evaluation des flux de chaleur mis en jeu lors de la
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Evaluation des flux de chaleur mis en jeu lors de la combustion stationnaire de plaques
thermiquement épaisses de PMMA
GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges
M. Mense, Y. Pizzo, B. Porterie
C. Lallemand
P. Boulet, G Parent
A. Kacem, S. Suard
ETiC
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Matériau et configuration de références :
• Clear PMMA sublimation, no-charring, propriétés thermophysiques connues
Modèle de
dégradation de
la phase
condensée
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Contexte : vers une modélisation prédictive de la combustion d’un
matériau solide (PMMA)
Expérimentations
spécifiques de validation
(TC, flux)
Expérimentations
spécifiques de
validation (TC, 𝛿𝑟𝑒𝑔)
Modélisation de
la phase
gazeuse
𝑚" = 𝑓(∅𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒)
∅𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒 = 𝑓( 𝑚")
Couplage phase
gazeuse et phase
condensée
GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges
RAPPELS
Modèle de dégradation thermique du PMMA
La procédure consiste à résoudre l’équation 1D de transferts couplés conduction
/ rayonnement (hypothese: propriétés thermophysiques du PMMA constantes),
l’équation de la chaleur prend la forme :
L’approximation de Schuster-Schwarzschild pour un milieu 1D, non gris,
absorbant / diffusant
𝛻. 𝑞 = 0
∞
𝛻. 𝑞𝜂 𝑑𝜂 = 0
∞ 𝑑𝑞𝜂+
𝑑𝑦−𝑑𝑞𝜂
−
𝑑𝑦𝑑𝜂
𝜌𝑐𝑝𝜕𝑇
𝜕𝑡= 𝜆
𝜕2𝑇
𝜕𝑦2− 𝛻. 𝑞
Validation : 2 températures dans le matériau, position de l’interface et perte de masse
3GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges
Condition à la limite au niveau de la surface exposée “noire”(𝑦 = 𝑠(𝑡)):
−𝜆𝜕𝑇
𝜕𝑦𝑠, 𝑡 = 𝑞𝑓𝑙
𝑟𝑎𝑑 + 𝑞𝑓𝑙𝑐𝑜𝑛𝑣 − 𝐸𝑏
𝑎𝑖𝑟 𝑇𝑠 − 𝐸𝑏 𝑇𝑠 + 𝑞− 𝑠 − 𝑚′′𝐿𝑝𝑦𝑟
Validation du modèle de dégradation en non flaming sous cône
Configuration de référence (10 x 10 x 3 cm3) : non flaming (qcc<qcri) pour une plaque plane
horizontale soumise à un flux radiatif calibré et sous flamme
3 flux imposés (14 et 18 kW/m² et flamme24,5 kW/m²)
• Position de l’interface combustible / gaz
• Températures à deux profondeurs dans le matériau (2 TC, 5
mm avant et 5 mm arrière)
PMMA
Electronic scales
CCq
rrq
CCD camera
TC
4GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges
14 kW/m²
Flamme (24,5 kW/m²)
Matériau et configuration de références :
• Clear PMMA sublimation, no-charring, propriétés thermophysiques connues
Modèle de
dégradation de
la phase
condensée
Contexte : vers une modélisation prédictive de la combustion d’un
matériau solide (PMMA)
Modélisation de
la phase
gazeuse
Expérimentations
spécifiques de validation
(TC, flux)
Expérimentations
spécifiques de
validation (TC, 𝛿𝑟𝑒𝑔)
𝑚" = 𝑓(∅𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒)
∅𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒 = 𝑓( 𝑚 )
Couplage phase
gazeuse et phase
condensée
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Modèle (SAFIR) :
SAFIR : logiciel de simulation des incendies en milieux ouverts et semi-confinés
Fonctionnalités du code :
• Description 3D
• Stationnaire et Instationnaire
• Description des phénomènes de base: transport de gaz, turbulence,
rayonnement, combustion (à deux étapes, LII), etc.
• Faible nombre de Mach et de Froude (représentatif des flammes d’incendie)
• Résolution totalement implicite
• Equations fortement couplées procédure itérative interne (algorithme PISO)
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Modélisation de la phase gazeuse
Evolution spatiale de la température d’une flamme
de PMMA (100x100mm²)GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges
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• Perte de masse (balance)
• Position de l’interface combustible/gaz (caméra latérale)
• Thermocouples dans la flamme et le panache (TC)
• Longueur de flamme (caméra)
• Flux total/radiatif à la surface du combustible (fluxmètre medtherm refroidi +
pastille ZnSe)
100 x 100 mm²Inflammation sous cône
Validation de la modélisation de la phase gazeuse :protocole expérimental
Balance
GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges
Fluxmètre total
Mesure du flux total Mesure du flux radiatif
ZnSe (~
transparente
aux IR)
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Validation de la modélisation de la phase gazeuse : mise en place du fluxmètre à la surface de la plaque
Mesure des flux total et radiatif pour une plaque de PMMA de 100x100mm²
Découplage des flux
convectif et radiatif
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Evolution temporelle des flux d’une flamme de PMMA 100x100mm²
GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges
Flux convectif ~ 5 𝑘𝑊/𝑚²Flux total ~ 25 𝑘𝑊/𝑚²
Flux radiatif ~ 20 𝑘𝑊/𝑚²
• Flux radiatif expérimental de 20kW/m² et
Flux Total de 25kW/m²
• Flux radiatif numérique de 17,5kW/m² et
Flux total de 22,5kW/m²
• Bon accord pour les flux total et radiatif
simulés et mesurés
Comparaison des Flux Radiatifs et Totaux obtenus numériquement
et expérimentalement
Validation de la modélisation de la phase gazeuse :mesure des flux pour une plaque de 100x100mm²
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50 x 50 mm²100 x 100 mm²
200 x 200 mm²
400 x 400 mm²
Perspectives : Etude de la combustion de plaque de PMMA horizontale de
50 x 50 mm², 200 x 200 mm² et 400 x 400 mm²…et des flux mis en jeu…
Même procédure pour des plaques de plus grandes dimensions
Etude de la combustion de plaque de PMMA horizontale de 50 x 50 mm²,
100 x 100 mm², 200 x 200 mm² et 400 x 400 mm²…
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Flaming horizontal : effet d’échelle et notamment sur les flux
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Etude de plaques de 200x200 mm²
Inflammation : panneau radiant
Instrumentation : identique au 100x100 mm²
13GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges
Flux convectif ~ 10 𝑘𝑊/𝑚²Flux total ~ 40 𝑘𝑊/𝑚²
Flux radiatif ~ 30 𝑘𝑊/𝑚²
Evolution temporelle des flux d’une flamme de PMMA 200x200mm
Etude de plaques de 400x400 mm²
Inflammation:
panneau radiant
Instrumentation:
identique au
100x100 mm²
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Evolution temporelle des flux d’une flamme de PMMA 400x400 mm²
GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges
Flux convectif ~ 15 𝑘𝑊/𝑚²Flux total ~ 65 𝑘𝑊/𝑚²
Flux radiatif ~ 50 𝑘𝑊/𝑚²
Effet d’échelle : mesures de débits de pyrolyse et positions de l’interface combustible/gaz
Comparaison débits de pyrolyse pour des plaques
de 400, 200, et 100 mm de coté
Comparaison de la régression pour des plaques de 400, 200, et
100 mm de coté
GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges 15
Débit prescrit pour la
modélisation de la phase
gazeuse
Vitesse de régression
pour validation de la
modélisation de la
phase condensée
Effet d’échelle : mesures des flux
Comparaison des flux totaux et radiatifs à la surface de plaques de 400, 200, et 100 mm de coté
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Evolution temporelle des flux totaux pour
différentes dimensions de plaque
(100,200,400mm)
Evolution temporelle des flux radiatifs pour
différentes dimensions de plaque
(100,200,400mm)
Dimensions Flux total Flux radiatif Flux convectif
100x100 mm² 25kW/m² 20kW/m² 5kW/m²
200x200 mm² 40kW/m² 30kW/m² 10kW/m²
400x400 mm² 65kW/m² 50kW/m² 15kW/m²
GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges
Dimensions Flux radiatif / Flux total
100x100 mm² 0,80
200x200 mm² 0,75
400x400 mm² 0,77
Conclusion
Modèle de dégradation :
• Bon accord (14, 18 kW/m² sans flamme et flamme couche limite)
Modélisation de la flamme :
• Bon accord concernant le flux radiatif et total (100x100mm²)
Expérimentation :
Développement d’une technique de mesure originale pour la mesure et
le découplage des flux à la surface de la plaque combustible
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Perspectives
Modèle de dégradation :
• Poursuite de validations (flaming horizontal) effet d’échelle
Modélisation de la flamme :
• Poursuite développement pour le calcul des flux (couplage
pression/vitesse, intermittence, combustion…)
• Poursuite de validations (flaming horizontal) effet d’échelle
• Simulations de configurations sous oxygénées
Couplage de la phase solide et de la phase gazeuse
Expérimentation :
• Etude de la possibilité d’adapter cette manip dans CADUCEE ou
dans un nouveau dispositif (IUSTI)
GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges
ANR ASTRID MARINER (2013-2015;DGA Tn/LEMTA/IUSTI) : MAîtrise du
Risque INcendie et lutte anti-feu dans des grands Ensembles polydisperses
multi-locaux sur Réseau
Dispositif
Incendie
Appliqué
MArine
Nucléaire
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Schématisation du Caisson
Montage du Caisson Feu
Cahier des charges :
• Deux locaux de 27m3 accolés et
communicants par une porte (1mx2m)
• Paroi en acier de 10mm d’épaisseur
• Cerclage IPN et soudées
intérieur/extérieurs sur chanfreins
(encaisser de fortes contraintes de
température et de pression)
18GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges
Ventilation :
• Naturelle (confiné)
• Mécanique (jusqu’à 10R.h-1 )
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Instrumentation :
• Thermocouples
• Tubes de Pitot
• Fluxmètres radiatifs et totaux
refroidis
• Sondes de prélèvement de
gaz
• Sondes McCaffrey
• Système d’aspersion (en
cours)
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