Simulation aéro-thermo-mécanique des effets du feu sur les parois d'un milieu confiné : application à l'étude des thermo-altérations de la grotte Chauvet-Pont d'Arc

par Fabien Salmon

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Colette Sirieix et de Delphine Lacanette.

Le président du jury était Jean-Christophe Batsale.

Le jury était composé de Colette Sirieix, Delphine Lacanette, Alexis Coppalle, Catherine Ferrier, Carole Fritz.

Les rapporteurs étaient Olivier Vauquelin, Alain Millard.


  • Résumé

    En 1994, la découverte de la grotte Chauvet-Pont d'Arc (Ardèche, France) révéla des marquesthermiques, d'origine anthropique, uniques au monde. Elles sont les témoins de feux préhistoriqueseffectués dans la partie profonde de la cavité. La datation par thermoluminescence des chauffes estcohérente avec la première période de fréquentation humaine il y a entre 37 000 et 33 500 ans. Lesarchéologues ont identifié deux types de thermo-altérations : des changements de couleur et desécaillages. Les changements de couleur résultent de réactions chimiques s'opérant à hautetempérature dans le calcaire, rendant la roche rouge ou grise. Des essais ex situ ont montré que lacouleur rouge survient après une chauffe de 10 minutes à 250oC tandis qu'une température minimumde 350oC est nécessaire pour la couleur grise. Le phénomène d'écaillage provient de fortes contraintesmécaniques dans la roche causées par la dilatation thermique et des processus thermo-hydriques. Deplus, des particules de suie recouvrent encore une partie des parois dans les zones altérées. À partirde ces indices, l'objectif de la thèse est de caractériser les feux de la Galerie des Mégacéros qui sesitue dans la partie profonde de la grotte. L'estimation des quantités de bois, du nombre de feux etde la capacité à alimenter les foyers pourrait aider les archéologues à faire des hypothèses sur lafonction de ces feux.Pour des raisons de conservation, seule la simulation peut reproduire des feux dans la géométrie de lagrotte sans nécessiter sa reconstitution. Cette étude consiste à construire une modélisation numériquede feux confinés et des impacts thermiques résultants. Un couplage fluide-structure est donc développéà partir de deux logiciels open source : OpenFOAM et Cast3m. Le premier effectue la simulation descénarios de feux grâce au module FireFOAM. Le second réalise les calculs thermo-mécaniques dansle massif. Afin d'étendre le champ d'application initial de FireFOAM, des modèles numériques ontété implémentés dans le code. Ceux-ci concernent le dépôt de suie, l'évaluation des risques, lacorrection des mesures par thermocouple et une condition limite en température. De plus, quelquesexigences de modélisation améliorant la qualité des résultats sont détaillées dans le manuscrit. Lemodèle ainsi développé est validé sur des feux expérimentaux exécutés dans une ancienne carrière decalcaire dont les dimensions sont proches de celles de la Galerie des Mégacéros. Du pin sylvestre, quicorrespond à l'essence dont sont issus les échantillons de charbon analysés de la grotte, est utilisécomme combustible. La combustion aboutit à des thermo-altérations analogues à celles observéesdans la grotte Chauvet-Pont d'Arc. Des écaillages et des changements de couleur se sont produits auplafond et aux parois de la carrière. La comparaison avec la simulation est effectuée à partir desmesures de températures, de vitesses ainsi que de concentrations de gaz et de particules.Le modèle numérique est ensuite appliqué à la simulation de feux dans la géométrie de la Galerie desMégacéros. Toutes les zones altérées de cette galerie sont traitées et les scénarios qui ont pu se produiresont précisés. Ces travaux fournissent ainsi une vue d'ensemble de la localisation et de l'intensité desfeux dans cette partie de la grotte. De plus, l'adéquation avec les conditions de vie est indiquée pourles feux les plus puissants. Ces informations pourraient aider les archéologues dans la compréhensiondes fonctions de ces feux.

  • Titre traduit

    Aero-thermo-mechanical simulation of fire effects on the walls of a confined space : application to the thermo-alterations of the Chauvet-Pont d'Arc cave


  • Résumé

    In 1994, the discovery of the Chauvet-Pont d'Arc cave (Ardèche, France) revealed singularanthropogenic thermal marks on walls. They are the witnesses of high intensity prehistorical firescarried out deep in the cavity. The thermoluminescence evaluation of the heating ages is consistentwith the earlier period of human occupation between 37,000 and 33,500 years ago. The archaeologistsidentified two kinds of thermo-alterations : colour changes and spallings. The colour changes resultfrom high-temperature chemical reactions in limestone, turning rock red or grey. Ex situ tests showedthat red colour happens after heating at 250oC for ten minutes while at least 350oC is necessary forgrey. Spalling stems from high stresses in rock due to restrained thermal expansion and thermohydricprocesses. In addition, part of the walls near thermo-altérations is still covered with soot. From theseclues, this investigation aims to characterize the fires of the Megaloceros Gallery which is located inthe deep part of the cave. Estimating the amounts of wood, the fires number and the ability tosupply the hearths could help make assumptions about the function of these fires.For the sake of conservation, only simulation can reproduce fires in the cave geometry withoutrequiring any reconstruction. This study is to set up a numerical modelling of fires in confinedgeometries and the induced thermal impacts on walls. A fluid-structure coupling is then developedfrom two free open source codes : OpenFOAM and Cast3m. The former manages the simulation offire scenarios through the FireFOAM tool. The latter handles the thermo-mechanical calculations inthe rock mass. To extend the initial scope of FireFOAM, some numerical models have beenimplemented in the code. This relates to soot deposit, danger assessment, thermocouple correctionand a thermal boundary condition. In addition, some modelling requirements improving the qualityof the results are detailed in the manuscript. The advanced model is then validated on experimentalfires in a former limestone quarry which has dimensions close to the Megaloceros Gallery ones. Thesame fuel (pinus sylvestris) as the one identified in the cave is burnt. The combustion led to similarthermo-alterations as those observed in the Chauvet-Pont d'Arc cave. Spallings and colour changesoccurred on the ceiling and walls of the quarry. The comparison with simulation is carried out thanksto the measurement of temperatures, velocities, soot deposits, gases and particles concentrations.The numerical model is then applied to the simulation of fires in the Megaloceros Gallery geometry.All the impacted areas of this gallery are considered and the scenarios that may have occurred arespecified. This investigation then provides an overview of the fires locations and intensities in thispart of the cave. Moreover, the compatibility with living conditions is indicated for the most powerfulfires. These information could help for archaeologists in the understanding of the functions of these fires.


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