Dégradation thermique de matériaux solides poreux exposés au feu - Simulation numérique avec prise en compte des processus chimiques et mécanismes de transfert

Thermal degradation of solid porous materials exposed to fire - Numerical simulation accounting for chemical processes and tranfer mechanisms

• Auteur / Autrice : Khac Tien Nguyen
• Direction : Jean-François Thovert, Thomas Rogaume
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energie, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 18/12/2014
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers)
• Partenaire(s) de recherche : faculte : École nationale supérieure d'ingénieurs (Poitiers ; 1984-....)
• Jury : Président / Présidente : Valeri V. Mourzenko
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Thovert, Thomas Rogaume, Éric Guillaume
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arnaud Trouvé, Gérald Debenest

Mots clés

Mots clés contrôlés

Incendies -- Prévention

Simulation par ordinateur

Matériaux poreux

Combustion

Pyrolyse

Mots clés libres

Pyrolyse

Combustion

Milieux poreux

Simulation numérique

Sécurité incendie

Pyrolysis

Combustion

Porous medium

Numerical simulation

Fire security

Résumé

La description de la dégradation des solides est cruciale dans la simulation numérique d'un feu, les gaz de pyrolyse constituant la source combustible amenée au feu. Il importe de décrire avec précision ces processus en fonction des conditions ambiantes. Toutefois, les couplages entre réactions chimiques et mécanismes de transport de masse et de chaleur modifient fortement les comportements. L'objet de ce travail est la prédiction du comportement macroscopique par simulation numérique de la décomposition thermique des matériaux solides. Les propriétés intrinsèques du matériau, parmi lesquelles un modèle chimique incluant un schéma réactionnel et les paramètres thermocinétiques associés, issus d'expérimentation à petite échelle sont considérés ainsi que les mécanismes de transport et les effets limitants qu'ils peuvent introduire. La réponse du matériau est ainsi prédite pour des configurations géométriques et des scénarios d'exposition arbitraires. L’outil spécifique développé au cours de ce doctorat est basé sur une description à l'échelle de Darcy. Il a pour objectif à terme d’être couplé à un code de simulation du feu dans son ensemble, de sorte que les conditions auxquelles chaque élément solide serait exposé seraient décrites tandis que la prédiction de l'évolution du feu dépendrait de la réponse des matériaux fournie par notre module. Un jeu d'applications est présenté pour deux types de bois ayant des schémas réactionnels différents, avec réactions séquentielles ou concurrentielles. Les configurations et scénarios examinés correspondent à des essais normalisés, sous cône calorimètre, et une comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux est effectuée.

The description of the degradation of solids is crucial in the numerical simulation of a fire, the pyrolysis gases constituting the combustible source. It is important to describe with accuracy these processes, according to the ambient conditions. However, the couplings between chemical reactions and mechanisms of mass and heat transports strongly modify the behavior of the fire.The objective of this work is to predict the macroscopic behavior of the thermal decomposition of solid fuel by numerical simulation. The intrinsic properties of the material, among which a chemical model including a reactive scheme and the associated thermochemical parameters stemming from small-scale experiment are considered as well as the transport mechanisms and the limiting effects that they can introduce. The comportment of the material is then predicted for geometrical configurations and arbitrary scenarios of exposure. The specific tool developed during this Ph-D is based on a description on the Darcy scale. It has in the future to be coupled with a global code of simulation of the fire, so that the conditions undergone by every exposed solid element would be described whereas the prediction of the fire evolution fire would depend on the behavior of the materials supplied by the present module.A set of applications is presented for two wooden materials, featuring different reactive schemes, with sequential or competitive reactions. The configurations and the examined scenarios correspond to normalized tests under cone calorimeter, and a comparison between the numerical and experimental results is made.