Études numériques des feux extrêmes

Numerical studies of extreme wildfires

• Auteur / Autrice : Jacky Fayad
• Direction : Jean-Louis Rossi, François Joseph Chatelon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, Énergétiques, Thermique
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Corte
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnement et sociéte (Corte ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Université de Corse (1975-....). UMR CNRS 6134 "Sciences pour l'Environnement" (SPE)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Joseph Chatelon, Anne Ganteaume, Khaled Chetehouna, Gilbert Accary, Sofiane Meradji, Dominique Morvan, Lucile Rossi-Tison, Paul-Antoine Santoni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Ganteaume, Khaled Chetehouna

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Effets du feu

Forêts -- Incendies

Mots clés libres

Distance de sécurité

Feux expérimentaux

Feu de forte puissance

Interface forêt-habitat

Modélisation des feux

Simulation numérique

Experimental fires

High-intensity fires

Numerical simulation

Fire modelling

Safety distance

Wildland urban interface

Résumé

Les feux extrêmes sont des feux caractérisés par une forte puissance et une vitesse de propagation élevée qui rendent les moyens de lutte impuissants. Ces phénomènes entraînent une augmentation des dégâts et du nombre de décès civils et opérationnels, et perturbent les écosystèmes ainsi que nos sociétés. Il existe plusieurs types de feux extrêmes, dont les feux de forte puissance qui sont l’objet de cette thèse. Ce type de feux constitue un réel risque, étant donné l’augmentation de sa fréquence et son impact dans le monde entier. Par conséquent, l’évaluation des conditions de propagation qui peuvent déclencher un feu de forte puissance, s’avère très utile dans le but d’anticiper ces phénomènes. De plus, l’étude du comportement d’un feu de forte puissance (vitesse de propagation, intensité et impact) est susceptible de fournir des renseignements aux opérationnels en phase de lutte. L’objectif principal de cette thèse est d’étudier la propagation des feux de forte puissance à l’aide des feux expérimentaux réalisés à l’échelle du terrain sur du maquis Corse « Genista salzmannii ». Ces expériences ont été menées lors des deux saisons (hiver et automne), dans deux régions différentes de l’Île (Nord-Ouest et Sud-Ouest de la Corse), selon un protocole expérimental et des techniques qui permettent d’évaluer la dynamique et l’impact de ces feux. À la suite des expériences, des études numériques ont été menées à l’aide des codes physiques complets FireStar2D et 3D, basés sur une approche multiphasique, afin de tester la pertinence de ces modèles de propagation dans la prédiction du comportement des feux expérimentaux de forte puissance. Les différents résultats numériques obtenus pour les trois configurations choisies, ont montré une bonne adéquation avec les résultats expérimentaux. Ceci montre que ces modèles peuvent être utilisés pour étudier d’autres configurations sans avoir forcément recours aux expériences. Les campagnes de feux réalisées étaient représentatives des feux de forte puissance, qui ont eu lieu malgré des conditions marginales de propagation dues à des vitesses de vent faibles, des teneurs en eau du combustible ainsi que des humidités relatives de l’air élevées. Ces expériences pourront également fournir des observations détaillées, utiles pour améliorer la modélisation. Ceci représente une avancée significative, étant donné la complexité et les difficultés de la mise en œuvre des expériences sur le terrain. La deuxième partie de la thèse a porté sur une étude numérique d’un « cas critique » d’un feu de forte puissance. Ce feu a été étudié suivant plusieurs approches : empiriques, physiques complètes et simplifiées. En particulier, FireStar2D et 3D et le modèle physique simplifié de Balbi ont été mis en œuvre. Plusieurs paramètres ont ainsi été évalués par les différentes approches, dont la vitesse de propagation, l’intensité du front de flammes, la géométrie du front et de la flamme (longueur et inclinaison). L’objet principal de cette étude, était non seulement d’évaluer le comportement mais surtout l’impact de ce feu de forte puissance sur deux cibles : un corps humain et un bâtiment de quatre étages. Cela a permis d’établir des corrélations qui lient les flux de chaleur totaux reçus par les cibles en fonction de leur position du front de feu. L’objectif était d’évaluer la distance de sécurité autour des interfaces forêt-habitat, en considérant la valeur maximale tolérable du flux de chaleur thermique, qui peut être reçu par la cible sans causer de dommages. . Les distances de sécurité évaluées à l'aide de cette méthodologie, pour un pompier et un bâtiment, sont inférieures à 50 mètres. Ceci confirme, pour cette configuration, l'efficacité de la valeur de la distance de sécurité autour des habitations, fixée par les experts opérationnels et supposée égale à un minimum de 50 m en France.

Extreme fires are characterized by their high intensity and rate of spread, which overwhelm firefighting resources. These phenomena result in increased damage, civilian and operational fatalities and disruption to ecosystems, human life and the economy. There are several types of extreme fires, including high-intensity fires, which are the main subject of this thesis. This type of fire presents a real risk, given the increase in its frequency and scale throughout the world. Consequently, it is very useful to assess the conditions of propagation that can trigger a high- intensity fire in order to be able to anticipate these phenomena. In addition, studying the behavior of a high-intensity fire (rate of spread, intensity and impact) can provide information to operational staff during the firefighting phase. The main aim of this thesis is to study the propagation of high-intensity fires by means of experimental fires carried out on a field scale on Corsican shrub species named 'Genista salzmannii'. These experiments were carried out during two periods (winter and autumn), in two different regions: North-West and South-West of Corsica, using an experimental protocol and technologies that make it possible to assess the dynamic and impact of these fires. Following the experiments, numerical studies were carried out using fully physical fire models based on a multiphase formulation, FireStar2D and 3D, in order to test the relevance of these propagation models in predicting the behavior of these experimental fires. The different numerical results obtained for the three terrain configurations chosen were in agreement with the experimental results. This shows that these models can be used to study other configurations without necessarily having to resort to experiments. The fire campaigns carried out were representative of high-intensity fires that occurred despite marginal propagation conditions related to low wind speeds, high fuel moisture content and relative air humidity. These experiments can also provide detailed observations, as well as input data that can be used in modelling, given that carrying out such experiments is not easy and is always subject to difficulties and constraints. The second part of the research focused on a numerical study of a "critical case" of a high- intensity fire. This fire was studied using several empirical approaches, fully physical models found in the literature, in particular FireStar2D and 3D and the simplified physical Balbi model. Several parameters were evaluated using the different approaches, including the rate of spread, the intensity of the flame front, the geometry of the front and of the flame (length and tilting). The main aim of this study was to assess not only the behavior but also the impact of this high-intensity fire on two different targets: the human body and a four level building. This made it possible to establish correlations between the total heat fluxes received by the targets as a function of their position in front of the fire. The aim was to assess the safety distance around wildland urban interfaces by considering the maximum tolerable value of thermal heat flux that can be received by the target without causing damage. The safety distances assessed using this methodology, for a firefighter and a building, are less than 50 meters. This confirms, for this configuration, the effectiveness of the value of the safety distance around buildings, set by operational experts and assumed to be equal to a minimum of 50 m in France.