliquées au domaine de l'aéronautique à cause du manque de solutions alternatives. Depuis plusieurs années, Airbus travaille sur le projet de remplacement du Halon1301, appliqué notamment aux systèmes de protection feux des zones moteurs et APU. Depuis 2003, plusieurs agents alternatifs au Halon1301 ont été identifiés. Dans notre cas, on s'intéresse à un candidat qui apparait comme une alternative intéressante respectueuse de l'environnement : le \novec. La différence la plus importante entre le Halon1301 et le Novec1230 est leur phase physique. En effet, le Halon1301 est un gaz, alors que le Novec1230 est liquide en conditions ambiantes (il est liquide en dessous de +49,2°C). Que ce soit à la température de ventilation froide (température négative) ou à l'ambiant (+25°C), l'agent sera liquide. Les caractéristiques d'évaporation (courbe de saturation) indiquent que pour ces applications, nous sommes dans un état diphasique avec la présence de gouttes et de gaz : plus le mélange sera froid et plus l'équilibre sera déplacé vers la phase liquide. En phase gazeuse, le transport de l'agent dans chaque recoin du moteur ne pose pas de problème car il sera transporté par l'écoulement d'air de la ventilation. Or, en phase liquide, le transport efficace de l'agent sous forme de gouttes est plus complexe : si les gouttes sont trop grosses, elles tendront à avoir une trajectoire balistique et n'atteindront pas toutes les zones feux du moteur. Par conséquent, l'optimisation de l'atomisation de l'agent devient un paramètre central pour la conception du système de protection des incendies. Dans le contexte du projet, on étudie une technologie appelée atomisation effervescente. Le principe est de venir dissoudre un gaz (dans notre cas du dioxyde de carbone, CO2), dans l'agent liquide Novec1230. Plusieurs adaptations de cette technologie sont requises pour améliorer les performances de l'agent tel que son atomisation et son transport. Le processus d'atomisation effervescente est une technique d'atomisation diphasique prometteuse qui offre des améliorations potentielles en termes de qualité d'atomisation du fluide et de réduction de pression d'utilisation. L'objectif de ce projet est de conduire des recherches expérimentales sur le processus d'atomisation effervescente afin de prédire quels sont les paramètres clés qui influencent l'atomisation.

  • Titre traduit

    Experimental study of effervescent atomization mechanisms. Application to fire safety in aircraft engines


  • Résumé

    Fires are one of the most formidable risks in aviation because of the difficulties to fight them once airbone, as for example in confined spaces where the spread can be very fast. Halon1301 has been used for more than 50 years as extinguishing agent for aircraft engines, APU (Auxiliary Power Unit) and cargo fire protection. Halon1301 has specific properties for systems of fires engines protection. It has a low boiling point and high vapor pressure, which facilitates the mixture of the agent with the ventilation air in fire areas. In addition, its boiling point at -57,8°C and its ability to vaporize throughout the discharge are desirable physical properties. Because of changes in environmental regulation, it is necessary to replace Halon1301, the extinguishing agent currently present on aircraft engines fire protection systems. The use of this fluid has been banned by the Montreal (1994) and Kyoto (1998) protocols in industry, with the intent to reduce substances that deplete the ozone layer as well as greenhouse gases. Exemptions established by the European environmental Commission exist and are applied to the aeronautics field due to the lack of alternatives. For several years, Airbus has been working on the replacement of Halon1301 for engines and APU fire protection systems. Since 2003, several alternative agents to the Halon1301 have been identified. This study is dedicated to a fluid that appears as an environmentally friendly alternative: Novec1230. The most important difference between Halon1301 and Novec1230 is their physical phase. Indeed, Halon1301 is in gaseous state at all relevant conditions, while Novec1230 is a liquid below +49,2°C. At the cold temperature ventilation (negative temperature) or at ambient (+25°C), the agent will be liquid. The characteristics of evaporation (saturation curve) show that for these applications, we are in a two-phase flow with the presence of drops and gas. Gas-phase transport agent in every engine area is not a problem because it will be transported by the ventilation air flow. However, in the liquid phase, the efficient transport of the agent in the form of drops is more complex: If the drops are too large, they will tend to have a ballistic trajectory and will not reach all areas the engine. Therefore, the optimization of atomization of the agent becomes a central parameter for the design of the fire protection system. In the context of this project, a technology called effervescent atomization was considered. The principle is to dissolve a gas (in our case carbon dioxide, CO2), in the liquid agent Novec1230. Many adaptations of this technology are required to improve the performance of the atomization and subsequently the transport of the fire-extinguishing agent. The effervescent atomization process is a promising technology that offers potential improvements in terms of quality of atomization of the fluid and reduction of operating pressure. The goal of this project is to conduct theoretical and experimental research on the effervescent atomization process to identify the key parameters that influence the atomization.


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