Modélisation de l'interaction entre un spray de gouttelettes d'eau et la combustion turbulente : application au procédé d'extinction d'un foyer incendie par brouillards d'eau

par Avner Fartouk

Thèse de doctorat en Energétique, thermique, combustion

Sous la direction de Arnaud Mura et de Vincent Robin.

Soutenue en 2013

à Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique .

mots clés

• Brouillard d'eau
• Cfd
• Écoulement diphasique
• Combustion
• Simulation par ordinateur
• Incendies -- Extinction

Résumé

Dans le cadre de la sécurité incendie, et de la prévention de départ d'un feu en environnement confiné, un objectif majeur consiste en l'amélioration des procédés d'extinction et plus précisément de la pulvérisation de brouillards d'eau qui est un moyen de lutte largement utilisé. Les simulations numériques doivent prévoir l'efficacité des brouillards en évaluant précisément l'évolution spatiotemporelle des caractéristiques du foyer incendie en présence d'un champ pulvérisé de gouttelettes. Pour déterminer les fractions massiques d'eau sous forme liquide ou vapeur, les concentrations des produits formés ainsi que les niveaux de températures en tout point du local, nous présentons ici le développement d'un modèle apte à décrire un milieu réactif dans lequel la stabilité de la flamme est altérée par la présence de gouttelettes d'eau. Un formalisme diphasique eulérien-eulérien est utilisé pour modéliser le transport des gouttelettes qui interagissent avec le milieu réactif en le refroidissant et en le diluant via l'introduction de vapeur d'eau issue du processus d'évaporation. Le modèle sousjacent est une approche de combustion à multi-fractions de mélange avec un diagramme de reconstitution des espèces mettant en compétition un domaine inflammable et un domaine non inflammable. Les modèles finalement obtenus ont été implantés dans Code_Saturne, un logiciel de mécanique des fluides qui a récemment été adapté à l'étude des incendies. La validation de ces modèles a été effectuée à partir de données expérimentales issues de la littérature, et sur des cas test d'échelle intégrale.

Titre traduit

Modeling the interaction between a spray of water droplets and turbulent combustion : application for fire extinction process by water mist

Résumé

In the context of fire safety and to fight against the development of a fire in a confined building, a major objective is to improve the processes of extinction and one which is widely known: spray of water mist. Numerical simulations should be able to predict the efficiency of water mist by evaluating precisely the spatio-temporal evolution of fire characteristics in the vicinity of water droplets sprayed on. In order to determine liquid or vapor mass fraction of water, the combustion products concentration as well as temperature levels everywhere in the local, we introduce here the development of a model able to describe reactive gas where the flame stability is more or less affected by the water mist. An eulerianeulerian two-phase flow formalism is used to describe water droplets which interact with the reactive gas by cooling and diluting it with water vapor coming from evaporation process. The underlying combustion model is the multi-fraction mixing approach with species determination diagram involving a competitive flammable and non-flammable domain. The final models have been implemented in Code_Saturne, a computational fluid dynamics software recently modified for fire studies. The validation of these models is performed from experimental of literature, and full scale cases.