Modélisation des interactions combustion-turbulence pour la simulation des incendies en milieux confinés et ventilés

Modelling of Turbulence-Combustion Interactions for the Simulation of Fires in Confined and Ventilated Enclosures

• Auteur / Autrice : Uday Chikkabikkodu Krishna Murthy
• Direction : Arnaud Mura, Franck Richard, Germain Boyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 17/10/2024
• 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 de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (Fontenay-aux-Roses ; 2002-2024) - Institut Pprime [UPR 3346] / PPrime [Poitiers]
• Jury : Président / Présidente : Béatrice Patte-Rouland
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cédric Galizzi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arnaud Trouvé, Stéphane Jay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence

Transfert de chaleur

Suie

Monoxyde de carbone

Modélisation CFD

Incendies

Flamme

Combustion

Combustibles

Mots clés libres

Flammes non prémélangées

Flamelettes

Fonctions de densité de probabilité

Chimie tabulée

Entrées multiples

Feux de compartiments

Non-premixed flames

Flamelets

Probability density functions

Tabulated chemistry

Multiple-inlets

Compartment fires

Résumé

La simulation numérique des incendies dans les installations nucléaires présente deux difficultés. D’une part, plusieurs combustibles différents (foyers solides ou liquides) peuvent être impliqués en même temps. D’autre part, les effets du confinement et de la ventilation mécanique peuvent induire des effets de pression dans le compartiment, et conduire transitoirement à des puissances de feu plus élevées qu’en milieu ouvert. Dans ce contexte, l’approche EDM(Eddy Dissipation Model), souvent utilisée pour la simulation des flammes non-prémélangées rencontrées en incendie, décrit les taux de réaction uniquement à partir du temps caractéristique de la turbulence, et néglige les interactions de la turbulence avec la chimie et les transferts thermiques. Cette approche surestime la température de la flamme, et ne permet ni la prédiction des concentrations d’espèces chimiques intermédiaires(monoxyde de carbone, imbrûlés, suies), ni la description des extinctions et ré-inflammations locales induites par l’étirement ou des pertes radiatives. La présente étude se concentre donc sur le développement d’un modèle de combustion turbulente basé sur l’approche Steady Laminar Flamelet Model (SLFM), qui suppose que le temps caractéristique des réactions chimiques est petit, mais fini, comparé au temps caractéristique turbulent. Dans un premier temps, l’approche SLFM est appliquée à la simulation RANS de la flamme jet Sandia D. Elle permet de mieux représenter le champ de température et la structure chimique de la flamme que l’approche EDM. L’approche SLFMest ensuite généralisée pour tenir compte des entrées multiples de combustible et de comburant, par l’introduction de scalaires passifs supplémentaires, appelés traceurs d’entrée. Ce modèle multi-entrées est validé par les simulations RANS et LES du brûleur JHC d’Adélaïde, qui comporte deux entrées distinctes d’oxydant. La modélisation multi-entrées permet bien de reproduire les champs de température et de concentration, et de prendre en compte les effets de dilution. L’approche SLFM est enfin testée sur deux cas d’application incendie. Le premier, un panache de méthanol en milieu ouvert, est simulé avec le modèle de flamelettes à deux entrées. La structure chimique de la flamme, les niveaux de température et les espèces intermédiaires sont bien estimés. Le second cas concerne la phase de puissance maximale d’un feu de boîte à gants. Cette configuration est simulée à l’aide de l’approche SLFM à plusieurs entrées, du fait de la présence de de deux combustibles distincts. Les pertes radiatives sont modélisées de manière simplifiée. Ces deux cas montrent la capacité de l’approche SLFM à prédire la structure chimique des flammes rencontrées en incendie.

Numerical simulation of fires in nuclear facilities presents two difficulties. Firstly, several different fuels (solid or liquid fires) may be involved at the same time. Secondly, the effects of containment and mechanical ventilation can induce pressure effects in the compartment, leading transiently to higher fire powers than in an open environment. In this context, the EDM (Eddy Dissipation Model) approach, often used to simulate non-premixed flames encountered in fires, describes reaction rates based solely on the characteristic time of turbulence, and neglects the interactions of turbulence with chemistry and heat transfer. This approach overestimates flame temperature, and fails to predict the concentrations of intermediate chemical species (carbon monoxide, unburnt fuel, soot),or to describe local extinctions and reignitions induced by stretching or radiative losses. The present study therefore focuses on the development of a turbulent combustion model based on the Steady Laminar Flamelet Model (SLFM) approach, which assumes that the characteristic time of chemical reactions is small, but finite, compared to flow time scales. The model is first applied to the RANS simulation of the Sandia D jet flame. It provides a better representation of the temperature field and chemical structure of the flame than the EDM approach. The SLFM approach is then generalised to accommodate multiple fuel and oxidiser inlets, by introducing additional passive scalars, called inlet tracers. The model is validated by carrying out RANS and LES of the Adelaide JHC burner, which features two distinct oxidiser inlets. Multiple-inlet modelling enables temperature and concentration fields to be well reproduced, and dilution effects to be taken into account. Finally, the SLFM approach is tested on two fire applications. The first, an open methanol pool fire is simulated with the two-inlet flamelet model. The chemical structure of the flame, temperature levels and the intermediate species are well estimated. The second case concerns the maximum power phase of a glovebox fire. This configuration is simulated using the multi-inlet SLFM approach, due to the presence of two distinct fuels. Radiative losses are modelled in a simplified way. These two cases demonstrate the ability of the SLFM approach to predict the chemical structure of flames encountered in fires.