Thèse soutenue

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

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Auteur / Autrice : Fateh Chaabat
Direction : Richard PerkinsPietro SalizzoniMathieu 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) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)
Jury : Président / Présidente : Jacques Jay
Examinateurs / Examinatrices : Pietro Salizzoni, Mathieu Creyssels, Elisa Béraud, Antoine Mos
Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Boulet

Résumé

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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. [...]