Etude expérimentale, numérique et CFD de l'onde de surpression en champ proche et la charge au sol résultant d'une explosion de type BLEVE ( Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion)

Experimental, numerical and CFD investigation of near-field blast overpressure, ground loading, boiling and opening dynamics from BLEVE

• Auteur / Autrice : EL Mehdi Laamarti
• Direction : Frédéric Heymes, Albrecht Michael Birk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 29/09/2025
• Etablissement(s) : IMT Mines Alès en cotutelle avec Queen's university (Kingston, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Risques et Société (Nîmes ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences des Risques - laboratoire des sciences des risques
• Jury : Président / Présidente : Gabriel Ciccarelli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Heymes, Albrecht Michael Birk, Eulàlia Planas Cuchi, Delphine Laboureur, Tara Macdonald, Clément Chanut, She-Ming Lau-Chapdelaine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eulàlia Planas Cuchi, Delphine Laboureur
• DOI : 10.70675/533a3f0fzc7a3z44abz879czf610ebdbbeac

Mots clés

Mots clés libres

Bleve

Onde de choc

Charge au sol

Cfd

Gaz liquéfié sous pression

Explosion

Bleve

Near field blast

Ground loading

Cfd

Pressure liquefied gas

Explosion

Résumé

BLEVE, ou Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion , est un phénomène thermomécanique complexe qui se produit lorsqu'un liquide sous pression – tel que le propane, l'ammoniac ou l'hydrogène – subit un changement de phase rapide à la suite de la rupture de son confinement. Cette explosion physique diphasique se produit lors du stockage, du transport de ces substances sous pression. Les BLEVE sont particulièrement dangereux en raison de leur nature soudaine et violente, entraînant souvent de graves pertes humaines et d'importants dégâts matériels. La compréhension des mécanismes multidisciplinaires sous-jacents et des risques associés est donc essentielle pour combler les lacunes dans les connaissances et améliorer les procédures de sécurité.Cette thèse propose une étude approfondie du phénomène par des approches expérimentales, numériques et CFD. Les travaux se concentrent sur les aspects clés, notamment la surpression due aux chocs aériens en champ proche, la dynamique de l'ébullition, la dynamique de rupture du récipient, et les effets de la charge au sol. Un large nombre d'expériences (70) a été réalisé, faisant varier des paramètres tels que la pression de rupture, le niveau de remplissage du liquide et la longueur de l'élément affaibli. Ces variations ont permis une analyse des causes du BLEVE et de la gravité des risques associés.Cette recherche apporte de nouvelles connaissances sur les BLEVE à liquide comprimé, ainsi que des corrélations numériques basées sur des modèles semi-empiriques pour estimer l’onde de choc et la charge au sol. Elle étudie le rôle de la dynamique d'ouverture du récipient sur l'intensité des risques et améliore la définition du BLEVE, tout en identifiant les conditions nécessaires. Les cameras rapides ont permis de valider les modèles théoriques et ont fourni un aperçu visuel des dynamiques internes et externes impliquées dans un BLEVE, en particulier le rôle des phases liquide et vapeur, apportant ainsi une nouvelle expertise dans le domaine. De plus, les simulations CFD ont permis une analyse approfondie. L'intérêt de cette recherche réside dans sa capacité non seulement à confirmer les connaissances actuelles, mais aussi à approfondir la compréhension du BLEVE, ce qui a des applications directes à l'évaluation des risques et à la réduction des dangers.

A BLEVE, or Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion, is a complex thermomechanical phenomenon that occurs when a pressure liquefied gas – such as propane, ammonia, or hydrogen – undergoes rapid phase change due to containment failure. This two-phase physical explosion can arise during severe accidents involving the storage, transportation, or handling of such pressurized substances. BLEVEs are particularly dangerous due to their sudden and violent nature, often resulting in human casualties and extensive property damage. Understanding the underlying mechanisms and associated hazards is therefore crucial to tackle and bridge knowledge gaps and enhance safety procedures.This thesis provides a comprehensive investigation of BLEVE phenomena through experimental, numerical, and computational approaches. The work focuses on key aspects of the explosion process, including near-field aerial shock overpressure, boiling dynamics, vessel rupture and opening behavior, and ground loading effects. A wide range of small-scale experiments (70) were done using aluminum tubes, varying parameters such as failure pressure, liquid fill level, and weakened length. These variations allowed for an in-depth analysis of BLEVE causes and the severity of its related hazards.The research introduces new knowledge on compressed liquid BLEVEs (100 % liquid full), and numerical correlations based on semi-empirical models to estimate the near-field shock overpressure and ground load forces. The work investigates the critical role of vessel opening dynamics on the hazard’s intensity and improves the definition of BLEVE, along with a clearer identification of the specific conditions under which it is likely to occur. High-speed imaging validated theoretical models and offered visual insights into the internal and external dynamics involved in a BLEVE. The study has investigated both internal and external dynamics of BLEVE events, especially the role of liquid and vapor phases, contributing new knowledge to the field. Furthermore, computational simulations enabled the analysis of internal fluid behavior and external blast propagation, not easily observable through experiments alone.The relevance of this research lies in its ability to not only confirm current knowledge but also to extend the understanding of BLEVE, which has direct applications to risk assessment and hazard mitigation.