Étude expérimentale des écoulements induits lors d'un incendie dans une enceinte confinée et mécaniquement ventilée. Application aux scénarios d'incendie dans un milieu sous-ventilé.

Experimental study of the induced flows during a fire in a confined, mechanically ventilated enclosure. Application to fire scenarios in an under-ventilated environment.

• Auteur / Autrice : Loïc Perrin
• Direction : Olivier Vauquelin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique et Physique des Fluides
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IUSTI - INSTITUT UNIVERSITAIRE DES SYSTEMES THERMIQUES INDUSTRIELS

Mots clés

Mots clés libres

Mécanique des fluides

Incendie

Feu

Ventilation

Bâtiment

Fluid mechanics

Fire

Fire

Ventilation

Building

Résumé

Ce travail de recherche s'inscrit dans le cadre des études menées sur le risque incendie dans les installations nucléaires. Les configurations expérimentales considèrent, dans un objectif de représentativité des scénarios, des environnements confinés et ventilés mécaniquement ainsi que des régimes de combustion sous-oxygénés. L'objectif de ce travail est la compréhension et la modélisation des phénomènes aérauliques régissant la stratification des gaz, l'alimentation en oxygène du foyer ainsi que les échanges de chaleur aux parois, en milieu sous-oxygéné. A terme, l'objectif est l'amélioration du potentiel prédictif des outils de simulation de l'IRSN pour des configurations complexes telles que les milieux sous-oxygénés. Ces derniers introduisent en effet des couplages forts au sein d'un compartiment entre les différentes phénoménologies inhérentes à un incendie dans un compartiment (pyrolyse du matériau, zone de réaction, panache, écoulement au plafond, écoulements rampants, remplissage, alimentation en air vicié…). Les zones de mélange et de diffusion évoluant en régime pleinement turbulent ou bien faiblement turbulent sont en effet nombreuses pour ces configurations et les outils de simulations permettent difficilement de prédire ces phénomènes. Le travail de recherche sera effectué expérimentalement à petite échelle dans le caisson STYX, afin de maîtriser les coûts de cette étude et de permettre la mise en place d'une métrologie avancée, non intrusive et innovante, au vu de la configuration étudiée. En se basant sur les acquis du laboratoire dans ce type d'approche expérimentale, une Vélocimétrie laser par Image de Particule (PIV) sera déployée afin de caractériser le champ de vitesse en plusieurs zones de l'écoulement. Sur un plan plus exploratoire, les zones de réaction pourront être visualisées par imagerie OH ou bien par thermographie infra-rouge. En parallèle, le sujet de recherche comprend la réalisation de simulations numériques à l'aide du logiciel CALIF3S-ISIS en mettant en œuvre des simulations aux grandes échelles (SGE) pour la modélisation de la turbulence. Les derniers travaux réalisés au laboratoire ont effectivement montré que cette approche permettait d'appréhender certains mécanismes aérauliques largement présents dans les milieux sous-oxygénés. La comparaison des résultats expérimentaux et numériques permettra in fine de valider ces deux approches puisque celles-ci sont fortement complémentaires. D'un point de vue contextuel ce travail de recherche reprend les thèmes majeurs abordés à grande échelle dans le programme PRISME 3. Sur le plan métrologique ce travail s'inscrit dans la démarche préconisée de l'HCERES qui incite l'institut à « promouvoir l'utilisation de mesures indirectes » telle que la PIV. Enfin, sur un autre plan, la réalisation de ces expérimentations avec la mise en place d'une métrologie avancée, permettra de partager ces résultats avec la communauté au travers de communications mais également au travers de benchmarks qui œuvrent pour l'élaboration d'une base de données internationale unique, dans le domaine de l'incendie.

This research is part of a series of studies into the risk of fire in nuclear facilities. In order to be representative of the scenarios, the experimental configurations consider confined and mechanically ventilated environments, as well as sub-oxygenated combustion regimes. The aim of this work is to understand and model the aeraulic phenomena governing gas stratification, oxygen supply to the furnace and heat exchange at the walls in an under-oxygenated environment. Ultimately, the aim is to improve the predictive potential of IRSN's simulation tools for complex configurations such as under-oxygenated environments. The latter introduce strong couplings within a compartment between the various phenomenologies inherent in a fire in a compartment (pyrolysis of the material, reaction zone, plume, overhead flow, creeping flow, filling, supply of stale air, etc.). The mixing and diffusion zones evolving in a fully turbulent or slightly turbulent regime are numerous for these configurations, and it is difficult to predict these phenomena using simulation tools. The research work will be carried out experimentally on a small scale in the STYX chamber, in order to keep the costs of this study under control and to enable the implementation of advanced, non-intrusive and innovative metrology, given the configuration under study. Based on the laboratory's experience in this type of experimental approach, Particle Image Laser Velocimetry (PIV) will be deployed to characterise the velocity field in several areas of the flow. Recent work carried out in the laboratory has shown that this approach can be used to understand certain aeraulic mechanisms that are widely present in sub-oxygenated environments. The comparison of experimental and numerical results will ultimately enable these two approaches to be validated, since they are highly complementary. From a metrological point of view, this work is in line with the approach recommended by the HCERES, which encourages the institute to ‘promote the use of indirect measurements' such as PIV. Finally, on another level, carrying out these experiments with the implementation of advanced metrology will enable these results to be shared with the community through communications but also through benchmarks that are working towards the development of a unique international database in the field of fire.