Études numériques et expérimentales des feux marginaux

Numerical and experimental studies of marginal fires

• Auteur / Autrice : Carmen Awad
• Direction : Jean-Louis Rossi, Thierry Marcelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, Énergétique, Thermique, Combustion
• Date : Soutenance le 22/01/2021
• Etablissement(s) : Corte
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnement et sociéte (Corte ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences pour l'environnement / SPE
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Louis Rossi, Thierry Marcelli, Anne Ganteaume, Khaled Chetehouna, Gilbert Accary, Lucile Rossi-Tison, Paul-Antoine Santoni, Albert Simeoni
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne Ganteaume, Khaled Chetehouna

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Essais de comportement au feu

Feu

Mots clés libres

Feux marginaux

Simulation numérique

Extinction des feux

Modélisation des feux

Combustion

Teneur en eau d’extinction

Dynamique des feux

Feux dirigés

Marginal fires

Numerical simulation

Fire extinction

Fire modelisation

Fuel moisture content

Fire dynamics

Prescribed fires

Résumé

La lutte contre les incendies de forêt commence très en amont des départs de feux par une politique volontariste de prévention du risque. Une des méthodes la plus utilisée est la réduction de la charge du combustible en utilisant la technique des feux contrôlés appelés aussi feux dirigés. Ces feux sont souvent menés en forêt et doivent être à faible intensité pour ne pas causer des dégâts importants sur les arbres et sur le sol. Ainsi, ils sont toujours conduits avec des conditions de propagation marginales. Ainsi une légère modification de ces conditions peut provoquer leur extinction. En effet, la probabilité de succès de ce type de feux dépend de plusieurs facteurs naturels (température ambiante, humidité relative, vitesse de vent…) et également des propriétés du couvert végétal (teneur en eau, forme, taille, densité, …). Le but de cette étude est d’identifier les principales propriétés du combustible permettant une propagation du feu dans ces conditions particulières, ainsi que l’influence de certaines propriétés du combustible et des conditions météorologiques (vitesse de vent, température ambiante, …) sur le comportement des feux marginaux. La valeur seuil de la teneur en eau provoquant une extinction sera plus particulièrement investiguée.Dans un premier travail portant sur la détermination de la teneur en eau d’extinction sous conditions de vent et pente nuls, trois modèles ont été utilisés : un modèle physique complet, basé sur une approche multiphasique (« FireStar2D »), un modèle analytique publié en 2014 par Balbi et al., et deux modèles expérimentaux, dont le premier est basé sur des séries de tests de brûlages réalisés au sein du laboratoire UMR CNRS SPE 6134 de l’université de Corse et dont le deuxième, purement empirique, a été proposé par Wilson en 1985. Ainsi, des simulations ont été réalisées avec FireStar2D à l’échelle du terrain, pour l’herbe et le maquis sous des conditions de vent faible et de pente nulle. En outre, des tests de brûlages sont menés à partir de la frisure de bois à l’échelle du laboratoire. Les différents résultats des simulations et des tests expérimentaux sont en adéquation avec ceux obtenus avec le modèle semi-physique. De plus, cette étude a permis de mettre en évidence l’effet de la charge surfacique et du LAI, « Leaf Area Index », sur le seuil d’extinction relié à la teneur en eau de la végétation.La deuxième partie de recherche a porté sur la détermination de la teneur en eau d’extinction sous condition d’un vent modéré ou fort. Des simulations numériques sont menées à l’échelle du terrain avec de l’herbe sous condition de vent afin de relier la teneur en eau d’extinction à la vitesse du vent et à la charge surfacique du combustible. Cette étude a permis également d’évaluer l’influence du vent et de la teneur en eau sur le comportement d’un feu marginal et plus particulièrement sur les caractéristiques de la flamme.Les résultats de ce travail de recherche sont encourageants et très intéressants pour les opérationnels qui travaillent dans les domaines de la gestion de terrain et de la lutte contre les incendies, vu l’importance des applications des feux marginaux dans ces deux domaines.

Wildfire suppression begins before the start of a fire incidence with the application of many proactive prevention policies. One of the most common method is the reduction of the fuel load accumulation by using controlled fires techniques also called prescribed fires. These fires are often conducted in forests and their intensity must be low to prevent any major damage on trees and on the soil. Thus, they must propagate under marginal conditions. So, a slight modification of the propagation conditions can cause their extinction. Indeed, the probability of sustainability of this type of fire depends on several natural factors (ambient temperature, relative humidity, wind speed, etc.) and also on the fuel properties (water content, shape, size, density, specific heat of combustion…). The aim of this study is to identify the fuel properties allowing fire propagation under these particular conditions. Also, the influence of some fuel properties, and of meteorological conditions (wind speed, ambient temperature, etc.) on the behavior of marginal fires and especially on the fuel moisture content of extinction are investigated.During a first work about the determination of the threshold value of the fuel moisture content involving fire extinction under no wind and no slope conditions, three models were used: a complete physical model, based on a multiphase formulation (“FireStar2D”), an analytical model published in 2014 by Balbi et al., and two experimental models. The first one is based on experimental tests carried out in the UMR SPE 6134 laboratory at the University of Corsica and the second one is an empirical model proposed by Wilson in 1985. Thus, field scale simulations were carried out using FireStar2D, with grassland and shrubs as fuel under conditions of light wind and no slope. Moreover, laboratory scale experimental burnings were conducted with excelsior fuel beds. The different results of the simulations and the burning tests are in agreement with those obtained with the semi-physical model. In addition, the effect of fuel load and the LAI, « Leaf Area Index », on the fuel moisture extinction threshold are studied.In a second study, several field scale numerical simulations are conducted with grassland under non-zero wind conditions in order to relate the fuel moisture content threshold to wind speed and to fuel load. This study also allows us to evaluate the influence of wind speed and fuel moisture content on marginal fire behavior and especially on flame characteristics.The results are encouraging and interesting to operational people working in fire management and firefighting fields, given the importance of marginal fire applications in these two domains.