Conditions d'utilisation de modèles numériques pour l'évaluation de scénarios de départ de feu dans un cadre d'investigation post-incendie, Use of numerical models to assess fire scenarios in investigation framework

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Sous la direction de Alexis Coppalle
Thèse soutenue le 05 novembre 2009: INSA de Rouen
Devant le besoin de nouveaux outils d’aide à l’investigation post-incendie, cette thèse se propose d’évaluer le recours à des modèles numériques pour apprécier un scénario proposé par un expert. Pour cela, les conditions d’utilisation de la version 4 de Fire Dynamics Simulator (FDS) ont été déterminées dans une optique de reconstitution de sinistres. Une méthode a ensuite été développée afin de confronter les résultats des simulations aux observations faites lors de l’investigation : cette méthode se base sur l’utilisation de multiples points de comparaison qui sont des effets thermiques ou mécaniques remarquables sur un matériau. Les résultats obtenus ont ensuite été utilisés pour la simulation de deux cas réels. Le premier s’attache à comparer, à des simulations, des mesures de propagation de flammes à la surface d’un matelas dans deux configurations différentes. Cela est réalisé afin d’évaluer le modèle de combustion solide de FDS dans différentes conditions de ventilation. La seconde application est la reconstitution d’un incendie ayant fait une victime dans un appartement. Ce second cas a été choisi dans le but d’évaluer les méthodes de simulation et d’utilisation des points de comparaison établies dans les premiers chapitres.
-Cfd
-Investigation incendie
-Point de comparaison
-Fds
-Validation numérique
-Feu compartimenté
-Vitesse propagation
This work is intended to evaluate the use of numerical models to assess fire scenarios proposed by investigators. First chapter of this thesis is about theoretical fire phenomenon useful in the investigation frame. The second chapter is devoted to the validation of a CFD tool named Fire Dynamics Simulator (FDS) for fire reconstruction purposes. Guidance is developed in the third chapter in order to compare modelling results to degradations observed on fire scenes. It is explained how the accuracy of a scenario could be assessed using several comparison points, the thermal or mechanical effects on materials after a fire. Results obtained in previous chapters are finally applied on two cases. The first one is the comparison of fire spread velocities measured on two different experiments with simulations. This study is carried out to test FDS combustion model under ventilated and underventilated conditions. The second case is the reconstruction of a fire which killed the occupant of an apartment, the purpose of this work being to apply modelling and investigation guidance to a real case.
-Fire investigation
-Fire numerical simulation
-Cfd
-Combustion
-Compartment fire
-Comparison point
Source: http://www.theses.fr/2009ISAM0015/document
Publié le : samedi 29 octobre 2011
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Tags :
CFD
Nombre de pages : 342
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THÈSE
présentée par
Mathieu SUZANNE

en vue de l’obtention du grade de
Docteur de l’Institut National des Sciences Appliquées de Rouen
Discipline : Sciences Physiques
Spécialité : Énergétique
Formation doctorale : SPMII
Laboratoire d’accueil : CORIA
Directeur de thèse : Pr Alexis Coppalle


Conditions d'utilisation de modèles numériques pour
l’évaluation de scénarios de départ de feu dans un
cadre d’investigation post-incendie


Thèse soutenue le 5 novembre 2009 devant le jury composé de :
Rapporteurs :
Jean-Pierre Garo Maitre de conférences à l’Université de Poitiers
Olivier Delémont Professeur assistant à l’Ecole des Sciences Criminelles de l’Université
de Lausanne
Examinateurs :
Olivier Vauquelin Professeur à l’Institut Universitaire des Systèmes Thermiques
Industriels
Daniel Joyeux Directeur d'Efectis France
Hervé Bazin Responsable de la section ingénierie du feu au Laboratoire Central
de la Préfecture de Police
Aurélien Thiry Ingénieur-chercheur au Laboratoire Central de la Préfecture de
Police
Alexis Coppalle Professeur à l’Institut National des Sciences Appliquées de Rouen




















On ne peut voir que ce que l’on observe, et l’on observe
que ce qui se trouve déjà dans notre esprit.


Alphonse Bertillon


i


ii
Remerciements


Je tiens tout d’abord à exprimer de sincères remerciements à Jean-Pierre Garo
et Olivier Delémont qui m’ont fait l’honneur d’accepter d’être rapporteurs de ce
travail, ainsi qu’à Daniel Joyeux et Olivier Vauquelin pour leur participation
au jury.

Je tiens à exprimer ma reconnaissance envers Alexis Coppalle pour avoir
encadré cette thèse et m’avoir fait confiance sur ce long chemin loin d’être tout
tracé.

Mes remerciements vont également à :

Bruno Fargette, Jean-Paul Ricetti, Jacques Donati et Isabelle Chaussard pour
avoir rendu cette thèse possible au LCPP.

Hervé Bazin pour avoir su me communiquer, avec énormément de passion, ses
connaissances en incendie et plus particulièrement en investigation, ainsi que
pour son entrain si expansif.

Aurélien Thiry pour sa patience (il en fallait !), ses conseils (ils furent
nombreux !), son coup d’œil si avisé (sur tant de choses !) et les nombreuses
discussions fructueuses.

Axel Bellivier pour son aide et ses corrections.

L’ensemble du personnel du LCPP pour avoir su égayer les moments difficiles
avec tant de bonne humeur. En particulier, merci à Aurélien Leroy, Nicolas
Dreuille, Adissa Traore, Jacky Souris, Marie-Claude Le Meur, Delphine Garcia,
Sylvie Dupont, Eloïse Mercier, Dominique Ilsbrock, Karine Van Niel, Freddy
Msika et tant d’autres...

Jean-Pierre Grizou et Tony Massio qui m’ont si souvent ouvert la voie dans les
décombres encore fumants tout en me déchiffrant le sinistre d’un regard axé
intervention, ainsi que tant d’autres membres de la BSPP.

Anne-laure qui m’a tant apporté et qui a su trouver les mots pour me
convaincre de commencer cette incroyable aventure de trois ans de recherche.

Toutes les personnes que j’ai croisées pendant ces quelques années et qui, d’une
manière ou d’une autre, m’ont aidé à avancer. Je pense notamment, pour mes
débuts sur FDS, à Sylvain Desanghère, Eric Guillaume, Franck Didieux, etc.

Caroline pour son travail de l’ombre, pour tous les bons moments déjà vécus et
ceux qu’ils nous restent encore à vivre. Et puis pour tant d’autres choses encore !

Je tiens enfin à exprimer ma profonde gratitude envers ma famille qui, depuis
plusieurs dizaines d’années, a toujours su m’épauler et être présente quand le
besoin s’en est fait ressentir.
iii

iv

Liste des symboles




Lettres romaines

Facteur pré-exponentiel dans la loi d’Arrhenius de la vitesse de
3 -1 -1[m .s .kg ] A
réaction en phase gazeuse du modèle d’Atreya
2[m ] Surface de l’ouverture d’un compartiment A 0
2A [m ] Surface de flamme conique c
2A [m ] Surface totale d’un compartiment T
2A [m ] Surface du foyer foy
b [m] Rayon du panache où la variation de température a diminué de 50% ∆T
Coefficient quantifiant le caractère plus ou moins complet d’une
C
réaction de combustion
-1 -1c [J.kg .K ] Capacité calorifique massique à pression constante p
2 -1D [m .s ] Coefficient de diffusion d’espèce
*D [m] Diamètre caractéristique du feu
D [m] Profondeur de calcination à l’intérieur d’un matériau calci
Energie d’activation dans la loi d’Arrhenius de la vitesse de réaction en
-1E [kJ.mol ]
phase gazeuse du modèle d’Atreya
Fraction de l’enthalpie de combustion des vapeurs transférée en
f
retour à la surface du matériau
Fraction de l’enthalpie de combustion des vapeurs transférée en
f c
retour à la surface du matériau par convection
Fraction de l’enthalpie de combustion des vapeurs transférée en
f r
retour à la surface du matériau par rayonnement
F Facteur de forme de 1 à 2 12
-2 -1h [W·m .K ] Coefficient de transfert convectif
Rapport entre la conductivité thermique d’un matériau et son -2 -1h [kW.m .K ] k
épaisseur
H [m] Hauteur de l’ouverture d’un compartiment 0
I(z) Intermittence à une distance z au-dessus d'une source calorifique
L [m] Hauteur de flamme estimée avec la corrélation d’Heskestad
-2L [W.m ] Luminance émise par le corps noir b
-1L [J.kg ] Chaleur latente de vaporisation du combustible v
-2 Puissance totale rayonnée par unité de surface dans le demi-espace M [W.m ]
libre d’un corps noir
" -2 -1m [kg.m .s ] Débit massique surfacique de combustible
v
" -2 -1 m [kg.m .s ] cr Débit massique critique de gaz de pyrolyse au point feu
-1 -3    [kg.s .m ] m Débit massique par unité de volume
-2q  [W.m ] Flux externe de chaleur e
-2 q [W.m ] l Perte de chaleur exprimée comme un flux à travers une surface
" -2q [W.m ] Flux de chaleur rayonné r
-2 Flux additionnel de chaleur reçu par la surface du combustible en   q [W.m ] e
provenance des frontières du compartiment
-2q [W.m ] f Flux de chaleur provenant de la flamme
-2 q [W.m ] Flux de chaleur à travers une surface
* Q Dégagement de chaleur adimensionné - Nombre de Froude du feu
 [kW] Q Débit calorifique
Q [kW] fo Débit calorifique nécessaire pour avoir un embrasement généralisé
 Q [kW] c Part du débit calorifique total transporté par convection
r [m] Distance radiale à l’axe du foyer
r [m] foy Rayon du foyer
r s Rapport massique d’air sur le combustible à la stœchiométrie
-2S [W.m ] e Terme relatif à l’accumulation de l’énergie dans le matériau
Sévérité d’un feu S feu
2[m ] Surface d’un matériau traversée par un flux de chaleur S m
T [K] Température
T [K] igni Température d’inflammation
T [K] 0 Température sur l’axe du foyer
T [K] s Température du solide
T [K] ∞ Température du fluide loin du solide
-1u [m.s ] Vitesse du gaz de pyrolyse
-1u [m.s ] 0 Vitesse verticale sur l’axe du panache
-1 Vitesse verticale maximale sur l’axe du panache avant la hauteur u [m.s ] 0m
moyenne de flamme
x [m] Distance normale à une surface
Y F Fraction massique de vapeurs combustibles dans la phase gazeuse
Y O Fraction massique d’oxygène en phase gazeuse
z [m] Hauteur au-dessus d’un foyer
Z Fraction de mélange
Z f Fraction de mélange stœchiométrique
Z f,eff Fraction de mélange stœchiométrique corrigée




vi

Lettres grecques


ε Émissivité
δ [m] Épaisseur de la couche limite
-3ρ [kg.m ] Densité
2 -1α [m .s ] Diffusivité thermique
-2α [kW.s ] c Coefficient de croissance d’un feu prescrit
-1ΔH [J.kg ] c Enthalpie de combustion
-1ΔH [kJ.kg ] v Enthalpie de vaporisation
-1ΔH [kJ.kg ] m Enthalpie de vaporisation de l’eau contenue dans le matériau
-1 [m ]  Coefficient d'absorption
0,5 -1[m .s ]
0,2 -1 Constante (dépend de la région de l’écoulement) dans la corrélation ξ [m.kW- .s ]
de McCaffrey 4/4 -1/3 -1[m .kW .s ]
Constante (dépend de la région de l’écoulement) dans la corrélation η
de McCaffrey
 r Fraction radiative de l’énergie chimique
-1 -1λ [W.m .K ] Conductivité thermique


Constantes physiques


-8 -2 -4ζ= 5,67x10 W.m .K Constante de Stefan-Boltzmann
-2g = 9,81 m.s Accélération de la gravité
γ= 1.4 Rapport des capacités calorifiques pour l’air



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