Enquête sur les "Flashovers" de feux de forêt dans les régions climatiques méditerranéennes avec un accent sur les contributions en COV

Investigation on Wildfire Flashovers in the Mediterranean Climate Regions with Emphasis on VOCs Contributions

• Auteur / Autrice : Rawaa Jamaladdeen
• Direction : Jean-Pierre Garo, Hui Ying Wang, Bruno Coudour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 22/12/2023
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Paul-Antoine Santoni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hui Ying Wang, Laurent Lemée, Fabienne Dédaldéchamp
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Khaled Chetehouna, George Mitri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inflammabilité

Sesquiterpènes

Rosmarinus

Pyrolyse

Forêts -- Incendies -- Lutte contre

Essais de comportement au feu

Dépolymérisation réductrice

Cyprès

Composés organiques volatils

Cistacées

Chimisorption

Chênes

Effets du feu

Cellulose

Bois -- Distillation

Adsorption

Mots clés libres

Embrasement généralisé éclair

Feux de cimes

Feux de surfaces

Flashovers

Crown fire

Surface fire

Résumé

Cette thèse apporte des réponses aux demandes de la communauté des pompiers d'étudier les facteurs probables responsables de l'intensification des régimes de feux de forêt jusqu'aux flashovers en utilisant des approches expérimentales numériques et thermochimiques. Le modèle numérique est un modèle de dispersion de gaz validant les données expérimentales des essais en soufflerie pour résoudre la controverse quant à savoir si les accumulations de composés organiques volatils (COV) dans des topographies confinées finissent par induire des incendies de forêt. Il comprend un front de feu se propageant calculé à l'aide du modèle semi-empirique de feu de surface en régime permanent de Rothermel et de la transition de Van Wagner vers les critères de comportement des feux de cime, avec un taux instable intégré d'émissions de COV simulant ceux évoluant à partir de la combustion de la végétation dans le front de feu. Pour synchroniser nos travaux avec les données de terrain, des expériences thermochimiques ont été menées sur diverses espèces de végétation méditerranéenne afin d'examiner leurs taux d'émission de COV dans des conditions environnementales normales et stressantes, car elles pourraient finir par définir différents scénarios d'inflammabilité lors d'incendies de forêt. Premièrement, deux espèces d'arbustes méditerranéens : Cistus albidus et Rosmarinus officinalis sont explorées pour leurs émissions de COV et leurs changements physiologiques après avoir été soumises à des stress abiotiques (sécheresse et chaleur), à l'aide d'analyses par chromatographie en phase gazeuse par pyrolyse et par spectrométrie de masse (Py-GC/MS). Deux autres espèces forestières méditerranéennes : Quercus suber L. et Cupressus sempervirens horizontalis L. ont été étudiées pour leurs caractéristiques d'inflammabilité distinctives à l'aide d'analyses thermogravimétriques et thermiques différentielles (TG/DTA), couplées à une analyse Py-GC/MS pour identifier les gaz émis. lors des pics exothermiques. Cette étape vise à mieux comprendre les descripteurs d'inflammabilité de ces espèces dans le cadre d'une stratégie de gestion forestière plus efficace par laquelle, en favorisant la plantation de certaines espèces moins inflammables dans les mesures sylvicoles, on pourrait protéger d'autres espèces plus inflammables mais économiquement précieuses, des dangers des incendies de forêt et leurs comportements extrêmes. Les espèces de la végétation méditerranéenne sont d'importants émetteurs de COV, en particulier lorsqu'ils sont provoqués par des stress externes lors d'incendies de forêt. Cependant, certains COV biogènes (COBV), plus particulièrement les sesquiterpènes, ne sont pas encore complètement couverts pour leurs caractéristiques d'inflammabilité, telles que leurs limites inférieure et supérieure d'inflammabilité, leur auto-inflammation, températures, points d'éclair, etc. Une telle lacune scientifique qu'il a fallu enrichir en étudiant les limites d'inflammabilité du β-Caryophyllène, l'un des plus importants sesquiterpènes émis par la végétation méditerranéenne. Des tests préliminaires pour mesurer les pressions de vapeur du β-Caryophyllène sont menés en vue d'expérimenter ses limites d'inflammabilité dans une bombe sphérique comme plans futurs. Les travaux de cette thèse doivent être considérés comme la première étape d'une approche plus globale qui devrait fournir aux personnels opérationnels de lutte contre les incendies un outil d'aide à la décision complet, capable de façonner leurs stratégies de gestion forestière pour protéger les milieux naturels et les pompiers des dangers des comportements extrêmes des incendies de forêt.

Requests from the firefighting communities are increasing urging the scientific communities to create operational protective and preventive tools that help them understand extreme wildfire behaviors considering not only the atmospheric conditions but also topography, and vegetation characteristics. Thus, our objective was to provide answers to such requests by investigating the probable factors responsible for intensifying wildfire regimes to flashovers using numerical, and thermobiochemical experimental approaches. The numerical model is a gas dispersion model validating experimental data from wind tunnel tests to resolve the controversy of whether or not the volatile organic compounds (VOCs) accumulations in confined topographies end up inducing wildfire flashovers. It comprises a propagating fire front calculated using the Rothermel semi-empirical steady-state surface fire model, and Van Wagner transition to crown fire behavior criteria, with an integrated unsteady rate of VOC emissions simulating the ones evolving from the vegetation burning in the firefront. To synchronize our work with field input, thermochemical experiments were conducted on various Mediterranean vegetation species to examine their VOC emission rates in normal and stressful environmental conditions as they may end up defining different flammability scenarios in wildfires. First, two Mediterranean shrub species: Cistus albidus and Rosmarinus officinalis are explored for their VOC emissions and physiological changes after being subjected to abiotic stresses (drought and heat), using pyrolysis-gas chromatography and mass spectrometry (Py-GC/MS) analyses. Two other Mediterranean forest species: Quercus suber L. and Cupressus sempervirens horizontalis L. were investigated for their distinctive flammability characteristics using thermo-gravimetric and differential thermal analyses (TG/DTA), coupled with Py-GC/MS analysis to identify the gases emitted during the exo-thermic peaks. This step aims to better understand the flammability descriptors of these species as a part of a more efficient forest management strategy by which, favoring the plantation of certain lesser flammable species in silviculture measures may protect other more flammable but economically valuable species, from the dangers of wildfires and their extreme behaviors. Mediterranean vegetation species are important VOC emitters especially when provoked by external stresses during wildfires however, some biogenic VOCs (BVOCs), more particularly sesquiterpenes, are still not thoroughly covered for their flammability characteristics, such as their lower and upper flammability limits, auto-ignition temperatures, flashpoints, etc. Such a scientific lack we found it necessary to enrich by studying the flammability limits of β-Caryophyllene, one of the most important sesquiterpenes emitted from Mediterranean vegetation. Preliminary tests for measuring the vapor pressures of β-Caryophyllene are conducted in preparation for experimenting its flammability limits in a spherical bomb as future plans. The work in this thesis should be considered as the first step in a more global approach that should provide operational firefighting staff, with a comprehensive decision-making tool capable of shaping their forest management strategies from wildfire characteristics themselves and protecting wildlands and firefighters equally from the dangers and extreme behaviors of wildfire flashovers.