Modélisation et étude expérimentale des transferts de chaleur par rayonnement dans un rideau d'eau diphasique : application à la protection incendie d'installations industrielles à risques

= Modeling and experimental studies of radiative transfer through two-phase water spray curtain : application to fire protection of industrial hazardous vessels

• Auteur / Autrice : Siaka Dembélé
• Direction : Jean-François Sacadura
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique énergétique
• Date : Soutenance en 1998
• Etablissement(s) : Lyon, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Vapeur d'eau

Rayonnement thermique

Constructions industrielles

Incendies -- Extinction

Résumé

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse, s'est déroulé dans le cadre d'un programme européen de recherche sur la protection incendie par rideaux d'eau pulvérisée, d'installations industrielles à risques (notamment en industries pétrochimiques et gazières). La modélisation et l'étude expérimentale des transferts de chaleur par rayonnement dans des pulvérisations d'eau diphasiques (gouttelettes d'eau poly dispersée et vapeur d'eau essentiellement) sont abordées. Le modèle radiatif développé en géométries mono et bidimensionnelle, se distingue par sa formulation rigoureuse, basée sur des sous-modèles assurant un bon compromis entre la précision des calculs et le temps réel d'exécution: le modèle microscopique de Mie pour déterminer les propriétés optiques spectrales des gouttelettes d'eau, la méthode de corrélation-k (ck) pour modéliser le rayonnement de la phase gazeuse (vapeur d'eau et dioxyde de carbone) et, la méthode des ordonnées discrètes pour résoudre l'équation du transfert radiatif sous sa forme intégrée. La phase expérimentale en laboratoire a porté sur des pulvérisations de tuyères uniques et sur des rideaux réduits de configuration multi-rampes. Elle a permis de mieux appréhender le comportement de ce type de milieu semi-transparent et de mettre en évidence les paramètres clés contrôlant l'atténuation par des rideaux d'eau: la taille et la concentration massique des gouttelettes d'eau, la fraction molaire de la vapeur d'eau, et l'épaisseur géométrique du rideau. Pour étudier la validité du modèle radiatif élaboré, nous analysons dans un premier temps ses tendances dans des configurations tests de la littérature. Un bon compromis précision-temps de calcul est trouvé. Dans un deuxième temps, des comparaisons satisfaisantes sont menées d'une part, entre les prédictions de ce modèle radiatif et les résultats expérimentaux des tests en laboratoire et, d'autre part, avec les données des campagnes expérimentales à grande échelle, conjointement menées avec les autres partenaires du projet.

This thesis work was carried out in the frame of the European research project Astrre, with the purpose of developing an engineering computer-aided code, for designing water spray curtain protection systems, against fire radiation in hydrocarbon industries mainly. Modeling and experimental studies of radiative heat transfer through the two phases (poly disperse water droplets and water vapor mainly) of the spray are analysed here. The radiative transfer model developed in planar and two-dimensional geometries, is characterized by its rigorous formulation, based on sub models providing a good compromise accuracy and computational time: optical properties of the water droplets are derived from the Mie theory for spherical particles, the gaseous phase behavior is handled by the correlated-k distribution method, and the radiative transfer equation in its integral form, is solved by a discrete ordinates method. The laboratory experimental tests, performed on water sprays provided by both a single nozzle and a series of nozzles, brought new and useful informations about the spectral behavior of such participating media, and also pointed out the main parameters involved in the attenuation ability of a water spray curtain for radiation shielding: the drop lets size and mass concentration, the water vapor and carbon dioxide molar fractions and the curtain width. A deeper analysis is carried out on the accuracy and CPU rime of the developed radiative model, by comparing its solutions to both benchmark cases from literature and, laboratory and large scale experimental results; an agreement is observed in different cases, with reasonable CPU rime for the model. The computer code Astrre 1. 0, developed in this research project, is now available in industry, and based for the radiative transfer analysis, on the model presented in this thesis report.