embrasement généralisé éclair en feu de forêt · embrasement généralisé éclair en feu de...

EMA – SDIS 13 / Août 2004

Embrasement généralisé éclair en feu de forêt 1

Rapport

Embrasement généralisé éclair

en feu de forêt

Geoffroy CARBONELL

Lieutenant colonel J.P. MONET Gilles DUSSERRE

Sophie SAUVAGNARGUES-LESAGE



Sommaire

Sommaire…………………………………………………………………...…p 2 Introduction…………………………………………………………………...p 7 Partie 1 : De la propagation classique d’un feu de forêt à l’embrasement généralisé éclair……………………………………………..p 8 I – Les objectifs……………………………………………………………………………..p 9 II – La naissance du feu.........................................................................................................p 9

1. Le combustible………………………………………………………………….p 10 2. Le comburant……………………………………………………………………p 10 3. La chaleur ………………………………………………………………………p 10

III – La propagation du feu : rayonnement, convection, conduction et sautes de feu..p 11 1. Le rayonnement……………………………...…………………………………p 11 2. La convection…………………………………………………………………...p 14 3. La conduction…………………………………………………………………...p 15 4. Le feu de forêt : rayonnement, convection et conduction………………………p 15 5. Les sautes de feu………………………………………………………………..p 16

IV – La puissance d’un feu……………………………………………………………….p 16 V – Les mécanismes de propagation…………………………………………………..…p 17 VI – Les facteurs conditionnant la propagation d’un feu………………………………p 19

1. Les conditions météorologiques………………………………………………..p 19 a. L’effet du vent…………………………………………………………………..p 19 b. L’effet de la sécheresse………………………………………………………..p 19

2. La végétation……………………………………………………………………p 20 3. La topographie : l’effet de pente…………………………………………..……p 20 4. Récapitulatif…………………………………………………………………….p 21

VII – Les produits de pyrolyse……………………………………………………………p 22

VIII – La combustion……………………………………………………………………..p 22 1. Définition……………………………………………………………………….p 22 2. Les mécanismes réactionnels…………………………………………………...p 22 3. L’énergie d’activation…………………………………………………………..p 23 4. Quelques caractéristiques de la combustion…………………………………….p 24

a. Calcul de volume………………………………………………………………p 24 b. La stoechiométrie………………………………………………………………p 24 c. Combustion incomplète et fumées……………………………………………p 24



d. Autres caractéristiques………………………………………………………..p 24

IX – Calcul du flux thermique et de la température reçus en fonction de la distance du front de flamme……………………………………………………………………………p 25 Partie 2 : L’explosion de gaz en milieu non confiné....................................p 27 I – Les objectifs……………………………………………………………………………p 28 II – Les caractéristiques des mélanges gazeux inflammables…………………………..p 28

1. Limites d’inflammabilité ou d’explosivité……………………………………...p 29 2. Mélange de gaz………………………………………………………………….p 31 3. Calcul de la CMO lorsque la LIE est connue…………………………………...p 32 4. Gaz instable : flamme de décomposition…………………………………….…p 32 5. Pression limite d’inflammabilité………………………………………….…….p 33 6. Température d’auto inflammation………………………………………………p 34 7. Energie minimale d’activation d’un gaz ou d’une vapeur inflammable……..…p 35 8. Point d’éclair d’un liquide inflammable………………………………………...p 36

III – La genèse de l’explosion de gaz……………………………………………………..p 37 1. Le terme source…………………………………………………………………p 37 2. L’allumage……………………………………………………………………...p 37

IV – Le régime de l’explosion…………………………………………………………….p 38 V – La déflagration en milieu libre………………………………………………………p 40

1. Mécanisme de la déflagration…………………………………………………..p 40 2. Les facteurs d’accélération du front de déflagration……………………………p 43 3. Déflagration et obstacles………………………………………………………..p 46

VI – Principaux types d’embrasement généralisé éclair rencontrés en feu de forêt.....p 46 1. La bulle thermique……………………………………………………………...p 46 2. Le tapis de feu ou le toit de feu…………………………………………………p 48 3. Le « fire devil »…………………… …………………………………………...p 50 4. Le confinement par une couche d’air froid……………………………………..p 51 5. La propagation de versant à versant…………………………………………….p 52 6. Le fond de vallon………………………………………………………………..p 53

Partie 3 : Les accidents en France et dans le monde……………………...p 55 I – Les objectifs …………………………………………………………………………...p 56 II – Les accidents en France………………………………………………………………p 57

1. L’accident de Sainte Maxime (1982)…………………………………………...p 57 a. Contexte…………………………………………………………………………p 57 b. Description de l’accident……………………………………………………..p 57



2. L’accident de Gordes (1987)……………………………………………………p 58 a. Contexte…………………………………………………………………………p 58 b. Description de l’accident……………………………………………………..p 58

3. L’accident des Pennes-Mirabeau (14/02/1989)…………………………………p 61 a. Contexte…………………………………………………………………………p 61 b. Description de l’accident……………………………………………………..p 61

4. L’accident de Cabasson (21/06/1990)…………………………………………..p 65 a. Contexte…………………………………………………………………………p 65 b. Description de l’accident……………………………………………………..p 65

5. L’accident de Lançon de Provence (28/08/1995)……………………………….p 67 a. Contexte…………………………………………………………………………p 67 b. Description de l’accident……………………………………………………..p 67

6. L’accident de Cornillon-Confoux (08/07/2000)………………………………..p 69 a. Contexte…………………………………………………………………………p 69 b. Description de l’accident……………………………………………………..p 70

7. L’accident de Palasca (17/09/2000)…………………………………………….p 72 a. Contexte…………………………………………………………………………p 72 b. Description de l’accident……………………………………………………..p 72

8. L’accident de Lambesc (30/07/2003)…………………………………………...p 76 a. Contexte…………………………………………………………………………p 76 b. Description de l’accident……………………………………………………..p 76 c. Détail de l’accident……………………………………………………………p 77

9. L’accident de Cogolin (01/09/2003)…………………………………………....p 80 a. Contexte…………………………………………………………………………p 80 b. Description de l’accident……………………………………………………..p 80 c. Analyse du phénomène thermique…………………………………………...p 81

III – Les accidents aux Etats-Unis d’Amérique…………………………………………p 85 1. Effet canyon ou explosion de gaz ?......................................................................p 85 2. L’accident de Storm King Mountain (06/07/1994)……………………………..p 88

a. Contexte…………………………………………………………………………p 88 b. Description de l’accident……………………………………………………..p 90 c. Polémique : Effet de pente ou explosion de gaz ? ………………………...p 94

3. L’accident de Calabassas (22/10/1996)…………………………………………p 96 a. Contexte…………………………………………………………………………p 96 b. Description de l’accident……………………………………………………..p 96

IV – Tableaux récapitulatifs et conclusion………………………………………………p 99

1. Tableaux récapitulatifs……………………………………………………….....p 99 2. Conclusion……………………………………………………………………..p 103

Partie 4 : L’état des lieux des connaissances mondiales...........................p 104 I – Les objectifs…………………………………………………………………………..p 105 II – Les connaissances en France………………………………………………………..p 105 III – Les connaissances aux Etats-Unis d’Amérique…………………………………..p 106



Partie 5 : L’embrasement généralisé éclair en feu de forêt……………..p 111 I – Les objectifs…………………………………………………………………………..p 112 II – Les composés volatils émis par la végétation méditerranéenne………………….p 112

1. Introduction……………………………………………………………………p 112 2. Cadrage de l’étude……………………………………………………………..p 114 3. Etude du groupe A……………………………………………………………..p 114 4. Etude du groupe B……………………………………………………………..p 114

a. Définition du groupe B………………………………………………………p 114 b. Les principaux COVb du groupe B………………………………………...p 115

5. Etude du groupe C……………………………………………………………..p 120 6. Conclusion……………………………………………………………………..p 121

III – Détermination du terme source…………………………………………………...p 122 1. Le terme source initial…………………………………………………………p 122

a. Etude en Californie…………………………………………………………..p 122 b. Etude en Catalogne…………………………………………………………..p 124 c. Autres paramètres influençant l’émission de COVb……………………..p 127 d. Conclusion…………………………………………………………………….p 131

2. Le terme source à l’approche d’un feu de forêt………………………………..p 131 a. Introduction…………………………………………………………………...p 131 b. Protocole d’étude et résultats………………………………………………p 131 c. Analyse des résultats…………………………………………………………p 133 d. Conclusion…………………………………………………………………….p 133

IV – Détermination des propriétés des COVb…………………………………………p 133 1. Détermination des plages d’explosivité……………………………………….p 133 2. Autres propriétés………………………………………………………………p 134

V – Calcul d’une couche explosive……………………………………………………...p 135

1. Hypothèses…………………………………………………………………….p 135 2. Calcul de la couche explosive…………………………………………………p 135

VI – Interaction : phénomènes physiques observés / thermochimie………………….p 136 1. Calcul des besoins en comburant……………………………………………...p 136 2. Application au feu de Lambesc………………………………………………..p 137

a. Quantité d’air nécessaire pour alimenter l’embrasement généralisé éclair………………………..p 137

b. Explication de phénomènes physiques…………………………………….p 137 VII – Synthèse et critique des connaissances actuelles………………………………...p 138 Conclusion………………………………………………………………….p 140



Bibliographie……………………………………………………………….p 142 Annexes……………………………………………………………………..p 148 Annexe 1 : Lettre de demande d’informations à l’étranger……………………………….p 149 Annexe 2 : Exemple de calcul de flux et de température reçus

en fonction de la distance du front de flamme……………………………….p 150



INTRODUCTION

« Bouts de bois et pierres qui volent (…) au départ pas de vent, avant le « BOUM, l’onde de chaleur », « les premières flammes atteignent 4 à 5 m de haut, puis d’un coup un mur orange », « le petit vallon devant nous a explosé ». « J’ai vu le ciel s’embraser avant les végétaux ». « Au niveau du flash qui claque, le moment paroxystique dure au maximum 1 à 2 minutes ».

Voilà l’embrasement généralisé éclair (ou EGE) tel qu’il a été décrit par les témoins

des accidents en feux de forêt. L’objectif de ce mémoire est d’appréhender au mieux ce phénomène au travers d’une

étude bibliographique mondiale. Dans une première partie, un rappel des paramètres de propagation classique d’un feu

de forêt sera effectué en vue d’introduire les circonstances du phénomène d’embasement généralisé éclair.

Dans un second temps, l’explosion de gaz en milieu non confiné sera étudiée. En effet,

l’embrasement généralisé éclair est une déflagration généralement de faible intensité c’est-à-dire avec des vitesses de flamme lentes. Cette explosion de gaz peut porter l’aérosol de 1500 à 2000°C (RB CHEVROU, 2000).

Ensuite, la troisième partie analysera les accidents qui ont causé la mort de pompiers au cours du phénomène en rappelant les circonstances du drame (conditions météorologiques, topographie, type de végétation,…). Le but est d’en tirer le plus petit commun dénominateur c’est-à-dire le ou les paramètres toujours présents dans les accidents.

La quatrième étape consistera à repérer ces travaux réalisés dans le monde sur le phénomène étudié. Il s’agira d’effectuer un état des lieux des connaissances mondiales, tout en distinguant les différentes écoles de pensée.

Enfin, le phénomène sera décrit thermodynamiquement en deux temps : d’une part d’un point de vue macro (phénoménologie de l’explosion, facteurs et vitesse de propagation…) et d’autre part, d’un point de vue micro (gaz mis en jeu, réaction, produits post réaction).



Partie 1

De la propagation classique d’un feu de forêt à l’embrasement généralisé éclair



I – Les objectifs Alors qu’un incendie de forêt semble se propager dans des conditions normales, tout à coup, un phénomène brutal peut se produire : c’est l’embrasement généralisé éclair. En vue d’étudier ce phénomène, observé à plusieurs reprises notamment dans le département des Bouches-du-Rhône, il convient de rappeler les grands axes régissant la propagation classique d’un feu de forêt ainsi que les différents facteurs qui la conditionnent. En effet, l’ensemble des actions précédant cet embrasement relève des mécanismes de propagation classique d’un incendie de forêt.

II – La naissance du feu Pour qu’un feu de forêt se déclenche, il faut que trois paramètres fondamentaux soient en présence : le combustible, le comburant et la chaleur. Ces trois paramètres sont représentés dans le triangle du feu.

COMBUSTIBLE OXYGENE

CHALEUR

FEU

Figure P1-II : Le triangle du feu (CEREN, Rapport COV 2003)



1. Le combustible

Toute substance susceptible de brûler, c’est-à-dire pouvant être partiellement ou totalement détruite par le feu, est considérée comme combustible. Les solides et les liquides ne brûlent pas en tant que tels. Ce sont les gaz et les vapeurs qu’ils émettent qui brûlent. L’aptitude d’un combustible à s’enflammer et à entrer en combustion dépend de la teneur en eau, de la température du combustible mais aussi de son type et de sa densité.

2. Le comburant

Un comburant est le corps qui provoque et entretient la combustion du combustible. Le plus souvent, le comburant est constitué par l’oxygène présent dans l’air ambiant ; la réaction de combustion est alors une oxydation. Mais il existe de multiples autres comburants (halogènes, soufre, phosphore). Si l’oxygène est le comburant, sa concentration diminue très rapidement dans l’atmosphère (par phénomène de consommation oxydative) et expose les victimes au risque asphyxique. Dans la pratique, l’oxygène peut se trouver soit à l’état pur, soit en mélange avec d’autres gaz, soit lors de la décomposition de certains produits chimiques. Dans la plupart des cas, le comburant est l’oxygène de l’air ambiant (environ 21 % d’oxygène contre 79 % d’azote). Pour que l’air soit un comburant efficace, il faut qu’il contienne plus de 15 % d’oxygène. L’importance du vent est ici fondamentale, car c’est lui qui établit un courant d’air froid qui alimente la combustion en oxygène.

3. La chaleur La chaleur se propage par trois processus distincts : la conduction, la convection et le rayonnement. Ces critères sont repris dans le paragraphe suivant.



III - La propagation du feu : rayonnement, convection, conduction et sautes de feu

1. Le rayonnement

Au cours d’un incendie de forêt, c’est le rayonnement qui provoque la plus grande partie du préchauffage des végétaux en avant du feu (Rothermel R.C.) ; c’est pourquoi, le phénomène est ici détaillé.

Plus un matériau a une température élevée, plus il émet d’énergie sous la forme de rayonnement électromagnétique (rayonnement infrarouge dont la longueur d’onde λ est comprise entre 0,1 µm et 100 µm). Ce rayonnement se propage en ligne droite à la vitesse de la lumière, sans support matériel. Lorsque ce rayonnement atteint un élément, une partie est réfléchie, tandis que l’autre est absorbée et se transforme en chaleur dans l’élément récepteur. Ainsi, l’échauffement ou l’inflammation d’un élément va émettre vers les éléments voisins un flux thermique qui sera susceptible de les enflammer à leur tour.

On distingue deux types de rayonnement : le rayonnement de volume et le rayonnement de surface. Le rayonnement de volume concerne les gaz chauds et les milieux semi-transparents, celui de surface les milieux opaques délimités par une interface avec un milieu transparent ou semi-transparent. Un élément de surface (orientée) opaque émet des radiations dans toutes les directions du demi-espace qu’il « voit ». Le flux rayonné est hémisphérique.

Figure P1-III : Les mécanismes de propagation (www.cusstr.ch/html/Incendie/Incendie-261.htm)



Dans une direction donnée de l’espace définie par rapport à la normale à cette surface élémentaire par un angle θ (zénith) et dans le plan par un angle ϕ (azimut), on définit la luminance totale (pour intégrer sur tout le spectre de rayonnement) par :

122

..cos

),( −−= srmWenddS

dLωθ

φϕθ

où φ2d est la quantité de chaleur émise par unité de temps par la surface dS dans un angle solide ωd entourant la direction θ. Lorsque la source de rayonnement est supposée diffuse, la luminance est indépendante de la direction du rayonnement (loi de Lambert). L’émittance (totale) de la source est la puissance totale émise dans toutes les directions (de l’hémisphère) par unité de surface de la source. On démontre que dans le cas d’un rayonnement diffus et hémisphérique, on a :

2. −= mWenLE π Un corps noir est un corps idéal qui absorbe tout le rayonnement incident et qui émet de façon diffuse pour une température donnée (et une longueur d’onde donnée) le maximum d’énergie. La loi de Stephan-Boltzman donne alors l’émittance du corps gris en fonction de sa température :

4TE σε= où σ est la constante de Stephan-Boltzman ( 42 .. −− KmW ). L’émissivité (totale) ε d’une surface est définie comme le rapport de son émittance (totale) réelle à l’émittance du corps noir correspondant. L’absorptivité (totale) α d’une surface est la part de rayonnement incident (luminance) qu’elle absorbe (pour un corps noir : ε =1). Pour un corps opaque, le rayonnement incident est soit absorbé, soit réfléchi. La part réfléchie est la réflectivité ρ . Pour un milieu solide (ou liquide) semi-transparent, ou un gaz, on définit la transmissivitéτ . C’est la part de rayonnement incident (luminance) que le volume de matière laisse pénétrer. Le bilan de rayonnement conduit à : 1=++ τρα . Un corps noir est un émetteur idéal qui rayonne le maximum d’énergie pouvant être rayonné à chaque température et longueur d’onde. Le corps noir est également capable d’absorber intégralement le rayonnement qu’il reçoit et le transformer en chaleur. Dans un milieu semi-transparent ou un gaz, l’absorption du rayonnement est décrite par la loi de Beer. Soit L la luminance en un point M du milieu transparent le long d’une direction e. La quantité dL de luminance absorbée au point M par une épaisseur ds le long de la direction e est proportionnelle à la luminance en M, le coefficient de proportionnalité étant

)( 1−mκ appelé coefficient d’absorption (total) du milieu : dsLdL κ−=

Le bilan du rayonnement au point M prend aussi en compte l’émission volumétrique de rayonnement. Pour un corps gris, le coefficient d’émission est pris égal au coefficient d’absorption du milieu. Pour des particules noires (donc non réfléchissantes), le bilan de luminance au point M sur la direction s’écrit :

0LLdsdL κκ +−=



où 0L est la luminance du corps noir au point M de température absolue T, c’est-à-dire :

π

4

0BTL = .

Sur la base de la définition de la luminance, de sa relation à l’émittance et du bilan de luminance en milieu semi-transparent, on peut calculer les échanges de chaleur entre surfaces et/ou volumes de matière par rayonnement. Dans le cas le plus général, le calcul fait appel à une intégration du bilan de luminance dans toutes les directions de l’espace. Une fois connues les propriétés d’émission et d’absorption de l’émetteur et du récepteur, l’échange dépend de la distance et des propriétés du milieu qui les sépare et de l’orientation des surfaces éventuellement en cause. Deux cas simples et utilisés dans le domaine des feux sont le rayonnement d’une surface vers une surface élémentaire opaque ou un volume élémentaire semi-transparent, séparées par un milieu transparent. Soit dS1 et dS2 deux surfaces élémentaires distantes de r le long d’une direction e,

21 θθ et les angles formés par les normales de ces deux surfaces élémentaires avec la direction e. L’angle solide sous lequel dS2 voit la source dS1 est :

22

rdS

d =ω

La puissance reçue par la surface 2dS d’absorptivité 2α de la surface émettrice 1dS d’émittance 1E s’écrit alors :

21221

122 coscos dSdS

rEqd

πθθ

α=

Si on s’intéresse à une surface réelle S1 de géométrie connue et d’émittance uniforme, il est d’usage de définir le facteur de configuration V (sans dimension) tel que :

1221

1

21

coscosdS

rV

SSS ∫=→ π

θθ

de sorte que la puissance absorbée par 2dS venant de 1S est :

221 dSVEdq α= Soit dS une surface élémentaire et dv un volume élémentaire semi-transparent de coefficient d’absorption κ , distants de r le long d’une direction e, θ l’angle formé par la normale de la surface élémentaire avec la direction e. L’angle solide sous lequel le volume dv voit la source

1dS est :

2rdvd κω =

La puissance reçue par le volume dv de la surface émettrice 1dS d’émittance 1E s’écrit alors :

dvdSr

Eqd 21

12 cos

πθ

κ=

On calcule alors le facteur de configuration entre une surface S d’émittance uniforme E et le volume dv sous la forme :

∫=→S

VS rV 2

cosπ

θ

de sorte que la puissance absorbée par dv venant de S est : dvVEdq κ=



Concernant le rayonnement très complexe d’un volume gazeux, il est courant de supposer que l’émission peut être représentée par celle de la surface délimitant ce volume. Elle est alors considérée comme une surface émettrice opaque dont les propriétés radiatives dépendent des caractéristiques du gaz (température, composition chimique, présence des particules solides incandescentes) et de la géométrie du volume qu’il forme. Ce type de méthode a été développé par Hottel (1954) pour l’application au calcul du rayonnement de gaz de hautes températures vers les parois solides des enceintes qui les contiennent. Dans le domaine de la modélisation des feux de forêts, une approche analogue est généralement utilisée pour décrire l’émission de rayonnement des zones contenant des gaz (et des particules solides) de températures élevées. 2. La convection L’énergie thermique est transférée par les fluides en mouvement. Dans le cas de l’incendie, les échanges de chaleur par convection se font essentiellement à partir des gaz de combustion vers l’air ambiant. Les fluides se dilatent avec la chaleur et leur masse volumique diminue. Devenus plus légers que les parties qui les entourent, ils s’élèvent par rapport à elles. Ces courants de convection entraînent les gaz brûlés, l’air et divers produits de combustion. Le mode de transfert de chaleur par convection est généralement dédié à l’échange de chaleur entre un solide (le plus souvent fixe dans un repère de référence) et un fluide en mouvement, comme dans le cas qui nous concerne. Sa modélisation physique dans le cas général reste complexe. Le phénomène est décrit plus globalement à l’aide de la loi de Newton. La densité de flux de chaleur échangé entre un gaz de température Tg en dehors de la zone d’influence du solide et la surface de ce solide est proportionnelle à la différence de température des deux milieux.

solidedusurfacedeetempératurlaTetmWenavecTTh sgs2.)( −−= ϕϕ

Le coefficient de proportionnalité h ( 12 .. −− KmW ) est appelé coefficient d’échange de chaleur par convection. Dans les situations où les caractéristiques ambiantes du fluide (température, densité, vitesse) et où la géométrie du solide ainsi que sa température sont connues, des corrélations obtenues sur la base d’une analyse dimensionnelle du problème physique et d’expérimentations permettent d’estimer ce coefficient de convection. L’analyse physique repose sur l’existence supposée d’une couche limite. Cette couche est le domaine spatial situé entre l’interface solide/fluide et une surface au-delà de laquelle les caractéristiques du fluide ne sont pas affectées par la présence du solide. Le nombre adimensionnel permettant la détermination du coefficient d’échange de chaleur par convection est le nombre de Nusselt :

λpdh

Nu =

où dp est la longueur caractéristique du solide et λ la conductivité thermique du fluide prise à une température de référence. Pour un écoulement du fluide autour d’un cylindre ou d’une sphère, la longueur dp est le diamètre de la particule. Les principes physiques de conservation appliqués au fluide conduisent à exprimer le nombre de Nusselt comme une fonction d’autres grandeurs adimensionnelles caractérisant l’écoulement du fluide autour de la particule solide (ou au-dessus d’une paroi solide). Ces nombres adimensionnels sont les nombres de Reynolds (Re), Grashof (Gr) et Prandtl (Pr). Pour les milieux gazeux rencontrés dans le domaine des feux, le nombre de Prandtl est considéré comme constant et égal à sa valeur pour l’air (Pr = 0,7).



Le nombre de Reynolds permet de décrire les situations de convection forcée. Il traduit également le rapport des forces d’inertie aux forces de viscosité s’exerçant au sein du fluide :

νpdU

=Re

où U est le module de la vitesse (imposée) du fluide « ambiant » (de propriétés non affectées par la présence du solide), ν sa viscosité cinématique à température de référence. Le nombre de Grashof permet de décrire les situations de convection libre. Il traduit le rapport des forces de gravité (déterminées par les différences de densité dans un fluide) aux forces de viscosité s’exerçant au sein du fluide :

2

3)(ν

β pas dTTgGr

−=

où β est la dilatabilité volumique du fluide (égale à 1/T pour un gaz parfait de température absolue T) prise à une température de référence et aT la température ambiante. La température de référence est, selon les corrélations empiriques utilisées, la température

ambiante aT ou la température de film 2

gs TT +.

L’analyse dimensionnelle permet d’étendre les corrélations à des situations très différentes de celles qui ont présidé à leur mesure expérimentale. Néanmoins il faut souligner certaines limites que l’on peut avancer à priori pour l’utilisation de ces corrélations : - dans le cas de particules solides plongées dans un fluide, elles décrivent des échanges de chaleur fluide/solide tels que le solide puisse être considéré comme une particule isolée dans un milieu fluide « infini », ou bien dans certains cas, elles décrivent l’échange entre un arrangement géométrique connu d’éléments solides et un fluide, - les propriétés ambiantes du fluide sont imposées et ne dépendent pas de l’interaction solide/gaz, - ces corrélations ne sont pas établies pour des échanges de chaleur solide/gaz couplés à des échanges de masse. Autrement dit, l’utilisation de ces corrélations doit rester prudente dans le cadre de la propagation des feux de strates de végétation pour laquelle les conditions s’éloignent des hypothèses émises pour établir ces corrélations. 3. La conduction C’est le phénomène par lequel la chaleur est transmise par contact direct entre solides ou fluides en repos, des parties chaudes vers les parties froides, jusqu’à uniformisation de la température. La quantité d’énergie transférée dépend de la source de chaleur, de la conductibilité du matériau et de la surface de contact. Dans le cadre de notre étude, c’est le phénomène qui intervient le moins.

4. Le feu de forêt : conduction, convection et rayonnement

Dans la réalité d’un incendie, ces trois formes du transfert de l’énergie calorifique coexistent, interfèrent ou agissent les unes sur les autres ou conjointement. Selon les circonstances de l’incendie, l’un de ces trois modes de transfert pourra sembler prédominer à



un moment ou un autre du développement du feu. En schématisant, un rôti sur une broche cuit par rayonnement, un radiateur chauffe l’air par convection et un bifteck cuit dans une poêle par conduction.

5. Les sautes de feu

Les sautes de feu sont des projections de particules enflammées ou incandescentes (brandons) en avant du front de flammes. Ces particules entraînées dans la colonne de convection et transportées par le vent, peuvent être à l'origine de foyers secondaires à l'avant de l'incendie. Les sautes de feu peuvent se produire sur de courtes ou de longues distances selon les conditions du milieu. Les distances parcourues par les brandons peuvent atteindre plusieurs centaines de mètres, voire un kilomètre dans certains types de peuplements.

Ce phénomène a d'importantes conséquences sur les stratégies de prévention et de lutte : • Mise en danger des combattants du feu • Destruction de biens matériels • Réduction de l'efficacité des coupures de combustible • Incidences sur certains brûlages dirigés • Non prise en compte dans les modèles de propagation des feux.

Ce phénomène dépend de différents facteurs : la vitesse du vent, la pente, le degré d'humidité de l'air, la nature de la végétation au point de départ de la saute, les caractéristiques du combustible récepteur (pourcentage de recouvrement, nature, degré d'humidité, compacité, structure).

Des exemples de brandons sont : aiguilles de pin, morceaux d'écorce, brindilles, feuilles, écailles de cônes, fragments de liège,...

IV – La puissance d’un feu Proposée en 1982, la formule d’Alexander est tirée de la formule de Byram (1959).

P = Hc * R * W

P = puissance thermique en kW/m R = vitesse du front en m/s W = quantité de combustible en kg/m² Hc= chaleur massique de combustion en J/kg

Elle permet de calculer la puissance théorique d’un front de flammes en fonction de la vitesse de propagation du front et de la masse de combustible par mètre consumé à l’état sec.



Alexander a montré que l'on peut remplacer dans la formule de Byram, la chaleur de combustion du combustible, Hc en kJ/kg, par une valeur moyenne de 18700 kJ/kg.

P = 18 700*R*W

D'après cette formule, un incendie se propageant à 1,8 Km/h et brûlant 1 kg/m² de combustible, développe une puissance de 9350 kW/m. P = 300 H² H = hauteur des flammes

V – Les mécanismes de propagation La propagation classique

On considère qu'un feu se propage dans une direction X à travers une strate de végétation. Pour décrire les mécanismes de base, il faut regarder l'évolution d'un petit volume de combustible au fur et à mesure qu'on l'approche du feu, puis dans le foyer et enfin derrière le foyer. Loin en avant du foyer, le combustible reçoit de l'énergie par rayonnement et s'échauffe. Etant plus chaud que l'air ambiant, il perd une partie de cette énergie vers le milieu ambiant, par convection et par rayonnement. Le processus de vaporisation commence alors et l’évolution de la température du combustible reste alors limitée jusqu’à la fin du processus de séchage (processus endothermique). Dès que l’eau (libre) s’est complètement évaporée, le combustible continue alors à s’échauffer. Il est chauffé par convection et par rayonnement. Dès que sa température dépasse environ 300°C, une dégradation très rapide du milieu solide a lieu : c'est la pyrolyse qui libère des gaz combustibles. En contact avec l'oxygène, ces gaz sont alors enflammés par la moindre étincelle, et les réactions chimiques de combustion libèrent de l'énergie en quantité considérable qui permet alors d'entretenir l'ensemble du processus de propagation : les transferts thermiques vers le combustible imbrûlé. La pyrolyse se poursuit et une partie du matériau solide reste à l'état solide : ce sont les résidus charbonneux. A l'arrière du front de flamme, lorsque l'oxygène est suffisamment présent (dans le foyer, tout l'oxygène est utilisé par l'inflammation des gaz), la combustion de ces résidus charbonneux a lieu, formant des braises qui évoluent jusqu'à l'état de cendres. L'énergie libérée par la combustion des produits de pyrolyse provoque un échauffement important du mélange gazeux dans le foyer (plus de 1000°C juste au-dessus du foyer). Sous l'influence de la chaleur, les gaz se dilatent considérablement et leur densité devenant inférieure à la densité de l'air ambiant, ils sont mis en mouvement par les forces de flottabilité (équivalent à la poussée d'Archimède). Animés par des mouvements ascendants sous l’influence de ces forces, les gaz chauds vont s’élever dans les airs en créant une dépression (appel d’air). Celle-ci va entraîner une aspiration d’air "frais" dans le plan horizontal, notamment en avant du front de flamme. Ce phénomène permet de réalimenter le milieu en oxygène indispensable à la combustion du foyer.



De plus, cette situation où les gaz chauds sont produits en dessous de l'air ambiant frais entraîne des instabilités dans les écoulements d'air et de gaz : l'air frais descend tandis que les gaz chauds montent. Ces écoulements deviennent turbulents à partir d'une certaine hauteur au-dessus du sol, rendant ainsi plus difficile la modélisation des phénomènes dus au feu. Ce que l'on dénomme couramment la flamme n'est en fait que la partie visible de ces gaz chauds. Suite à la pyrolyse, des particules très fines et très riches en carbone, des suies, se forment dans le milieu gazeux. Ces particules, qui ont une température de l'ordre de celle des gaz, émettent une grande quantité d'énergie radiative. Elles rayonnent dans un spectre qui va jusqu’à la longueur d'onde du visible contribuant donc fortement au rayonnement de la flamme.

Vers l’embrasement généralisé éclair

Par temps chaud, les plantes se refroidissent par évapotranspiration c'est-à-dire en évaporant, par les stomates de leurs feuilles et de leurs aiguilles, l'eau qu'elles prennent dans le sol par leurs racines. A cette transpiration, se mêlent les COV (composés organiques volatils) en quantités infimes qui donnent à l'air des sous-bois et de la garrigue ces odeurs aromatiques pittoresques, typiques des régions méditerranéennes et sans danger d'explosion en général car ils sont très dilués dans un air plus ou moins humide.

Quand sévit la sécheresse et/ou quand un front de flammes se rapproche, les plantes ne

trouvent plus d'eau en quantité suffisante dans le sol, elles évaporent davantage de COV pour tenter de se refroidir et la densité des COV dans l'air sec peut déjà devenir dangereuse, avec des risques d'explosion. Leurs odeurs deviennent alors plus fortes.

A proximité du front du feu, aux COV se mêlent les gaz de pyrolyse dégagés par la

combustion des végétaux, gaz eux aussi très inflammables, c’est le mécanisme initial de propagation traité dans le paragraphe précédent.



Dans des conditions très particulières, de topographie par exemple, ces gaz peuvent s’accumuler en grande quantité. Si la concentration augmente jusqu’à un certain point (LIE), il y a explosion (cf. partie 2). Dans les parties suivantes, nous essaierons de définir les caractéristiques thermodynamiques. Un facteur mal appréhendé est susceptible d’aggraver l’EGE : la présence de particules très fines et très riches en carbone.

VI – Les facteurs conditionnant la propagation d’un feu

1. Les conditions météorologiques a. L’effet du vent Il joue un rôle important dans la formation et le développement des feux, car son action est multiple :

- il active la combustion par apport d'oxygène ; - il accélère la progression en couchant les flammes et en transportant des particules incandescentes ; - il dessèche le sol et les végétaux ; - il est imprévisible, car sa vitesse et sa direction varient en fonction du relief (effet de renverse dans le Var) ; - il masque les contours du foyer en rabattant la fumée... Cependant, une absence (même partielle) de vent, peut permettre une accumulation de

gaz puisque ces derniers ne seront pas dispersés. Si le vent est fort, il est probable que ces COV et ces gaz sont dispersés par le courant d'air ce qui peut réduire leur densité et le danger. Par contre en l'absence de vent, ou par vent faible, ou dans un lieu à l'abri du vent (fond de vallée, contre-pente, cuvette), la densité des COV et des gaz de pyrolyse reste élevée dans l'air sec, ainsi que le danger d'explosion. C'est tout l'espace végétal qui se trouve encombré de COV, ainsi que l'espace sans végétation situé sous le vent. Lorsque l'explosion des COV se produit, elle peut donc enflammer une masse énorme de gaz sur une superficie immense.

b. L’effet de la sècheresse Elle favorise les feux de forêts. Elle est due :

- à la faiblesse de la pluviométrie ; - à la faible capacité de rétention d'eau du sol et du sous-sol (calcaire, siliceux) ; - à la chaleur et au vent.

Avant même l’arrivée du feu, une distillation préalable des végétaux peut avoir lieu si l’état de sècheresse est sévère (cf. Partie 5-II-1).



2. La végétation Parmi les paramètres traduisant l’état de la végétation, la teneur en eau du combustible est un paramètre fréquemment rencontré dans la littérature, même si son effet sur la propagation même n’est pas prépondérant dans certaines conditions. La teneur en eau ne semble pas avoir d’impact sur la température atteinte au sein du combustible, mais semble influencer de façon inversement proportionnelle le taux de combustion. Un autre paramètre très fréquemment rencontré dans la propagation des feux est le type de combustible. La quantité de combustible disponible, phytovolume ou phytomasse, est également un paramètre important dans la propagation des feux. Ce paramètre influence notamment la quantité de chaleur dégagée et la puissance du front de feu.

3. La topographie : l’effet de pente Pour un feu montant une pente, les forces de flottabilité s'exercent dans une direction verticale qui forme un angle d'autant plus fermé avec la direction de propagation du feu que la pente est forte. De manière analogue à l'effet du vent, on pourra ainsi observer des écoulements de gaz chauds depuis le foyer vers la végétation encore imbrûlée, ceci jusqu'à une certaine distance en avant du front qui doit s'accroître avec la pente. Plus la pente est grande, plus le rayonnement utile à la propagation du feu est important. La pente exerce une influence considérable sur la vitesse de propagation du feu.

Pente montante Pente descendante

Figure P1-VI-3-1 : L’effet de la pente

(www.environnement.gouv.fr/dossiers/risques/risques-majeurs/p21.htm)



4. Récapitulatif L’ensemble des facteurs conditionnant la propagation d’un feu est repris dans les schémas ci-dessous :

Figure P1-VI-4-1 : Récapitulatif des facteurs de propagation

(Dupuy, 1997)



VII – Les produits de pyrolyse

Lors d’un incendie, le front de feu se propage par combustion à l’air de composés gazeux issus de la dégradation thermique du combustible végétal. La propagation est le plus souvent déterminée par des facteurs naturels tels que le vent ou la topographie. Cependant, des facteurs propres au combustible peuvent intervenir tels que la structure et la composition de la végétation.

Les biopolymères sont principalement représentés par un arrangement de cellulose, lignine, hémicellulose ; on évoque souvent les combustibles ligno-cellulosiques dans le cadre des études concernant les feux de forêts. Le comportement thermique des végétaux est corrélé à cette composition chimique puisqu’il peut être traduit par la somme des comportements des constituants principaux affectés de leur proportion respective (a, b et c) dans le végétal selon : [Biomasse] = a [cellulose] + b [lignine] + c [hémicellulose].

Malgré les différences constatées suivant les espèces et la partie de la plante étudiée, il est classiquement établi que l’on peut considérer, en moyenne, 40-60% de cellulose, 10-25% de lignine et 20-40% d’hémicellulose. Après la libération des COV et avec la montée de la température due à l’arrivée du front de flamme, dans une deuxième étape se produit la pyrolyse des composés cellulosiques. Cela produit un mélange complexe qui inclut quatre gaz primaires (CO, H2, CH4 et CO2) avec d’autres composés aromatiques.

VIII – La combustion Dans un incendie de forêt classique comme lors d’un embrasement généralisé éclair, la réaction qui se produit est une combustion.

1. Définition La combustion est une réaction chimique au cours de laquelle il y échange d’électrons entre un corps réducteur (donneur d’électrons) et un corps oxydant (accepteur d’électrons). Il s’agit donc d’une réaction d’oxydoréduction. Dans notre cas, le réducteur est appelé combustible et l’oxydant comburant.

2. Les mécanismes réactionnels

A l’échelle microscopique, la combustion est une réaction en chaîne. Une réaction en chaîne est la conjonction de réactions élémentaires se caractérisant par la génération, la régénération ou la disparition de centres actifs (ou radicaux libres). Une réaction élémentaire est une réaction dont le schéma de réaction est supposé décrire l’acte réactionnel réel à l’échelle moléculaire. Les centres actifs sont des espèces chimiques actives, électriquement



neutres, possédant un ou plusieurs électrons de valence non appariés (les centres actifs X seront notés *X) ; l’instabilité de ces espèces intermédiaires, dont la durée de vie est de l’ordre de 10-9 s, explique que la vitesse globale de réaction soit très élevée. Les réactions élémentaires que l’on peut identifier sont de quatre types (on prendra, pour exemple la réaction de combustion du dihydrogène dans le dioxygène : la réaction est : H2 + ½ O2 H2O) :

- les réactions d’initiation ou d’amorçage : au cours de cette phase, dont la cause peut être d’origine thermique, il y a création de centres actifs :

H2 + O2 2*OH - les réactions de propagation : au cours de cette réaction, le nombre de centres actifs

formés et détruits sont égaux : *OH + H2 H2O + *H

- les réactions de ramification : le nombre de centres actifs formés est supérieur à celui des centres actifs initiaux :

*H + O2 *OH + *O - les réactions de rupture : au cours de ces réactions, les centres actifs disparaissent, en

cédant leur énergie à un « troisième corps » M en se recombinant pour donner des édifices stables :

*H + *OH + M H2O + M

3. L’énergie d’activation

On appelle énergie d’activation Ea, l’énergie minimale nécessaire pour qu’une réaction élémentaire particulière puisse se produire ; elle est égale à la différence entre le niveau d’énergie moyen des particules réagissantes et celui qu’elles doivent atteindre pour que le choc soit efficace. L’énergie d’activation apparaît dans la loi d’Arrhenius (1859-1927) relative aux vitesses des réactions, dans laquelle la constante de vitesse est fonction du terme exp(-Ea/RT) ; R et T représentent la constante du gaz parfait et la température absolue. Il est important de ne pas confondre l’énergie d’activation avec l’énergie d’inflammation. La première est une énergie qui intervient au niveau microscopique : elle est associée à une réaction élémentaire particulière ; la seconde intervient au niveau macroscopique : elle est associée à un mélange inflammable particulier. Loi d’Arrhenius :

k = A exp. (-Ea / RT)

- k : vitesse de réaction - T : température (K) - A : constante (même unité que k) - R : constante des gaz parfaits - Ea : énergie d’activation (kJ/mol)



4. Quelques caractéristiques de la combustion

a. Calcul de volumes

• Soit la réaction de combustion suivante :

CαHβOγNδ + (α + β/4 – γ/2) O2 α CO2 + β/2 H2O + δ/2 N2 • Le volume d’oxygène nécessaire pour la combustion complète est (à 20°C) :

24 / [M * (α + β/4 – γ/2)] m3/kg de combustible

• Le volume d’air nécessaire pour la combustion complète est (à 20°C) :

114.3 / [M * (α + β/4 – γ/2)] m3/kg de combustible

où M est la masse moléculaire du combustible.

• Le volume des gaz brûlés est : - dans l’oxygène : 24 / [M * (α + β/4 + δ/2) * T/293] - dans l’air : (114.3α + 34.6β – 45.1γ + 12δ) / (293*M) * T b. La stoechiométrie

s = 21 / (w + 0.21)

où s est la concentration stoechiométrique volumique (% volumique) où w est le nombre de molécules d’oxygène nécessaires pour brûler une molécule de combustible. c. Combustion incomplète et fumées Lorsque la combustion est incomplète, on observe en feu de forêt, des fumées noires. On y trouve les composés suivants :



Famille Composé Formule brute Linéaire Acide acétique C2 H4 O2

Benzène

Benzène Toluène Styrène

Ethylbenzène Xylène

C6 H6 C7 H8 C8 H8 C8 H10 C8 H10

Phénol

Phénol Crésol

Méquinol

C6 H6 O C7 H8 O C7 H8 O2

Autre Furfural C5 H4 O2 d. Autres caractéristiques

- Conservation de la masse ; - Conservation de la quantité de mouvement.

IX – Calcul du flux thermique et de la température reçus en fonction de la distance du front de flamme Il est nécessaire de quantifier le flux émis par un feu de forêt en fonction de la distance au front de flammes. Afin d’évaluer la température de la flamme, nous avons utilisé la formule suivante (Chandler, 1983) : T = 850 + 5.08*V où T est la température de la surface de la flamme en °C et V est la vitesse du vent en m/s

Ensuite, on considère que la flamme se comporte comme un corps noir c’est-à-dire avec une émissivité égale à 1 (hypothèse du modèle de Chevrou et Dupuy, 2000). Le front de flammes rayonne alors une densité de flux ou puissance surfacique que l’on peut expliciter à l’aide de la formule de Stéphan-Boltzman :

Tableau P1-VII-4-c-1 : Composition des fumées (Maurin, Retour d’expérience)



KelvinenfrontduetempératurlaTBoltzmanStéphandeKmW

avecT

−=

==

−−− constante..10*67.51

428

40

σ

εεσϕ

De plus, on peut exprimer l’évolution du flux en fonction de la distance à la source, on obtient alors à l’aide du modèle de Chevrou en considérant que la longueur du front de flammes est infinie par rapport au récepteur :

menflammesdefrontaucedisladmWenémisfluxle

menflammesdeshauteurlah

avechd

hd

tan.

²²*)(

20

0

−

+=

ϕ

ϕϕ

Si la distance d est grande devant la hauteur h des flammes :

menflammesdefrontaucedisladmWenémisfluxle

menflammesdeshauteurlah

avecdhd

tan.

2*)(

20

0

−

=

ϕ

ϕϕ

D’autre part le corps recevant le flux en absorbe une partie et en réfléchit une autre (on négligera le flux transmis en considérant les matériaux comme opaques) :

réfléchiabsorbéincident ϕϕϕ += La fraction du flux absorbé est l’absorptivité du matériau. Elle est de 0.6 pour le bois. L’émissivité ε du bois est de 0,9. A partir de ces formules et en connaissant l’absorptivité et l’émissivité du matériau, on peut alors déduire la température du corps récepteur :

4/1

εσϕabsT =

Un exemple de calcul du flux thermique et de la température reçus en fonction d’une

distance d du front de flamme est fourni en annexe 2.



Partie 2

L’explosion d’un nuage de gaz en milieu non confiné



I – Les objectifs

L’embrasement généralisé éclair peut se produire lorsqu’une grande quantité de vapeurs est rejetée (par les végétaux) en « atmosphère non confinée » c’est-à-dire dans un environnement illimité, sans qu’il y ait inflammation immédiate. C’est une explosion de gaz. Dans le cas général, deux types d’explosions peuvent être envisagées :

- le régime de la déflagration : la vitesse de flamme est de l’ordre de qq. m/s à 300m/s, si la vitesse de flamme est lente, ce sont les effets thermiques qui sont prépondérants ; si la vitesse de flamme est rapide, ce sont les effets de surpression qui sont prépondérants ;

- le régime de la détonation : la vitesse de flamme est supersonique, les effets de surpression sont dévastateurs.

Le régime de détonation est très puissant et n’intervient pas dans un embrasement

généralisé éclair, il ne sera pas décrit dans cet exposé tout comme la transition de la déflagration vers la détonation.

L’EGE est une déflagration généralement de faible intensité c’est-à-dire avec des

vitesses de flamme lentes. Cette explosion de gaz peut porter l’aérosol de 1500 à 2000°C (RB CHEVROU, 2000), entraîne pour les pompiers des brûlures pulmonaires létales et une mort instantanée. Pour désigner cette explosion, on trouve aussi dans la littérature mondiale les termes de « flash fire », « burnover » ou « blowup » pour désigner cette déflagration. L’objet de cette partie est donc d’une part de définir les caractéristiques des mélanges gazeux inflammables, d’autre part de décrire la nature des phénomènes physiques de la déflagration lors d’une explosion gazeuse. Quelques exemples d’EGE seront donnés à la fin de cette partie.

II – Les caractéristiques des mélange gazeux inflammables

• Phase gazeuse inflammable

Une phase gazeuse est inflammable lorsqu’elle permet la propagation d’une flamme. Il peut s’agir d’une flamme de combustion impliquant un gaz carburant et un gaz comburant. Il peut aussi s’agir d’une flamme de décomposition d’un gaz instable, pur ou en mélange avec un gaz inerte.

• Mélanges inflammables

Un mélange gazeux est inflammable lorsqu’il est constitué d’un gaz carburant ou d’un mélange de gaz carburants et d’un gaz comburant.



- Le carburant peut être un hydrocarbure comme le gaz naturel, le propane, des vapeurs de solvants, l’hydrogène ou la vapeur d’un métal oxydable. - Le comburant peut être l’oxygène, l’air, des mélanges d’oxygène et d’azote de composition variable mais aussi des gaz oxydants comme le chlore, l’hémioxyde d’azote N2O, les autres oxydes de l’azote (NO, NO2), le fluor et le brome, des gaz oxydants complexes comme NF3. - Par ailleurs, les mélanges gazeux peuvent contenir des gaz diluants non oxydables comme l’azote, le gaz carbonique CO2, l’argon, la vapeur d’eau, l’acide chlorhydrique HCl, etc. 1. Limites d’inflammabilité ou d’explosivité Dans un mélange gazeux constitué d’un gaz carburant et d’un gaz comburant et, éventuellement, d’un gaz diluant ou inerte, la limite inférieure d’explosivité (LIE) est la concentration minimale en gaz carburant susceptible d’être enflammée [en anglais lower flammability limit (LFL)]. Similairement, la limite supérieure d’explosivité (LSE) est la concentration maximale en gaz carburant susceptible d’être enflammée [en anglais upper flammability limit (UFL)]. Au-dessous de la LIE, la concentration en gaz carburant est trop faible pour permettre la propagation de la flamme. Au-dessus de la LSE, la concentration en gaz comburant est insuffisante pour permettre la propagation de la flamme. Si le mélange gazeux contient également un gaz diluant inerte, il existe une concentration minimale en gaz oxydant (CMO) au-dessous de laquelle le mélange gazeux n’est plus inflammable [en anglais minimum oxidizer concentration (MOC ou MOX)].



La zone inflammable d’un mélange gazeux peut être représentée dans un diagramme triangulaire dont les sommets représentent (figure 1) : - le gaz carburant ou le mélange de gaz carburants ; - le gaz comburant ou le mélange de gaz comburants ; - le gaz diluant. Les limites inflammables d’un gaz dépendent de la température et de la pression. Le domaine de composition inflammable augmente toujours lorsque la température augmente et, en général, lorsque la pression augmente. On trouvera les valeurs des limites d’inflammabilité de vapeurs ou de gaz inflammables dans l’air dans les références [1] et [2], dans les catalogues de produits chimiques (Aldrich, Merck) et les fiches de sécurité des produits chimiques, comme les fiches INRS. Des données plus complètes de limites d’inflammabilité incluant les gaz comburants autres que l’air et des diagrammes triangulaires relatifs aux limites d’inflammabilité en présence de gaz diluants peuvent être consultées dans les références [3] et [4]. Une compilation de diagrammes d’inflammabilité des hydrocarbures dans l’air est donnée dans la référence [5] et une compilation de données de limites d’inflammabilité dans le chlore se trouve dans le document Eurochlor GEST 97/242 [6]. À titre d’exemple, on trouvera dans le tableau 1 ainsi que dans le tableau 5, quelques données de limites d’inflammabilité de gaz et de vapeurs inflammables tirées de la référence [1]. Ces limites sont exprimées en concentrations volumiques ou molaires dans le gaz. Elles sont valables dans l’air sous la pression atmosphérique, au voisinage de la température ambiante. Les données relatives à la concentration minimale en oxygène permettant la combustion (CMO) sont plus rares. La CMO dépend de la nature du gaz diluant (azote, CO2, argon, HCl...). Dans l’air, le gaz diluant est l’azote. On trouvera dans le tableau 2 quelques données remarquables de concentration minimale en oxygène dans les mélanges oxygène + azote permettant la combustion des carburants considérés.



2. Mélange de gaz

• Limites d’inflammabilité d’un mélange de gaz carburants

Lorsque le gaz carburant considéré est un mélange de gaz carburants de limites d’inflammabilité connues, il est possible de calculer les limites d’inflammabilité de ce mélange de gaz carburants en utilisant la loi de Le Chatelier. Ainsi, si un gaz carburant est un mélange de trois carburants présents avec des pourcentages volumiques p1, p2, p3 (p1 + p2 + p3 = 100) et si ces gaz carburants ont respectivement une LIE dans l’air exprimée (en %vol) de L1, L2, L3, alors la LIE du mélange de gaz carburants est : L = 100/(p1/L1 + p2/L2 + p3/L3) (en %vol)

La même règle peut être appliquée pour calculer la LSE du mélange de gaz carburants dans l’air. Bartknecht [8] précise que la loi de Le Chatelier s’applique bien pour des gaz carburants de nature chimique analogue. Dans le cas de la LSE, des écarts non négligeables ont été constatés avec l’expérimentation. En cas de doute, il convient de recourir à des vérifications expérimentales.

• Mélange stoechiométrique

Le mélange stoechiométrique est le mélange où le gaz carburant et le gaz comburant sont dans les proportions des réactifs dans l’équation chimique de la réaction de combustion.



3. Estimation de la CMO lorsque la LIE est connue Frank T. Bodurtha [7] décrit une méthode pour calculer la CMO d’un carburant dans les mélanges oxygène + inertes lorsque la LIE est connue. Il donne également une collection de valeurs de CMO dans les mélanges comburants O2 + N2, O2 + CO2, O2 + H2O. La méthode est basée sur la remarque que, à la LIE, l’oxygène est en large excès par rapport au carburant. Pour cette raison, la valeur de la LIE est constante lorsque l’on substitue de l’azote à de l’air, car ces deux gaz ont les capacités thermiques à pression constantes cp très voisines et la même quantité de chaleur est produite par la combustion jusqu’à ce que les conditions stoechiométriques soient atteintes. Au-delà, une diminution supplémentaire de l’oxygène conduit à une diminution de la chaleur produite, ce qui conduit à l’arrêt de la propagation de la flamme. La CMO pour la combustion avec l’azote comme gaz inerte peut donc être déduite de la LIE dans l’air.

4. Gaz instable : Flamme de décomposition Un gaz pur peut être inflammable en l’absence d’air ou de gaz comburant, s’il donne une flamme lorsqu’il se décompose. L’inflammation peut être provoquée par une source d’amorçage au voisinage de la température ambiante. On parle alors de gaz instables. Il s’agit en général de gaz dont la formation est endothermique. Des mélanges de ces gaz instables avec un gaz diluant peuvent également être instables et inflammables. Mais, en général, la dilution d’un gaz instable avec un gaz inerte ou non comburant améliore la stabilité du mélange gazeux et peut le rendre non inflammable avec une source d’amorçage donnée.



Une liste non exhaustive des gaz instables est donnée ci-après :

- acétylène - azoture d’hydrogène (N3H) - chlorure de propargyle - azoture de chlore (N3Cl) - bromure de propargyle - oxydes de chlore Cl2O et ClO2 - hémioxyde d’azote (N2O) - hydrazine - trichlorure d’azote (NCl3) - ozone - oxyde d’éthylène

Certains de ces gaz instables sont également détonants en l’absence d’air ou de gaz comburant. C’est le cas notamment de l’acétylène. La stabilité des gaz instables dépend de leur concentration, de la pression et de la température, ainsi que du matériau de l’enceinte qui les contient. Il existe pour ces gaz un diagramme pression versus température dans lequel peuvent être représentées les zones de composition stable et instable (figure 2). Pour ceux de ces gaz qui ont un intérêt industriel, l’étude de leur stabilité et de leur flegmatisation fait l’objet d’une littérature technique spécialisée [8]. 5. Pression limite d’inflammabilité La pression limite d’inflammabilité est la pression au-dessous de laquelle un mélange gazeux inflammable ou un gaz instable ne permet plus la propagation d’une flamme. Elle dépend de la température, de la forme et du volume de l’enceinte, et de l’énergie de la source d’amorçage. C’est donc une grandeur dont il convient de ne retenir que l’ordre de grandeur. Pour les gaz et les vapeurs instables, la pression limite d’inflammabilité est une caractéristique intéressante de la stabilité du gaz, que l’on peut trouver dans la littérature. À titre d’exemple, nous donnons quelques valeurs de pression limite d’inflammabilité tirées des références [2] et [11] dans le tableau 3.



6. Température d’auto inflammation

La température d’auto inflammation (TAI) d’un mélange gazeux inflammable est la température à laquelle ce mélange s’enflamme spontanément, de manière homogène, après un certain temps de séjour t du gaz à la température considérée. Lorsque l’on parle de la température d’auto inflammation d’un hydrocarbure gazeux dans l’air, il s’agit de la température la plus basse à laquelle le mélange le plus sensible peut subir une auto inflammation. La composition du mélange le plus sensible est voisine de la composition stoechiométrique permettant la combustion totale de l’hydrocarbure ; cependant, lorsque la température d’un mélange gazeux inflammable s’approche de la température d’auto inflammation, la LIE et la LSE du carburant s’écartent l’une de l’autre et un domaine de composition plus large devient inflammable (figure 3). La température d’auto inflammation d’un liquide inflammable dans l’air correspond à celle de ses vapeurs, mesurée par une procédure expérimentale normalisée. La température d’auto inflammation d’un gaz instable, en l’absence d’air ou de tout autre gaz comburant, est la température à laquelle ce gaz s’enflamme spontanément. Les gaz carburants peuvent présenter des phénomènes d’auto inflammation en mélange avec d’autres gaz comburants que l’air. Les autres gaz comburants rencontrés le plus fréquemment sont l’oxygène et les mélanges oxygène + azote, l’hémioxyde d’azote (N2O), les oxydes d’azote NO et NO2, le chlore, le fluor, le brome, un gaz comme NF3. Les températures d’auto inflammation dans ces gaz comburants sont différentes de ce qu’elles sont dans l’air. Nous donnons, dans le tableau 4, la température d’auto inflammation de quelques carburants organiques dans l’air, tirées de la référence [1]. Les températures d’auto inflammation telles que celles du tableau 4 ne doivent pas être considérées comme des valeurs absolues pouvant être appliquées sans précaution à des situations industrielles car ces valeurs dépendent de leur mode de détermination.



De plus, l’inflammation spontanée d’un gaz peut être influencée par la taille de l’enceinte où il se trouve et par la nature des parois. 7. Énergie minimale d’inflammation d’un gaz ou d’une vapeur inflammable L’énergie minimale d’inflammation (EMI) d’un mélange gazeux inflammable est la plus petite énergie permettant son inflammation. La mesure de l’EMI est en général réalisée au moyen de décharges électrostatiques produites par un condensateur entre deux électrodes placées dans le gaz étudié. Lorsque l’on parle de l’EMI d’un gaz carburant ou d’une vapeur carburante, on désigne alors la plus petite énergie permettant l’inflammation du mélange le plus sensible avec l’air. Elle est en général obtenue au voisinage du mélange stoechiométrique du gaz carburant avec l’air. Cependant, la composition optimale présentant la plus petite EMI ne correspond pas exactement au mélange stoechiométrique, qui se trouve à mi-chemin entre la LIE et la LSE du gaz carburant. Si le gaz comburant n’est pas l’air, les mêmes considérations s’appliquent. Quelques exemples d’EMI de vapeurs ou de gaz carburants dans l’air sont donnés dans le tableau 5 où l’on a également noté la concentration optimale en carburant à laquelle cette EMI est obtenue ainsi que la concentration stoechiométrique, la LIE et la LSE. On notera que les EMI des gaz sont très faibles et que des sources d’amorçage d’origine électrostatique, d’énergie suffisante pour enflammer ces gaz, sont facilement rencontrées. C’est pourquoi l’EMI de leur vapeur dans l’air ne permet pas de caractériser l’inflammabilité des solvants et que leur point d’éclair est un critère plus intéressant pour cela.



8. Point d’éclair d’un liquide inflammable L’inflammabilité d’un hydrocarbure ou d’un solvant liquide, sous la pression atmosphérique dans l’air, est caractérisée par son point d’éclair. Le point d’éclair (en anglais flash point) est la température minimale à laquelle les vapeurs du liquide pur sont inflammables dans l’air. C’est une grandeur déterminée par un protocole expérimental normalisé. Le point d’éclair est voisin de la température minimale à laquelle le liquide génère par tension de vapeur, au voisinage de sa surface, une phase gazeuse dont la concentration en carburant est supérieure à la LIE. On trouve le point d’éclair des liquides purs dans des ouvrages spécialisés [1] [2] [10], dans les fiches de sécurité des produits, dans les catalogues de vente de produits chimiques. On considère que, à une température supérieure ou égale au point d’éclair, la phase gazeuse présente au-dessus du liquide est inflammable dans l’air et, si elle se trouve dans une enceinte constituant un confinement, peut donner une explosion.



III – La genèse de l’explosion de gaz 1. Le terme source De façon générale, pour un état initial liquide ou gazeux, le nuage résulte de la formation d’une bouffée initiale, s’il s’agit d’un rejet limité dans le temps ou du développement d’une nappe au cours du temps, s’il s’agit d’un rejet continu. Le nuage formé dérive et se disperse avec le vent. Son déplacement et son mode de dispersion résultent des effets du vent et de l’état de stabilité de la couche atmosphérique dans lequel il évolue, de la vitesse de libération du produit, de la topographie des lieux (relief…) et de la présence d’obstacles. Le mélange est hétérogène, riche en combustible au voisinage du rejet et pauvre à l’extérieur, la zone intermédiaire possédant une concentration entre les limites d’inflammabilité. Selon l’environnement du rejet et la dynamique de l’émission, on peut observer localement des poches à concentration variable. La forme géométrique du nuage est très variée : jet, demi ellipsoïde, hémisphère. 2. L’allumage La combustion du mélange implique que celui-ci soit inflammable c’est-à-dire que la concentration de gaz inflammable soit comprise dans les limites inférieure et supérieure d’inflammabilité, et qu’une source d’allumage suffisamment énergétique soit présente. La nature du régime d’allumage de l’explosion et par conséquent de ses effets mécaniques dépend directement des paramètres d’allumage, caractérisé par :

- le délai d’allumage (intervalle de temps compris entre le début d’émission de gaz et l’instant d’allumage),

- son emplacement, - son énergie.

Selon leur énergie, les sources d’allumage peuvent être classées en deux groupes susceptibles d’induire des effets plus ou moins violents :

- les sources d’énergie faible : étincelles mécaniques ou électriques, surfaces chaudes… - les sources d’énergie forte : jets chauds, explosifs condensés initialement mis à feu.

Le délai d’allumage est le paramètre clé dans la prévision des effets de l’explosion. Quant à l’emplacement de l’allumage, environ 60% des explosions sont initiés au centre du nuage et 40% à la périphérie du nuage.



IV – Le régime de l’explosion Après l’allumage, une zone de réaction exothermique se propage à vitesse plus ou moins grande à travers le mélange combustible. Lorsque la propagation de la flamme est suffisamment rapide et conduit à des surpressions susceptibles d’endommager des structures ou d’agresser des personnes, on parle d’explosion. La limite du seuil de surpression au delà duquel on peut considérer qu’il y a explosion est assez arbitraire. On peut toutefois considérer qu’au delà de 30 mbar de surpression incidente, il y a risque de détérioration du tympan et quelques dommages apparaissent sur les structures exposées. L’énergie chimique de la combustion se transforme en partie en énergie mécanique, avec effets de souffle liés à l’expansion volumique des gaz frais consommés à la traversée de la zone de réaction. Selon la nature du gaz inflammable, l’énergie de l’allumage et/ou les caractéristiques de l’environnement dans lequel la propagation du front de flamme va s’effectuer, deux régimes de combustion sont théoriquement possibles : la déflagration ou la détonation. Dans une déflagration, un front de flamme divergent centré sur le point d’inflammation parcourt le mélange gazeux à une vitesse subsonique de l’ordre de quelques m/s à environ 300 m/s selon la nature du mélange combustible et les conditions de propagation de la flamme. Lorsque la vitesse du front de flamme est suffisamment élevée, de l’ordre de 120 m/s, l’expansion des gaz de combustion provoque une onde de choc de tête d’autant plus intense que la vitesse du front est élevée. La mise en mouvement du milieu frais qui en résulte provoque une variation de pression (Figure P2-IV-1).

Figure P2-IV-1 : Variation de pression induite par la déflagration d’une charge sphérique non confinée, allumée en son centre à célérité constante

(Hodin, Incendie et explosion 2001)



Dans une détonation, la propagation de la flamme résulte du couplage de la zone de réaction chimique exothermique et de l’onde de choc. La température du front, de l’ordre de 1500 K, conduit en effet à une auto inflammation du mélange air-combustible : la propagation de la réaction chimique est induite par le choc. Elle s’effectue à une vitesse supersonique, de l’ordre de 1800 m/s pour un mélange d’air et de gaz naturel à la stœchiométrie. La détonation cesse à la limite de la charge gazeuse et crée dans l’environnement une onde de choc s’amortissant avec la distance d’inflammation (Figure P2-IV-2).

Pour résumer, les deux régimes possibles d’explosion d’une charge gazeuse non confinée sont de natures physiques très différentes. Si le régime est une détonation, la surpression est de l’ordre de 15 à 17 bars à la limite de la charge, la durée de phase positive étant de l’ordre de la milliseconde. S’il s’agit d’une déflagration, la surpression qui dépend de la célérité du front de flamme est de l’ordre de quelques centaines de mbar pour les déflagrations les plus rapides, avec un temps de montée en pression de l’ordre de la seconde. La variation de pression à la traversée du front de combustion est positive dans la détonation, négative dans la déflagration. Les gaz brûlés et l’onde de choc ont le même sens de propagation dans la détonation et le sens contraire dans la déflagration. Enfin, et de manière très schématique, l’onde associée à la détonation est une onde de compression, celle associée à la déflagration étant une onde d’expansion.

Figure P2-IV-2 : Onde de souffle (dans le cas d’un choc sphérique) due à la détonation d’un mélange air-hydrocarbure P = f(t) à la distance r du centre d’explosion

(Hodin, Incendie et explosion 2001)



V – La déflagration en milieu libre 1. Mécanisme de la déflagration Généralement, lors d’accidents réels, la source d’inflammation initiale possède une faible énergie (souvent une étincelle). Le régime le plus probable d’explosion est alors une déflagration. Lors d’une explosion non confinée, le nuage s’allume soit à partir d’une source peu énergétique : la déflagration initiale s’apparente alors à une déflagration lente, de vitesse comprise entre 10 et 20 m/s. Une fois la déflagration initiée, celle-ci s’accélère progressivement, notamment en raison des effets de confinement partiel, de focalisation ou de turbulences provoquées par des obstacles. La vitesse maximale atteinte par le front de flamme, qui va déterminer la suppression maximale induite par la déflagration, est au moins aussi dépendante des conditions extrinsèques de propagation de la flamme que des propriétés intrinsèques du mélange combustible. Dans des cas extrêmes, il peut théoriquement être envisagé que les mécanismes d’accélération de la flamme donnent naissance à une onde de choc, qui, par couplage avec le front de combustion peut provoquer la détonation d’une partie localisée du nuage. Selon la vitesse de propagation du front de flammes, la déflagration sera dite lente ou rapide. Dans le cas d’une déflagration lente, la flamme parcourt la charge combustible avec une célérité de 5 m/s à environ 40 m/s. Une explosion impliquant de telles vitesses conduit à des mécaniques très faibles, les effets devenant significatifs au-delà de plusieurs dizaines de m/s. Les effets sont surtout thermiques. Ce fait est largement confirmé par des essais à différentes échelles, effectués en milieu non confiné (Brossard J. et Ali – 1985). Dans les expériences à échelle de laboratoire, le mélange inflammable est généralement contenu dans une bulle de savon. Le confinement par la paroi de la bulle n’affecte pas le développement de la flamme. Dans les essais à grande échelle, seules les expériences effectuées après destruction de la paroi assurant le confinement du mélange combustible (en général un ballon) sont représentatives. En effet, il a été observé que la paroi du ballon, si elle n’était pas détruite avant la mise à feu, affectait le champ des pressions par une accélération de la flamme liée à son confinement initial (Brossard J. et Ali – 1983). D’autres expériences à différentes échelles effectuées en milieu non confiné sans allumage fort confirment les valeurs faibles des vitesses de déflagration des mélanges air-hydrocarbures. Plusieurs types de modélisation sont disponibles pour déterminer la relation entre la vitesse de flamme et la surpression induite par la propagation de cette flamme. La panoplie s’étend des modèles acoustiques (Popat N.R. et Ali – 1986) aux modèles de champ (Computational Fluid Dynamics Models) en passant par les modèles d’écoulement



compressible (modèle de piston) (Clavib P. et Ali – 1978) et les modèles basés sur la méthode des caractéristiques (Taylor – 1946). Une relation entre la propagation de la flamme et la pression est donnée en annexe (annexe 1), il s’agit du travail de Cleaver R.P. et Robinson C.G. en 1996. La symétrie sphérique d’un mélange gazeux explosif avec allumage au centre correspond à la plupart des modélisations simples développées pour évaluer le champ hydrodynamique engendré par une flamme de combustion rapide.

• Détermination de la vitesse de flamme (modèle de Williams)

Ce modèle s’appuie sur un allumage central avec un point source. Le front de flammes se développe en symétrie sphérique (cf. figure P2-V-1-1).

Légende pour la figure P2-V-1-1 et la suite du modèle: P : pression dans les régions 1 et 2 ρ : densité S : vitesse de flamme V(t) : vitesse de l’onde de choc ρ0 : densité de l’air ambiant K : constante de temps indépendante P = P1 / P0 K = ρ0 / ρ1 Y = R’ / R’0 où R’ est le rayon de l’onde de choc et R’0 son rayon initial X = r / r0 où r est le rayon du front de flamme s : vitesse du front de flamme s = S / a0

Figure P2-V-1-1 : Le modèle de Williams pour des explosions non idéales (Cleaver, 1996)



S : vitesse du front de flamme a0 : vitesse du son newtonienne τ : temps sans dimension θ = T0 / T2 où T2 est la température intérieure et T0 la température ambiante La conservation du moment à travers l’onde de choc s’écrit :

P = 1 + (1 – K)(dY/dτ)²

La conservation de la masse totale pour la sphère de rayon R’ s’écrit :

θPX3 + (Y3 – X3)/K = Y3

La conservation de la masse pour la région brûlée s’écrit :

X²s / K = d/dτ (θPX / 3)3

La conservation de la masse pour la partie brûlée s’écrit :

P = 1 + (1 – K)(dY/dτ)²

Quand θ, K et P sont indépendant du temps, la solution est :

6/13/1 )1()1(1KPK

PPKs−−−

=θθ

Lors d’une première approche, on peut écrire :

)1)(1()3/( KPKs −−≥

• La modélisation à vitesse constante Avec des hypothèses simplificatrices considérant un nuage homogène à géométrie sphérique ou hémisphérique, un allumage central ponctuel à faible énergie et une absence d’obstacles, on peut résoudre de manière analytique les équations de l’écoulement et de la propagation de la zone de combustion, si l’on connaît à priori, la vitesse fondamentale de combustion (Deshaies B. et Leyer J.C – 1981). Cette méthode qui s’applique en toute vigueur à des déflagrations complètement non confinées a été extrapolée à des déflagrations en présence d’obstacles en introduisant un facteur de correction empirique KT dans le calcul de la vitesse de déflagration (Lannoy A. – 1984).



On peut déjà noter que la difficulté principale de cette méthode vient du fait que la vitesse de déflagration à retenir doit être suffisamment majorante pour couvrir les effets d’accélération résultant notamment des turbulences rencontrées par la flamme. La justification de cette vitesse devra être basée sur des données expérimentales ou résultant d’accidents réels dans l’optique d’une application à une analyse de sûreté.

• La modélisation à vitesse variable (Deshaies B. et Leyer J.C – 1981) En se basant toujours sur une déflagration à symétrie sphérique et allumage central faiblement énergétique, Deshaies B. et Leyer J.C (1981) ont développé une modélisation de déflagration à vitesse variable applicable à un milieu partiellement confiné et obstrué, basées sur l’intégration des équations de conservation de la masse et de la quantité de mouvement en écoulement incompressible. Cette méthode qui présente l’avantage de fournir également des solutions analytiques nécessite toutefois de connaître à priori l’histoire de la flamme (c’est à dire la vitesse et son accélération), donnée accessible uniquement par l’expérience, ce qui limite l’intérêt de cette approche pour simuler des accidents réels. Cette modélisation a été validée par des expériences à petite échelle effectuées sur des charges combustibles contenues dans des bulles de savon, puis à partir d’essai à grande échelle (ballon de 12m3), dans le cadre d’une collaboration d’EDF avec les communautés européennes – essais Charles 1 (Brossard J.B. et Ali 1985 – Brossard J.B. et Ali 1983). D’autres essais ont permis de valider la méthode pour des volumes plus importants : - mélange air-éthylène jusqu’à 28 m3

- mélange air-hydrogène jusqu’à 2100 m3 - mélange air-propane et air gaz naturel jusqu’à 3700 m3 (Lannoy A. et Leroy A. – 1989). Des approches récentes ont tenté de traiter, au moins pour des obstacles de forme simple, le problème d’accélération de la vitesse de déflagration en zone obstruée (Van Der Berg A.C. – 1985), en rajoutant dans l’équation de conservation la quantité de mouvement, un terme de force traînée modélisant l’effet de l’obstacle sur la flamme et en corrigeant de manière simple l’équation de conservation de la masse pour tenir compte du caractère compressible de l’écoulement. 2. Les facteurs d’accélération du front de déflagration Il est maintenant clairement établi que les flammes se propageant dans de grands nuages combustibles air-hydrocarbure en champ libre provoquent des effets de surpression de l’ordre de quelques mbar, insuffisants pour entraîner des dommages significatifs dans l’environnement. Lors d’accidents réels, il existe donc un certain nombre de facteurs d’aggravation expliquant les surpressions maximales obtenues. Les programmes d’essais dont les données sont accessibles dans la littérature mettent en évidence cinq facteurs principaux d’influence :

- l’effet de concentration



- l’effet de forme - l’effet de taille - l’effet d’énergie d’allumage - l’effet de turbulence

Nous traiterons ici, succinctement les effets suivants :

• L’effet de concentration Le nuage explosif réel ne possède pas une composition uniforme. Ses modes de formation et de dispersion entraînent une concentration très hétérogène, encore accentuée par des effets aérodynamiques dus à son environnement (bâtiments, structures, …) Des essais à petite échelle et à grande échelle ont montré que le gradient de concentration constituait un facteur d’accélération de la flamme pouvant conduire à une multiplication par un facteur 2 à 3 des pics de pression par rapport à une concentration homogène (Brossard J. et Ali – 1983). Il est toutefois probable que les oscillations du front de flamme résultant de gradients de concentration dans le nuage ne constituent pas un risque pour la plupart des structures.

• L’effet de forme Lors d’un accident réel, le nuage n’est jamais sphérique. Un grand nombre d’essais ont été réalisés pour évaluer le champ de surpression résultant de la déflagration de nuages de formes diverses :

- Cylindrique - Demi cubique - Hémisphérique

Cas d’un nuage allongé :

Figure P2-V-2-1 : Propagation de la flamme dans un nuage de gaz allongé

(Pickles, 1983)



Les essais effectués par Leyer à petite échelle sur des charges cylindriques non confinées mettent en évidence le caractère majorant d’explosions de nuages sphériques avec allumage central (Leyer J.C – 1982). Ces essais sont confinés à très grande échelle, il est donc possible d’utiliser dans une analyse de sûreté un modèle de déflagration d’une charge sphérique avec un allumage central, qui conduira à des valeurs conservatives du champ de surpression par rapport à une autre configuration de charge, toutes choses égales par ailleurs.

• L’effet de taille

L’influence négligeable de la taille des nuages sur la rapidité du régime de déflagration est confirmée par des essais à très grande échelle caractérisant des nuages réels (essais Shell, maplin Sand, Coyotte et Tno). En l’absence d’obstacles et sans allumage fort, la vitesse de déflagration ne dépasse pas 15 m/s.

Figure P2-V-2-2 : Surpression positive d’un nuage hémisphérique et d’un nuage elliptique (Pickles, 1983)



3. Déflagration et obstacles

Même si la présence d’un obstacle engendre une surpression plus importante, elle permet d’obtenir une zone plus protégée, la zone située juste derrière l’obstacle connaissant une surpression six fois moins élevée que le total de la surpression.

VI – Principaux types d’embrasement généralisé éclair rencontrés en feu de forêt Le terme d’embrasement généralisé est général. En fait, il existe plusieurs scénarios d’explosion qui ont été observés en feu de forêt. Tous peuvent être plus ou moins violents.

1. La bulle thermique

La bulle thermique est tributaire des formes du terrain et de la configuration du site. Elle peut avoir comme source de formation un fond de vallon riche en combustible constituant par sa forme une zone de torréfaction confinée et parfois verrouillée par des barres de rocheuses, une zone plate ou en légère cuvette, sans vue vers le bas « secteur aveugle » ou une ligne de crête en amont avec un col provoquant l’amorçage d’une aspiration.

Figure P2-V-3-1 : Mise en évidence de l’effet d’obstacle



Le scénario d’accident peut-être ainsi décrit :

- une phase préliminaire : le feu principal se propage à la montée. La pointe du feu est attirée par un passage naturel (col ou brèche d’une falaise en site calcaire). Elle longe la zone de torréfaction. La chaleur dégagée et rayonnée provoque la pyrolyse du combustible. Une masse de gaz, aérosols et/ou particules à hautes températures se forme.

- une phase critique : la masse gazeuse grossit par dilatation et s’allège (composante verticale F1). Elle prend une forme arrondie et peut entrer en rotation (composante de rotation F2). Elle subit une poussée du vent (composante horizontal F3).

Figure P2-VI-1-1 : Relief favorable à la formation d’une bulle thermique (Maurin 2001, Retour d’expérience)

Figure P2-VI-1-2 : Phase préliminaire de la formation d’une bulle thermique (Maurin 2001, Retour d’expérience)



Elle ne se mélange pas avec l’air ambiant, car la température des gaz passant en ignition est trop élevée (supérieure à 1000°C). Elle surgit brutalement du fond du thalweg (zone de torréfaction), d’une manière aléatoire par bond. Cette « bulle thermique » est une source intense de rayonnement infrarouge. Ce rayonnement se déplace à la vitesse de la lumière.

2. Le tapis de feu ou le toit de feu

C’est un phénomène critique, comparable sur plusieurs points à la bulle thermique et au « fire devil ». Il a pour site un vallon profond ouvert.

La situation initiale est banale : la ligne de feu monte sur un versant, le feu se divise en

deux lisières de part et d’autre d’un thalweg, il y a alors surchauffe d’une zone de torréfaction très encaissée du thalweg et pyrolyse brutale de sa végétation (engendrant COV et peut-être gaz de pyrolyse), dès lors, la masse de combustible en phase gazeuse submerge la zone encaissée entre les crêtes secondaires.

Le développement devient tridimensionnel. Les températures atteintes dans le site

suffisent à l’embrasement généralisé. Un nuage incandescent recouvre le thalweg. La propagation est estimée entre 2 et 15 m/s voire davantage. C’est l’irradiation infra rouge intense qui peut provoquer un accident mortel sous la nappe.

Figure P2-VI-1-3 : Phase critique d’une bulle thermique (Maurin 2001, Retour d’expérience)



3. Le « fire devil »

Ce phénomène a été rencontré en Californie du Sud. Des vents atteignent une intensité

supérieure à 160 Km/h dans une végétation arbustive pyrophile, dans un relief montagneux avec un climat chaud voire extrême avec des effets de brises océaniques.

La description du phénomène donne une montée brutale du feu le long du relief,

provoquée par un mouvement hélicoïdal entraînant une masse gazeuse en ignition. Ce phénomène aérologique ascensionnel serait la résultante de l’écoulement du vent sur les formes du terrain, de l’expansion des gaz chauds et la rotation des gaz à température élevée.

Figure P2-VI-2-1 : Mise en évidence du « tapis ou toit » de feu (Maurin 2001, Retour d’expérience)



4. Le confinement par une couche d’air froid Au dessus du site du feu, il y inversion de température, une couche d’air plus froid

avec un vent fort (cas du Mistral) couvre les fumées. Le rayonnement du feu crée une température élevée qui ne peut pas s’évacuer à cause du toit d’air froid. La zone de torréfaction génère un volume important de gaz, aérosols et poussières inflammables. Le « toit d’air froid » peut alors maintenir ces produits de pyrolyse en situation de confinement.

Deux conséquences sont possibles :

- embrasement localisé avec destruction totale du combustible disponible au fond du « chaudron » ;

- explosion de fumées, comparable à un backdraft.

Figure P2-VI-3-1 : Mise en évidence du « fire devil » (Maurin 2001, Retour d’expérience)



5. La propagation de versant à versant

Dans un vallon encaissé, avec une végétation de garrigue (calcaire) ou maquis

(siliceux) basse, le feu initial descend lentement sur un versant à contrevent. La progression est lente et « anodine » en apparence. Le versant opposé est soumis à une irradiation infrarouge croissante.

Dans l’ensemble du versant opposé, le couvert végétal commence à subir les effets du champ radiatif important (engendrant la production de COV et peut-être gaz de pyrolyse). Le

Figure P2-VI-4-1 : Le confinement par une couche d’air froid (Maurin 2001, Retour d’expérience)

Figure P2-VI-5-1 : Pyrolyse du versant opposé (Maurin 2001, Retour d’expérience)



volume considérable de combustible en phase gazeuse et/ou fumée entre en ignition. Le feu submerge ce versant d’un seul coup. La vague de feu est mortelle.

6. Le fond de vallon

a. Cas 1 Ce cas peut se produire par vent calme ou par vent important. Le feu descend doucement une pente en n’étant pas poussé par le vent. Au fond du vallon, on trouve souvent un ruisseau sec dont le lit surcreusé par rapport au fond du vallon empêche le passage des hommes. Ce lit est encombré de broussailles. Le feu descend et lorsqu’il arrive dans le creux de la masse de combustible, il se produit un très fort embrasement et même dans la pente montante.

Figure P2-VI-6-1 : Explosion au niveau du lit de la rivière (Drouet, Accidents en feu de forêt)

Figure P2-VI-5-2 : Explosion de la masse gazeuse sur le versant opposé (Maurin 2001, Retour d’expérience)



b. Cas 2 Même si le feu est loin (effets de rayonnement et convection négligeables), les vapeurs émises par les végétaux s’écoulent vers le fond de vallon. Au contact d’une flamme pilote (brandon), le mélange s’enflamme ou explose selon les cas. Les essais en laboratoire ont montré cet écoulement des gaz (à la vue des masses molaires des produits en question, cet écoulement serait équivalent à un écoulement d’eau). Le phénomène peut se produire des jours à vent très faible ou dans des zones abritées du vent. On peut proposer des quantités de vapeurs accumulées importantes si le bassin versant est grand et si le temps d’écoulement est long. Près de Ste Maxime, les chasseurs éprouvent des difficultés pour respirer dans les fonds des thalwegs lorsqu’ils vont ravitailler le gibier, ce qui prouve l’accumulation de ces vapeurs explosives et la chute de la concentration d’oxygène.

Figure P2-VI-6-2 : Accumulation de COVb dans un fond de vallon (Drouet, Accidents en feu de forêt)



Partie 3

Les accidents en France et dans le monde



I – Les objectifs En région méditerranéenne, comme dans d’autres régions du monde, le phénomène d’embrasement généralisé a fréquemment été rencontré. Malheureusement, il n’a fait l’objet de rapport qu’à la suite d’accidents mortels ou graves. En France, il est possible de récupérer ces rapports auprès de la sécurité civile. Par contre, aux Etats-Unis, ils sont publics et souvent disponibles sur Internet. Le but de cette partie est d’analyser les accidents qui ont causé la mort de pompiers au cours du phénomène en rappelant les circonstances du drame (conditions météorologiques, topographie, type de végétation,…). L’EGE sera décrit dans la mesure où les données trouvées sont assez complètes.

L’objectif est d’en tirer le plus petit commun dénominateur c’est-à-dire le ou les paramètres toujours présents dans les accidents ; un tableau récapitulatif est disponible en fin de partie.



II – Les accidents en France

1. L’accident de Sainte Maxime (1982)

a. Contexte

Le feu se situe au niveau de la route départementale D25 au Sud du col de Gratteloup.

Il s’agit pour les pompiers de défendre les habitats isolés.

• Topographie Le relief présente un confluent de thalwegs très encaissés et peu accessibles, secteur

de chasse au sanglier où les chasseurs de sangliers ont, en été, la sensation de manquer d’air dû au confinement.

• Végétation

Le couvert végétal est dense, typique des Maures (feuillus dominants) et estimé à

70 – 80 t/ha.

• Situation météorologique

Le vent est faible et la température est jugée à 40°C.

b. Description de l’accident

Le feu descend par les crêtes du col de Gratteloup en direction de la maison, les sapeurs-pompiers se préparent à défendre la maison. Le CCFM est sur la D25.

Figure P3-II-1-1 : Position de la maison à défendre

(EMZ Sud, Le constat 2002-03)



Le phénomène Sous l’effet du rayonnement du front du feu, la végétation commence à produire des

gaz. Le processus s’accélère au fur et à mesure que la source de rayonnement se rapproche du fond du thalweg où un volume important de combustible en phase gazeuse reste confiné.

Lors d’une deuxième phase, la masse gazeuse entre en contact avec les flammes et il

se produit une explosion, peut-être intensifiée par les fumées. Une forte déflagration est perçue par les témoins.

Une épaisse fumée suivie d’une vague de feu envahit le site. Un sapeur-pompier

volontaire se réfugie dans la maison. Le feu détruit au passage le combustible sec qu’il rencontre et noircit une poutre extérieure. Tout le personnel indemne perd ses références spatio-temporelles.

Figure P3-II-1-2 : Situation avant l’accident (EMZ Sud, Le constat 2002-03)

Figure P3-II-1-3 : Déroulement de l’accident (EMZ Sud, Le constat 2002-03)



2. L’accident de Gordes (1987)

a. Contexte

Le feu est signalé sur la commune de Murs. Nous ne disposons que de peu d’éléments sur ce feu mais il est toutefois intéressant de l’analyser.


A l’arrivée des secours, le feu est peu virulent : il descend une crête vers un vallon peu

profond mais boisé. Un CCFM se présente et accède sur les lieux par une courte piste carrossable. Il quitte la piste et se place à une distance raisonnable du thalweg vers lequel se dirige le feu. Le personnel établit une LDT en déroulant presque tout son dévidoir ; le porte-lance s’avance dans le thalweg lorsque le feu surgit vers lui irrésistiblement.

Scénario de l’accident

Le site de l’accident est une plaine dépourvue de végétation, bordée par un talus. Le sapeur-pompier conserve sa lance alimentée et se replie rapidement, aidé par son chef d’agrès mais ils sont rattrapés par la « boule de feu ».

Effet de la « boule de feu »

Le porte-lance est mortellement brûlé. La lance ouverte continue à cracher mais ce sera sans effet. Le rayonnement thermique atteint le chef d’agrès qui sera gravement brûlé aux mains (perte totale des doigts). Le feu ne laisse aucune trace au sol et sans avoir eu besoin de nouveau combustible, arrive jusqu’au CCFM, pénètre dans la cabine de l’engin et se propage aux garnitures.



Figure P3-II-2-1 : Reconstitution de l’accident de Gordes (EMZ Sud, Le constat 2002-03)



3. L’accident des Pennes Mirabeau (14/02/1989)

a. Contexte

L’incendie se situe au sud de la commune dans le quartier des Cadeneaux et concerne le massif forestier qui délimite la commune des Pennes Mirabeau et de Marseille (Massif de la Grande Colle)

• Topographie

Le relief est accidenté avec des pentes de l’ordre de 35% avec des barres rocheuses, des vallons étroits creusés par l’érosion (enchevêtrement de thalwegs).

• Végétation

Le couvert végétal de la zone concernée est essentiellement composé de :

- garrigues clairsemées (argelas de 1 m de haut) ; - jeunes pins.


Ce jour là, il y a grève du personnel de la météo. Toutefois, on peut donner l’information suivante : le vent est de l’ordre de 80 à 100Km/h de secteur Nord Ouest mais il y a une forte influence des formes complexes du terrain.


A 09h54, le CODIS est informé du départ de l’incendie. Aux alentours de 11h00, le feu est à peu près circonscrit au thalweg dans lequel il avait pris naissance. Le feu progresse lentement, une partie des lisières est éteinte. A 11h30, le feu est donc modeste et en bonne voie de contrôle.

Le LV Brutus observe que la situation semble favorable et s’étonne d’avoir été appelé

pour cette opération. Toutefois, il fait une reconnaissance à pied depuis la crête sur une cinquantaine de mètres. A la vue des signes précurseurs, il constate en un instant qu’un EGE va survenir. Il n’a que le temps de se retourner vers le jeune officier et de lui dire : « cours ! ».

L’accident

L’ensemble du versant s’embrase d’un seul coup, en un temps très bref. A ce moment

là, il y a repli général des hommes et des engins. Le LV Brutus et l’officier de réserve sont happés par la progression de la vague de gaz brûlants. Le LV plus massif, ne peut courir assez vite et tombe sans pouvoir être arraché au feu par son compagnon. Le LV décèdera avant sa récupération, l’officier de réserve est brûlé au 3ème degré.



Les hypothèses de l’accident

- Le feu descend dans un thalweg de plus en plus encaissé donc l’énergie radiante croît à un niveau accéléré en fonction du double de la distance. Le volume de gaz atteint rapidement le seuil de mélange pour l’EGE. Le combustible est léger et a subi une torréfaction.

- L’écoulement du vent, très instable, peut avoir été perturbé par les accidents de planimétrie et surtout par les carrières avec des falaises. Le champ de tir situé au milieu d’un col peut avoir amorcé en aval un effet d’aspiration, provoquant une progression brutale par bond.

Ces deux hypothèses ne sont pas incompatibles mais peuvent avoir donné lieu à l’effet

de synergie fréquent dans les accidents graves. Reconstitution de l’accident



Figure P3-II-3-1 : Reconstitution de l’accident des Pennes-Mirabeau

(EMZ Sud, Le constat 2002-03)



4. L’accident de Cabasson (21/06/1990)

a. Contexte

Cet incendie, appelé aussi « Feu de Bormes », prend naissance tout près de Cabasson.

• Topographie

Le terrain est en pente continue (environ 19%) jusqu’à la crête maîtresse, présentant des formes accélératrices du feu. Le versant est creusé de profonds thalwegs ouverts face au vent dominant dont l’écoulement est guidé par trois cols qui ont canalisé le feu et suscité une aspiration sur le site d’accident. Le confinement thermique est favorisé par des barres rocheuses jouant le rôle de verrou et d’écran dans la zone de torréfaction au contrebas du feu.

• Végétation

Le couvert végétal de la zone concernée est essentiellement composé de garrigue de type Maures.


La journée du 21 juin est classée « journée à risque ». La zone concernée est classée « très sévère ».

La seule indication météorologique connue est le vent ; il est compris entre 25 et 50

Km/h axé vers la crête majeure


Le déroulement du feu peut être schématisé en cinq étapes : - Mise à feu et propagation libre ; - Action défensive ; - Situation critique ; - Deux solutions de repli ; - Survie hasardeuse des intervenants restés sur place.

Lors de la première phase, le feu se développe librement dans les reliefs hors de portée

des engins terrestres. Partant des limites du pare-feu, il submerge une colline proche du vallon de Prieuré. Guidé par les cols et le thalweg, il se dirige vers la crête.

La pointe extrême du feu franchit le premier puis le deuxième col. Sur une position de

lutte, se trouvent trois CCF, un VLTT ainsi qu’un civil avec un 4*4. La progression du feu reste cachée à la contre-pente derrière un rideau d’arbre.



Le feu commence à apparaître au dessous du site entre 40 et 50 mètres. Soudain, une nuée ardente surgit au dessus du détachement (submersion). Son effet est immédiat : un sapeur pompier volontaire est foudroyé sur place, le jeune civil meurt instantanément littéralement bloqué dans sa fuite. Le veston en cuir du chef d’agrès s’enflamme par irradiation infrarouge (sans contact de flamme).

L’accident qui s’est produit pour ce feu est le phénomène de bulle thermique. La combinaison de facteurs engendrant l’accident

- Facteurs terrains : pentes > 10 %, zone de torréfaction en chaudron, barres rocheuses pinçant l’écoulement des gaz et fumées vers le haut = confinement, site d’accident lisse et relativement plat facilitant le bond d’un volume gazeux turbulent : « la bulle » ; - Nature et quantité de combustible caractérisé par l’inflammabilité (finesse des rameaux) et le haut pouvoir calorifique (5200cal/g) ; - Propagation latérale par rapport à la zone de torréfaction ; - Pyrolyse du combustible confiné, la présence d’une couche d’air plus froid semble possible ; - L’émergence brutale d’une bulle de gaz incandescents est donc possible, elle est caractérisée par son pouvoir émissif de rayons infrarouges.



5. L’accident de Lançon de Provence (28/08/1995)

a. Contexte

Le feu se situe dans le Sud-est de Lançon de Provence à 3,2 Km environ et dans le Nord-ouest de la Fare-les-Oliviers à 3,8 Km.

• Topographie

La zone est très vallonnée avec de nombreux mamelons et thalwegs. Les thalwegs sont sensiblement orientés Nord – Ouest – Sud – Est et sont de profondeur faible à moyenne.

Les formes du terrain sont :

- Terrain en pente positive depuis le départ du feu ; - Forme de relief guidant le feu sur son parcours connu ; - Site d’accident présentant un profil de cuvette, précédé par une zone

plate sans obstacle pour la progression du feu ; - Col (esquissé entre deux mamelons arrondis) susceptible d’améliorer la

propagation. • Végétation

Le couvert végétal de la zone concernée est essentiellement composé de garrigue basse (hauteur moyenne 0,5m) composée d’argelas, chênes Kermès et ajoncs épineux.


La situation météorologique est la suivante : - vent : 60 - 80 Km/h avec rafales pouvant dépasser 100 Km/h ; - température : 26 °C ; - réserve en eau : 23 - 45 mm ; - hygrométrie : 30 % ; - vitesse de propagation d’un incendie : 1,7 Km/h.


Intervention initiale

Le front du feu semble se développer calmement sur un front de 200 mètres. Le vent sur le plateau est très fort. Le groupe d’intervention est composé de 4 CCF et 1 VLTT, les moyens paraissent suffisants. L’objectif est d’arrêter le feu au bord du plateau ; sinon, il sera impossible de l’arrêter avant la Fare-les-Oliviers.



Arrivée des renforts et reconnaissance

Le module d’intervention rapide se place le long de la piste (arrière vers le feu). Le chef de groupe va faire une brève reconnaissance à 60 m sur la piste. Le flanc droit lui paraît prenable.

Tentative de manœuvre défensive

Le deuxième groupe de Salon accompagné de 4 CCF se positionne tout près des lieux de l’accident. Chaque équipage reçoit l’ordre d’établir une LDV soit théoriquement 5 LDV en situation défensive.

Submersion du détachement A 15h11, la tour de guet du Grand Puech observe « une extension sur Lançon » et

précise « grosse extension, avions nécessaires ». Brutalement, une vague de chaleur survient, accompagné d’une forte fumée opaque.

Les intervenants sont débordés et handicapés par le manque de visibilité. Une partie

du personnel reste bloqué et ne peut embarquer dans les engins de lutte. Au bilan, deux sapeurs pompiers sont décédés. Le casque en aluminium de l’un des deux sapeurs ayant fondu, on estime la température supérieure à 600°C.

L’hypothèse de l’accident

Le feu, contenu un moment dans la cuvette, a généré une masse de combustible

importante. Ensuite, il a fait un bond en avant, dû à l’inflammation brutale de la poche de gaz et de l’accélération du vent par effet Venturi dans le col. Ainsi, cette lisière secondaire du feu est subitement devenue virulente et incontrôlable.



6. L’accident de Cornillon-Confoux (08/07/2000)

a. Contexte

L’incendie prend naissance sur la commune de Cornillon-Confoux, à environ 2 Km au Nord-est de cette agglomération, sur une petite zone à vocation agricole.

• Topographie A son origine, le feu démarre d’une zone agricole à une altitude de 75 m, emprunte un

vallon avant de s’élargir sur le plateau à partir d’un col non loin des lieux du drame, cuvette en « crête militaire ».

On peut remarquer :

- un plateau creusé par l’érosion en petits thalwegs étroits ; - des tables sédimentaires se terminant par des falaises entaillées de brèches ; - des couloirs qui ont pu guider le sinistre ; - l’absence d’obstacles naturels au développement initial du feu ; - des vallées encaissées générant un écoulement turbulent de la propagation initiale ; - la montée vers la crête, canalisée par des brèches dans les falaises et les cols coupant

les lignes de crête ; - la cuvette, site de l’accident ; - la descente « vertigineuse » par des reliefs inaccessibles à la fin du développement du

feu. • Végétation

La cartographie présente surtout une garrigue, plus dense dans le secteur initial que sur

les crêtes, présentant un faciès typique de sol calcaire : - ajonc épineux, - chênes Kermès et Vert ; - quelques parcelles dominées par des pins d’Alep et présentant un couvert clair à

plusieurs strates : litière, arbustes, taillis, … ; - une futaie mixte : pin d’Alep et chêne.

Sur le site de l’accident, la végétation est composée principalement de garrigue haute.


La journée du 8 juillet est classée « journée à risque ». La zone concernée est classée « très sévère ».

Les bulletins du centre départemental des Bouches-du-Rhône de Météo-France

donnent : - vent : 55 Km/h de secteur 320 à 360 avec rafales de 80 Km/h; - température : 26 °C ;



- réserve en eau : 32 mm ; - hygrométrie : 20 % ; - indice de sécheresse : nd (très sec) ; - vitesse de propagation d’un incendie : 1,3 Km/h.


Le feu en pleine accélération en phase initiale a franchi rapidement un pare-feu et poursuit selon l’axe tracé par les passages successifs des anciens feux et dans la direction du vent (340 à 360°C). Le feu ne peut être stoppé par le groupe lourd de Salon qui se replie, la propagation se poursuivant vers « les Cros ». Il aborde la parcelle de 18 ha boisée de pin d’Alep. La pointe du feu contourne ce secteur en prenant la propagation la plus rapide par la garrigue centrale.

Simultanément, ce bosquet plus dense subit :

- la propagation par les strates basses, présentes sur 3 niveaux au moins ; - la pyrolyse par le rayonnement de la pointe du feu qui le longe par l’Ouest.

Le feu lui-même est contenu par la crête NNE-SSO qui va de la cote 195 vers la crête

maîtresse. C’est une phase de distillation « sourde ». Le GI 3 ARLES arrive du Nord-est par la piste forestière. Il est ignoré par la progression du feu et son chef ne la perçoit pas réellement pendant sa mise en place dans une sorte de cuvette aveugle pouvant donner une impression de sécurité. Le détachement pourra stationner à proximité du site de l’accident sans être concerné par la propagation principale du feu qui a largement dépassé sa latitude et qui se trouve déjà sur la contre-pente Sud, à près d’un kilomètre de lui.

Vers 18h45, le renforcement du panache sur la lisière Est est clairement perçu par le

pilote de l’hélicoptère de la Sécurité Civile sur le flanc gauche du feu. Il dénote l’accélération de la pyrolyse. Le flux bien canalisé par l’alignement des cols est nettement détourné par les cols situés à l’Est de la ligne de crête dominant la cuvette. Cette dernière, site de l’accident, est mise en dépression.

Les flammes commencent à apparaître sur la crête Ouest du site de l’accident, à une

distance estimée à 50 m, probablement supérieure en réalité : 70 à 80 m, c’est-à-dire au-dessus de la distance définissant le seuil de la douleur (calculée à 63 m). Le chef de groupe réagit en ordonnant une mise en autodéfense du groupe. Alors que le front de flamme se rapproche, précédé par une vague de chaleur, le détachement se met en configuration d’autodéfense face à la direction dangereuse.

L’ordre de repli, qui suit de très peu de temps l’ordre d’ouverture des lances, est

transmis alors que le front thermique est parvenu au seuil de la douleur malgré l’équipement. Simultanément, surgit une vague de chaleur et de gaz brûlants, déferlant soudain dans la cuvette, probablement aspirée par la différence de pression dynamique résultant de trois facteurs :

- Création d’une masse de gaz légers brûlants et en turbulence, voire en rotation ; - Amorçage de Venturi par les cols ; - Dépression derrière la ligne de crête dans le secteur de stationnement du groupe.



Les observations effectuées sur le terrain et le matériel, ainsi que la convergence de certains témoignages tendent à vérifier cette hypothèse.

Les températures extrêmes rencontrées se situent vers les 1000°C ; les dommages causés aux matériels le démontrent. Concernant la propagation de l’incendie lors de l’EGE, des valeurs supérieures à 2,5 m/s ont été annoncées mais restent très hypothétiques.

Les effets thermiques ne démontrent pas pour autant l’inexistence de gaz légers de

décomposition des végétaux par pyrolyse sous irradiation par l’infrarouge (ou combustion incomplète) et dont la température est nettement plus élevée (pouvant atteindre ou dépasser 2000°C) :

- hydrogène ; - monoxyde de carbone ; - méthane…

qui brûlent avec des flammes légères et sans résidus, sauf la vapeur d’eau. La présence de particules de carbone (suies) provenant des aiguilles et rameaux fins peut également être à l’origine de combustions vives prenant l’allure d’explosion sourde, voire de déflagration.



7. L’accident de Palasca (17/09/2000)

a. Contexte

Le départ de feu est signalé à 6h57.

• Topographie Le relief est collinaire et se trouve en bord de mer. • Végétation

Le maquis est bas mais jusqu’à 2 m par endroit dans le fond du vallon. Le feu est

souvent passé à cet endroit dans les années antérieures, la végétation est donc un maquis de repousse.


La zone est classée T+ (risque maximum) avec le commentaire du prévisionniste : « DANGER : la montagne Corse présente des valeurs de réserve en eau les plus

basses mesurées pour une mi septembre. Les zones 3 et 7 (Nebbio et Balagne) peuvent être classées en T+ »


L’alerte est donnée à 06h57. A 07h15, l’idée de manœuvre est de contenir le feu sur le versant Nord-ouest du

talweg afin d’éviter qu’il n’atteigne le versant opposé (côté piste). A 07h30, les pompiers souhaitent canaliser le feu sur son flanc droit au delà du

thalweg par action de jalonnement (établissement tuyaux de 23 mm). A 08h15, un phénomène rare et d’une force exceptionnelle se produit vers 8h15 et va

entourer 5 CCFM.



Le feu créé un phénomène de distillation de la végétation dans ses phases antérieures par rayonnement (deux langues de feu qui se détachent en phases 5 et 6). Une inflammation des gaz chauds intervient au niveau de la zone aval et amont de la piste, au droit des positions de ces 5 CCFM, dans un délai inférieur à 50 secondes pour former le « lac de feu » précité sur une surface de 6 hectares environ !

ENTRE LES PHASES 6 ET 7 :

Surface d’inflammation : 5,74 ha

==> 6 hectares environ.

Distance parcourue : 250 m environ.

Temps : moins de 50 secondes.

Vitesse estimée du feu : 250 m / 50 s = 5 m/s soit 18 Km/h environ.

1

2 Distance entre les points 1 et 2 : 250 m



37’’ : Le feu atteint la crête

0’’ : Départ du phénomène 8’’

21’’

24’’

17’’ : Le feu passe la piste

41’’ : Le feu a tout embrasé jusqu’à la crête 47’’

Figure P3-II-7-1 : Reconstitution de l’accident de Palasca (SDIS 20, Rapport Palasca 2000)



Après une progression fulgurante, ce « lac de feu » se stabilise quelques secondes, perd de l’intensité progressivement et laisse place à un sol lunaire totalement calciné. Le phénomène qui a duré 1 minute environ, est apparu d’une intensité exceptionnelle aux sapeurs pompiers qui l’ont vécu et à ceux qui ont visionné la cassette du film. Cet accident fait penser à un feu d’hydrocarbures, pendant sa phase d’inflammation, de par sa vitesse de propagation et d’inflammation ; pendant sa phase de stabilisation, de par sa hauteur de flamme homogène et son aspect de la surface en feu, ressemblant étrangement à ceux d’un feu de cuvette de rétention d’un réservoir de stockage d’hydrocarbures.

Figure P3-II-7-2 : Progression présumée du feu de Palasca

(SDIS 20, Rapport Palasca 2000)



8. L’accident de Lambesc (30/07/2003)

a. Contexte

L’incendie prend naissance sur la commune de Lambesc, au lieu-dit « Bois des Taillades ». En 1995, un feu avait détruit 330 ha au même endroit.

• Topographie

Le relief est vallonné et permet d’élaborer des hypothèses de progression du feu favorisée par un léger vent de 20 Km/h.

A son origine, le feu démarre d’une pinède à une altitude d’environ 200 mètres, puis

se dirige lentement à l’Est vers le vallon des Binets et certainement vers les vallons qui lui sont parallèles. Le feu est peu violent à ses débuts. Peu avant le drame, le feu s’emballe brutalement dans ces vallons et s’accélère donnant l’impression d’un changement brusque de direction de l’axe du feu.

• Végétation

Le couvert végétal de la zone concernée est essentiellement composé :

- de pins à l’origine du feu ; - d’une végétation basse (garrigue) ; - de parcelles de reboisement.


Dans une période de canicule et de sécheresse persistante, la journée du 30 juillet est classée « journée à risque ». La zone concernée est classée « très sévère ».

A 12h, la station météorologique de Salon de Provence donne les informations

suivantes : - vent : 15 Km/h de secteur 310 ; - température : 32 °C ; - réserve en eau : 14 mm ; - hygrométrie : 30 % ; - indice de sécheresse : 698, état extrême de dessèchement des végétaux; - vitesse de propagation d’un incendie : 1 Km/h.


Vers 14h10 – 14h15 (c’est-à-dire H+1), le feu s’engage certainement dans les vallons situés au Sud de celui des Binets, lui donnant une orientation franche vers le Sud-est. La partie en visuel semble se diriger vers le point côté 368 en dessous de laquelle est positionné le groupe concerné.



Le feu, créant son propre vent dans l’axe des vallons, donne l’impression d’un brusque changement de direction du vent qui de secteur 280, passe au 310.

A l’arrivée du feu au niveau de la côte 330, vers 14h35 – 14h45 (moment estimé de

l’accident), un embrasement généralisé de l’environnement se produit brusquement et brutalement. De la fumée très noire envahit le thalweg où le feu semblait végéter. A ce moment, et en quelques instants, la température s’élève brusquement. En quelques minutes, le Sud du mamelon où se situe le point coté 368, s’embrase avec violence et le feu par inflammation de poches de gaz successives, fait un bon de plus de 500 m vers le Sud. Précédé d’un bruit sourd, l’embrasement est accompagné d’un souffle violent et brûlant. La visibilité devient quasi nulle. La vitesse, pendant cette période, peut être évaluée dans la fourchette de 4 à 10 Km/h au début du phénomène et à environ 40 Km/h pendant la phase paroxysmique correspondant au flash perçu par les témoins.

c. Détail de l’accident

Avant l’accident L’environnement météorologique et les caractéristiques de la végétation rendent les

lieux extrêmement sensibles au feu. L’absence de vent semble être un facteur aggravant (les émissions de gaz n’étant pas dilué). Une pré-distillation due à la sécheresse a permis de remplir les soubassements de la strate arbustive et herbacée de gaz hautement inflammables (huiles essentielles).

Phase initiale

La vue aérienne permet de situer la zone incendiée en 1995 (V1) qui est concernée en premier lieu par l’incendie. La végétation sur le flanc droit est plus dense (V2). Cette dernière zone a certainement été pré-distillée. En effet, la zone est peu ventée et a un relief plus marqué.

Phase de H+30’ à H+80’

Le feu a pris l’axe principal du relief selon un certain axe préférentiel dicté pour une grande partie par le vent mais aussi, toujours selon les lois de la mécanique des fluides, selon le milieu de moindre résistance.



Phase accidentelle

Le flanc droit du feu qui a préchauffé longuement la végétation (non concernée par le feu de 1995) selon les transferts thermiques radiants, a conduit au remplissage par des distillats de nature explosive, du thalweg en S.

En quelques instants l’accident se déclenche. Ce type d’embrasement généralisé éclair

est de type « submersion par bulle thermique » (cf. partie 2). Le feu a parcouru dans l’axe principal près de 600 m en 5 minutes. Sur cette portion, la vitesse de propagation moyenne est de l’ordre de 7200 m/h.

Figure P3-II-8-1 : Progression de l’incendie de Lambesc (Hochard, Rapport Lambesc 2003)



D’après les auditions réalisées auprès des sapeurs-pompiers témoins de l’événement, sur 900 m concernés seuls les derniers 600 m sont directement visibles. Or, sur cette dernière partie, les témoignages convergent pour un phénomène d’envahissement de l’ordre de la minute. La vitesse de propagation est dès lors de 36 Km/h, soit près de 10 m/s.

Dans ces conditions, on assiste à un EGE qui correspond à la définition explosive de

conflagration. En effet, lors des conflagrations explosives, selon les conditions observées, les vitesses de déplacement sont de l’ordre de 2 à 15 m/s. Dans ce cas précis, l’EGE est aussi connu sous le nom de « submersion par bulle thermique », phénomène décrit partie 2, VI, 1.

Figure P3-II-8-2 : Mise en évidence de l’EGE (Hochard, Rapport Lambesc 2003)



9. L’accident de Cogolin (01/09/2003)

a. Contexte

L’incendie prend naissance sur la commune du Cannet des Maures au lieu dit « les Mines du Pic Martin », à environ 4 Km à l’Ouest de la Garde Freinet le 31 août. Il sera éteint le 5 septembre en fin de journée.

• Topographie

Le relief, très accidenté, difficilement pénétrable, avec présence de barres rocheuses, de canyons et de thalwegs très prononcés aux dénivelés importants de l’ordre de 600 m permet d’expliquer les difficultés d’extinction et les variations brusques des vitesses de propagation du feu.

Peu avant le drame, le feu s’est emballé brutalement dans les thalwegs et les vallons

situés en contre bas de la D14, après un temps de stagnation sur les reliefs les dominant côté Nord.

• Végétation

Le couvert végétal de la zone concernée est typique des sols siliceux. La forêt de

chênes liège occupe l’essentiel de la surface des Maures. On peut également trouver du chêne vert et des forêts de châtaigniers.

L’ensemble de ces formations présente souvent des résineux en mélange (pins

maritimes, pins d’Alep, pins pignons. On trouve également des maquis hauts (arbousiers, bruyères arborescentes), des

maquis bas (bruyères à balai) et des cisteraies (cistes de Montpellier, cistes à feuilles de sauge et cistes blancs).


Dans une période de canicule et de sécheresse persistante, la journée du 1er septembre est classée « journée à risque ». La zone concernée est classée « très sévère ».

A 15h, les documents de prévision et les relevés d’observation donnent les éléments

suivants pour la zone concernée : - vent : 37 Km/h de secteur 270 ; - température : 28 °C ; - réserve en eau : 6 mm ; - hygrométrie : 20 % ; - indice de sécheresse : nd, état extrême de dessèchement des végétaux; - vitesse de propagation d’un incendie : 1,4 Km/h.



Tous ces facteurs réunis (sécheresse, hygrométrie basse, très faible réserve en eau et température élevée) sont très favorables à l’éclosion d’un incendie et son développement rapide.


Le 1er septembre à 18h

Compte tenu de l’évolution annoncée par le CODIS 83 des conditions météo (renforcement du vent d’Ouest / Nord-ouest), cinq groupes urbains sont demandés en renfort en vue de la protection des zones habitées des agglomérations de Grimaud, Cogolin et La Môle, ainsi que leurs quartiers périphériques.

La lutte devient plus défensive, et essentiellement orientée vers la protection des

points sensibles situés dans les axes de propagation du feu. En début de soirée, suite à la dégradation des conditions météo, le feu se développe

vers la D203 au Sud-ouest (piste dite de Gagnal) et vers les communes citées plus haut. Les premières maisons sont touchées et le maire de la Môle signale au PC la menace imminente du hameau du plan de Suvière.

Des reconnaissances sont engagées sur ce point sensible, ainsi qu’en direction de

Capelude, et sept groupes dont le groupe retardant, sont envoyés dans ce secteur.

L’accident : vers 21h30

Au cours du transit sur la D14, deux véhicules du groupe retardant sont pris par un développement brutal et imprévisible du feu. Trois sapeurs-pompiers du CCFS La Seyne sont tués et trois autres du CCFS Brignoles légèrement brûlés et/ou intoxiqués. Les deux véhicules sont détruits par le feu.

c. Analyse du phénomène thermique Compte tenu du combustible particulièrement sec, énergétique et fortement divisé, le

rayonnement est très important élevant la température des gaz inflammables devant le front. L’accumulation de gaz lourds dans les parties basses à tendance à remplir la cuvette avec un dessèchement de plus en plus fort de la végétation en amont vers la D14.

Une inflammation fulgurante des gaz ainsi distillés et accumulés est intervenue en

contre bas de la D14 embrasant l’ensemble du secteur, avec création de langues de feux particulièrement virulentes au droit des vallons, sautant la route jusqu’à la crête qui la surplombe. Après une progression fulgurante, cette nappe de feu s’est stabilisée pendant un laps de temps assez court avant de perdre progressivement de l’intensité.

L’ensembles du phénomène, inflammation, stabilisation de la surface de feu et perte

d’intensité progressive, qui n’a durée que quelques minutes, est apparu d’une intensité exceptionnelle aux sapeurs-pompiers qui l’ont vécu. Les vigies du Mont Vinaigre et du



Montjean ont pu observer l’accident thermique. Les descriptions qu’elles en donnent peuvent être rapprochées d’un EGE en milieu ouvert.

Le phénomène de la « bulle thermique »

Le concept de « bulle thermique » est issu de l’analyse de phénomènes de propagations de feux de forêts mal expliqués et de l’analyse de syndromes accidentels très graves. Rien ne permet d’affirmer de manière péremptoire que ce phénomène est celui qui s’est produit sur le feu qui nous concerne. Toutefois, les rapprochements qui pourraient être faits sont suffisamment troublants pour ne pas mentionner, à titre d’axe possible d’explication, les paramètres qui ont pu favoriser son développement.

La forme du terrain :

Ce critère est indispensable à la formation d’une bulle thermique et surtout à son

irruption brutale et aléatoire sur une zone critique. En effet, tous les cas observés ou étudiés a posteriori ont présenté un site dont la topographie et le relief en long permettaient un confinement thermique pouvant retenir dans un volume concave, parfois appelé « chaudron », une masse de gaz surchauffée.

Le combustible :

Le site en amont de la zone critique doit comporter une masse suffisante de

combustible pour générer un volume important de gaz chauds. Il n’est pas nécessaire que cette masse soit très importante et située immédiatement auprès de la zone critique pour provoquer l’accumulation dangereuse, mais dans certains cas la présence de combustible fin, bien divisé et suffisamment énergétique peut suffire si le relief présente les formes requises.

Le comburant :

Le syndrome parfois lié à des conditions météorologiques extrêmes n’est pas

forcément tributaire d’un vent fort. Par contre, plus l’atmosphère est instable et turbulente, plus les phénomènes de propagation sont imprévisibles dans leur sens comme dans leur intensité. Des températures fortes, supérieures à 25°C, favorisent l’éclosion du phénomène en raison de l’aptitude des végétaux à libérer des produits volatils, sources de combustion vive en phase gazeuse ou en aérosols. Le dernier facteur observé est l’effondrement brutal de l’humidité relative de l’air.

Le mécanisme de l’accident

Production d’une masse gazeuse :

Le déplacement d’un front de feu dans une zone encaissée génère en avant de la ou des pointes de feu, mais aussi latéralement dans le cas d’un secteur favorable au confinement thermique, une masse de gaz qui tend à monter et qui s’avère plaquée par le vent et le tirage induit au fond du profil concave du terrain.



Le comburant : Cette masse surchauffée va augmenter de température très rapidement ce qui aura pour

effet d’accroître de la même manière son volume et sa turbulence. Deux conséquences logiques peuvent en découler :

- Formation d’un volume sphérique animé d’un mouvement de rotation :

La différence de température existant entre l’air ambiant, même réchauffé, et la masse

précipitée est telle que le mélange par dilution n’est pas possible. Le volume de gaz à haute température tend vers une forme sphérique induite d’une part par le profil arrondi du terrain et d’autre part par le phénomène classique d’économie « spontanée » d’énergie des fluides.

- Un bond aléatoire dans l’espace et dans le temps, soumis à trois forces simultanées :

Poussée ou aspiration induite par le vent au voisinage du relief ; Composante verticale liée à l’allègement de la masse en expansion ; Rotation « cyclonique » liée à son échauffement. La « bulle thermique » est susceptible d’effectuer, par-dessus un obstacle constitué par

une ligne de changement de pente, un bond dont le déclenchement ne peut être prévu par aucune méthode connue et qui ne surviendra que lorsque les trois forces évoquées ci-dessus auront la puissance nécessaire et la direction lui permettant de déferler sur la zone critique.

De ce fait, les intervenants qui seront surpris sur le trajet courent le risque d’être

rattrapés par cette masse gazeuse qui n’obéit qu’à la mécanique des fluides et provoquera l’embrasement général du combustible immédiatement disponible. Il est à noter que ce front thermique ne fait qu’un passage rapide.

Figure P3-II-9-1 : Remplissage de la cuvette par les fumées et les gaz chauds (phase 1) (Hochard et Verdevoye, Rapport Cogolin 2003)

Feu peu évolutif descendant



Figure P3-II-9-2 : Déplacement de la masse gazeuse sur le relief (phase 2) (Hochard et Verdevoye, Rapport Cogolin 2003)

Figure P3-II-9-3 : Inflammation brutale et généralisée de la masse gazeuse (phase 3) (Hochard et Verdevoye, Rapport Cogolin 2003)



III – Les accidents aux Etats-Unis d’Amérique

1. Effet canyon ou explosion de gaz ?

Aux Etats-Unis, les feux de forêts ont fait plusieurs centaines de mort depuis un siècle par « burnover » ou « blowup » (www.nifc.gov). Cependant, le phénomène de « burnover » ou « blowup » peut être scindé en deux cas :

- le premier est l’effet canyon, c’est le cas classique (qui représenterait 99 % des accidents selon les chercheurs américains qui ne croient pas aux EGE). Avec des pentes généralement comprises entre 70 et 100%, le feu peut atteindre des vitesses de propagation de l’ordre de 10 Km/h, bien entendu suffisantes pour surprendre les personnels de secours ; c’est le cas du feu de « Thirty Mile » qui, en Juillet 2001, tua quatre pompiers forestiers ou du feu de « Mann Gulch » qui, en août 1949, déborda 16 sapeurs-pompiers parachutistes.

- le deuxième est l’embrasement généralisé éclair, qui est donc très rare.

Quand se produit un EGE, il n’est pas rare que ce phénomène se combine à l’effet canyon ; ce qui expliquerait en partie pourquoi certaines phases du feu sont d’une extrême violence.

NB : Le nombre de rapports d’accident aux Etats-Unis est conséquent mais très rares

sont ceux qui parlent de conflagration explosive. Par souci de justesse et d’honnêteté envers ce travail, j’ai préféré décrire seulement deux incendies en détail dont j’ai la quasi-certitude qu’il s’est réellement produit un EGE.

Application au cas de « Cramer Fire » (22 juillet 2003) : effet canyon

L’incendie se situe au sein de même de la forêt nationale de « Salmon-Challis » située dans l’Idaho.

• Topographie

Le terrain, appelé « Salmon River Breaks » où se déroule l’incendie est très prononcé. En effet, les pentes peuvent être supérieures à 70%. Des ruptures de pente masquant la visibilité sont aussi présentes. Cette topographie a des effets significatifs sur le comportement du feu, les combustibles et les conditions météorologiques.

• Végétation

Le couvert végétal de la zone touchée par l’incendie est très variable (végétation basse (herbes) comme haute (pins)) selon l’élévation et l’aspect du terrain. Cependant, sur les lieux de l’accident, nous sommes en présence de végétation haute : pins et conifères divers.




La topographie influence les conditions météorologiques locales notamment le vent. Toutefois, on peut donner les indications suivantes :

- vent : 15 à 19 mi/h (24 à 31 Km/h) jusqu’à 23 à 28 mi/h (37 à 45 Km/h) en rafale ; - température : >100°F (38°C); - hygrométrie : 12% ; - indice de sécheresse : nd (état extrême de sécheresse des végétaux) ;

Phase initiale

A 21h00, le 19 juillet, à la suite d’un éclair, le feu commence à brûler un arbre. Rien ne sera effectué jusqu’au lendemain après-midi.

A 16h30, le 20 juillet, le feu est signalé et a brûlé 3 hectares. Le feu brûle de l’herbe et

une végétation éparse. En fin de journée, le feu a brûlé le haut de « Spur Ridge ». Les premières reconnaissances en hélicoptère sont effectuées.

Le 21 juillet, au matin, les premiers moyens de luttes sont engagés pour combattre le

feu dont l’activité s’accroît vers 11h30. On construit l’hélizone H-1 et un pare-feu. Avec les rafales de vent, à 16h30, 60 hectares ont brûlé et 140 hectares supplémentaires brûleront dans les trois heures suivantes. L’incendie est situé au Nord et à l’Est et se dirige au Sud et à l’Ouest. Après 20h00, le feu a tendance à s’atténuer du moins au Nord et à l’Est.

C’est à 03h00, le 22 juillet, que le feu se réactive. Au petit matin, pour sécuriser le

flanc Ouest, on construit une nouvelle hélizone H-2 et un nouveau pare-feu. Jusqu’à 10h30, le feu est relativement calme.

Phase de transition : le 22 juillet de 10h30 à 14h00 A 10h30, une fumée légère est observée entre « Cache Bar » et « West Ridge » dans le

vallon mais l’activité reste minime. Pendant ce temps, il redevient actif près de H-1. Parce que le temps devient très chaud et très sec, l’intensité du feu grandit.

Phase d’accélération : le 22 juillet de 14h00 à 15h00

Le feu commence à prendre une très grande ampleur près de H-1, poussé par des vents très forts. Vers 14h30, avec la chaleur, les vents croissants, la sécheresse, il y a transition au Sud entre « Cache Bar » et « West Ridge » et nous observons un front de flamme actif.

Phase accidentelle : le 22 juillet de 15h00 à 15h24

Conduit par des vents de plus de 45 Km/h, le feu monte le long de « Cache bar ». Deux pompiers se situant tout près de H-2, voyant le danger approcher, demande qu’on vienne les récupérer en hélicoptère le plus rapidement possible, dès 15h05. Cet hélicoptère ne



viendra pas… A 15h24, l’ensemble de « Cache bar » est pris par le feu y compris autour de H-2.

Les températures relevées autour du site des décès sont estimées entre 1300°F et plus

de 2000°F (entre 700°C et plus de 1100°C). Pendant sa course finale, la vitesse de propagation est évaluée entre 4,5 et 6 mi/h (7,2 à 9,6 Km/h) et la hauteur des flammes entre 15 et 30 m.

Conclusion

Le cas de « Cramer fire » montre que la vitesse de propagation a été très élevée mais que pourtant, il ne s’est pas produit de conflagration explosive. Toutes les conditions étaient réunies pour assister à un EGE avec un relief important, des conditions météorologiques extrêmes et des végétaux très inflammables produisant beaucoup de COV. Cet accident est dû à un effet canyon accru par les rafales de vent.

Avertissement

A la vue du relief sur lequel se produisent les accidents aux Etats-Unis, seuls ceux avec la quasi-certitude d’embrasement généralisé éclair seront présentés : des vitesses de propagation de plus de 15 Km/h (4 m/s) doivent être observées.

L’accident de « Storm King Mountain » présenté ci-après avec des vitesses de

propagation estimées à 29 Km/h ne fait pas l’unanimité au sein des chercheurs quant à la certitude d’un EGE. Cependant, on voit mal comment un feu peut se propager à une telle vitesse sans explosion.

Figure P3-III-1-1 : Progression de l’incendie de 15h à 15h24

(USDA, Rapport 2003)



2. L’accident de Storm King Mountain (06/07/1994)

a. Contexte

Le 6 juillet 1994, à 16h15 environ, 14 pompiers périssent dans l’incendie de South Canyon, à la base de Storm King Mountain, près de Glenwood Springs, Colorado, Etats-Unis. Le feu naquit le 2 juillet 1994 des suites d’un orage à 2100 m d’altitude.

• Topographie

Le relief est montagneux. En effet, le Colorado est traversé par les Montagnes Rocheuses. La crête d’où est né le feu surplombe deux ravins (canyons). Le terrain est difficile d’accès, très pentu (de 50 à 100 %), et traversé de barres rocheuses et de couloirs profonds.

• Végétation

Le couvert végétal de la zone concernée est essentiellement composé :

- Chêne (de Gambel) très inflammable principalement ; - Pinus edulis ; - Herbes.

Figure P3-III-2-1 : Végétation du site (USDA, Rapport 1994)




A 16h, la situation météorologique est la suivante : - vent : froid 29 mi/h (47 Km/h) avec des rafales pouvant atteindre 45mi/h

(73 Km/h) mais calme très localement; - température : 82°F (28°C) ; - hygrométrie : 10 % ; - indice de sécheresse : nd (sècheresse très importante) ;

Figure P3-III-2-2 : Le flux d’air général à 15h55 (USDA, Rapport 1994)




La veille de l’accident : le 5 juillet

Après une marche d’approche de deux heures et demi, une équipe de sept personnes nettoie une aire d’atterrissage pour les hélicoptères (hélizone H1), puis elle commence à construire un pare-feu sur le flanc sud-ouest. Un avion largue le retardant sur le feu qui a parcouru 12 hectares environ. Dans la soirée, l’équipe se retire pour remettre les scies à chaînes en état. Peu après, huit pompiers parachutistes sautent sur la zone, et ils reçoivent comme instruction de continuer le pare-feu. Le feu l’ayant sauté, ils en commencent un second sur la flanc est, jusqu’à minuit.

Le matin du 6 juillet

La première équipe et les pompiers parachutistes nettoient une nouvelle hélizone H2. La surface parcourue par le feu est alors estimée à 50 hectares. Un peu plus tard, huit autres pompiers parachutistes sautent sur le site, et ils commencent à construire un pare-feu sur le flanc ouest de l’incendie ; puis dix membres d’une équipe de spécialistes (hotshots) arrivent. Neuf d’entre eux se joignent aux pompiers parachutistes sur le même pare-feu ouest. Au fur et à mesure de leur arrivée, les autres spécialistes de Prineville sont envoyés en renfort sur le pare-feu de la crête.

Figure P3-III-2-3 : Reconstitution de l’accident (R.B. Chevrou, 1998)



H – 1 avant le drame

A 15h30, l’arrivée annoncée d’un front froid météorologique accroît la force du vent et l’activité du feu ; l’incendie fait plusieurs bonds rapides à l’intérieur de la zone déjà parcourue par le feu et qui n’est encore que partiellement brûlée, avec des flammes de 30 mètres de haut. A 15h45, un largage d’eau est demandé sur le flanc ouest, et il est effectué par un hélicoptère à proximité des pompiers pour soutenir leur lutte. Peu après, des matériaux enflammés, probablement déplacés par le courant d’air des pales de l’hélicoptère, roulent dans le ravin de l’ouest (South Canyon), et le feu se développe au fond du thalweg. Ce feu est mal vu du pare-feu, du fait de la présence d’une rupture de pente (cf. figure P3-III-1-4). Des sauts de feu se produisent bientôt et le feu se propage dans une végétation de chênes très inflammables (16h).

L’accident

Le feu éclos au fond du ravin commence à monter la pente en direction du pare-feu du flanc Ouest. Les pompiers y travaillant sont avertis de rejoindre rapidement l’hélizone H1. Treize d’entre eux remontent vers la crête en suivant le pare-feu, tout en portant leurs outils et

Figure P3-III-2-4 : L’origine du feu est au sommet de la bosse située au centre de la photo à mi-hauteur. Le pare-feu Ouest est le sentier zigzaguant que l’on devine au milieu de la pente, depuis le creux de la crête, où il est le plus large, jusqu’à l’arête rocheuse, à gauche des arbres qui n’ont pas brûlé (emplacement du déjeuner). L’arête part de la crête (hélizone H1) et descend jusqu’au fond du ravin. Au bas de la photo, on distingue la rupture de pente qui cache le fond du ravin, là où le feu mortel a éclos.

(USDA, Rapport 1994)



leurs sacs. Ils ne les abandonnent pas malgré les injonctions qui leur sont faites et qu’ils n’ont peut-être pas entendu. Trois de ces pompiers entreprennent de sortir leur abri anti-feu des sacs pour les déployer ; deux autres accélèrent leur course pour atteindre la crête le plus vite possible ; l’un d’eux survivra et il déclarera qu’ils pressentaient une menace, mais qu’ils n’estimaient par leur vie en danger.

C’est alors qu’à environ 16h15, une explosion de gaz se serait produite, et aurait

atteint ces 13 hommes (on estime que le mur de flamme se propage à 18 mi/h (29 Km/h c’est-à-dire 8 m/s) avec une hauteur de flamme de 200 à 300 pieds (60 à 90m)). L’un d’eux, arrivé sur la crête à cet instant, y est renversé par l’explosion, mais il peut se relever et descendre dans le ravin de l’Est. Un autre est foudroyé à 35 mètres de la crête. Tous les autres sont jetés au sol et tués instantanément, à l’exception d’un seul qui se relève et fait quelques pas avant de s’écrouler [cela montre que, si l’explosion des gaz (COV et peut-être pyrolyse) (ou de poussières fort denses observées) a pu renverser les personnes et souffler les abris anti-feux, ce serait plutôt l’aérosol hyper chaud (1500 à 2000°C) ainsi constitué qui les aurait asphyxiés en brûlant leurs poumons]. Les trois abris anti-feux sortis des sacs mais non déployés sont soufflés vers le haut par l’explosion. Le feu serait passé sur les corps peu après.

Cinq minutes plus tard, les deux membres d’équipage d’hélicoptère qui ont fui

l’hélizone H2 pour échapper à l’incendie, sont, eux aussi, rattrapés par le feu. Ils se seraient retournés, comme s’ils avaient entendu un bruit, ou, selon d’autres rapports, ils auraient rencontré un obstacle infranchissable et auraient été renversés en arrière par une explosion de gaz et tués instantanément.

Figure P3-III-2-5 : Progression de l’incendie de 16h02 à 16h23 (USDA, Rapport 1994)



Figure P3-III-2-6 : Progression de l’incendie de 16h07 à 16h14 (USDA, Rapport 1994)



c. Polémique : Effet de pente ou explosion de gaz ?

Le point de vue des scientifiques de l’USDA

Un sapeur-pompier a été projeté en avant par le jet d'air chaud provenu de derrière. Il y

a eu de très nombreuses discussions quant à la source du souffle d'air. Ces dernières ont soulevé des questions au sujet de la possibilité d'une explosion de « gaz combustibles + air ». L'autre facteur suggérant une explosion de « gaz combustibles + air » est la rapidité apparente avec lequel le feu a débordé les 12 sapeurs-pompiers sur le flanc occidental. Les sapeurs-

Figure P3-III-2-7 : Photographies de l’explosion prises à 16h11 (USDA, Rapport 1994)



pompiers ont été brûlés alors que beaucoup ont conservé leurs sacs et leurs outils, et seulement quelques signes ont montré qu'ils avaient essayé de déployer leur abri anti-feu. Nous ne croyons pas qu'une explosion de « COV + air » s'est produite. Cette théorie suppose que les gaz combustibles se sont accumulés en concentration suffisante pour avoir comme conséquence une explosion. Bien que plusieurs sapeurs-pompiers témoignent que les vents sur le flanc occidental étaient calmes, nous pensons que les vents forts et la turbulence étaient présents au dessus du front. Cette turbulence, l'instabilité générale et la topographie nous mènent à croire peu probable que les gaz combustibles pourraient s'être accumulés dans des concentrations suffisantes pour soutenir une explosion.

Le point de vue du corps des sapeurs-pompiers

Dans l'accident de Storm King Mountain, il y avait un effet de pente (le feu se déplaçait très vite vers le haut, à 8 m/s selon les rapports), mais les treize pompiers n'étaient pas trop inquiets et ils pensaient avoir le temps d'atteindre la crête et le salut. Ils ont été surpris par l'explosion des gaz qui les a englués dans la bulle de l'aérosol hyper chaud résultant de cette explosion. Ils ont été tués instantanément, sauf un qui a fait quelques pas avant de succomber et un autre qui, ayant atteint la crête, est tombé en dehors de la bulle de gaz où il a pu reprendre souffle et se sauver bien que sévèrement brûlé dans le dos. Les phénomènes extrêmes (tempête de feu, tornade de feu, explosion, rayonnement thermique, effet de pente) se produisent simultanément ou successivement au cours des incendies les plus puissants, et il peut être difficile de faire la part des uns et des autres en l'absence d'une enquête approfondie. L'exemple de Storm King Mountain montre que, sans les enquêtes détaillées, il aurait été difficile de prouver que l'explosion a été à l'origine des décès, l'effet de pente n'ayant provoqué ici que la diffusion des COV et des gaz émis par la végétation (sans oublier la présence des poussières dans la zone de l'accident). Peu après le décès des douze pompiers, le front du feu est passé sur les corps.



3. L’accident de Calabassas (22/10/1996)

a. Contexte

Le 21 octobre 1996, à environ 10 heures 35 du matin, un arc électrique met le feu dans une végétation sèche comme de l’amadou, près d’une autoroute, à Calabassas, dans les montagnes de Santa Monica.

• Topographie Le relief est assez montagneux (jusqu’à 70%) et présente de nombreux thalwegs. • Végétation

Le couvert végétal est de hauteur moyenne, il empêche la visibilité. Il s’agit de

broussailles en forte quantité.


Le vent de mer est fort, l’humidité relative est de 14%.


Phase pré accidentelle

Un incendie de forêt éclate et progresse rapidement vers le Sud-ouest et la ville de Malibu, à l’Ouest de Los Angeles, en Californie.

Les flammes, poussées par le vent violent de Santa Ana, se propagent avec une

rapidité alarmante dans la végétation très sèche. En ce mois d’octobre 1996, la teneur en eau du combustible avait atteint des niveaux critiques. Les végétaux les plus fins avaient atteint un taux hygrométrique de 4,5 %.

A 18 heures, pendant la première période de progression du feu, l’incendie atteint

l’océan Pacifique. Après avoir parcouru 50 Km², il se développe dans la soirée vers l’Est et vers l’Ouest, mettant en danger beaucoup de biens de grande valeur le long de l’autoroute.

Les voies menant dans les thalwegs couverts de broussailles sont étroites et d’accès

limité. Les moyens de lutte sont déployés dans le ravin de Corral Canyon, les collines de Malibu et les quartiers résidentiels du stade de cette ville. Six équipes sont affectées à la protection des immeubles.

Les broussailles sèches et mortes couvrant le sol, la raideur des pentes, l’humidité

relativement basse et le fort vent de terre rendent le comportement du feu explosif.



Le second jour de l’incendie, le vent de terre faiblit et un vent de mer s’établit. La colonne de fumée s’élève alors à la verticale. Le 22 octobre, à 11 heures, l’humidité est de 14% sur le site. Un saut de feu est observé sur la pente Ouest du ravin de Corral Canyon sous le quartier résidentiel du stade. Les engins aériens attaquent rapidement les sauts du feu. Les très fortes pentes et les grandes quantités de combustible mort nourrissent la progression de l’incendie vers le haut du ravin. L’incendie s’avance rapidement au fond du thalweg, lance des langues de feu vers le haut et saute vers les habitations.

Un plan d’attaque est mis au point pour assurer la protection des maisons de trois

quartiers résidentiels. Il s’agit d’une part de protéger le lotissement situé en crête, sur la colline, et d’autre part de combattre le feu à mi-pente. L’incendie brûle alors sur une pente exposée au Sud et préchauffée par le soleil. Le combustible, en dessous et près des immeubles, est très sec.

A 12h25, un hélicoptère signale que le feu est actif à la base de la zone du stade et que

sa puissance augmente. Les pompiers utilisent deux lances d’incendie connectées à une borne pour protéger les maisons du flanc de la colline. D’autres camions sont placés en haut du ravin pour protéger le quartier qui n’a pas été évacué, et qui est embouteillé par les véhicules privés et par ceux des journalistes.

Phase accidentelle

Tandis que la fumée tourbillonne autour du stade, les pompiers entendent le rugissement de l’incendie, mais ils ne peuvent pas voir, à travers les épaisses broussailles, le front du feu monter la pente du canyon. Plusieurs sautes de feu se produisent brusquement. Le capitaine de la compagnie ressent une onde de chaleur et est arrosé d’étincelles. Il ordonne de se replier. Les pompiers courent, mais ils ne déploient pas leur abri anti-feu. L’un des hommes, qui suit de 15 à 20 secondes son capitaine, sort sévèrement brûlé de l’onde de chaleur et de la fumée. Trois autres pompiers sont blessés.

Route 12h25 : Feu très actif

Lotissement

Stade

Position des pompiers

Végétation

Sautes de feu

Etincelles + fumées + onde de chaleur

Figure P3-III-3-1 : Première partie de l’accident de Calabassas



Une équipe du service d’incendie de Los Angeles, vient de quitter le lieu où l’accident s’est produit, pour se rendre à son affectation qui consiste à protéger les maisons dans les collines de Malibu. Ils voient la grande colonne de fumée. Le chef d’une autre équipe leur demande de se rendre au quartier du stade. Alors qu’ils s’en approchent, le chef de l’équipe reçoit l’ordre de son chef de division de se positionner dans une autre rue avec la moitié de son équipe pour assurer la protection des immeubles. L’autre demi équipe reçoit mission d’empêcher l’incendie de sauter la route à mi-pente dans Corral Canyon.

Cette affectation place les pompiers directement au-dessus de la tête du feu sur une

route étroite et à mi-pente. Lorsque l’incendie explose en sortant du ravin, ils rencontrent un formidable mur de flammes. Les camions calent du fait de l’injection d’une fumée épaisse, noire et privée d’oxygène.

Le chef d’agrès envoie un message par radio pour dire qu’ils sont submergés par le feu et qu’ils ont des blessés. Il demande un hélicoptère médical et des largages d’eau sur sa position.

Discussion sur le comportement du feu

Dans cet accident aussi le comportement du feu est sujet à polémique : tout porte à croire que l’effet de pente est à l’origine de cet accident. Cependant, la rapidité des phénomènes (de l’ordre de quelques minutes (deux à trois tout au plus) indiquent qu’il s’agit de phénomènes gazeux (on parle d’explosion). Sans doute les deux effets ont-ils encore été combinés ?

Route 12h25 : Feu très actif

Lotissement

Stade

Position des pompiers

Explosion du feu + mur de flammes

Figure P3-III-3-2 : Seconde partie de l’accident de Calabassas



IV – Tableaux récapitulatifs et conclusion

1. Tableaux récapitulatifs

L’ensemble des accidents analysés dans les paragraphes précédents est répertorié dans les tableaux ci-après en vue d’en sortir les paramètres essentiels. On s’aperçoit d’ores et déjà des différences entre les accidents qui se sont produits en France et aux Etats-Unis d’Amérique. Dans ce dernier pays, les conditions du feu sont plus extrêmes : le relief est montagneux (avec des pentes de 70 à 100 %), la végétation est réputée plus inflammable, et des paramètres tels que l’hygrométrie et la sécheresse encore plus défavorables. Ces accidents sont appelés chez eux : « extreme fire behaviour » (comportement extrême du feu). Les accidents français ont pour particularité de présenter une topographie analogue, l’accident se produit toujours sur un relief vallonné. La topographie apparaît comme la pièce maîtresse de l’embrasement généralisé. Les autres paramètres sont discutés en conclusion dans le paragraphe suivant (P3-IV-2).



PARAMETRES Topographie Végétation ACCIDENTS

Plat Vallonné Montagneux Basse (herbes,…) Moyenne (garrigue, maquis) Haute (pins,…)

France Sainte Maxime (1982) X X Gordes (1987) X X Les Pennes Mirabeaux (14/02/89) X X Cabasson (21/06/90) X X Lançon de Provence (28/08/95) X X Cornillon-Confoux (08/07/00) X X Palasca (17/09/00) X X Lambesc (30/07/03) X X Cogolin (01/09/03) X X Etats-Unis d'Amérique Storm King Mountain (06/07/94) X X Calabassas (22/10/96) X X TOTAL En France 0,0% 100,0% 0,0% 33,3% 44,4% 22,2% Aux Etats-Unis 0,0% 0,0% 100,0% 50,0% 50,0% 0,0%



PARAMETRES Conditions météorologiques

Température Vent ACCIDENTS

< 28°C > 28°C < 30 km/h 30 - 70 km/h > 70km/h

France Sainte Maxime (1982) X X Gordes (1987) Les Pennes Mirabeaux (14/02/89) X X Cabasson (21/06/90) X Lançon de Provence (28/08/95) X X Cornillon-Confoux (08/07/00) X X Palasca (17/09/00) X Lambesc (30/07/03) X X Cogolin (01/09/03) X X Etats-Unis d'Amérique Storm King Mountain (06/07/94) X X Calabassas (22/10/96) X TOTAL En France 57,1% 42,9% 28,6% 42,8% 28,6% Aux Etats-Unis / / 0,0% 100,0% 0,0%



PARAMETRES Conditions météorologiques ACCIDENTS Hygrométrie Sècheresse

Vitesse de l'EGE

France Sainte Maxime (1982) Gordes (1987) Les Pennes Mirabeaux (14/02/89) Cabasson (21/06/90) Lançon de Provence (28/08/95) 30% sec Cornillon-Confoux (08/07/00) 20% très sec > 2,5 m/s* Palasca (17/09/00) 5 m/s Lambesc (30/07/03) 30% 698 > 10 m/s Cogolin (01/09/03) 20% très sec Etats-Unis d'Amérique Storm King Mountain (06/07/94) 10% très sec 8 m/s Calabassas (22/10/96) 14% très sec TOTAL En France < 30% / de 2 à 15 m/s Aux Etats-Unis <14% / de 2 à 15 m/s



2. Conclusion

A la lecture de l’ensemble des rapports, nous pouvons en déduire les premières constations caractérisant le phénomène d’embrasement généralisé éclair :

Les phénomènes constatés possèdent une cinétique extrêmement rapide (des dizaines de mètres par seconde) ayant surpris les acteurs de terrain alors qu’ils se sentaient en sécurité.

Il ne semble pas y avoir de signes annonciateurs (tout au plus, l'air se trouble comme

un mirage).

Le temps pour réagir (rejoindre son camion) est la plupart du temps trop faible avec les dynamiques observées.

La visibilité devient très faible, ces fumées sont opaques et denses, la température est

très vite insupportable (en quelques secondes). Rejoindre son camion devient aléatoire.

Le vent n'est pas un facteur prépondérant mais il augmente la vitesse de propagation.

La sécheresse du végétal est un facteur aggravant. Il convient cependant de distinguer

la réserve en eau et la sécheresse de surface (il peut y avoir une catastrophe avec un taux de réserve en eau des végétaux élevé mais avec une forte sécheresse de surface).

La couverture végétale influe de différentes façons. Ces phénomènes ont été observés

sur de la végétation basse et sur des couverts touffus et hauts.

Le relief est le plus généralement tourmenté avec des thalwegs et lignes de crête prononcées sur la zone ou en amont de l'accident.

Une grande puissance de feu n'est pas nécessaire au moment du déclenchement du

phénomène. En effet, l'arrivée d'un front de flammes puissant n'est pas un facteur de déclenchement obligatoire. Ainsi une pente chauffée par un feu progressant lentement à contre vent sur le flanc opposé est un facteur de risque élevé.

Tous ces phénomènes trouvent leur explication dans l’inflammation subite et violente

d’une poche de gaz, gaz émis par les végétaux. La prédictibilité apparaît impossible de par la permanente incertitude sur les facteurs communs à ces situations.



Partie 4

L’état des lieux des connaissances mondiales



I – Les objectifs Explosion de gaz ou inflammation rapide ? Les composés organiques volatils émis par la végétation sont-ils les seuls gaz responsables de l’embrasement généralisé éclair ? Tels sont des exemples de questions à controverse que se posent les personnes travaillant sur le phénomène. L’objectif de cette partie est de repérer les travaux qui ont été réalisés dans le monde sur le phénomène étudié. Il s’agira d’effectuer un état des lieux des connaissances mondiales, tout en distinguant les différentes écoles de pensée.

II – Les connaissances en France Selon F. Giroud, directrice adjointe du CEREN, seuls trois laboratoires français, le CEREN et l’IMEP, ont abordé la problématique de l’embrasement généralisé éclair de près ou de loin. Et, actuellement, seuls deux rapports publics ont effectué une étude très amont.

En effet, le premier datant de 1998 met en évidence les potentialités d’inflammation des formations végétales méditerranéennes ainsi que les mécanismes d’émission dans l’air ambiant des molécules terpéniques par des végétaux méditerranéens. Cette étude, portant essentiellement sur le romarin, a montré les facteurs influençant l’émission de terpènes (la lumière, les conditions météorologiques, la présence d’un couvert végétal,…). Le second, plus récent, de 2003 montre que le romarin émet 55 fois plus de COV à 170°C qu’à 50°C, et que après 200°C, les COV émis se dégrade en isoprène. Nous sommes donc loin de quantifier le terme source (g/s) de COV émis par la végétation sachant aussi que cette dernière ne se limite pas au romarin, il faudrait donc étudier d’autres espèces seules (pins, arbustes,…) puis des couverts végétal type.

Officiellement, l’état des connaissances en France en est à ce point. Ce travail a

cependant été complété par le commandant Bozabalian de l’Etat Major Sud de la Sécurité Civile qui a démontré, que moyennant plusieurs hypothèses simplificatrices où notamment il se formait une nappe de gaz, et que si le romarin a une présence parcellaire de 250g/m², une couche d’environ 10 cm d’épaisseur atteint la limite inférieure d’explosivité (calcul développé en partie V)...

L’entretien avec F. Giroud a permis de déterminer les études qui sont menées

actuellement en France. Le projet financé par la DERF a notamment pour objectif de comprendre le phénomène. On continue à étudier les facteurs du milieu qui favorisent l’émission des composés volatils tout en commençant à appréhender l’importance de la nappe de gaz dans des formations végétales architecturalement différentes. On cherche aussi à démontrer qu’une poche de gaz se formerait au dessus d’une parcelle de romarin avec le seul flux radiatif du soleil et à vérifier si l’émission de COV est suffisante pour démarrer l’EGE, dans des conditions de vent et de topographie très particulière (cuvette). Si cette hypothèse est validée au laboratoire, il faudra extrapoler au milieu naturel. Une quantification des gaz émis semble difficile pour le moment.



De plus, ce sujet ne semble pas passionner les chercheurs français, par manque de

moyens financiers certes, mais aussi par manque d’enthousiasme. Lors d’une réunion, préparée par l’EMZ Sud, où 300 personnes étaient invitées, 37 seulement ont fait le déplacement.

Selon le comandant Bozabalian, quelques petits travaux épars auraient été réalisés en

interne mais ils ne sont pas publics. Ce sujet s’avère difficile à expliquer, peu de paramètres sont accessibles (ce seraient une végétation et une topographie approchée). La météorologie très importante est un paramètre clé difficile à maîtriser : avec une température inférieure de 2°C et un vent supérieur de 5 Km/h, peut-être que l’embrasement généralisé qui s’est passé ne ce serait pas produit…

Le peu de connaissances en France laisse présager une recherche très importante à

mener, ne serait ce que pour commencer dans la compréhension du phénomène, avant même de parler de modélisation ou de prévention.

III – Les connaissances aux Etats-Unis d’Amérique

Plusieurs grands feux de forêt ont fait beaucoup de victimes chez les pompiers forestiers américains. Le comportement du feu dans certains cas est dit « explosif » mais c'est seulement une signification descriptive. (D’après R. Bartlette [E] et B. Butler [D]).

Le terme de « blow-up » (qui se traduit pourtant littéralement par explosion) est

employé pour caractériser la croissance rapide du feu : c’est la transition d’un feu de faible intensité avec une vitesse de propagation lente à un feu d’intensité élevée à propagation très rapide. (D’après B. Butler [D]).

Il s’agit d’une augmentation rapide du taux de dégagement d’énergie. Quand un feu de

forêt se dirige vers le haut ou le bas d’une pente, la flamme brûlante peut se coucher et empiéter directement sur le carburant situé à l’avant du front. Ce carburant baigne alors dans la flamme : c’est ainsi que sont observés les « comportements extrêmes du feu (extreme fire behavior) ». Ce phénomène se produit sur une distance relativement courte et ne peut être entretenu trop longtemps. En effet, le taux global de génération de la chaleur par la combustion rend les forces de la pesanteur et du vent négligeables : la structure de la flamme redevient droite au dessus du carburant et réduit ainsi le taux de transfert thermique du carburant imbrûlé. Ce comportement de « course et pause » peut ressembler à un comportement anormal du feu et peut être vu comme une série de « petites explosions »… (D’après F. Albini [A]).

« Nous ne croyons pas et nous ne sommes pas capables de montrer qu’une explosion

se serait produite sur un seul feu » ; telle est la position de la très grande majorité des chercheurs américains. (D’après R. Bartlette [E] et B. Butler [D]).



Les pompiers impliqués dans la lutte des feux de forêt, qui voient se produire un tel changement se produire si rapidement, pensent qu’il s’agit d’une explosion. (D’après R. Bartlette [E]).

Les gaz carburants, comme tout autre substance organique, sont produits par les

végétaux qui sont chauffés par rayonnement et convection à l’approche du front de flammes. L’allumage pilote de ces nuages de gaz carburants assure la propagation classique du feu. Il se produit la même chose pour une bougie qui brûle. Lorsqu’on l’allume, la mèche brûle pendant quelque temps. Cette chaleur fond la cire qui est vaporisée et ensuite consommée dans la flamme de la bougie. Mais, ces gaz ne forment pas une concentration suffisante pour engendrer une explosion. Dans le cas des feux de forêts engendrant un « blow-up » ; un vent très fort est toujours présent qui a plutôt tendance à disperser les COV et autres gaz combustibles. (D’après R. Bartlette [E]).

C’est exactement ce qui s’est passé dans le cas de South Canyon. Pendant les deux

premiers jours, le feu descendait en direction d’une cuvette remplit de combustible. L’après midi suivant, le fort vent poussait le feu dans l’herbe vers le haut de la côte. La combinaison des hautes températures de l’après-midi, de la basse humidité relative, du point de départ du « blow-up » en fond de canyon et de la végétation particulièrement inflammable a causé un soudain changement du comportement du feu. Il progressa vers le haut de la colline extrêmement rapidement comparé à sa descente initiale. Au fond de la gorge et sur les pentes inférieures, il y avait beaucoup d’herbe sèche. Cette dernière brûle avec de plus grandes longueurs de flamme que les couvertures d’arbres et d’arbustes à l’abri du vent et du soleil. Ensuite, le feu monta, poussé par le vent à travers l’herbe très sèche, et avec ses longues flammes léchant les chênes de Gambel, il se transforma en un feu de cime ou « crown fire ». Précédemment, le feu descendant n’a pas eu les flammes assez longues pour préchauffer ou mettre à feu les arbustes. (D’après R. Bartlette [E], B. Butler [D] et J. Cohen [F]).

Le feu était très prévisible et il n'y a eu aucune explosion. Les pompiers devaient être trop occupés pour prêter attention à la position du feu ou pour prendre le temps de prévoir ce comportement du feu. C’est la disposition des corps des pompiers décédés qui a généré un doute quant aux causes de l’accident car dans les « blow-ups » classiques les corps sont plus dispersés, preuve que le phénomène a été particulièrement violent et soudain. (D’après R. Bartlette [E] et J. Cohen [F]).

Aux Etats-Unis, aucune expérience n’a donc traité les explosions de gaz pendant les feux de forêts. Il est difficile, selon les chercheurs de concevoir une situation dans laquelle il pourrait y avoir une accumulation significative de gaz volatils combustibles capables de soutenir une explosion pendant un feu. Les gaz qui brûlent dans les flammes sont créés par la pyrolyse de la végétation. Ce processus se produit après que la végétation ait été chauffée à plus de 250°C. Les expériences de laboratoire ont prouvé que, quand la matière végétale atteint environ 325 °C, la concentration en gaz de pyrolyse soutient la combustion et ces gaz prennent feu aisément en présence d'une flamme pilote. Puisque la pyrolyse de la végétation a lieu très près du front de flammes (des dizaines de centimètres tout au plus), les combustibles volatils sont promptement balayés vers le haut dans la structure de flamme et sont consommés. Obtenir un mélange explosif de gaz (de pyrolyse) dans l'air exigerait l'accumulation d’une quantité significative de gaz à une certaine distance des flammes. Ce phénomène pendant un feu de forêt semble inconcevable. (D’après F. Albini [A] et J. Cohen [F]).



Cependant, il n’est pas exclu qu’un « flash fire » (explosion d’un nuage de vapeur inflammable sans surpression) ou un « UVCE » de faible intensité (explosion d’un nuage de vapeur inflammable avec surpression) puisse se produire en feu de forêt. Ce phénomène est en France appelé « lac de feu » dans le cas de Palasca (2000) par exemple. Ces types « d’explosion » se produisent un certain temps après la formation du nuage de gaz. Pour évaluer les caractéristiques explosives d’un nuage de vapeur, on peut se référer à l’ouvrage suivant, qui semble être la meilleure source : « Guidelines for Evaluating the Characteristics of Vapour Cloud Explosions, Flash Fires, and BLEVEs, Center of Chemical Process Safety of the AIChE, New York (1994) ». (D’après M. Dietenberger [C]).

Théoriquement, une distillation préliminaire à grande échelle de la végétation pourrait

donc engendrer un « flash fire » voire un « UVCE ». Les forêts américaines n’ont pas connu de tels phénomènes c’est pourquoi il a été très rarement étudié. (D’après F. Albini [A] et M. Dietenberger [C]).

Ce dernier point ne fait pas l’unanimité dans la communauté scientifique américaine. D’autres phénomènes plus particuliers peuvent aussi avoir lieu lors des incendies de

forêt. Durant les feux de très grande intensité avec des carburants fins, une poche gazeuse de COVb peut dépasser la limite inférieure d’inflammabilité. Dès lors, le mélange de combustible de COVb prend feu. Ce phénomène se produit bien au dessus de la végétation (peut être à des dizaines de mètres au dessus des verrières d’arbres et de conifères) et se traduit par un flamboiement spectaculaire mais très passager qui induit un flux thermique insignifiant pour la production de COVb. (D’après J. Cohen [F]).

Par contre, les explosions de poussières de carbone n’existent pas en feu de forêt. La

formation de quantités mineures de suie de carbone au bout de la flamme n'aura pas comme conséquence un mélange combustible ou explosif. Ces suies sont diluées pour accentuer davantage la combustion. (D’après F. Albini [A] et R. Susott [B]).

Les produits de pyrolyse de la végétation ont été étudiés dans des expériences en laboratoire. La littérature sur ce thème est fournie dans la chimie de la combustion, la chimie du bois, les propriétés de combustion des produits de la forêt, et la technologie de papier. (D’après F. Albini [A]).

La quantité de combustibles volatils créée par pyrolyse de la végétation lors d’un feu

de forêt peut être calculée approximativement avec le taux d’avancement du feu et la quantité de carburant consommée instantanément. Dans une première approche, on dira que la moitié de la masse du carburant consommée sera convertie sous forme gazeuse et que l’autre moitié sera carbonisée, les deux parties étant consommées rapidement sur le front du feu s'ils sont émis par les carburants de faible diamètre. Ceci est traité dans la bibliographie suivante : « Call, P. T. and Albini, F. A. "Aerial and surface fuel consumption in crown fires." International Journal of Wildland Fire 7(3)259-264 (1997) ». Pour rapporter le taux de pyrolyse à l'intensité du rayonnement incident sur la végétation, il faut regarder la pyrolyse comme un phénomène complètement passif. Il est seulement nécessaire de relier le taux d'absorption de la chaleur au taux de l'élévation de la température de la particule de carburant, puis utiliser la conversion de masse avec des données de température telles que les expériences thermo-gravimétriques de Sussott [B]. L'absorption du rayonnement par le carburant a été modélisé en traitant le lit de carburant comme une rangée uniformément distribuée, aléatoirement orientée. Ceci est traité par exemple dans la bibliographie suivante :



« Albini, F. A. " Wildland fire spread by radiation - a model including fuel cooling by natural convection.” Combust. Sci. Technol. 45:101 (1985) ». (D’après F. Albini [A]). Comme le suggère le paragraphe précédent, on ne trouve pas de rapports précis concernant le phénomène d’embrasement généralisé éclair aux Etats-Unis d’Amérique. De nombreuses études s’intéressent au comportement du feu et à la chimie du feu (que ce soit sur des cas concrets d’accident ou sur des modèles mis au point en laboratoire) et l’essentiel des publications se trouvent sur les sites Internet cités ci-dessous.

Listes des principaux sites Internet où se trouvent de nombreux rapports concernant les feux de forêts :

Référence Organisme Site Internet Commentaires

1 NIFC www.nifc.gov/stats/index.html

Liste exhaustive des accidents en feu de forêt aux USA

2 JFSP www.jfsp.nifc.gov Liste de projets concernant les feux de forêt

3 Center Library

www.wildfirelessons.net/Libr_FireBehavio

r.html

Liste de publications téléchargeables : Comportement du feu

4 BLM www.fire.blm.gov/library.htm

Liste de publications téléchargeables : Accidents en feu de forêt

5 Fire Sciences Lab.

www.firelab.org/fbp/home.htm

Recherche sur le comportement du feu : Publications / Axes de recherche /

Personnel de recherche

6 Fire Sciences Lab.

www.firelab.org/fcp/fchome.htm

Recherche sur la chimie du feu : Publications / Axes de recherche /

Personnel de recherche



Les contacts de différents organismes de recherche américains ayant contribué à l’éclaircissement de l’état des lieux des connaissances américaines sont cités ci-dessous.

Liste des contacts ayant participé à la rédaction de ce paragraphe :

Référence Nom Adresse e-mail Fonction

A F. Albini [email protected] Professeur Université du Montana

B R. Susott [email protected] Chimiste Fire Sciences Laboratory

C M. Dietenberger [email protected] Ingénieur général de recherche USDA

D B. Butler [email protected] Chercheur Fire Sciences Laboratory

E R. Bartlette [email protected] Forestier Fire Sciences Laboratory

F J. Cohen [email protected] Physicien Fire Sciences Laboratory



Partie 5

L’embrasement généralisé éclair en feu de forêt



I – Les objectifs Dans cette partie, le but est de comprendre le phénomène d’embrasement généralisé

éclair. Dans un premier temps, il s’agira d’identifier les gaz responsables de l’explosion, de

quantifier le terme source à l’approche d’un flux radiatif (dû au soleil et dû à l’approche d’un feu de forêt). Enfin, il faudra trouver les propriétés de ces gaz (plages d’explosivité).

Dans un second temps, on tentera de décrire l’embrasement d’un point de vue macro.

Nous chercherons à étudier la phénoménologie de l’explosion, les facteurs et la vitesse de propagation mais cela s’avère difficile avec le peu de connaissances actuelles.

II – Les composés volatils émis par la végétation méditerranéenne

1. Introduction

Les composés isopréniques constituent la plus vaste famille de produits naturels puisque l’on recense actuellement plus de 22000 constituants différents (Connolly et Hill, 1991). Certains de ces composés assurent des fonctions vitales chez les êtres vivants. Chez les plantes, le métabolisme isoprénique est particulièrement développé ; il intervient dans la synthèse des phytohormones, des pigments photosynthétiques, dans le transfert des électrons, dans l’architecture membranaire… Le schéma ci-dessous montre la voie de biosynthèse des composés isopréniques :



Bien que tous ces composés soit très diversifiés d’un point de vue structural et fonctionnel, ils sont tous construits à partir d’une unité isoprénique reconnue par Wallach dès 1887. En 1953, Ruzicka énonce la « règle isoprénique biogénétique » en proposant que l’ensemble des composés isopréniques résulte de la condensation de plusieurs unités isopréniques. Par la suite, ce concept est élargi et l’on découvre que l’unité biologique n’est pas l’isoprène mais le pyrophosphate d’isopentényle (Block, Lynen 1959).

Figure P5-II-1-1 : Schéma simplifié de la voie de biosynthèse des composés isopréniques (Salin, les hydrocarbures terpéniques volatils)

Figure P-II-1-2 : Structure du pyrophosphate d’isopentényle (IPP) (Salin, les hydrocarbures terpéniques volatils)

Isoprène Cytokininines

Pinènes, limonène, menthone, citronellol…

Caryophyllène, capsidiol…

Exemple



La condensation d’un nombre variable de ces unités permet l’élaboration de tout l’éventail des composés isopréniques.

2. Cadrage de l’étude

Soumises à des conditions particulières (haute température…), la végétation diffuse

dans l’air une partie ou l’ensemble de ses composés isopréniques sous forme de vapeur. Le terme source, que nous étudierons au paragraphe II, est en relation directe avec les conditions auxquelles les plantes sont exposées.

Dans le cadre de notre étude, nous allons constituer trois groupes de composés

organiques volatils biogéniques que nous appellerons désormais COVb (en anglais BVOC) :

- Groupe A : L’isoprène - Groupe B : Les monoterpènes - Groupe C : Les autres composés organiques volatils biogéniques : ACOVb (en

anglais : OBVOC)

3. Etude du groupe A

L’isoprène est le composé qui permet la croissance et l’ensemble des activités de régulation chez les végétaux, y compris pour la végétation méditerranéenne. Ce composé formera donc à lui tout seul un groupe : le Groupe A.

L’isoprène est une molécule formée de cinq carbones et de deux doubles liaisons : C5H10.

4. Etude du groupe B

a. Définition du groupe B

Les monoterpènes sont des composés volatils à dix atomes de carbone intervenant

dans la composition des résines et des huiles essentielles. Des centaines de ces composés sont recensés et peuvent exister sous la forme d’hydrocarbures (de formules brute : C10H16 ; limonène, α – pinène, β – pinène…) ou sous différentes formes oxygénées comme des alcools

Figure P5-II-3-1 : Structure de l’isoprène (Salin, les hydrocarbures terpéniques volatils)



(citronellol, géraniol, menthol…), des esters, des aldéhydes, des cétones. De plus, ces composés peuvent être acycliques, monocycliques ou bi cycliques.

b. Les principaux COVb du groupe B Comme nous l’avons précisé précédemment, les monoterpènes sont les constituants

principaux des huiles essentielles. En analysant, les chromatographies de ces dernières pour les espèces végétales les plus représentées dans la végétation méditerranéenne, nous obtiendrons les COVb principaux.

La végétation méditerranéenne

La végétation méditerranéenne se distingue par deux types de formations : la garrigue sur les sols calcaires et le maquis sur les terrains siliceux (d’après le CEREN). La garrigue est principalement composée de :

- chênes kermès - romarins - cistes

Figure P5-II-4-1 : Hydrocarbures monoterpéniques (Salin, les hydrocarbures terpéniques volatils)

Figure P5-II-4-2 : Alcools monoterpéniques (Salin, les hydrocarbures terpéniques volatils)



- pins d’Alep - cyprès

Le maquis est principalement composé de :

- chênes lièges - myrtes - pins maritimes - thyms

Identification des composés émis

Le but du paragraphe est d’identifier les principaux composés émis par la végétation méditerranéenne. Cela équivaut à recenser les composés présents dans les huiles essentielles des formations végétales citées ci-dessus. Pour cela, nous disposons de résultats de chromatographies pour chaque espèce. Nous allons synthétiser chaque fiche de résultats afin de ne conserver que les principaux gaz.

Les chênes kermès et lièges ne possèdent qu’une quantité faible d’huiles essentielles donc les chromatographies de ces espèces ne sont pas connues. Cependant, nous savons que ces formations végétales émettent principalement de l’isoprène et en quantités importantes. Il faut savoir que les chênes Kermès et Liège sont respectivement classés extrêmement et hautement inflammable.

Il est intéressant de noter que d’une année à l’autre les pourcentages de constituants peuvent différer. Cependant, cet effet sera négligé dans cette étude puisque il ne s’agit que de trouver les principaux gaz.

• La garrigue

Analyse du Romarin

Nom botanique : Rosmarinus officinalis CT Verbenone Caractéristiques physiques de l’ensemble des huiles essentielles : - Densité à 20°C : 0.905 - Point d’éclair : 39°C Ordre Temps de rétention Constituants %

1 15.1 α - pinène 18.26 2 56.2 Acétate de bornyle 12.73 3 52.3 Camphre 11.11 4 64.2 Bornéol 7.57 5 65.2 Verbénone 6.50 6 28.5 1-8- Cinéole 6.04

Tableau P5-II-4-3 : Constituants majoritaires du romarin (Pranarom, fiche d’analyse)



Analyse du Ciste

Nom botanique : Cistus Ladaniferus Caractéristiques physiques de l’ensemble des huiles essentielles : - Densité à 20°C : 0.916 - Point d’éclair : 40.5°C Ordre Temps de rétention Constituants %

1 56.5 Acétate de bornyle 17.48 2 18 Camphène 15.79 3 15 α - pinène 7.13 4 37.4 2.2.6 - Trimethylcyclohexanone 6.10 5 87 Viridiflorol 4.76 6 64.1 Ledene + Bornéol 4.48

Analyse du Pin d’Alep

Nom botanique : Pinus Halenpensis Caractéristiques physiques de l’ensemble des huiles essentielles : - Densité à 20°C : 0.859 - Point d’éclair : 35°C Ordre Temps de rétention Constituants %

1 16 α - pinène 31.96 2 25.1 ∆3 - Carène 13.6 3 25.9 β - Myrcène 9.41 4 58.7 β - Caryophyllène 9.08 5 35.5 Terpinolène 7.75 6 21.9 β - pinène 3.72

Analyse du Cyprès

Nom botanique : Cupressus sempervirens Caractéristiques physiques de l’ensemble des huiles essentielles : - Densité à 20°C : 0.865 - Point d’éclair : 35°C

Tableau P5-II-4-4 : Constituants majoritaires du ciste (Pranarom, fiche d’analyse)

Tableau P5-II-4-5 : Constituants majoritaires du pin d’Alep (Pranarom, fiche d’analyse)



Ordre Temps de rétention Constituants % 1 15.6 α - pinène 37.17 2 24.3 ∆3 - Carène 21.43 3 34.8 Terpinolène 4.18 4 64.2 Acétate de terpényle 4.10 5 25.3 β - Myrcène 3.92 6 28.2 Limonène 3.07

• Le maquis

Analyse du Myrte

Nom botanique : Myrtus communis CT1 Organic Caractéristiques physiques de l’ensemble des huiles essentielles : - Densité à 20°C : 0.881 - Point d’éclair : 35°C Ordre Temps de rétention Constituants %

1 14.9 α - pinène 42.49 2 28.4 1-8- Cinéole 26.83 3 27.7 Limonène 6.18 4 67.1 Acétate de géranyle 3.16 5 63.5 α - Terpineol 1.81 6 53 Linalol 1.65

Analyse du Pin maritime

Nom botanique : pinus pinaster Caractéristiques physiques de l’ensemble des huiles essentielles : - Densité à 20°C : 0.869 - Point d’éclair : 35°C

Tableau P5-II-4-6 : Constituants majoritaires du cyprès (Pranarom, fiche d’analyse)

Tableau P5-II-4-7 : Constituants majoritaires du myrte (Pranarom, fiche d’analyse)



Ordre Temps de rétention Constituants % 1 15.3 α - pinène 33.56 2 21.1 β - pinène 26.13 3 57.7 β - Caryophyllène 8.54 4 25.1 β - Myrcène 4.32 5 24.1 ∆3 - Carène 4.26 6 28 Limonène 3.4

Analyse du Thym

Nom botanique : thymus satureioides Caractéristiques physiques de l’ensemble des huiles essentielles : - Densité à 20°C : 0.915 - Point d’éclair : 44°C Ordre Temps de rétention Constituants %

1 65.3 Bornéol 26.3 2 18.8 Camphène 11.23 3 64.4 α - Terpinéol 7.63 4 58.6 β - Caryophyllène 7.39 5 15.8 α - pinène 6.92 6 34.4 p - cymène 4.33

Identification des composés émis

Dans la garrigue comme dans le maquis, l’ensemble des mélanges gazeux, obtenus pour chaque espèce de végétaux, est à point d’éclair bas. En effet, ces flashes points oscillent entre 35 et 44°C.

Le composé volatil présent dans les deux types de formation végétale est le α – pinène. Il est souvent présent avec une concentration supérieure à 30% dans les espèces végétales les plus représentées.

Dans la garrigue, d’autres gaz ont été détectés. Le ∆3 – Carène, l’acétate de bornyle sont présents dans la majorité des espèces de ce type de formation. Enfin, des gaz apparaissent ponctuellement sur une espèce précise mais sont à concentration non négligeable. On retiendra : le camphène et le camphre.

Tableau P5-II-4-8 : Constituants majoritaires du pin maritime (Pranarom, fiche d’analyse)

Tableau P5-II-4-9 : Constituants majoritaires du thym (Pranarom, fiche d’analyse)



Quant au maquis, d’autres gaz ne sont pas négligeables. Le β - Caryophyllène (sesquiterpène du groupe C) est présent dans la majorité des espèces de ce type de formation. Enfin, des gaz apparaissent ponctuellement sur une espèce précise à concentration non négligeable. On retiendra : le bornéol et le β - pinène.

Récapitulatif

Dans une première approche, on pourra considérer, par ordre décroissant d’importance, que les constituants ci-après représentent au mieux le groupe des monoterpènes :

- α – pinène principalement ; - ∆3 – Carène ; - acétate de bornyle et bornéol ; - β – pinène ; - camphène ; - camphre.

5. Etude du groupe C

Les sesquiterpènes

Les sesquiterpènes constituent la plus vaste famille des isoprénoïdes. En effet, plus d’un millier de composés sesquiterpéniques ont été recensés, qu’ils soient sous la forme d’hydrocarbures (de formule brute : C15H24) ou de composés à divers degrés d’oxydation. Tous les sesquiterpènes sont formés à partir d’un composé à quinze atomes de carbone.

Autres terpènes Les formules brutes des autres hydrocarbures terpéniques sont :

- Les diterpènes : C20 H32

- Les triterpènes : C30 H48

- Les tétraterpènes : C40 H64

Figure P5-II-5-1 : Hydrocarbures sesquiterpéniques (Salin, les hydrocarbures terpéniques volatils)



Les hydrocarbures diterpéniques sont encore présents dans les végétaux. Par contre, on ne trouve guère de terpène à plus de vingt carbones dans les végétaux.

6. Conclusion

Les composés émis par la végétation méditerranéenne peuvent être triés en trois

groupes :

- Groupe A : L’isoprène - Groupe B : Les monoterpènes - Groupe C : Les autres composés organiques volatils biogéniques : ACOVb (en

anglais : OBVOC)

Cependant, dans le groupe B, les monoterpènes sont principalement représentés par les composés suivants :

- α – pinène principalement ; - ∆3 – Carène ; - acétate de bornyle et bornéol ; - β – pinène ; - camphène ; - camphre.

Les chênes Kermès et Verts émettent principalement des composés du groupe A (c’est-à-dire de l’isoprène) alors que les espèces aromatiques (pin, romarin, thym,…) émettent majoritairement des monoterpènes (dont l’α – pinène).

Figure P5-II-5-2 : Structure de quelques hydrocarbures diterpéniques (Salin, les hydrocarbures terpéniques volatils)



III – Détermination du terme source

1. Le terme source initial

Toute la journée, la végétation est soumise au flux radiatif du soleil, que nous nommerons, flux radiatif initial : φ0. Ce flux radiatif, proportionnel à la température à laquelle les plantes sont exposées, suffit déjà à volatiliser les premiers composés isopréniques. L’objet de ce paragraphe sera donc de quantifier au mieux le terme source (ou le débit) issu du rayonnement solaire, que nous appellerons terme source initial : Q0.

C’est au travers de quelques études menées notamment en Californie et en Catalogne,

que nous essaierons d’évaluer ce terme source pour la végétation méditerranéenne.

a. Etude en Californie

En Californie, deux cartes nous donnent les émissions des groupes A (isoprènes) et B (monoterpènes). La température du 5 août 1997 était comprise entre 30 et 45 °C (à l’ombre).

Groupe A : Isoprènes

Les émissions d’isoprènes correspondent surtout avec les zones côtières et les zones

naturelles plus ou moins vallonnées où le taux d’émission d’isoprènes est compris entre 6 et 12 mg / m² / h. Au contraire, proche des villes, ce taux s’effondre à moins de 1 mg / m² / h.

Figure P5-III-1-1 : Terme source Q0A pour le groupe A ; 05/08/97, 13:00 (Scott & Benjamin, 2003)



Groupe B : Monoterpènes

Les émissions du groupe B ont une distribution spatiale similaire même si la zone

géographique couverte est plus grande (56118 Km² contre 37215 Km² pour le groupe A). Dans les zones de végétation éparse, le taux d’émission est très faible. Au contraire, dans les zones de végétation dense, il est plus élevé compris entre 4 et 5 mg / m² / h.

Dans les zones à taux d’émission élevé, on a constaté que la végétation émettait des

monoterpènes à hauteur de 8 à 12 µg / g matière sèche / h.

Mise en évidence de l’effet jour–nuit sur le terme source initial La figure suivante montre l’effet jour–nuit sur les émissions de COVb :

Figure P5-III-1-2 : Terme source Q0B pour le groupe B ; 05/08/97, 13:00 (Scott & Benjamin, 2003)



Bien que représentant l’ensemble du domaine d’étude, ce graphique nous offre des

résultats essentiels. Les végétaux n’émettent aucun isoprène la nuit, par contre, la journée, le taux de COVb du groupe A est le plus élevé de l’ensemble des COVb. En ce qui concerne le groupe B, il est représenté la nuit comme le jour mais à concentration trois fois plus élevée la journée.

b. Etude en Catalogne

En catalogne, l’étude menée a porté sur l’ensemble de la végétation c’est-à-dire de la forêt (domaine qui nous intéresse) aux arbres à fruit de culture. La figure suivante montre uniquement la zone faisant l’objet de notre étude.

Figure P5-III-1-3 : Effet jour–nuit sur le taux total d’émission de COVb de la zone d’étude (Scott & Benjamin, 2003)

Figure P5-III-1-4 : Zone d’étude (Parra & Gasso, 2004)



Les figures suivantes montrent les émissions de COVb en fonction de la zone géographique et donc du type de végétation.

La figure précédente montre que les principales émissions de COVb proviennent de la

végétation méditerranéenne naturelle (c’est-à-dire la zone étudiée). Elle indique également que la végétation haute (pins…) émet majoritairement des monoterpènes (85%) alors que la végétation basse émet des composés des 3 groupes en proportion quasi identique.

Enfin, les deux figures suivantes mettent en avant les facteurs mensuel, journalier et

horaire des émissions.

Figure P5-III-1-5 : Taux d’émission des COVb par groupe et par zone géographique (Parra & Gasso, 2004)



La figure précédente montre que les émissions de COVb se produisent essentiellement en été c’est-à-dire lorsque la température et donc le flux radiatif sont importants et que de

Figure P5-III-1-6 : Taux d’émission des COVb par mois, par jour et par heure (Parra & Gasso, 2004)



manière générale les trois groupes sont représentés (en journée) en proportion quasi égale mais avec une légère domination pour le groupe des monoterpènes.

c. Les autres paramètres influençant l’émission de COVb

Une étude menée par le CEREN a pour but d’affiner les différents paramètres (facteurs) d’émission. Elle en tire les conclusions suivantes :

- une saison humide diminue la quantité totale de COVb émis ; - l’émission totale varie en fonction de la hauteur des végétaux et du milieu (ouvert ou

fermé) ; - durant l’été, les paramètres affectant l’émission et la concentration dans l’air sont plus

nombreux que pendant l’automne ; - tous les composés ne sont pas émis en même temps et en même quantité. En effet,

chaque paramètre pourra augmenter ou diminuer la quantité d’émission du composé α et n’affecter en rien le composé β.

PARAMÈTRES INFLUENCE SUR LA NATURE

INFLUENCE SUR LA QUANTITÉ

Lumière OUI OUI Conditions

météorologiques OUI OUI

Présence d’un couvert végétal NON OUI

Nature de la plante OUI OUI

Hauteur de prélèvement NON OUI

Nature de la saison OUI OUI

Age de la plante PAS VÉRIFIÉ PAS VÉRIFIÉ

Une étude plus récente menée par l’IMEP a mis en évidence de nouveaux facteurs sur les émissions de COV. Cette étude rend compte du taux d’émission en fonction de l’implantation des espèces végétales.

Tableau P5-III-1-7 : Paramètres influençant l’émission de COV (CEREN, Rapport 1998)



00,5

11,5

22,5

3

a-pinen

e

camph

ène

sabin

ene

b-pinen

e

B-Myrc

ene

Limon

ene

D-terpi

nene

Linalo

ol

B-caryo

pylle

ne

a-cary

ophy

llene

Allo-ar

omad

endrene

AR-curcu

mène

a-muu

rolen

e

µgco

mpo

sé/g

MS.

h

calcairesilice

00,20,40,60,8

11,21,4

a-pine

ne

b-pinè

ne

b-Myrc

ène

3-care

ne

a-terp

inène

p-cym

ène

d-lim

onèn

e

Eucaly

ptol

d-terp

inène

camph

or

borné

ol

b-cary

ophy

llene

a-cary

ophy

llene

Allo-ar

omad

endre

ne

a-muu

rolèn

e

µg c

ompo

sé/g

MS.

h

calcairesilice

Tableau P5-III-1-8 : Emissions de COV par le Pin d'Alep en fonction du type de sol (IMEP, Rapport COV 2004)

Tableau P5-III-1-9 : Emissions de COV par le Romarin en fonction du type de sol (IMEP, Rapport COV 2004)



0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

a-pinène

camphène

b-Myrcène

delta 3-carène

D-limonène

b-bourbonène

b-caryophyllène

a-caryophyllène

Allo-aromadendrèene

AR-curcumène

µg c

ompo

sé/g

MS.

h

Piste de ChamadouxLa TuilièreRoquebrune sur Argens

0

0,5

1

1,5

2

b-bou

bonè

ne

b-cary

ophy

llène

a-cary

ophy

llène

Allo-a

romad

endrè

ene

AR-cu

rcumèn

e

A-Zing

ibérèn

e

a-muu

rolèn

e

G-cadin

ène

D-cadin

ène

µgco

mpo

sé/g

.hRoquefort La BédouleValabreArbois

Tableau P5-III-1-11 : Emissions de COV par le Ciste blanc en fonction intrasilice (IMEP, Rapport COV 2004)

Tableau P5-III-1-10 : Emissions de COV par le Ciste Blanc en fonction intracalcaire (IMEP, Rapport COV 2004)



0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

a-pinen

sabinene

Myrcène

3-carène

b-caryophyllène

a-caryophyllène

a-muurolène

µgco

mpo

sé/g

MS.

h

RoquefortArboisValabre

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

a-pinene

b-pinene

b-Myrc

ène

3-carene

b-caryo

a-caryo

Allo-aroma

a-muurolène

µgco

mpo

sé/g

MS

.hPiste de ChamadouxLa tuilèreRoquebrune

Tableau P5-III-1-13 : Différences dans les émissions de COV dans trois sites siliceux Pinus halepensis

(IMEP, Rapport COV 2004)

Tableau P5-III-1-12 : Différences dans les émissions de COV dans trois sites calcaires Pinus halepensis

(IMEP, Rapport COV 2004)



Les émissions de COV sont différentes selon le type de sol, ceci était prévisible. Cependant, chaque implantation, même sur un type de sol identique, semble aussi influencer le taux d’émission des composés volatils.

d. Conclusion

La végétation méditerranéenne soumise au flux radiatif solaire émet des COVb. Le terme source peut varier, selon l’endroit et le groupe de COVb, de 1 à 10 mg / m² / h.

Cependant, ce terme source peut évoluer en fonction de nombreux paramètres. La

lumière est un facteur important pour la production et l’émission de ces COV, tout comme les conditions météorologiques et les saisons ; par contre la présence d’un couvert arboré n’a pas d’influence sur la nature des COV mais sur la quantité émise : en milieu ouvert le romarin produit plus de COV mais ceux-ci sont plus rapidement dilués qu’en milieu fermé. De plus l’émission globale des COV est plus importante l’été que le reste de l’année. Il est nécessaire d’ajouter que la production de COV pour une même espèce végétale est aussi fonction du type de terrain voire de son implantation précise.

2. Le terme source à l’approche d’un feu de forêt

a. Introduction

A l’heure actuelle, aucune étude en France n’a quantifié le débit de COVb à l’approche d’un feu de forêt. Cependant, une étude de l’évolution des concentrations des terpènes émis par le Rosmarinus officinalis en fonction de la température a été réalisée au CEREN en 2003 ; le but étant de trouver une corrélation entre le taux de dégagement des COV de la plante et la température. Cette étude pourra être continuée pour d’autres espèces végétales caractéristiques de la forêt méditerranéenne (chêne kermès, pin d’Alep …).

b. Protocole d’étude et résultats

L’équipe du CEREN dispose d’un panneau radiant de 12 kW. La programmation du panneau radiant permet d’obtenir à l’intérieur de l’enceinte les différentes températures : 50°C, 75°C, 100°C, 125°C, 150°C, 175°C, 200°C, 225°C. Les dégagements gazeux sont recueillis en sortie de l’enceinte sur un adsorbant de type Tenax, ensuite ils sont analysés par spectro-chromatographie.

Le mode opératoire se déroule donc en plusieurs étapes :

- Pompages des COV : les composés émis par le romarin sont concentrés sur un adsorbant (polymère poreux : Tenax) ; les pompages se font à partir de l’enceinte hermétique. - Désorption thermique puis chromatographie des composés émis, et enfin obtention pour chaque pic chromatographique de son spectre de masse. L’aire des pics est donc proportionnelle à la quantité massique de COVb émis.



Cycle de température du four du chromatographe

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Temps (en min)

Tem

péra

ture

(en°

C)

Le tableau récapitulatif des résultats est le suivant :

Terpènes émis en fonction dela température

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

3000000

3500000

0 50 100 150 200Température °C

Aire

des

pic

s

tricyclèneα-pinènecamphèneβ-pinèneβ-myrcèneα-thujèneα-phellandrènecarèneα-terpinènep-cimènelimonène1,8-cinéoleγ-terpinènecamphorbornéol

Tableau P5-III-1-8 : Cycle de température du four du chromatographe (CEREN, Rapport 2003)

Tableau P5-III-1-9 : Quantité de terpènes émis en fonction de la température (CEREN, Rapport 2003)



c. Analyse des résultats Lors de cette série d’expérience, plusieurs observations ont été faites :

Il existe une température critique pour l’émission des terpènes : 170°C. Cette température maximale est le résultat de plusieurs réactions : - les COV émis se dégradent vers 200°C pour former de l’isoprène, - le plant de romarin meurt, et les premiers signes de la combustion deviennent

visibles (bois cassant, noircissement…).

Le romarin émet 55 fois plus de terpènes à 170°C qu’à 50°C. Dans ces conditions, ces terpènes peuvent être retrouvés en quantité suffisante pour former une poche de gaz inflammable (la concentration peut être voisine de la Limite Inférieure d’Explosivité, LIE)

Un premier pic à 120°C est observé, il est le résultat de problèmes physiques

(mouvement des gaz chauds dans l’enceinte…). Ce pic n’a pas d’impact sur l’émission globale des COV.

d. Conclusion

En l’état actuel des connaissances, et compte tenu du nombre important de paramètres d’un feu de forêt, il est important de savoir qu’un relief tourmenté favorisant le préchauffage de la végétation permet de distiller ces COV et rend la formation d’une telle poche de gaz probable. De plus, aucune étude n’a déterminé le terme source (g/s) d’une parcelle de végétation quelconque.

IV – Détermination des propriétés des COVb

1. Détermination des plages d’explosivité

• Détermination de la Limite Inférieure d’Explosivité (LIE) des monoterpènes La réaction de combustion des monoterpènes est:

C10H16 + 14 O2 + 56 N2 10 CO2 + 8 H2O + 56 N2

Dans 99 % des cas, l’évaluation de la LIE se fait grâce à la formule : LIE = 0,5s ± 0,05s Avec :

Nombre de moles de combustible x 100 s =

Nombre total de moles participant à la réaction de combustion



Pour la réaction de combustion des monoterpènes :

s = (1/71) x 100 = 1,41 % D’où :

LIE = (0,5 x 1,41) ± (0,05 x 1,41)

LIE = 0,71% ± 0,07%

• Détermination de la Limite Supérieure d’Explosivité (LSE) des monoterpènes La LSE est connue pour les monoterpènes et vaut : LSE = 6%

2. Autres propriétés Les autres propriétés sont issues des propriétés de l’essence de térébenthine (C10H16)

qui est prise en référence des diverses huiles essentielles comme produit générique, différentes formes plus ou moins lourdes sont obtenues. Concernant les propriétés accessibles de la « famille » essence de térébenthine, nous nous rapprocherons des fiches de sécurité documentées mais qui concernent une essence distillée, industrialisée, donc moins riche en essence.

Selon la fiche toxicologique n°132 de l’INRS, les informations sont les suivantes :

- Masse molaire : M=136 g / mol ; - LIE ≈ 1 % ; - LSE ≈ 6 % ; - Densité de vapeur (air=1) : d = 4.6 à 4.8 ; - Point d’éclair (en coupelle fermée) : Te = 32 à 46°C ; - Température d’auto inflammation : Tai = 220 à 253°C ; - Point de fusion : Tf = -50 à -60°C - Point d’ébullition (intervalle de distillation) : Teb =150 à 180°C - Tension de vapeur : V = 0,535 kPa à 20°C - Indice d’évaporation : 0,4 (acétate de butyle = 1)



V – Calcul d’une couche explosive Ce travail, reposant sur de nombreuses hypothèses, développe la probabilité de conditions spécifiques de distillation préalable au feu et prend en compte l’état de sécheresse. Il est fondé sur les travaux de DROUET J.C. et BOZABALIAN J.J. [12].

1. Hypothèses

Le sol est horizontal et recouvert d’une végétation homogène de romarin (la plus forte teneur en huiles essentielles) de 250 g/m² de matière sèche.

Le temps est très chaud (environ 35°C) et le vent quasi nul.

On prendra comme produit générique des huiles essentielles l’essence de térébenthine

(deux éléments terpéniques) soit C10H20O10 masse molaire 300. La limite d’explosivité est à peine supérieure à 1%.

De plus dans tous les accidents il y a eu une flamme pilote, ce qui veut dire que pour

des mélanges d’une teneur inférieure à la limite d’inflammabilité il peut y avoir une flamme dangereuse pour les personnels.

2. Calcul de la couche explosive

Le romarin soumis aux conditions météorologiques particulièrement défavorables (chaleur et hygrométrie) perd 40% de sa masse par évapotranspiration. Nous sommes donc en présence de 100 g/m² de rejets aromatiques et aqueux.

La partie constituant les huiles représente environ 5%. Nous aurons donc 5 g/m² de

distillat inflammable. (En effet, le romarin est le produit le plus riche qui peut avoir 5% d’huiles essentielles dans les jus obtenus en chauffant).

Le nombre de moles par m² est : n = m / M n = 5 / 300 n = 1/60 mol/m²

Une mole occupe 22,4 L (Vm= 22,4 L/mol) à l’état standard ; nous arrivons donc à un

volume de combustible de : V = n * Vm V = 1/60 * 22,4 V = 0,373 L soit V = 373 cm3 (sans mettre en relation l’équation relative à l’état de vapeur, et à la température ambiante plus élevée (dilatation)).

La limite inférieure d’explosivité vaut : LIE ≈ 1 % ; l’épaisseur de la couche explosive

au ras du sol (sans mélange avec l’air voisin) vaut : e = 373 * 0,01 e = 3,73 cm

Il faut, selon DROUET, ajouter le rayonnement émis par le feu impliquant un dessèchement total, ce qui augmente d’un facteur 2,5 la production et donc l’épaisseur serait E = e * 2,5 E = 9,32 cm.



Bien sûr, ces valeurs sont très théoriques, mais il est nécessaire d’intégrer la durée de distillation, la topographie vallonnée favorable à la stagnation en fond de thalweg de ces huiles au comportement de gaz lourds.

Ces éléments de calcul, sujets à controverse pour expliquer une inflammation

« spontanée », sans flamme pilote, viennent toutefois étayer fortement l’hypothèse d’un pré constituant gazeux fortement combustible nécessaire au phénomène d’hyper propagation ou de conflagration observé.

VI – Interaction : phénomènes physiques observés / thermochimie Ce travail tend à expliquer quelques mécanismes physiques (effets de souffle,…) rencontrés lors des embrasements généralisés. Il est fondé sur les travaux du commandant BOZABALIAN J.J. [12].

1. Calcul des besoins en comburant

L’air est composé de : 78% de N2, 21% de O2, de 1% d’Ar et de traces de composés négligeables.

Le bois est assimilable au composé organique suivant : C15.7H29O10

L’équation générale de la combustion (cf. partie 1-VII-4-a) est :

CαHβOγNδ + (α + β/4 – γ/2) O2 α CO2 + β/2 H2O + δ/2 N2

Dans le cas du bois, elle s’écrit donc :

C15.7H29O10+ 17.95 O2 15.7 CO2 + 14.5 H2O

Pour brûler 1 mole d’ « équivalent » bois, 17,95 moles d’oxygènes sont nécessaire.

La masse molaire de bois est : M = (15.7*12) + (29*1) + (10*16) M = 377,4 g/mol

De plus, il faut environ 5 moles d’air pour fournir 1 mole (proportion des constituants

dans l’air.

La quantité molaire d’air nécessaire pour brûler 1 mole d’équivalent bois est : nair = 5 n (O2) nair = 89,75 mol

La masse molaire de l’air vaut : Mair ≈ 29 g/mol

La quantité d’air nécessaire pour brûler 1 mole d’ « équivalent » bois est :

mair = nair * Mair mair = 2602,75 g



La quantité d’air nécessaire pour brûler 1 gramme d’ « équivalent » bois est :

m’air = mair / (nbois * Mbois) m’air = 2602.75 / (1 * 377,4) m’air = 6,9 g

2. Application au feu de Lambesc

a. Quantité d’air nécessaire pour alimenter l’embrasement généralisé éclair

La masse de couvert végétal directement concernée par l’EGE est estimée à 9,6 t/ha

sur une surface d’environ 20 hectares.

La masse totale de végétal est : mvég = 20 * 9,6 * 106 mvég = 1,92 * 108 g

La masse d’air nécessaire à brûler cette masse de végétal est : Qmair = 6,9 * 1,92 * 108 Qmair = 1,32 * 109 g

Une mole occupe 22,4 L (Vm= 22,4 L/mol) à l’état standard ; nous arrivons donc à un

volume de comburant de : V = Qmair / Mair * Vm V = 1,32 * 109 / 29 * 22,4 V = 1,02 * 109 L soit V = 10,2 millions de m3 d’air (sans mettre en relation

l’équation relative à l’état de vapeur, et à la température ambiante plus élevée (dilatation)). Cet embrasement généralisé éclair aurait, pour avoir existé, déplacé plus de 10

millions de m3 d’air.

b. Explication de phénomènes physiques

De façon très théorique et approchée, le thalweg où s’est produit l’embrasement correspond à un volume global de 6 millions de m3. On comprend dès lors mieux le vent spécifique qui va se créer pour assurer le mélange carburant/comburant de l’embrasement généralisé constaté.

La configuration des lieux, le vent général observé (direction et force) n’ont pas

permis jusqu’ici cet embrasement. On peut envisager l’hypothèse d’une alimentation en air frais disponible à contre vent (vent thermique) depuis le col.

Cette aspiration forte et rapide (cf. volume nécessaire / volume disponible) engendre

un vent vers le pied du feu en fond de thalweg, contraire au synoptique du vent réel. La nature du nouvel écoulement a pu créer un phénomène très localisé au niveau du col avec « dépressurisation » momentanée de ce qui se trouve en aval.

L’hypothèse d’une dépression localisée et très courte dans le temps (combustion

chimique du feu et vent spécifique associé, notamment dans le cas d’un EGE), pourrait expliquer un calage moteur par simple impossibilité d’écoulement aéraulique de l’air à l’admission (impossibilité de vaincre les résistances propres au filtre et aux coudes de



l’alimentation). La remise en route sans problème dans la suite des évènements ne contrevient pas à l’hypothèse.

S’agissant maintenant des manifestations acoustiques selon lesquelles il y a un ressenti

d’ambiance sourde avec les voies qui ne portent plus…l’hypothèse ci avancée peut également se conjuguer avec l’onde de chaleur, à savoir pression atmosphérique locale diminuée et température qui augmente, modifient la vitesse de propagation du son dans l’air (milieu élastique). Sa modification (vitesse) ne dépend que du milieu considéré et de son état de température et de pression; elle ne dépend pas du son qui se propage, de sa nature, de sa fréquence ou de son intensité.

Enfin, les dires relatant le ciel qui brûle, des inflammations de « poches de gaz »,… confirment une aérologie très perturbée, à la fois par l’arrivée d’air frais, la vitesse de combustion et de son incidence sur la distribution perturbée des gaz chauds.

D’aucuns parlent alors, à l’instar du feu de Palasca (2B) en septembre 2002, d’une mer ou d’un lac de feu (effet léger d’ondulation et vagues, relativement homogène). Inutile de préciser l’aspect turbulent des phénomènes associés qui permettent également d’expliquer les différences quant aux conséquences thermiques subies par les personnels à quelques mètres ou dizaines de mètres près, sans parler de la dynamique de conflagration en milieu ouvert ayant conduit à ce que certains personnels soient projetés par le souffle, des pierres et des morceaux de bois qui volent…

Enfin, une matérialisation de la vitesse du phénomène, de son aspect essentiellement gazeux, est donnée par l’observation d’un îlot de végétation qui est resté vert. A noter l’absence de toute action en eau lors du feu car protégé par un petit mamelon de forme identique (discontinuité de la transmission végétale) : seul un transfert radiatif fort ou une combustion aérienne peut l’expliquer.

VII – Synthèse et critique des connaissances du phénomène

La phase amont du phénomène est la distillation des composés organiques volatils.

Quand sévit la sécheresse et/ou quand un front de flammes se rapproche, les plantes ne trouvent plus d'eau en quantité suffisante dans le sol, elles évaporent davantage de COV pour tenter de se refroidir et la densité des COV dans l'air sec peut déjà devenir dangereuse, avec des risques d'explosion. Leur odeur devient alors plus forte.

La nature et la quantité de ces COV est (ou peut être) connue par des

chromatographies pour chaque espèce végétale. Aujourd’hui, le terme source des vapeurs volatiles est connue pour le flux radiatif solaire. Cependant, aucune étude n’a montré ce débit pour un flux radiatif variable (simulant l’arrivée d’un front de flamme). En effet, il est difficile en laboratoire d’expérimenter sur un couvert végétal réel (c’est-à-dire avec de nombreuses plantes). Seules des études sur le romarin ont démontré que la quantité de COV est maximale à une température de 170°C.



La première question à se poser est la suivante : est-ce que le flux solaire pourrait suffire à former une couche de gaz explosive dans des conditions particulières de topographie ? Sinon, dans quelles mesures y contribue-t-il ?

Ensuite, malgré le nombre de constituants importants, l’essence de térébenthine est le

seul modèle de gaz utilisable. Il faudrait connaître les propriétés des gaz vraiment impliqués dans l’explosion (tels que le α-pinène par exemple). L’explosion est elle due uniquement aux COV, ou est ce que les gaz de pyrolyse (de la cellulose notamment) et éventuellement des poussières de carbone interviendraient aussi ?

Les calculs effectués dans les paragraphes III et IV de cette partie peuvent expliquer

certains phénomènes observés lors des embrasements généralisés et n’abordent que partiellement la phénoménologie de l’explosion. En effet, la vitesse de propagation est aujourd’hui incalculable. Trop de données son manquantes. Cependant, le déplacement d’un volume de 10 millions de m3 de comburant dans le cas de Lambesc peut expliquer les phénomènes de sensation de vent, de dépressurisation.

Par contre, d’un point de vue micro, le phénomène est connu : il s’agit d’une réaction

de combustion (complète ou incomplète) où les gaz mis en jeu sont majoritairement les COV et où les produits sont l’eau et le dioxyde de carbone (dans le cas d’une combustion complète).

A la vue de cette synthèse, on comprend bien que les travaux de recherche concernant

le phénomène d’embrasement généralisé éclair ont à peine débuté et qu’il reste un travail colossal à accomplir.



CONCLUSION

Cette étude met en évidence que le feu de forêt est un phénomène physique complexe durant lequel il peut se produire le phénomène d’embrasement généralisé éclair. La compréhension de ce dernier ne sera approchée qu’à partir de recherches à forte connotation scientifique de son comportement d’autant qu’il dépend de très nombreux paramètres toujours difficiles à identifier et à maîtriser.

Cet exposé montre que l’embrasement généralisé éclair est un phénomène thermique à

onde de pression relativement faible, tout au plus des petites déflagrations, pouvant facilement porter l’aérosol des gaz hyper chauds à plus de 1000°C. Il peut aussi se présenter sous plusieurs formes telles que la « bulle thermique », le tapis de feu ou encore notamment le fond de vallon…

L’analyse des accidents aboutit à une série de constatations. Le phénomène possède

une cinétique extrêmement rapide (des dizaines de mètres par seconde) ayant surpris les acteurs de terrain alors qu’ils se sentaient en sécurité. Il ne semble pas y avoir de signes annonciateurs (tout au plus, l'air se trouble comme un mirage). Le temps pour réagir (rejoindre son camion) est la plupart du temps trop faible avec les dynamiques observées. La visibilité devient très faible, ces fumées sont opaques et denses, la température est très vite insupportable (en quelques secondes). Le vent n'est pas un facteur prépondérant mais il augmente la vitesse de propagation. La sécheresse du végétal est un facteur aggravant. Il convient cependant de distinguer la réserve en eau et la sécheresse de surface (il peut y avoir une catastrophe avec un taux de réserve en eau des végétaux élevé mais avec une forte sécheresse de surface). La couverture végétale influe de différentes façons. Ces phénomènes ont été observés sur de la végétation basse et sur des couverts touffus et hauts. Le relief est le plus généralement tourmenté avec des thalwegs et lignes de crête prononcées sur la zone ou en amont de l'accident. Une grande puissance de feu n'est pas nécessaire au moment du déclenchement du phénomène. En effet, l'arrivée d'un front de flammes puissant n'est pas un facteur de déclenchement obligatoire. Ainsi une pente chauffée par un feu progressant lentement à contre vent sur le flanc opposé est un facteur de risque élevé.

Tous ces phénomènes trouvent leur explication dans l’inflammation subite et violente d’une poche de gaz, gaz émis par les végétaux.

La recherche effectuée en France sur le sujet est sporadique et reste très amont. A

l’heure actuelle, la nature des COV ainsi que quelques facteurs d’émission commencent à être connus. Aux Etats-Unis d’Amérique, les chercheurs, qui pourtant étudient beaucoup le comportement et la chimie du feu, affirment que de tels phénomènes ne se sont jamais produits sur leur territoire, tout en nuançant que, dans des conditions particulières, ils sont imaginables : rares sont donc les recherches effectuées sur les EGE. Ils penchent pour un comportement extrême du feu sans phénomène gazeux prépondérant.

La végétation méditerranéenne soumise au flux radiatif solaire émet des COVb. Le

terme source peut varier, selon l’endroit et la nature des COVb, de 1 à 10 mg/m²/h. L’ensemble des gaz du mélange mis en jeu est connu mais on ne connaît pas en quelles



proportions chaque gaz est représenté. Principalement, on trouvera de l’isoprène chez les chênes et des monoterpènes (α-pinène majoritairement) chez les plantes aromatiques.

Le terme source peut évoluer en fonction de nombreux paramètres. La lumière est un

facteur important pour la production et l’émission de ces COV, tout comme les conditions météorologiques et les saisons ; par contre la présence d’un couvert arboré n’a pas d’influence sur la nature des COV mais sur la quantité émise : en milieu ouvert le romarin produit davantage de COV mais ceux-ci sont plus rapidement dilués qu’en milieu fermé. De plus l’émission globale des COV est plus importante l’été que le reste de l’année. Il est nécessaire d’ajouter que la production de COV pour une même espèce végétale est aussi fonction du type de terrain voire de son implantation précise.

En l’état actuel des connaissances, et compte tenu du nombre important de paramètres

d’un feu de forêt, il est important de savoir qu’un relief tourmenté favorisant le préchauffage de la végétation permet de distiller ces COV, et rend la formation d’une telle poche de gaz probable. De plus, aucune étude n’a déterminé le terme source (g/s) d’une parcelle de végétation quelconque.

On a montré que, pour un espace couvert de romarins présentant une densité

parcellaire de 250 g/m², il pouvait se former une couche explosive d’une épaisseur d’environ 10 cm au dessus du sol.

Dans le cas du feu de Lambesc, l’EGE aurait, pour sa genèse, déplacé plus de 10 millions de m3 d’air dans un thalweg d’un volume global de l’ordre de 6 millions de m3. On comprend dès lors mieux le vent spécifique qui va se créer pour assurer le mélange carburant/comburant de l’embrasement généralisé constaté.

Cette aspiration forte et rapide (cf. volume nécessaire / volume disponible) engendre un vent vers le pied du feu en fond de thalweg, contraire au synoptique du vent réel. La nature du nouvel écoulement a pu créer un phénomène très localisé au niveau du col avec « dépressurisation » momentanée de ce qui se trouve en aval. Tel est l’état des lieux des connaissances sur l’embrasement généralisé éclair ; phénomène encore constaté durant les feux de la fin juillet 2004 qui ont grièvement brûlé un sapeur-pompier. Les travaux de recherche scientifique restent très nombreux à accomplir. Cependant, peut-être serait-il souhaitable d’essayer de modéliser en laboratoire le phénomène à partir de maquettes représentant les lieux d’accidents pour comprendre dans un premier temps empiriquement ce qui s’est produit.



BIBLIOGRAPHIE

PARTIE 1 : Ouvrages : « Feu, combustion, Incendie » ; FNSP ; Guide d’intervention des Sapeurs pompiers ; Ed : UES Pompiers de France (2002). « Etude bibliographique : Risque induit et Risque subi Interaction entre une installation GDF et un feu de forêt » ; AYRAL P.A., SAUVAGNARGUES-LESAGE S., DUSSERRE G. ; Rapport d’étude ; Ed : Ecole des Mines d’Alès. « Dispositifs de protection des habitations face aux incendies de forêts » ; ABOULIN A., BARAER B., CARBONELL G. ; Rapport d’étude ; Ed : Ecole des Mines d’Alès. « Mieux comprendre et prédire la propagation des feux de forêt : expérimentation, test et proposition de modèles » ; DUPUY J.L. ; Thèse de doctorat (1997). Article : « Environnement et identité en méditerranée » ; Ed : Università di Corsica ; Résumé IVe congrès international Sites Internet : http://perso.wanadoo.fr/pierre.cormault/esme.htm http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/blanquet/rayonnem/11defloi/11defloi.htm http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Climats/ Rayonnement/Cours/partie1/partie1_3.html http://perso.wanadoo.fr/eddie.saudrais/prepa/fourier.pdf http://www.ujf-grenoble.fr/PHY/PLATEFORMES/TTE/TransfertChaleur.pdf http://www.cusstr.ch/html/Incendie/Incendie-261.htm http://www.bfrl.nist.gov/fris/ http://www-dessgp.unice.fr http://www.lesapeurpompier.fr http://mediaforest.net/ http://mediaforest.net/incendie/memoire_prevention.pdf http://monsite.wanadoo.fr/rchevrou/page7.html http://www.brgm.fr/Fichiers/SIRNAT/sirnat35.pdf



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[4] « Flammability characteristics of combustible gases and vapors » ; ZABETAKIS M.G. ; Ed : Bulletin 627, Bureau of Mines, US Department of the Interior (1965). [5] « Application of the flammability diagrams for evaluation of fire and explosion hazards of flammable vapors » ; MASHUGA C.O. et CROWL D.A. ; AIChE 32nd Loss Prevention Symposium, New Orleans, LA (1998). [6] « Safety of chlorination reactions » ; GUSTIN J.L. ; Ed : Eurochlor 4th technical seminar, Leipzig (1997). [7] « Industrial explosion prevention and prediction » ; BODURTHA F.T. ; Ed : Mc Graw-Hill, New York (1980). [8] « Explosionsschutz » ; BARTKNECHT W. ; Ed : Springer Verlag, Berlin (1993). [9] « Using material data in static hazard assessment » ; BRITTON L.G. ; Ed : Plant / Operations progress, vol 11, num 2, pg 56-70 (1992). [10] « Flash points of organic and organometallic compounds » ; STEPHENSON R.M. ; Ed : Elsevier (1987). [11] « Potential hazards of propargyl halides and allene » ; FORSHEY D.R. ; Ed : Fire Technology, pg : 100-111 (1969). « Causative factors for vapour cloud explosions determined from past-accident analysis » ; KOSHY A. ; Ed : Journal Loss Prev. Process vol : 8 num : 6 pg : 355-358 (1995). « An analysis of the mechanisms of overpressure generation in vapour cloud explosion » ; CLEAVER R.P. ; Ed : Journal of hazardous materials vol : 45 pg : 27-44 (1996). « Some aspects unconfined gas vapours cloud explosions » ; ANTHONY E.J. ; Ed : Journal of hazardous materials vol : 1 num : 4 pg : 289-301 (1976). « Unconfined vapor cloud explosion – The asymmetrical blast from an Elongates Cloud » ; PICKLES J.H. ; Ed : Combustion and flames vol : 51 num : pg : 45-53 (1983). « Blast effect from unconfined vapour cloud explosion » ; ROBERT A.F. ; Ed : Journal of occupational accidents vol : 3 num : 4 pg : 231-247 (1982). Sites Internet : http://arc.cs.odu.edu:8080/dp9/getrecord/oai_dc/vtt.fi/oai:vtt.fi:jure/11040 http://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_conse/UVCE.htm http://www.angusfire.co.uk/wnpres78.shtml http://www.mines.inpl-nancy.fr/~verdel/cindy/opensupport/phenomenes.pdf http://hugin.aue.auc.dk/publ/hoiset2000.pdf



PARTIE 3 : Ouvrages : « Incendies de forêts dramatiques » ; CHEVROU R.B. (2004). « Rapport d’enquête concernant l’accident survenu le 30 juillet 2003 lors du feu de Lambesc » ; HOCHARD ; Ed : DDSC (2003). « Rapport concernant l’accident ayant entraîné le décès de 3 SP de la Seyne-sur-mer le 1er septembre 2003 lors du feu dit de la « Garde Freinet 2 » Var » ; HOCHARD et VERDEVOYE ; Ed : DDSC (2003). « Rapport d’enquête concernant les faits survenus le 8 juillet 2000 sur la commune de Cornillon-Confoux » ; POURNY, THIBAULT ; Ed : DDSC (2000). « Fire Behaviour Associated with the 1994 South Canyon Fire on Storm King Mountain, Colorado » ; Bret W. Butler, Roberta A. Bartlette, Larry S. Bradshaw, Jack D. Cohen, Patricia L. Andrews, Ted Putnam, Richard J. Mangan ; Ed : USDA (1994). « Accident investigation facual report (Cramer Fire) » ; USDA ; Ed : USDA (2003). « Le constat » ; MARET, BOZABALIAN, MAURIN, MEISSAT, PERSOGLIO ; PowerPoint ; Ed : EMZ Sud (2002 – 03). « Rapport synthétique de l’accident sur le feu de la commune de Palasca le 17 septembre 2000 » ; SDIS 20 ; PowerPoint. « Feu de Lançon de Provence / La Fare » ; CODIS 13 (1995). « Feu de forêt, commune des Pennes Mirabeau ; Mardi 14 février 1989 ». Articles : « L’incendie de South Canyon le 6 juillet 2004 » ; CHEVROU R.B. ; Ed : Forêt méditerranéenne tome : 9 num : 3 (1998).

Sites Internet : http://www.nifc.gov/scanyon/execsumm.html http://www.fs.fed.us/rm/pubs/SouthCanyon/index.html http://forestry.about.com/cs/forestfire/a/Five_wild_fires.htm



PARTIE 4 : Sites Internet : http://jfsp.nifc.gov www.nifc.gov/stats/index.html www.wildfirelessons.net/Libr_FireBehavior.html www.fire.blm.gov/library.htm www.firelab.org/fbp/home.htm www.firelab.org/fcp/fchome.htm

PARTIE 5 : Ouvrages : « Les hydrocarbures terpéniques volatils » ; SALIN F. ; Thèse de doctorat, Ed : Université de Bordeaux, Talence. « Inflammabilité de la végétation méditerranéenne » ; NIMOUR N.E. ; Thèse de doctorat, Ed : Université de Provence, Marseille (1997). « L’hydraulique au service de la protection des forêts contre l’incendie » ; CEREN-SCPid ; Rapport d’étude (2002). « La sécurité lors des feux de forêts : Les composés organiques volatils » ; CEREN ; Rapport d’étude (2003). Articles : « Potentialités d’inflammation des formations végétales méditerranéennes, mécanismes d’émission dans l’air ambiant des molécules terpéniques par des végétaux méditerranéens » ; Ed : CEREN ; Rapport final (1998). « Conditions d ’Emission de Composés Organiques Volatils par les végétaux méditerranéens et Potentialités d’inflammation des formations végétales » ; BONIN G. ; Ed : IMEP ; PowerPoint (2004). [12] « Contribution au feu de Cazan » ; BOZABALIAN J.J. ; Ed : EMZ Sud (2003).



« Biogenic volatile organic compound emission (BVOCs) ; Landscape flux potentials from three continental sites in the U.S. » ; HELMIG D., KLINGER L.F. ; Ed : Chemosphere vol : 38 num : 9 pg : 2189-2204 (1999). « Estimating the biogenic emissions of non-methane volatile organic compounds from the North Western mediterranean vegetation of Catalonia, Spain » ; PARRA R., GASSO S., BALDASANO J.M. ; Ed : Science of the Total Environment (2004). « Identification and quantification of volatile organic compounds found in a eucalyptus forest during FIELDVOC’94 in Portugal » ; COOKE K.M., HASSOUN S., SAUNVERS S.M.; Ed : Chemosphere, Global Change Science num : 3 pg : 249-257 (1999). « Gas chromatographic determination of vapour pressure and related thermodynamic properties of monoterpenes and biogenically related compounds » ; VAN RON A., PARSONS J.R. ; Ed : Journal of chromatography A num : 955 pg : 105-115 (2002). « Development of a biogenic volatile organic compounds emission inventory for the SCOS97-NARSTO domain » ; SCOTT K.I., BENJAMIN M.T. ; Ed : Atmospheric environment num : 2 (2003). « Gas-phase terpene oxidation products : a review » ; CALOGIROU A., LARSEN B.R. (1998) ; Ed : Atmospheric environment num : 33 pg : 1423-1439 (1998). « Essence de térébenthine » ; Fiche toxicologique n°132 ; Ed : INRS (2000) Sites Internet : http://www.cg83.fr/te/environnement/terrestre.htm



ANNEXES

Annexe 1 : Lettre de demande d’informations à l’étranger Annexe 2 : Exemple de calcul de flux et de température reçus en fonction de la distance du front de flamme Annexe 3 :



Annexe 1 : Lettre de demande d’informations à l’étranger CARBONELL Geoffroy Address: xxxx

Subject : Blow-up (small deflagration of VOC) in wildland fire

Hello,

I'm a French student in school of engineer (Ecole des Mines d'Alès) and I work on the following subject: “Blow-up (small deflagration of VOC) in wildland fire”.

• First, I would collect general informations: Are there works on this subject that have been realised in your laboratory? In the US? In Australia? Could you give me an Internet address or the name of persons who could help me?

• My work also needs to know some particular informations :

- The first stage of my work is to identify gas emitted (BVOC) by the vegetation at the time of the approach of the wildland fire, and to know the properties of those gas (and in particular their explosive properties (LEL...)). Could you help me on this subject? Are there only BVOC (biogenic volatile organic compound) implied in this type of explosion in wildland fire? Or, are there dust cloud explosion which is added on the phenomenon (carbon dusts)?

- Do you know if studies have already quantified the gas flow (BVOC)(kg/h) emitted by a quantity of vegetation known (kg) when a known radiative flow is approached (kW/m²)?

- What are the nature of the (chemical) reactions and the post-reaction products during the deflagration?

- Do you know if American studies have already modelised this phenomenon? What is the phenomenology of the explosion? What are the factors and the flame speed of the propagation?

• You could give these informations directly with my e-mail address (with PDF files if

you got them) or by mail. I thank you for your assistance which will be very useful for me in my work.

Cordially, Geoffroy CARBONELL Ecole des Mines d'Alès

E_mail : [email protected] Phone : 00336 xx xx xx xx



Annexe 2 : Exemple de calcul de flux et de température reçus en fonction de la distance du front de flammes

Les résultats peuvent paraître exagérés mais il ne faut pas oublier l’ensemble des hypothèses qui ont été choisies : corps noir, longueur du

front de flammes infinie, hauteur de la flamme. (Cf. P1-IX).

Vent (m/s) Vitesse propagation (m/s) T° flamme

(°C) Flux émis par le front de flammes

(W/m²) Hauteur flamme

(m) Puissance (kW/m) 1 0,03 855 91870 20 281 6 0,18 880 100427 20 1683

12 0,36 911 111468 20 3366 18 0,54 941 123396 20 5049 24 0,72 972 136257 20 6732 30 0,9 1002 150097 20 8415 36 1,08 1033 164966 20 10098 42 1,26 1063 180914 20 11781

Bois Puissance Absorbance

(%) Emissivité, (%) Formule de Byram: 18700*Vpropa*w 0,6 0,9 avec w : kg de combustible/m²

on choisit w = 0,5 kg/m² Cas le plus représentatif



Flux reçu (W/m²) Distance : 1000 m Distance : 750 m Distance : 500 m Distance : 400 m Distance : 300 m Distance : 200 m Distance : 150 m Distance : 100 m

919 1225 1837 2297 3062 4593 6125 9187 1004 1339 2009 2511 3348 5021 6695 10043 1115 1486 2229 2787 3716 5573 7431 11147 1234 1645 2468 3085 4113 6170 8226 12340 1363 1817 2725 3406 4542 6813 9084 13626 1501 2001 3002 3752 5003 7505 10006 15010 1650 2200 3299 4124 5499 8248 10998 16497 1809 2412 3618 4523 6030 9046 12061 18091

Distance : 80 m Distance : 60 m Distance : 50 m Distance : 40 m Distance : 30 m Distance : 20 m Distance : 10 m

11484 15312 18374 22967 30623 45935 91870 12553 16738 20085 25107 33476 50213 100427 13934 18578 22294 27867 37156 55734 111468 15425 20566 24679 30849 41132 61698 123396 17032 22709 27251 34064 45419 68128 136257 18762 25016 30019 37524 50032 75049 150097 20621 27494 32993 41242 54989 82483 164966 22614 30152 36183 45228 60305 90457 180914



Température (°C) Distance : 1000 m Distance : 750 m Distance : 500 m Distance : 400 m Distance : 300 m Distance : 200 m Distance : 150 m Distance : 100 m

49 73 110 132 162 209 245 300 56 81 119 141 172 220 257 313 65 90 129 152 184 233 271 329 74 100 140 163 196 246 285 344 83 109 150 174 208 259 299 360 91 119 160 185 219 272 313 375 100 128 171 196 231 285 327 390 109 137 181 207 243 298 341 406

Distance : 80 m Distance : 60 m Distance : 50 m Distance : 40 m Distance : 30 m Distance : 20 m Distance : 10 m

333 378 409 448 501 584 746 347 393 424 464 519 603 769 363 410 442 483 540 627 797 379 428 461 503 561 650 824 396 446 479 522 582 673 852 412 463 498 542 603 696 879 429 481 516 561 624 719 907 445 498 534 581 644 742 935

embrasement généralisé éclair en feu de forêt · embrasement généralisé éclair en feu de...

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