Etude expérimentale de la propagation des fumées d'incendie en tunnel pour différents systèmes de ventilation

Experimental study of fire-induced smoke propagation in tunnels with different ventilation systems

• Auteur / Autrice : Olivier Mégret
• Direction : Claude Tournier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique. Mécanique des fluides
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Valenciennes

Mots clés

Mots clés libres

Développement feu

Heptane

Méthode parametrique

Vitesse critique

Résumé

Les fumées chaudes et toxiques d'un incendie se propagent au plafond d'un tunnel sous la forme d'une nappe d'épaisseur variant avec la puissance de l'incendie. La sécurité des usagers dépend de la gestion du mouvement des fumées par les systèmes de ventilation dont l'objectif est de désenfumer les zones sensibles sans diluer la nappe de fumées. Le choix du débit de ventilation adéquate est fonction de la puissance de l'incendie mais aussi de la géométrie du tunnel et du réseau de ventilation, différents pour chaque tunnel. Une maquette a l'échelle 1 : 20eme de 10 m de long a été conçue de manière à simuler, sur une large plage de puissances d'incendie variant de 0,2 à 20 mW, le mouvement des fumées dans un tunnel de section droite rectangulaire. Le foyer est modélisé par un jet densimétrique (air-hélium) dont les caractéristiques dérivent du développement d'un modèle de simulation basé sur l'étude des feux de bacs d'heptane. L'augmentation de la taille du foyer dans le tunnel avec la puissance de l'incendie est prise en compte en reproduisant à l'échelle le diamètre du bac correspondant. Les deux systèmes de ventilation, longitudinale et transversale, sont reproduits. Une étude paramétrique globale est réalisée en ventilation longitudinale, caractérisant l'influence de la géométrie (hauteur et largeur) et de la pente du tunnel, ainsi que celles de la taille, forme et hauteur du foyer. L'ensemble de ces résultats permet d'établir une loi globale empirique de détermination de la vitesse critique de ventilation (non apparition d'une nappe de fumées à contre-courant). Un modèle semi-théorique vient compléter cette analyse, induisant une relation entre la vitesse de ventilation, la puissance de l'incendie et la hauteur de la nappe de fumées. D'autre part, une méthodologie est développée pour quantifier l'état de stratification d'une nappe de fumées sans ventilation. Cette technique est appliquée à l'étude de l'influence du courant longitudinal sur la stratification à l'aval du foyer. En ventilation transversale, les études s'attachent à quantifier l'efficacité d'un système composé de deux trappes, situées de part et d'autre du foyer, en fonction du débit d'extraction jusqu'à atteindre le confinement des fumées. Cette étude rend compte de l'influence de la position des trappes d'extraction, de leur forme et de leur taille sur l'efficacité.

Hot toxic smoke induced by a fire spreads on the tunnel ceiling as a layer with variable thickness depending on the heat release rate (HRR). Security of passengers lies in the management of the ventilation systems: clearing smoky zones while avoiding layer dilution. The accurate choice of ventilation flow rate remains a function of fire type but also of tunnel dimensions and ventilation network which differ for each tunnel. A 1:20th model of 10 m long has been developed in order to model smoke movement , for a wide range of HRR FROM 0. 2 TO 20 MW , for many tunnel configurations of rectangular cross section. The fire source is modelled by a densimetric jet (air-helium). Fire characteristics are derived from the results of a heptane poolfire model and the size of pool in the tunnel , depending on HRR, is reproduced at model scale. Both longitudinal and transverse ventilation systems are used on the test facilities. A global parametric study had been undertaken in longitudinal ventilation, describing the influence of tunnel dimensions (height ant width) and slope. The role of size, shape and height of the fire source is also analysed. The results are gathered in a global formulation in order to determine the critical ventilation velocity (non-existence of smoke layer upstream the source) and a semi-theorical model is developed, connecting ventilation velocity, HRR and smoke layer thickness. A methodology is defined to quantify stratification state of a hot smoke layer without ventilation. This is used to assess the influence of longitudinal flow on stratification downstream of the fire source. Transverse ventilation studies aim to evaluate extraction efficiency of a system composed of two exhaust traps located on each side of a fire source, as a function of extraction flow rate. A condition of smoke confinement is achieved. This study accounts for the influence of trap location, shape and size on the system efficiency. Standard anemometry and PIV techniques are used for profile and field velocity measurement whereas concentration profiles are obtained by sample analysis of oxygen rate. Many laser sheet visualizations have allowed the description of flow phenomena