Étude expérimentale du comportement du feu et de la suppression du feu par brouillard d'eau dans le compartiment moteur d'un véhicule terrestre

Experimental investigation of fire behavior and fire suppression by water-mist in a ground vehicle engine compartment

• Auteur / Autrice : Soleh Fajar Junjunan
• Direction : Khaled Chetehouna, Nicolas Gascoin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 17/10/2023
• Etablissement(s) : Bourges, INSA Centre Val de Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Khaled Chetehouna, Nicolas Gascoin, Michael Försth, Dominique Morvan, Cathy Castelain, Albert Simeoni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michael Försth, Dominique Morvan
• DOI : 10.70675/6ee7dec0z073az4da5z8b0dz7a6b5d5a3612

Mots clés

Mots clés libres

Extinction d'incendie

Brouillard d'eau

Additifs

Remplacement des HFC

Compartiment moteur

Étude expérimentale

Fire suppression

Water mist

Additives

HFC replacement

Engine compartment

Experimental study

Résumé

La protection contre les incendies fait partie de la capacité de survie des véhicules militaires et civils. Le Halon, un extincteur efficace dans les véhicules terrestres, a été progressivement éliminé en raison de son fort potentiel d'appauvrissement de la couche d'ozone. Le FM-200 est maintenant couramment utilisé comme alternative, mais il a toujours un potentiel de réchauffement global élevé par rapport aux systèmes d'extinction à base d'eau. Des recherches approfondies ont été menées pour trouver des alternatives appropriées, notamment des extincteurs à gaz, à poudre, à poudre, à mousse, en aérosol et à base d'eau. En particulier, le brouillard d'eau est considéré comme une alternative potentielle sans appauvrissement de la couche d'ozone ni potentiel de réchauffement global, et fait l'objet de cette étude. Afin d'évaluer ses performances et d'étudier l'interaction entre le brouillard d'eau et un feu de compartiment, un banc d'essai simplifié à l'échelle 1 basé sur le compartiment moteur d'un véhicule militaire terrestre a été mis en place à partir de données CAO. Des tests expérimentaux ont été effectués. Dans un premier temps, des essais de feu en nappe ont été menés pour observer le comportement du feu à l'intérieur du compartiment moteur et caractériser la source d'incendie. Les tests ont été effectués dans des conditions bien confinées et ventilées, conformément aux directives du STANAG 4317, en faisant varier la taille du bac à carburant, les conditions de ventilation et l'épaisseur initiale du carburant. Des capteurs et des instruments de mesure tels que des thermocouples, des capteurs de flux de chaleur, des cellules de charge, des tubes de Pitot, des analyseurs de gaz et des caméras ont été utilisés. Dans un deuxième temps, des essais d'extinction d'incendie par brouillard d'eau ont été réalisés. Après avoir observé le comportement du feu, une casserole d'un diamètre de 24 cm et d'une épaisseur initiale de combustible de 5 mm a été choisie pour l'essai d'extinction d'incendie. L'étude a ensuite consisté à étudier l'influence de la pression de l'eau, de l'utilisation de divers additifs et des conditions de ventilation sur les phénomènes d'extinction d'incendie et sur les performances du brouillard d'eau. En particulier, les polysorbates (Tween-20 et Tween-80) et l'éthanol ont été sélectionnés comme additifs. Bien que le Tween-80 et l'éthanol aient été étudiés dans la littérature en tant qu'additifs de brouillard d'eau pour l'extinction des incendies, il existe peu d'informations publiées sur le Tween-20 en tant qu'additif de brouillard d'eau. Les principaux résultats indiquent que le brouillard d'eau peut éteindre efficacement un feu de nappe dans les conditions de l'étude. Cependant, ses performances diminuent à des pressions d'eau plus basses ou lorsque le flux d'air est perturbé par des facteurs tels que le ventilateur du moteur. Ces résultats soulignent l'importance d'optimiser le système d'extinction d'incendie en utilisant des additifs ou en modifiant l'emplacement de la buse, par exemple, en particulier dans les situations d'incendie difficiles où des obstacles entravent le processus d'extinction. Les additifs affectent positivement les performances du brouillard d'eau, le Tween-20 étant plus performant que les deux autres additifs de notre étude. Cette étude consiste en une première étape qui sera poursuivie dans des travaux ultérieurs. plusieurs perspectives ont été identifiées telles que l'évaluation de différentes conceptions de buses, l'intégration d'obstacles à l'intérieur du compartiment, l'exploration d'additifs supplémentaires, l'amélioration des techniques de mesure telles que la vélocimétrie par images de particules ou les simulations CFD. Cette dernière devrait être menée pour accroître les connaissances sur le système de brouillard d'eau avec additifs comme alternative pertinente au FM-200 ou à tout autre agent interdit.

Fire protection is a part of the survivability of military and civilian vehicles. Halon, an effective fire suppressant in ground vehicles, has been phased out due to its high ozone depletion potential. FM-200 is now commonly used as an alternative, but it still has a high global warming potential compared to water-based extinguishing systems. Extensive research has been conducted to find suitable alternatives, including gas, dry chemical, wet chemical, foam, aerosol, and water-based fire extinguishers. In particular, water mist is considered as a potential alternative with no ozone depletion or global warming potential, and is the focus of this study. In order to evaluate its performance and study the interaction between water mist and a compartment fire, a simplified scale-1 test bench based on the engine compartment of a ground military vehicle has been implemented based on CAD data. Experimental tests have been carried out. First, pool fire tests were conducted to observe the fire behavior inside the engine compartment and characterize the fire source. The tests were carried out under both well-confined and ventilated conditions, following the STANAG 4317 guidelines, varying the fuel pan size, ventilation conditions, and initial fuel thickness. Measuring sensors and instruments such as thermocouples, heat flux sensors, load cells, pitot tubes, gas analyzers, and cameras were used. In a second step, fire suppression tests using water mist were performed. After observing the fire behavior, a pan with a diameter of 24 cm and an initial fuel thickness of 5 mm was chosen for the fire suppression test. The study then consisted in investigating the influence of water pressure, the use of various additives, and ventilation conditions on the fire suppression phenomena and on the performance of water mist. In particular, polysorbates (Tween-20 and Tween-80) and ethanol were selected as additives. While Tween-80 and ethanol have been studied in the literature as water mist additives for fire suppression, there is limited published information on Tween-20 as a water mist additive. The main results indicate that water mist can effectively extinguish a pool fire in the conditions of the study. However, its performance decreases at lower water pressures or when the airflow is disturbed by factors such as the engine fan. These findings highlight the importance of optimizing the fire suppression system by using additives or changing the location of the nozzle, for example, especially in challenging fire situations where obstacles hinder the extinguishing process. Additives positively affect water mist performance, with Tween-20 performing better than the two other additives in our study. This study consists in a first step that will be continued in further works. Several perspectives have been identified, such as the evaluation of various nozzle designs, the integration of obstacles inside of the compartment, the exploration of additional additives, and improved measurement techniques such as Particulate Image Velocimetry or CFD simulations. The latter should be conducted to increase the knowledge on water mist systems with additives as a relevant alternative for FM-200 or any other prohibited agent.