Etude expérimentale et numérique des rideaux d'eau pour la protection contre le rayonnement thermique

Experimental and numerical study of water curtains used as radiative shields

• Auteur / Autrice : Sullivan Lechêne
• Direction : Pascal Boulet, Gilles Parent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 13/07/2010
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Boulet, Gilles Parent, Jean-Louis Consalvi, Alexis Coppalle, Denis Lemonnier, Sylvain Desanghère
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Louis Consalvi, Alexis Coppalle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Brumisation

Pulvérisation

Transfert radiatif

Mots clés libres

Brouillard

Rideau d'eau

Rayonnement

Infrarouge

Transferts couplés

Mist

Water curtains

Radiation

Infrared

Coupled transfer

Résumé

Les rideaux d'eau sont des milieux semi-transparents constitués de gouttelettes d'eau dispersées dans l'air. Le but de ces rideaux ici n’est pas d’interagir avec la flamme dans une optique d’extinction mais plutôt d’agir en tant que boucliers radiatifs contre une forte source de chaleur. En effet, placés entre une source radiative et une cible à protéger, ils permettent de limiter la propagation du rayonnement grâce notamment au caractère absorbant et diffusant des gouttelettes d’eau. L’intérêt du brouillard d’eau réside dans la présence de fines gouttelettes d'eau. Elles possèdent, à quantité d'eau égale, une capacité d'atténuation du rayonnement largement supérieure à celle des techniques de « sprinklage », utilisant une quantité d’eau abondante constituée de gouttes de gros diamètres. Nous avons travaillé expérimentalement (réalisation d'un pilote) et numériquement (code BERGAMOTE) sur le rôle des conditions d'injection : pulvérisation descendante, ascendante, impactante, jets mutualisés en rampe (avec des systèmes comprenant une seule rampe ou deux rampes associées), etc... pour quantifier et comprendre les phénomènes mis en jeu. On retiendra en particulier le fort couplage entre la dynamique des brouillards ou rideaux d'eau et leur propriété d'écran thermique. Il résulte également de ces travaux qu’une modification de la direction d’injection, tout en conservant la même quantité d’eau injectée, engendre de fortes variations sur la capacité d’atténuation du rideau, s’expliquant par la dynamique des sprays injectés. La taille et la concentration en gouttelettes d’eau (liée au temps de séjour des gouttes dans le domaine) apparaissent alors comme des paramètres cruciaux dans l’optique d’une optimisation de ces systèmes de protection

Water sprays, water curtains, or mists, are semi-transparent media made of droplets dispersed in air. Here, water sprays are not used for the extinction of the flame but for radiative shielding against infrared radiation coming from a hot surface. Indeed, placed between a radiative source and a target to be protected, they are able to limit the radiation propagation, due in particular to the ability of droplets to absorb and to scatter infrared radiation.The advantage of mists consists in the presence of fine water droplets. In fact, with the same water volume, they have a widely superior capacity of attenuation radiation compared to “sprinkler” systems which use much water involved as large droplets. A study has been carried out both experimentally (design of an experimental setup) and numerically (BERGAMOTE code) in order to better understand the role of injection conditions. Therefore downward pulverization, upward pulverization, “impinging” spray, several nozzles in a ramp (with systems including one ramp or two ramps), etc… were investigated in order to quantify and assess the implicated phenomena. In particular, a strong coupling appears between the dynamics of sprays and their property of thermal shield. It was also observed from these works that a modification of injection direction, while conserving the same quantity of injected water, results in a strong variation on the attenuation capacity of water curtain, explained by the dynamics of injected sprays. It is worth noting that diameter and concentration of water droplets (related to the residence time of droplets in the domain) are crucial parameters when optimizing these protection systems