Contrôle des fumées d'incendie dans les tunnels routiers équipés de systèmes de ventilation mécanique

Control of fire smokes in road tunnels equipped with mechanical ventilation systems

• Auteur / Autrice : Fateh Chaabat
• Direction : Richard Perkins, Pietro Salizzoni, Mathieu Creyssels
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et énergétique
• Date : Soutenance le 11/02/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Jay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pietro Salizzoni, Mathieu Creyssels, Elisa Béraud, Antoine Mos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Boulet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Incendies -- Prévention

Tunnels -- Ventilation

Mots clés libres

Tunnel

Feux

Panache flottant

Ventilation longitudinale

Vitesse critique

Barrières

Obstacles

Ventilation transversale

Trappes d'extraction

Vitesse de confinement

Stratification des fumées

FDS

LES

Tunnel

Fire

Buoyant plume

Longitudinal ventilation

Critical velocity

Barriers

Transverse ventilation

Exhaust vents

Confinement velocity

Smoke stratification

FDS

LES

Blocks

Résumé

Lors d’un incendie en tunnel, la perte de visibilité due à la densité optique des fumées et leurs problèmes de toxicité sont considérés comme les risques principaux auxquels les usagers sont exposés. Pour cela, le contrôle de la fumée est souvent la partie la plus importante de la planification d’urgence. Les systèmes de ventilation sont l’une des principales mesures de protection à adopter pour empêcher la fumée de se répandre. Cependant, la propagation de la fumée est un phénomène très complexe et il est donc parfois difficile à contrôler. Cette complexité exige de meilleurs outils de sécurité pour améliorer l’efficacité des systèmes de ventilation et assurer ainsi la sécurité des personnes en cas d’incendie, ce qui constitue l’objectif principal de nos travaux de recherche. Dans cette thèse, l’étude des incendies dans les tunnels routiers équipés de systèmes de désenfumage longitudinaux et transversaux a été réalisée expérimentalement et numériquement. Les expériences ont été menées dans la maquette située au LMFA et les simulations numériques ont été réalisées en utilisant le code de calcul FDS (Fire Dynamics Simulator) avec l’approche de simulation des grandes échelles LES (Large Eddy Simulation). Le foyer est modélisé par le rejet d’un mélange d’air et d’hélium dans de d’air frais. Avec ce type de simulation d’incendie, les pertes de chaleur par rayonnement et par conduction à travers les parois du tunnel ne sont pas prises en compte, mais le modèle peut néanmoins fournir des informations sur la phénoménologie et les champs de données pouvant être comparés à des incendies réels. Dans une première partie, des mesures de champ de vitesse ont été effectuées à l’aide de la technique de vélocimétrie par images de particules PIV pour étudier la dynamique des rejets flottants dans des tunnels à ventilation longitudinale. L’objectif est d’évaluer les effets non Boussinesq (liés aux grandes différences de densité entre le rejet flottant et l’air ambiant) sur la dynamique des rejets ''forcés'' et ''paresseux'', dominés respectivement par le flux de quantité de mouvement et le flux de flottabilité. Ensuite, l'effet de barrières solides (connues sous le nom ''d'écrans de cantonnement'' et placées au plafond du tunnel) sur la propagation des fumées d’incendie dans des tunnels à ventilation longitudinale est étudié. Deux types d'obstacles ont été examinés: des ''petites barrières'', conçues pour être fixées le long du plafond du tunnel, et des ''grandes barrières'', conçues pour être mobiles et déployées uniquement en cas d’incendie. Pour ce dernier type, seulement une seule barrière est placée au plafond du tunnel. Les expériences ont été réalisées avec et sans les effets de blocage des véhicules, qui sont modélisés par des blocs cubiques de différentes tailles. Les résultats ont montré que les barrières peuvent contrôler efficacement la propagation des fumées, même à basses vitesses de ventilation. Le taux de réduction de la vitesse critique (définie comme la vitesse de ventilation minimale à partir de laquelle toutes les fumées sont repoussées en aval du feu, dans le même sens que le flux de ventilation) dépend du taux de blocage créé par les obstacles (barrières, blocs ou les deux) situés juste en amont de la source. Les pertes de charge induites par ces barriers ont été aussi évaluées. Les résultats finals ont montré que les grandes barrières sont plus efficaces que les petites barrières car elles réduisent considérablement la vitesse critique et induisent moins de perte de charge dans les tunnels encombrés. Dans une deuxième partie, à l'aide d'un système de ventilation transversale, les conditions de confinement des fumées entre deux trappes d’extraction situées de part et d'autre de la source sont étudiées. Les effets de la forme et de la position des trappes (y compris le cas particulier des trappes de pleine largeur) sur les performances du système de ventilation transversale ont été évalués. [...]

In this thesis, fires in road tunnels with longitudinal and transverse ventilation systems are investigated numerically and experimentally. The fire smoke is simulated as a buoyant plume obtained by injecting a mixture of air and helium into ambient air. With this simplified representation, the radiation and the heat losses at the walls are not taken into account, but the model can nevertheless provide relevant information on phenomenology and data fields that can be compared to real fires. The study aims to meet various objectives, in particular increasing the efficiency of the mechanical ventilation systems and improving the safety of tunnels users in the event of fires. In the first part, experiments are conducted to measure, using Particle Image Velocimetry (PIV) system, the velocity fields induced by turbulent buoyant plumes released within a longitudinally ventilated tunnel. The aim is to study the non-Boussinesq effects (i.e. effects related to large density differences between the buoyant plume and the ambient air) on the dynamics of the momentum-driven releases and buoyancy-driven releases. Then, the effect of solid barriers, placed at the tunnel ceiling, on the propagation of smoke in fire events within longitudinally ventilated tunnels is studied. Two types of barrier are considered: ''small barriers'' designed to be fixed in place and ''large barriers'' designed to be mobile in real tunnels. Experiments are carried out with and without vehicular blockage, which are modelled by blocks of different sizes and placed upstream of the source. It is found that the presence of barriers and/or blocks reduces the critical velocity, which is defined as the minimum ventilation velocity required to ensure that all the smoke remains downstream of the source, in the same direction as the ventilation flow. The reduction rate of the latter depends on the blocking rate created by the obstacles (barriers, blocks or both) located just upstream of the source. Subsequently, the effect of blockages on pressure losses inside the tunnel is investigated. It is shown that the large barriers are more effective than small ones because they reduce the critical velocity and induce less pressure losses in congested tunnels. In the second part, using a transverse ventilation system, the conditions of confinement of the smoke flow between two exhaust vents located on either side of a buoyant source are investigated. The effect of the shape and the position (with respect to the tunnel axis) of the dampers, including the specific case of full-width dampers, on the performance of the transverse ventilation system is evaluated. The extent of the backflow length beyond the extraction dampers, the confinement velocity and the stability of the smoke stratification are studied. Results show that the greater the proportion of the tunnel width the vent covers and the closer to the centre of the tunnel the vent is placed, the more efficient the ventilation system at confining the smoke to the extraction zone and ensuring the stability of the smoke stratification. The effect of solid barriers placed at the tunnel ceiling is also evaluated with transverse ventilation and it’s found that large barriers can improve the efficiency of vents that do not cover the full width of the tunnel, by reducing the confinement velocity and enhancing the stability of the smoke stratification. In the last part, numerical simulations of fires in a tunnel with longitudinal and transverse ventilation are carried out using Fire Dynamics Simulator (FDS) software and Large Eddy Simulation (LES) approach. Several physical simulations are numerically reproduced to complete the interpretation of the experimental results. A good agreement is usually reached between the experimental and the numerical results. [...]