Etude de l’évaporation d’un liquide répandu au sol suite à la rupture d’un stockage industriel

Liquid pool evaporation study after industrial tank loss of containment

• Auteur / Autrice : Serge Forestier
• Direction : Gilles Dusserre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie de l'Environnement
• Date : Soutenance le 18/10/2011
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : ED SIS 488
• Jury : Président / Présidente : Valérie Laforest
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Heymes, Laurent Perrin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marie Buchlin, Jean-Marie Flaus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magasinage et stockage industriels

Transfert de masse

Chaleur -- Convection

Évaporation

Mots clés libres

Evaporation de nappes de liquide

Coefficient de transfert de matière

Température de surface de liquide

Convection naturelle dans un liquide s’évaporant

Liquid pool evaporation

Mass transfer coefficient

Liquid surface temperature

Atural convection in an evaporating liquid

Résumé

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet de recherche entre le CEA et ARMINES (Centre LGEI/ Ecole des Mines d'Alès). Il vise à améliorer la connaissance des mécanismes physiques se produisant lorsque qu’une nappe de liquide (inflammable et/ou toxique stocké à pression atmosphérique) s’évapore suite à la rupture de son stockage. La démarche expérimentale employée consiste à réaliser un plan d'expériences visant à exprimer le débit d'évaporation initial d’une nappe sous différentes conditions initiales de température de liquide et de sol, sous différentes vitesse d’écoulement, de température d’air et selon différentes épaisseurs initiales de liquide. Les différents flux thermiques échangés entre la nappe et son environnement, la température de la nappe et le débit d'évaporation sont mesurés et quantifiés.Les débits d'évaporation expérimentaux sont confrontés à ceux prédits par les différentes corrélations disponibles dans la littérature. Deux analyses de sensibilité sont également réalisées sur ces corrélations et les résultats confrontés à ceux du plan d'expériences afin de vérifier si les corrélations attribuent le même poids aux différents paramètres expérimentaux que le phénomène en lui-même.Les relevés de température dans l'épaisseur de la nappe mettant en évidence la présence de cellules de convection naturelle est également étudiée. Par ailleurs, la température moyenne de la surface est déterminée à partir des différents flux thermiques échangés entre la nappe et son environnement.A l'aide des résultats obtenus, l'étude de plusieurs éléments a été réalisée: l’écart de prédiction sur les résultats des équations bilan thermique et massique selon la température employée pour les incrémenter, la nette différence de température entre la surface et le coeur du liquide, rarement prise en compte dans les modèles théoriques, le rôle prépondérant de la convection naturelle dans le phénomène d'évaporation.Un dernier chapitre étudie la dispersion de la température de surface (phénomène peu étudié dans la littérature) à l'aide d'une caméra thermique. Des zones de températures homogènes apparaissent alors dans le cas de l'essai mettant en oeuvre un écoulement de cavité au-dessus du liquide. La présence de différentes zones de température implique que la cinétique d’évaporation n’est pas uniforme sur la surface de la nappe. A partir de ces résultats, le coefficient de transfert de matière est étudié en fonction de la régression du niveau de liquide dans le bac et conclut à une diminution non modélisée par les corrélations existantes.

This work belongs to a research project between CEA and ARMINE (LGEI center/ Ecole des Mines d’Alès). It aims at increasing comprehension of physical mechanism generating when a liquid pool (either flammable or toxic parked under atmospheric pressure) evaporates after loss of containment. An experimental design is realized in order to express some characteristics of evaporation phenomena (initial evaporation rate, steady evaporation rate and duration of unsteady evaporation rate) as a function of initial liquid and soil temperature, wind velocity, air temperature and initial liquid thickness. Heat fluxes exchanged between the pool and its environment are either measure or computed.Experimental evaporation rates are compared to those predicted by correlations available in the literature. Two sensitivity analyses are performed and their results are confronted to those from experimental design. It allows determining if the importance of the different experimental parameters is the same from the correlations to the phenomena itself.Temperature measurements in liquid thickness highlight the presence of natural convection cells. Besides, mean surface temperature is computed from measurements of heat fluxes exchanged between the pool and its environment. From the different results, several points are investigated: the shift between heat and mass balance equations according to the temperature employed to compute them the difference between the liquid bulk and liquid surface temperature, barely taken into account in correlations the noteworthy role of natural convection in the evaporation phenomena.A last chapter studies the surface temperature distribution thanks to an infrared thermometer. Homogeneous temperatures areas appear in the case of cavity flows. The presence of different temperature areas implies that evaporation kinematic in not uniform in the whole surface. From these result the mass transfer coefficient is studied as a function of the step height between the top of the cavity and the liquid surface. It concludes to a mass transfer coefficient decrease non modeled by the different correlations in the literature.