CARACTERISATION D’UN MELANGE FUMIGENE DE « TYPE CHARDOT »

…pour les essais feu in situe

…pour la formation à feu réel

MASTER 2 PRO ISI

2018/2019

PROJET DE FIN D’ETUDE

Matthieu PLISSON

1

Remerciements

Ce travail de fin d’étude a fait l’objet d’un partenariat avec l’établissement IFOPSE et plus précisément son

bureau d’étude. La collaboration entre le SDIS et le l’IFOPSE a été rendue possible par la grande

disponibilité, la compréhension et la pédagogie du Docteur Nicolas BAL, ingénieur d’étude en charge du

suivi de ce projet. Les contours de l’étude, les appareils de mesures, les locaux d’expérimentation, les outils

d’acquisition de données, le temps, les réflexions et les échanges ont été pleinement mis à ma disposition

par l’IFOPSE pour me permettre de produire un travail en cohérence avec la thématique de ce Master II

professionnel Ingénierie de la Sécurité Incendie.

Dès les premiers temps de ce « stage », une rencontre a été organisée, sur le site de l’IFOPSE, avec le

Laboratoire Centrale de la Préfecture de Police qui travaillait sur une thématique connexe : la mise au point

d’un générateur de fumées tièdes utilisant une forme du « mélange Chardot ». Ce travail était porté par un

stagiaire de cycle ingénieur. Cet échange a été l’occasion d’identifier des pistes de réflexion intéressantes

et d’orienter le sujet dans le sens qui nous semblait correspondre à un besoin d’appropriation technique.

Enfin, la richesse, la diversité et la qualité de l’enseignement de l’équipe pédagogique de l’université d’Aix-

Marseille ont été le socle sur lequel repose les réflexions formalisées dans le présent document.

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Table des matières

Projet de fin d’étude ........................................................................... 0

Introduction ................................................................................... 4

Présentation des objectifs de l’Ifopse et du sujet ............................ 5

2.1 Présentation de l’Ifopse ..............................................................................................................5

2.2 Présentation du sujet ..................................................................................................................6

2.3 Hypothèses .................................................................................................................................6

Caractéristiques des mélanges fumigènes....................................... 8

3.1 Utilisation habituelle du mélange chardot ...................................................................................8

3.2 Composition du mélange « chardot » ..........................................................................................8

Essais expérimentaux à l’air libre.................................................. 10

4.1 Méthodologie des essais ........................................................................................................... 10

4.2 Présentation des résultats......................................................................................................... 14

4.2.1 Analyse des résultats chiffrés relatifs à la masse ................................................................ 14

4.2.2 Analyse de la production de fumée et des flammes ........................................................... 22

4.2.3 Analyse des durées de combustion.................................................................................... 25

4.3 Interprétation des résultats ...................................................................................................... 27

Essais expérimentaux en milieu confiné ....................................... 28

5.1 Méthodologie des essais ........................................................................................................... 28

5.2 Présentation des résultats......................................................................................................... 32

5.2.1 Analyse des résultats chiffrés relatifs à la masse ................................................................ 32

5.2.2 Analyse de la production de fumée et de flammes ............................................................ 38

5.2.3 Analyse de l’évolution de la température dans le volume .................................................. 42

5.2.4 Analyse des durées de combustion.................................................................................... 43

Synthèse des résultats / comparaison / analyse ........................... 46

6.1 Impact de de la taille de la source ............................................................................................. 46

6.2 Impact de la masse ................................................................................................................... 50

6.3 Impact de la composition du mélange (massique / volumique) ................................................. 52

6.4 Impact du confinement (confine ou à l’air libre) ........................................................................ 54

Essais de modélisation numérique du mélange Chardot ............... 55

7.1 Modélisation numérique ........................................................................................................... 55

7.1.1 Fire Dynamic Simulator et Smokeview ............................................................................... 55

7.1.2 Construction du modèle numérique .................................................................................. 56

7.2 Présentation des résultats de la modélisation ........................................................................... 61

3

7.3 Synthèse ................................................................................................................................... 64

Conclusion ................................................................................... 65

Annexes ....................................................................................... 66

9.1 La balance de pesée .................................................................................................................. 67

9.2 L’anémomètre .......................................................................................................................... 68

9.3 Chaleur spécifique de certains matériaux (SFPE) ....................................................................... 69

9.4 Fiche du CETU : Fumées tièdes .................................................................................................. 70

9.5 Le code de calcul cfd ................................................................................................................. 72

9.6 Évaluation des matières dangereuses à l’aide du calorimètre de Tewarson ............................... 74

Bibliographie ............................................................................... 77

4

INTRODUCTION

Dans le cadre du Master II professionnel Mécanique, Physique, Science du feu et Ingénierie de le Sécurité

Incendie, suivi à l’Université d’Aix-Marseille, en partenariat avec l’Ecole Nationale d’Officier de Sapeurs-

Pompiers, un projet de fin d’étude m’a été confié. le sujet de ce dernier a été proposé par le bureau d’étude

technique de l’Etablissement IFOPSE. Les travaux relatifs à ce mémoire ont été réalisés entre les mois de

juillet et décembre 2019, sur le site de l’IFOPSE ainsi qu’au SDIS56 qui est mon lieu de travail.

Le sujet portait sur la contribution à la caractérisation des mélanges fumigènes de type « Chardot » pour

les besoins d’essais feu sur site et pour la formation. L’objectif initié était de mieux appréhender et

connaitre ce mélange afin de pouvoir le préparer de manière à prévoir les conditions d’enfumage du volume

dans lequel est ensuite réalisé l’ « essai ».

Ces recherches ont nécessité de réaliser des mesures expérimentales à l’air libre et à l’intérieur de locaux

et de réaliser des essais de modélisation numérique, ce qui a permis de mettre en application différents

aspects et matière abordés dans le cadre de la formation.

Ce document présentera donc la démarche entreprise et les différentes étapes ayant permis de dégager

des pistes de caractérisation des mélanges. Il convient de préciser que le temps et les moyens disponibles

ont permis d’aborder le sujet et dégager quelques pistes de réflexion, toutefois, il ne s’agit pas d’une étude

exhaustive sur la question.

Après une rapide présentation de l’entreprise et du partenariat entre l’IFOPSE et le SDIS, ce document

présentera :

- Les essais réalisés à l’air libre

- Les essais réalisés en milieu confiné

- L’analyse des résultats expérimentaux

- Les essais de modélisation numérique

- Une ébauche d’abaque de préparation de mélanges fumigènes

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PRESENTATION DES OBJECTIFS DE L’IFOPSE ET DU SUJET

2.1 PRESENTATION DE L’IFOPSE

L’IFOPSE est un organisme de formation à la Sécurité et d’Audit Conseil en Prévention et en Ingénierie de

Sécurité Incendie. Filiale à 100% du groupe EDF, il dispose de 2 centres de formation implantés à Nivillac

(Morbihan) et Aux Avenières (Isère), et de 10 unités mobiles chargés de déployer des actions de formation

dans toute la France.

L’établissement exerce dans 4 métiers distincts :

➢ Les activités du service Etude et Conseil couvrent : • Des études d’ingénierie de la sécurité incendie impliquant la réalisation de simulations numériques d’incendie • Des missions d’audit et de conseil au profit des installations en exploitation • Des études de risque explosion (zonage ATEX, rédaction des DRPCE, audit…) ; • Des études de risque incendie en application des exigences réglementaires de l’arrêté du 7 février 2012 fixant les règles générales relatives aux INB

• La conception et la mise en œuvre de méthodologies spécifiques • Le pilotage opérationnel de programmes de Maitrise du Risque Incendie ; • La réalisation d’études préalables à l’amélioration de la prévention et la protection incendie sur les

sites industriels.

➢ L’offre de formation couvrent les domaines suivants :

• L’incendie

• La prévention incendie

• L’évacuation

• Les risques chimiques

• L’ATEX – explosion

• La gestion de crise – POI

• Le SST

• La marine

• Les espaces confinés

• CFBT

• …

➢ La gestion de crise s’appuye sur la mise à disposition d’un

outil de gestion de crise SécuRéVi, une solution opérationnelle

de management de la sécurité conçue par Inovadys (filiale

d’IFOPSE).

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➢ L’offre simulateurs incendie concerne un plateau technique de

containers métallique à bois permettant :

• La location du plateau à des organismes publics ou privés

• Le mise en œuvre de formation à feu réel dans des

containers métalliques multi-volumes

2.2 PRESENTATION DU SUJET

Les porteurs de projets, bureaux d’études et autres organismes de formation ou sapeurs-pompiers sont

amenés à réaliser des essais d’enfumage de locaux pour les besoins d’étude d’ingénierie de sécurité

incendie ou encore pour la formation, ou autres exercices réalistes. L’objectif fréquemment attendu est la

production d’une fumée dense, chaude et opaque, susceptible de se conformer de manière similaire à celle

produite par un feu en situation réelle. Depuis plusieurs décennies, la solution la plus fréquemment retenue

est le recours à un mélange inflammable particulièrement fumigène dénommé « mélange Chardot ». Ce

mélange est composé en règle générale de nitrate de potassium (KNO3), de fécule de pomme de terre et

d’un autre produit réactif qui peut varier selon les « écoles ».

Bien que ce mélange soit très largement utilisé pour produire de la fumée, son usage est relativement

empirique, voir approximatif. Il n’existe pas de dosage optimal ou encore de lien établi et connu entre la

composition du mélange et les caractéristiques de la fumée produite : quantité, densité, couleur, opacité,

durée de combustion, présence de flammes.

Les proportions du mélange le plus couramment utilisé correspondent à 1/3 de chaque réactif. Toutefois,

cet usage reconnu ne précise pas s’il s’agit d’une répartition en masse ou en volume, ce qui est très différent

compte-tenu des écarts significatifs de masse volumique 3 produits.

L’objectif de ce travail d’étude est donc de trouver des pistes permettant d’estimer les conditions de

mélange (proportions, quantités, diamètre, disposition, allumage) nécessaire pour produire une réaction

de combustion à « débit de pyrolyse prévisible », voire à « quantité de fumée prévisible ». Il serait

également très intéressant de pouvoir anticiper les caractéristiques de la réaction en termes de

température, de présence de flamme ou encore d’aspect de la fumée. La connaissance de ces données

permettrait à un utilisateur du mélange de pouvoir répondre spécifiquement à une commande en adaptant

l’essai aux locaux (taille, exploitation, ventilation, etc.,). Cela pourrait également être bénéfique pour créer

du lien avec la modélisation numérique.

2.3 HYPOTHESES

En s’appuyant sur les principes de la physique du feu associés aux théories de la mécanique des fluides, on

peut d’ores et déjà énoncer un certain nombre de critères prévisibles permettant de caractériser la réaction

de combustion de notre mélange fumigène.

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Toutefois, ce qui nous intéresse dans le cas présent c’est de pouvoir définir des critères de préparation

concrets du mélange qui s’appuient sur les concepts théoriques, les mesures expérimentales et, si on

parvient à trouver une convergence, la modélisation numérique.

Afin d’identifier dans quels sens orienter nos recherches, il a donc été nécessaire de réfléchir à quelques

hypothèses de comportement de notre mélange.

Hypothèse 1

La première hypothèse pourrait s’apparenter à une condition expérimentale car il s’agit de prévoir que la

combustion du mélange Chardot ne se comporte pas différemment à l’air libre qu’en atmosphère confiné.

Cela pose dès le départ la condition de réalisation de nos essais en confiné qui sous-entend de ne pas se

retrouver en situation de dépendance à l’oxygène (Feu Limité par la Ventilation).

Hypothèse 2

La seconde hypothèse consiste à « pressentir » qu’il existe un lien entre la surface de combustion et la

réaction de combustion du mélange. Cette règle est connue et démontrée par l’expérimentation dans le

cas de la combustion des liquides inflammable (Cf. corrélations de Babrauskas).

Figure 2.1 : corrélation de Babrauska

On constate dans la formule que le débit massique est bien dépendant

de la taille de la source « D » (diamètre équivalent de la nappe).

Il n’existe pas de corrélation équivalente pour la combustion des solides, pourtant, Björn KARLSON et James

G. QUINTIERE écrivent dans l’ouvrage « Enclosure Fire Dynamics » (chap 3.4.2) que « some solid

thermoplastic materials behave as liquid pools when they burn » ce qui signifie en français dans le texte

qu’ils émettent l’hypothèse que certains matériaux solides thermoplastiques peuvent se comporter comme

des flaques de liquides lorsqu’ils brulent. Par ailleurs, on sait que le débit massique de combustion des

solides évolue plutôt de manière linéaire avec l’augmentation de la surface réactionnelle de la source, bien

que cette approximation ne fasse pas l’objet d’une équation corrélée définie.

Il semble donc intéressant, en s’appuyant sur ces deux profils distincts, de s’interroger sur la possibilité de

rechercher un lien, entre notre surface réactionnelle de mélange Chardot et les caractéristiques de sa

combustion.

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CARACTERISTIQUES DES MELANGES FUMIGENES

3.1 UTILISATION HABITUELLE DU MELANGE CHARDOT

La production de fumée tiède est particulièrement utilisée dans le cadre d’essais dans certains ouvrages.

L’annexe 7 du guide méthodologique du CETU sur les exercices de sécurité en tunnel routier présente de

manière claire et concise les conditions d’utilisation courante de ce mélange, tel que décrit ci-après :

« La production de fumées tièdes est un moyen d’approcher le comportement des fumées observé en cas

d’incendie réel, notamment leur stratification éventuelle, sans pour autant nécessiter de gros moyens ni

engendrer des coûts élevés. Depuis quelques années, une méthode de production de fumées tièdes s’est

généralisé et imposée en tunnel. Cette méthode repose sur la combustion d’un mélange de nitrate de

potassium et de fécule de pommes de terre (« mélange Chardot »), qui produit une grosse quantité de

fumées dont la température est de l’ordre de 50°C à quelques mètres au-dessus du foyer.

Pour mettre en œuvre cette méthode, il convient de bien maîtriser la composition et la quantité du mélange brûlé afin de contrôler le volume de fumées produit et la puissance thermique dégagée. Le mélange combustible est placé dans plusieurs bacs allumés successivement afin de maintenir une production de fumées et une puissance dégagée les plus stables possibles durant l’essai. Les bacs généralement utilisés libèrent une puissance voisine de 300 kW pendant une durée qui varie de 5 à 8 min. Selon l’importance de l’incendie qu’il est souhaité simuler, un ou plusieurs bacs peuvent être allumés simultanément. L’avantage de cette technique de production de fumées est qu’elle libère une quantité de chaleur suffisante pour recréer les phénomènes de flottabilité des fumées, sans pour autant présenter des risques de dégradation du tunnel et de ses équipements sous l’effet de la chaleur. Cependant, pour éviter certains désagréments comme la chauffe du goudron par exemple, la chaussée devra être protégée. De plus, ces fumées ne génèrent pas de salissures notables de l’ouvrage. La production de telles fumées peut donc être réalisée sans mise en place de protections particulières. » Cet article laisse penser que l’utilisation du mélange Chardot est assez simple d’utilisation et que son comportement est prévisible. Qu’en est-il de sa composition ? quels sont les conditions d’allumage ? Quel type de récipient faut-il utiliser ? Qu’entend-on par salissure non notables ? Quelle quantité de produit permet d’obtenir l’effet annoncé – 300 kW, 5 à 8 minutes, 50°c, pas de salissure ? Ce sont bien là toutes les questions auxquelles nous allons tenter d’apporter des pistes de réponses dans la suite du présent rapport.

3.2 COMPOSITION DU MELANGE « CHARDOT »

Figure 3.1 : Réactifs composant la mélange Chardot

*les flocons de pomme de terre peuvent également être remplacés par du lactose (Cf. présentation Efectis France pour le GdR du 14 janvier 2010), ou encore du sucre

Nitrate de potassium (KNO3)

Flocons de pomme de terre

fécule de pomme de terre (amidon)

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La communité s’accorde sur l’usage d’une répartition par tiers des 3 quantités de produit à intégrer

dans le mélange. Toutefois, la question qui reste entière est celle de la proportion : s’agit-il de

proportion de volumes égaux ou de proportion de masse égales ? Compte-tenu de la différence des

masses volumique des produits, cela génère une répartition des quantités très différente selon qu’il

s’agisse de proportion massique ou de proportion volumique.

Le tableau suivant présente les masses volumiques moyenne des produits considérés :

Constituants du mélange Masse volumique

Nitrate de potassium (KNO3) 1,65 g.cm-3

Fécule de pomme de terre (amidon) 1,05 g.cm-3

Flocons de pomme de terre 0,7 g.cm-3

Figure 3.2 : constitution du mélange Chardot

On se rend donc compte immédiatement que pour un mélange à proportion volumique, la quantité en

masse de Nitrate de potassium (KNO3) sera d’autant plus élevée que sa masse volumique est la plus

importante des trois. S’agissant du produit le plus réactionnel des trois, on peut donc aisément

s’attendre à ce que cela ait un impact sur la réaction de combustion.

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ESSAIS EXPERIMENTAUX A L’AIR LIBRE

4.1 METHODOLOGIE DES ESSAIS

Deux séries d’essais ont été réalisées sur le site du centre de formation de l’IFOPSE afin de rechercher à caractériser le comportement du mélange fumigène en faisant varier différents paramètres plus ou moins contrôlable et mesurables. La première série d’essais a été effectuée à l’extérieur, tandis que la seconde partie des essais a eu lieu en intérieur dans un volume confiné et ventilé. La première campagne d’essais, à l’air libre, avait pour objectif de travailler sur les critères observables de la combustion du produit. Lors de cette étape, nous nous sommes attachés à caractériser les résultats en utilisant les critères mesurables suivants :

➔ Perte de masse (utilisation d’une balance calorifugée) ➔ Flamme : présence ou non et hauteur moyenne (observation de l’opérateur) ➔ Fumée : observation de la couleur, de la quantité, de la vélocité (observation de l’opérateur) ➔ Température : pas de mesure de température à l’extérieur

Figure 4.1 : installation des essais extérieurs

Le protocole expérimental mis en œuvre était le suivant : 1-Le récipient de Combustion : Le mélange « Chardot » préalablement préparé (mélangé et homogénéisé) est versé dans un bac métallique (en acier résistant ou en fonte). 4 types de récipients distincts ont été choisis afin d’observer l’influence éventuelle des critères de surface et de disposition du mélange.

Le premier récipient utilisé est en métal de type fonte épaisse de 9cm de côté et de 15 cm d’épaisseur. Il n’est pas possible de faire varier la masse mais seulement les proportions du mélange, compte-tenu du volume très limité de ce récipient. Ce récipient sera intitulé « conserve » dans les données de résultats.

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Le second récipient utilisé est un seau en fonte de 20 cm de diamètre légèrement évasé en partie haute. La diamètre moyen variant entre 19cm (en partie basse) et 21cm (en partie haute). Ce récipient sera intitulé « seau » dans les données de résultats.

Le 3ème récipient est un bac en acier double peau pouvant être refroidi au besoin par un circuit fermé d’eau courante. Cette disposition n’a pas été utilisée pour les essais réalisés. Ce bac de forme carré de 40 cm de côté sera ensuite dénommé « Bac40 » dans les données de résultats (ou petit bac).

le 4ème récipient est un bac en acier inoxydable fin résistant. Ce bac rectangulaire mesure 80 cm de longueur et 60 cm de largeur. Il sera ensuite intitulé « Grand bac » dans les données de résultats. 2-Le lieu de l’essai Les essais sont réalisés sur le site du centre de formation de l’IFOPSE qui dispose d’une autorisation pour la production de fumée contrôlée. La nature et la quantité des essais réalisés entrent dans le cadre fixé par cette autorisation. Les containers métalliques présents sur site permettent d’abriter les appareils de mesures (centrale d’acquisition de données, ordinateur, …). Les essais se déroulent à l’air libre. 3-la méthode d’allumage L’allumage est réalisé au moyen d’un tube-chalumeau à gaz alimenté par un réservoir de propane de type « camping-gaz ». La difficulté réside dans la reproductibilité du geste d’allumage (durée, emplacement, intensité de la flamme). Par ailleurs, en fonction des mélanges (concentration, épaisseur, format du récipient) le maintien de la combustion peut nécessiter de chauffer de manière prolongée la surface du mélange. Une attention toute particulière est donc apportée par l’opérateur afin de répéter un geste le plus homogène possible. Par ailleurs, le point d’allumage est précisément identifié (minuté) à chaque essai. 4-les mesures réalisées

• Perte de masse : La perte de masse est mesurée au moyen d’une balance calorifugée, couplée à un indicateur de pesage de type « Combics 3 CAIS(L)3 ». L’acquisition des données est ensuite effectuée sur un ordinateur associé disposant d'un « logiciel maison » pour l’enregistrement automatisé et régulier des mesures de masse. Une mesure de masse est enregistrée chaque seconde. Le niveau de précision de la mesure est de l’ordre du gramme.

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Figure 4.2 : La balance calorifugée

• Durée de combustion : Le temps de combustion est chronométré en prenant comme point d’ignition le moment où l’opérateur retire la flamme du chalumeau avec une combustion entretenue. Le point d’extinction est arrêté lorsque la combustion est visiblement terminée et que la masse est stabilisée.

• Flamme : La présence ou non de flamme est observée par l’opérateur. C’est un 1er critère discriminant. La hauteur de flamme est mesurée de manière subjective : 2 valeurs sont retenues comme critères pour une flamme présente : petites flammes ou grandes flammes.

• Fumée : la fumée est observée et caractérisée par sa couleur, sa densité et sa vitesse de déplacement. La fumée est noire ou blanche, épaisse ou parsemé.

• Température : Pour les essais réalisés à l’extérieur, aucune mesure de température n’est réalisée. Il est entendu que le flux convectif d’air peut varier en fonction de la météo et avoir un impact sur les essais. On s’attache donc à ne réaliser les essais extérieur que dans des conditions de faible vent météo. 5-Limites et faiblesses du protocole

➔ Les conditions d’allumage : l’allumage au chalumeau par un opérateur est difficile à reproduire de

manière identique à chaque essai

➔ L’influence de la météo :

o température extérieure : les essais ont été réalisés sur plusieurs journées sur lesquelles la

température extérieure était très différente (variation de l’ordre de 15°c). On peut

supposer que ce facteur est susceptible d’avoir un impact sur la réaction.

o Vent : le vent a un double impact sur les essais. D’une part il génère du bruit sur la balance

et donc une variation de la masse non justifiée. D’autre part, il peut avoir un impact sur la

combustion du mélange (effet de « tirage ») mais cet impact est assez limité compte-tenu

de la configuration géométrique des récipients d’essais. Par ailleurs, les essais n’ont pas été

réalisés les jours ou le vent avait un impact visible sur la balance.

6-Les différents essais réalisés

Les essais réalisés en extérieurs sont formalisés dans le tableau suivant :

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Test Nom Récipient Masse Proportion Note

Test#1 Chardot_vol_2 Bac : 40 x 40cm 1500g Volumique présence de résidu verdâtre. Test non retenu pour caractériser le mélange compte-tenu de l’absence de fécule

Test#2 EXT_Test #2_Bac40_Vol (1.5kg)

Bac : 40 x 40cm 1500g Volumique

Test#3 EXT_Test #3_Bac40_Vol (1.5kg)

Bac : 40 x 40cm 1500g Volumique avant essai, récipient refroidit à l’eau. - Observation : à la fin de l’essai on constate que des petites parties du mélange n’ont pas brulé. Lors du nettoyage, ceux-ci se sont mis à bruler. - allumage extérieur puis balayage du chalumeau le long de la surface.

Test#4 EXT_Test #4_Bac40_Vol (1.5kg)

Bac : 40 x 40cm 1500g Volumique allumage au centre flamme de hauteur 50cm environ est observable.

Test#5 EXT_Test #5_Bac40_Mass (1.5kg)

Bac : 40 x 40cm 1500g Massique - rallumage à 72s car extinction - pas de flamme observable - résidu plus compact

Test#6 EXT_Test #6_Bac40_Mass (1.5kg)

Bac : 40 x 40cm 1500g Massique - rallumage à 46s car extinction - pas de flamme observable - résidu plus compacte

Test#7 EXT_Test #7_Bac40_Mass (3kg)

Bac : 40 x 40cm 3000g Massique - allumage au centre - pas de flamme observable - résidu plus compacte

Test#8 EXT_Test #8_Bac40_Mass (3kg)

Bac : 40 x 40cm 3000g Massique - allumage homogène - rallumage à 84 et 135s - pas de flamme observable - résidu plus compacte

Test#9 EXT_Test #9_Seau_Mass (2kg)

Seau : diam 20cm 2000g Massique - fumée noire - peu de flamme - résidu compact - 1 allumage unique au chalumeau

Test#10 EXT_Test #10_Bac40_Mass (2kg)

bac : 40 x 40 cm 2000g Massique - fumée noire - peu de flamme - résidu compact - 1 allumage unique au chalumeau

Test#11 EXT_Test #11_Seau_Vol (2kg)

Seau : diam 20cm 2000g Volumique - fumée noire - flamme - résidu compact - 1 allumage au chalumeau

Test#12 EXT_Test #12_Bac40_Vol (2kg)

bac : 40 x 40 cm 2000g Volumique - fumée noire - flammes vives et hautes. - résidu compact - 1 allumage au chalumeau

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Test#13 EXT_Test#13_seau_Mass (2kg)

Seau : 20 cm diam 2000g Massique - fumée noire - peu de flamme - résidu compact - 1 allumage au chalumeau

4.2 PRESENTATION DES RESULTATS

4.2.1 Analyse des résultats chiffrés relatifs à la masse

Les mesures de masses sont générées automatiquement sur un fichier [Txt], intégrable ensuite dans un

tableur Excel en passant par un format [CSV]. Chaque essai fait l’objet d’une mesure de masse pendant

toute la durée de la combustion, à raison d’une mesure à chaque seconde. Les données sont ensuite

compilées dans un tableur [Excel]. On obtient une courbe d’évolution de la masse en fonction du temps.

Cette courbe peut ensuite être traduite en évolution de la perte de masse en fonction du temps afin de

mesurer directement le débit massique de la réaction (kg/s) en fonction du temps.

En prenant l’exemple du test#8, on se rend compte que les mesures réalisées toutes les secondes sont

précises mais présentent une variation des données qui perturbe la lecture de la tendance de la courbe.

15

Afin de limiter ces variations dues à la précision des mesures et mettre en évidence les tendances de chaque

essai, il est donc choisi d’appliquer un filtre permettant de réaliser une « moyenne pondérée » de chaque

point de mesure. On dénommera :

- « filtre3 » la donnée filtrée en pondérant avec les mesures de la seconde précédente et de la

seconde suivante

- « Filtre5 » la donnée filtrée en pondérant avec les mesures des 2 secondes précédentes et des 2

secondes suivantes

- « Filtre7 » la donnée filtrée en pondérant avec les mesures des 4 secondes précédentes et des 4

secondes suivantes

Temps [s] Masse [Kg] Perte Masse [Kg/s]Perte Masse [Kg/s]

Filtre 3

Perte Masse [Kg/s]

Filtre 5

Perte Masse [Kg/s]

Filtre 7

1.02 1.928 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

2.05 1.928 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

3.05 1.928 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

4.08 1.928 0.0000 0.0000 -0.0004 -0.0003

5.08 1.928 0.0000 -0.0007 -0.0004 -0.0003

6.09 1.93 -0.0020 -0.0007 -0.0004 -0.0003

7.11 1.93 0.0000 -0.0007 -0.0004 0.0000

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Cette courbe de l’évolution du débit massique permet de mettre en évidence l’intensité de la réaction de

combustion qui se traduit directement par la dégradation de la matière et donc la diminution de la masse du

mélange. On se rend compte dans l’exemple qui est pris que l’on se retrouve dans la situation d’un « pic » de

perte de masse qui correspond donc à un pic de combustion.

Cependant, ce qui nous intéresse dans la présente étude est de pouvoir comparer les données entres elles afin

de dégager un certain nombre de tendances. Toutefois, les durées des essais, ainsi que les masses de mélanges

étant variables, il a donc été nécessaire dans certains cas, de recourir à l’utilisation d’une « masse

rationnalisée » et de ramener les « t0 » des courbes au temps identifié de l’ignition. Cela permet ainsi de

« recaler » les courbes entre elles et de comparer les données sur des critères communs.

La figure ci-dessous permet ainsi de présenter l’évolution des masses de chaque mélange, rapportés à une

masse rationalisée et de comparer ainsi les vitesses de combustion, les durées de combustion et les quantités

de produits dégradés.

17

Le premier constat qui est le plus flagrant est que sur l’ensemble des essais, le mélange perd 70% de sa masse

et conserve 30% de résidu. Cet élément se constate en lecture directe sur le graphique ci-dessus. Le second

constat que l’on réalise immédiatement est que la durée de combustion, la vitesse de combustion (pente de

la perte de masse) et le délai de déclenchement (ou d’accélération) du processus sont tous variables d’un essai

à l’autre.

Si l’on transpose ces résultats sur un graphique permettant de représenter la perte de masse en fonction du

temps, on peut également identifier un autre critère intéressant qui est le délai de mise en œuvre du

processus. On se rend compte que pour les 12 tests extérieurs analysés, l’essentiel de la réaction se situe entre

150 et 350 secondes.

Enfin, il peut également être intéressant de calculer une donnée globale qui peut être considérée comme un

bilan de la réaction. Il s’agit du débit massique moyen de chacun des essais. Ce calcul du débit massique global

de l’essai correspond au rapport suivant : perte de masse totale / temps de combustion (kg/s). Cette donnée

ne traduit pas l’évolution dans le temps mais est un bilan réactionnel. La figure suivante permet d’illustrer ces

12 débits massiques afin de caractériser les essais.

18

Le débit massique moyen mesuré est donc de 6.8 g/s avec un minimum à 2 g/s et un maximum à 18 g/s.

On constate immédiatement qu’il y peut y avoir des variations significatives des débits de pyrolyse entre

chacun des essais alors que l’on a utilisé les mêmes produits. Toutefois, on rappelle que chaque test avait

pour objectif de faire varier les critères afin d’essayer d’en mesurer, voire d’en prédire l’impact. C’est ainsi

que le graphique précédent illustre des essais pour lesquels les critères de variation étaient :

- La masse de mélange (1.5kg, 3kg et 2kg)

- Le récipient réactionnel (Bac 40cm, seau 20cm)

- Les proportions du mélange (1/3 massique ou 1/3 volumique*)

Débit massique moyen

(0.0068 kg/s)

19

Afin de gommer la variable de surface pour comparer les débits massiques entre eux, il est également

proposé d’utiliser les débits massiques rapportés à leur surface en calculant les débits massiques

surfaciques. Par ailleurs, il semble intéressant de s’intéresser à la phase de combustion stabilisée

(homogène) plutôt qu’à l’ensemble de la réaction de combustion. On calcule donc une courbe de tendance

(fonction affine) pour laquelle la pente correspond au débit massique de la réaction de combustion dans sa

phase stabilisée. Le graphique suivant illustre la méthode retenue :

Dans cet exemple, on obtient ainsi une pente égale au débit massique égale 0.0048 kg/s (avec une indice

de confiance de 0.9945). En compilant ces données dans un graphique global, on obtient les débits

massiques « stabilisées » suivants :

20

Débit massique

moyen = 0.017 kg/s

21

Influence de la surface

On élimine ensuite l’impact de la surface sur les conditions de combustion : on rapporte les données de

débit massique à la surface réactionnelle en présentant un graphique des débits massiques surfaciques

(kg/s/m²)

En théorie, s’agissant du même mélange réactionnel, on devrait se retrouver sur des débits massiques

relativement similaires entre les différents essais. On constate cependant ce débit massique surfacique

peut varier d’un test à l’autre. Cette variation est particulièrement marquée dans le cas du test#11 réalisé

avec le seau.

Débit massique surfacique moyen (0.234 kg/s/m²)

Mélange volumique

Débit massique surfacique moyen (0.093 kg/s/m²)

Mélange massique

22

En l’absence d’explication physique, il convient de s’interroger sur les modalités de mise à œuvre des essais

et plus précisément du protocole expérimental.

Tout d’abord, comme décrit précédemment, une faiblesse identifiée dans le protocole réside dans les

conditions d’allumage du mélange. il apparait que l’allumage dans le seau est beaucoup plus aisé que dans

le bac, compte-tenu de la surface réactionnelle à couvrir par l’opérateur avec le chalumeau pour effectuer

un allumage efficace.

Par ailleurs, une seconde explication pourrait résider dans les conditions de concentration du flux de

chaleur du mélange réactionnel. La surface réactionnelle du mélange est directement exposée au flux

convectif de l’air extérieur qui a tendance à refroidir la zone de combustion dans le cas du Bac40. En

revanche, les parois du seau débordant au-dessus du mélange ont tendance à concentrer le flux de chaleur

au niveau de la surface réactionnelle ce qui pourrait agir comme catalyseur de la réaction. On peut donc

considérer que les parois du seau ont eu un impact significatif sur la combustion, rendant plus complexe la

comparaison des essais entre eux.

Influence de la proportion du mélange

Compte-tenu de la différence de densité entre les produits du « mélange Chardot », le choix de la

proportion volumique ou massique entraine un écart de quantité de produits présent dans le mélange. En

effet, les densités des différents ingrédients sont les suivantes :

Constituants du mélange Masse volumique Dosage massique

(1kg)

Dosage volumique

(1kg)

Nitrate de potassium (KNO3) 1,65 g.cm-3 333 g = 202 cm3 485 g = 294 cm3

Fécule de pomme de terre (amidon) 1,05 g.cm-3 333 g = 317 cm3 309 g = 294 cm3

Flocons de pomme de terre 0,7 g.cm-3 333 g = 476 cm3 206 g = 294 cm3

Figure 4.1 : proportion du mélange

On constate donc qu’un mélange volumique (volume identique pour chaque produit) concentre plus de

nitrate de potassium (en masse) qu’un mélange massique compte-tenu de sa densité plus élevée. Il est

donc prévisible et cohérent que le comportement des deux mélanges soit distinct. On pourrait ainsi

considérer le Nitrate de potassium comme l’élément « catalyseur » de la réaction, d’un point de vue

chimique. Sa présence en plus grande quantité entraine une accélération du phénomène et donc un débit

massique plus élevé (débit de pyrolyse).

4.2.2 Analyse de la production de fumée et des flammes

Test Masse Proportion Image Observations

Test#1 1500g Volumique

Fumée claire, presque blanche. Peu opaque. Présence de flammes. Hauteur de flammes = 0.5m

23

Test#2 1500g Volumique

Fumée plus foncée mais restant claire. Présence de flammes. Hauteur de flammes = 0.5m

Test#3 1500g Volumique

Fumée claire et peu dense. Présence de flammes vives et sur toute surface de la zone de combustion. Hauteur de flammes = 0.8m

Test#4 1500g Volumique

Fumée claire et peu dense. Présence de flammes vives et sur toute surface de la zone de combustion. Hauteur de flammes = 0.8m

Test#5 1500g Massique

Fumée très foncée : brune à noire. Fumée assez dense. Absence de flamme visible.

24

Tes*t#6 1500g Massique

*

Fumée foncée mais moins noire : grise à brune. Absence de flamme visible.

Test#7 3000g Massique

Fumée foncée : grise à brune. Absence de flamme visible.

Test#8 3000g Massique

Fumée très brune et dense. Absence de flamme visible.

Test#9 2000g Massique

Fumée brune, dense et rapide. Absence de flamme visible.

25

Test#10 2000g Massique

Fumée brune, dense et rapide. Absence de flamme visible.

Test#11 2000g Volumique

Fumée plus claire mais assez grise. Présence de flamme. Non visible sur la photo d’illustration.

Test#12 2000g Volumique

Fumée blanchâtre à grise. Moins de densité. Présence de flamme visible. Hauteur de flammes = 0.8m

Test#13 2000g Massique Pas d’image exploitable

4.2.3 Analyse des durées de combustion

La durée de combustion est un critère intéressant à analyser lorsque l’on souhaite anticiper la durée d’une

démonstration ou d’un exercice. Le graphique suivant met en évidence les durées totales de combustion

et donc de production de fumée en fonction des essais réalisés.

26

Les histogrammes en rouges représentent les essais effectués en proportion massique. Les histogrammes

en bleus représentent les essais réalisés en proportion volumique. Une première analyse met en évidence

une durée globalement plus élevée pour les essais en proportion massique que ceux en proportion

volumique. Toutefois, la variation des conditions d’essais, empêche toute conclusion objective. Il convient

donc de s’intéresser à la comparaison d’essais réalisés dans des conditions identiques.

Les graphiques suivants permettent de comparer les essais réalisés dans des conditions identiques (même

récipient et même quantité) et vérifier de la sorte si le critère de proportion du mélange a un impact sur la

durée de combustion. Les essais comparés sont donc réalisés avec un récipient identique et une masse

identique. La seule variable entre les essais est donc la proportion du mélange (volumique ou massique).

27

On constate sur les deux graphiques précédents que la durée de combustion est très supérieure dans le cas

d’un mélange massique par rapport au mélange volumique. La durée de combustion est environ 2 à 3 fois

plus longue. Cette caractéristique du mélange est une donnée directement exploitable pour la préparation

des mélanges.

4.3 INTERPRETATION DES RESULTATS

La campagne d’essai à l’air libre a ainsi permis de mettre en évidence les premières pistes de

caractérisation suivantes :

➢ Influence de la proportion du mélange (Massique/Volumique)

➢ Influence de la masse

➢ Influence de la surface de réaction (diamètre du récipient)

Durée de combustion Débit massique Production de fumée

flammes

Proportion du mélange

Durée de combustion 2 à 3 fois plus longue pour un mélange massique

Débit massique 2 à 3 fois plus élevé pour un mélange volumique

Volumique : fumées blanches Massique : fumée noire

Volumique : flammes vives Massique : pas de flamme

Masse Durée de combustion augmente avec la masse

Pas de lien identifié entre masse et débit massique

Pas de lien observé entre masse et fumée

Pas de lien observé entre masse et flammes

Type de récipient (taille de la source)

Durée de combustion augmente avec la masse. Pas mis en évidence de manière flagrante.

Durée de combustion diminue avec la masse. Pas mis en évidence de manière flagrante.

Pas de lien flagrant observé

Pas de lien flagrant observé

28

ESSAIS EXPERIMENTAUX EN MILIEU CONFINE

5.1 METHODOLOGIE DES ESSAIS

1-le récipient de combustion

Dans le cadre de ces essais dans un volume, les 4 récipients différents présentés précédemment ont été

utilisés afin de chercher à faire varier la taille de la source (surface).

Les surfaces équivalentes des récipients sont les suivantes :

Conserve 9 X 9 cm 81 cm² = 0.0081m²

Seau Diam = 20 cm 1256cm² = 0.126m²

Bac40

40 x 40 cm 1600cm² = 0.16m²

Bac80

80 x 60 cm 4800cm² = 0.48m²

2-Le lieu de l’essai

Les essais sont également réalisés sur le site de l’IFOPSE. Un local vide, à usage de formation est réservé

pour l’occasion.

A la différence des essais à l’air libre, la réalisation de ces essais nécessite de trouver un local susceptible

d’être entièrement enfumé tout en étant facilement désenfumable. La présence d’une extraction

mécanique permet de contrôler la quantité de fumée extraite en permanence. Ce local doit également

disposer d’un espace à proximité pour permettre de raccorder les sondes de mesures à leur centrale

d’acquisition. Enfin, le local doit être isolé des autres volumes afin d’éviter de propager les fumées dans des

locaux adjacents et préserver les opérateurs de l’exposition aux fumées de la combustion.

Le local retenu est un local de 55 m² implanté au 2ème étage d’un bâtiment à usage de formation. Celui-ci

présente les dimensions suivantes : longueur 9m30 x largeur 6m00 x hauteur 3m00. Il dispose d’une porte

d’accès et d’une porte de dégagement de dimension 2m00 x 0m90.

Seul la porte d’accès sera entrouverte durant la totalité des essais afin de permettre l’apport d’air mais

également le passage des câbles de connexion des capteurs (câble de la balance et thermocouples).

L’ouverture représente une surface d’amenée d’air de 0m10 x 2m00. Un registre d’amenée d’air donnant

29

sur l’extérieur est présent sur la façade opposée à la porte d’accès en partie basse. La surface équivalente

de l’ouverture est de 0m40 x 0m40. Une gaine d’extraction mécanique de dimension 0m48 x 0m435 est

également implantée en partie haute de la façade contiguë à la porte d’accès. Le débit et la vitesse

d’extraction sont mesurés à l’aide d’un anémomètre afin de vérifier les conditions de « remplissage

/ vidange » du local.

Figure 5.1 : Protocole expérimental des essais intérieurs

3-la méthode d’allumage A l’identique des essais extérieurs, l’allumage est réalisé au moyen d’un tube-chalumeau à gaz alimenté par un réservoir de propane de type « camping-gaz ». La difficulté réside une nouvelle fois dans la reproductibilité du geste d’allumage (durée, emplacement, intensité de la flamme). Une attention toute particulière est donc apportée par l’opérateur afin de répéter un geste le plus homogène possible. Par ailleurs, le point d’allumage est précisément identifié (minuté) à chaque essai. Pour mémoire, il correspond à l’allumage et la propagation de la combustion. En effet, on notera dans certains cas qu’il est nécessaire de réitérer l’opération d’allumage (plutôt pour des mélanges massiques). 4-les mesures réalisées La réalisation d’essai en intérieur a permis d’effectuer des mesures complémentaires associées à la concentration des fumées et à l’étude de l’impact de cette concentration. Les mesures de masse, de durée de combustion et de caractéristiques des fumées ont donc été complétées par des mesures de température (utilisation de thermocouples), des mesures de hauteur de fumée (utilisation d’une pige métrique et de la vidéo) et un contrôle de débits et vitesse d’extraction d’air du volume.

Pige métrique

Thermocouples K

Balance calorifugée

Registre amenée air

Extraction

mécanique

porte amenée air

30

• Température : 10 sondes thermocouples de type K ont été mises en place dans le volume afin de mesurer l’évolution de la température au cours des essais. Ces 10 sondes sont raccordées à une centrale d’acquisition multipoints permettant de réaliser un enregistrement simultané des températures toutes les 10 secondes. En fin d’essai la centrale d’acquisition génère un fichier [CSV] qui permet ensuite d’exploiter les données au format [Excel] afin de réaliser les graphiques. Les 10 thermocouples sont implantés comme indiqués dans le schéma ci-dessous. Ils sont dénommés de TC1 à TC10. 6 d’entre eux sont implantés sur un plan horizontal situé à 2m60 de haut. 4 d’entre eux sont positionnés sur un arbre à thermocouples vertical situé au centre du volume à 3m du foyer. Le thermocouple le plus proche du foyer se trouve à 2m60 au droit de celui-ci : il s’agit du TC3.

Figure 5.2 : Schéma d’organisation des essais intérieurs

La mesure de température durant les essais répond à plusieurs objectifs. Tout d’abord il s’agit de vérifier que le mélange fumigène ne provoque pas d’élévation de température susceptible de provoquer la dégradation de matériaux situés dans le volume. Pour mémoire, les premières dégradations d’éléments de matériaux sous forme de pyrolyse interviennent à 300°c. Toutefois, une ambiance thermique à 100°c est déjà susceptible de provoquer des dégâts au matériaux (température de vaporisation de l’eau contenue dans les matériaux) et aux ouvrants (fusion des châssis PVC). Par ailleurs, ces capteurs de température peuvent être comparés aux capteurs de la modélisation et ainsi évaluer la pertinence de la modélisation numérique des essais réalisée ultérieurement.

• Durée de combustion :

31

Le temps de combustion est chronométré en prenant comme point d’ignition le moment où l’opérateur retire la flamme du chalumeau avec une combustion entretenue. Le point d’extinction est arrêté lorsque la combustion est visiblement terminée et que la masse est stabilisée. On observera systématique une masse résiduelle.

• Flamme : La présence ou non de flamme est observée par l’opérateur lors du visionnage des enregistrements.

• Fumée : la fumée est observée et caractérisée par sa couleur, sa densité et sa vitesse de déplacement. La fumée est noire ou blanche, épaisse ou parsemée. La fumée est évaluée par l’opérateur lors du visionnage des enregistrements.

• Hauteur de fumée :

La hauteur de fumée est appréciée à l’aide d’un pige métrique matérialisée sur le mur du local.

Aucun opérateur n’étant présent dans le local compte-tenu de son enfumage, les essais sont

filmés au moyen d’un caméra étanche implantée en entrée de volume. L’évolution de la

hauteur de fumée au cours du temps est évaluée à l’issue des essais par un opérateur en

effectuant un visionnage minuté des enregistrements. La pige métrique installée au mur

permet d’évaluer approximativement (précision à 10 cm) la hauteur à laquelle se trouve la

fumée. Les difficultés résident dans le caractère assez subjectif de l’observation qui est biaisée

par la concentration variable de fumée, et la répartition non homogène de celle-ci dans le

volume. La méthode étant identique pour tous les essais, cela permet cependant de les

comparer entre eux. Par ailleurs, le temps de remplissage du volume reste une donnée assez

facile à relever, et qui peut être comparée aux données de sortie de la modélisation.

5-Limites et faiblesses du protocole

➔ Les conditions d’allumage : l’allumage au chalumeau par un opérateur est difficile à reproduire de

manière identique à chaque essai

➔ Les conditions de ventilation du volume : le local des essais a été choisi afin de préserver les

opérateurs de l’exposition aux fumées tout en permettant un enfumage significatif du volume. Il

est toutefois difficile de garantir un renouvellement d’air suffisant pour éviter de se retrouver en

dette d’oxygène afin de maintenir une réaction identique à la réaction à l’air libre, dans un volume

de cette taille. Le choix d’un volume plus grand aurait permis d’éviter de rencontrer cette difficulté

mais en aurait généré d’autres. Tout d’abord le temps de remplissage du volume aurait été

augmenté, et son temps de vidange également, retardant d’autant la réalisation de l’essai suivant.

L’impact sur la température du volume aurait été difficile à apprécier dans un grand volume. Enfin

le contrôle de l’enfumage des locaux contigües nécessitait de choisir un local facilement isolable.

➔ La mesure de la hauteur de fumée : il s’agit d’une donnée explicitée précédemment. Le caractère

subjectif de la mesure est une faiblesse du protocole.

6-Les différents essais réalisés

Les essais réalisés en intérieur sont formalisés dans le tableau suivant :

Test Nom Récipient Masse Proportion Note

Test#1 test#1_Petitbac_6kg_25%_Massiq Bac 40 x 40 cm 6000 g Massique

32

Test#2 test#2_seau_2kg_100%_Massiq Bac 40 x 40 cm 1500 g Massique

Test#3 test#3_grandbac_2kg_100%_Massiq Bac 80 x 60 cm 2000 g Massique

Test#4 test#4_petitbac_2kg_100%_Massiq Bac 40 x 40 cm 2000 g Massique

Test#5 test#5_conserve_744g_100%_Massi Conserve 9 x 9 cm 744 g Massique

Test#6 test#6_seau_2kg_100%_Massiq Seau diam 20 cm 2000 g Massique

Test#7 test#7_petitbac_2kg_100%DF_Volu Bac 40 x 40 cm 2000 g Volumique

Test#8 test#8_Vol_seau_2kg_100%DF_Volu Seau diam 20 cm 2000 g Volumique

Test#8 test#9_Vol_conser_520g_100%_Vol Conserve 9 x 9 cm 520 g Volumique

5.2 PRESENTATION DES RESULTATS

5.2.1 Analyse des résultats chiffrés relatifs à la masse

Le post-traitement des données de masse est réalisé à l’identique des premiers essais effectués à

l’extérieur. La centrale d’acquisition et le logiciel de pré-traitement permettent d’obtenir pour chacun des

9 essais effectués, un fichier [CSV] de collecte de données. Le traitement et la mise en forme graphique de

l’ensemble des résultats permet de présenter les différentes données :

Comparaison des masses des 9 essais (masses rationalisées à 1 kg) :

*Les test 3 et le test 5 ne sont pas reportés dans le graphique. La réaction de combustion s’est montrée particulièrement

difficile à maintenir compte-tenu des caractéristiques des récipients. Les données mesurées sont difficilement

interprétables.

On constate immédiatement que la masse résiduelle à l’issue de chaque essai reste de l’ordre de 30%. Par

ailleurs, on se rend également immédiatement compte que les vitesses de réaction sont différentes d’un

essai un l’autre, comme l’illustre les pentes distinctes de chacune des courbes du graphique d’évolution de

la masse. Il semble donc pertinent de reporter ces données en transposant l’évolution de la masse au cours

du temps en évolution de la perte de masse, pour mettre en évidence l’intensité réactionnelle par unité de

temps. La figure suivante présente donc cette donnée pour les 7 tests intérieurs exploitables :

33

On constate immédiatement que les quantités et vitesses de perte de masse sont relativement variables

d’un mélange à l’autre. On peut donc s’interroger sur les causes de ces différences. Quelle variable est

susceptible d’avoir un impact sur ce débit (proportion du mélange, quantité, surface réactionnelle ou un

autre facteur extérieur) ?

On peut aussi s’interroger sur les conditions de ventilation du local (quantité d’oxygène dans le volume)

d’un essai à l’autre. Cette question n’est pas gênante pour comparer les essais confinés entre eux. En

revanche, cela pourrait constituer un frein à la comparaison avec les essais réalisés à l’extérieur.

Afin de comparer les essais entre eux, il peut également être intéressant de calculer une donnée globale

qui peut être considérée comme un bilan de la réaction. Il s’agit du débit massique moyen de chacun des

essais. Ce calcul du débit massique global de l’essai correspond au rapport suivant : perte de masse totale

/ temps de combustion (kg/s). Cette donnée ne traduit pas l’évolution dans le temps mais est un bilan

réactionnel. La figure suivante permet d’illustrer ces 9 débits massiques afin de caractériser les essais.

34

On constate ainsi que le débit massique moyen des essais est de 2.2 g/s. ce débit est plus élevé lorsque l’on

se trouve dans des proportions volumiques, ce qui avait déjà été constaté lors des essais extérieurs. En

revanche il est assez homogène d’un récipient à l’autre (entre le seau 20cm et le bac 40cm) pour des

quantités de mélanges identiques. Encore une fois, on ne devrait pas se trouver dans cette situation qui

traduit un débit massique plus important pour le seau que pour le Bac40. L’explication précédente relative

aux conditions d’allumage et à l’effet de confinement des parois semblent donc également une piste à

vérifier pour expliquer cela.

Débit massique moyen

(0.0022kg/s)

35

Afin de gommer la variable de surface pour comparer les débits massiques entre eux, il est également

proposé d’utiliser les débits massiques rapportés à leur surface en calculant les débits massiques

surfaciques. Par ailleurs, il semble intéressant de s’intéresser à la phase de combustion stabilisée

(homogène) plutôt qu’à l’ensemble de la réaction de combustion. On calcule donc une courbe de tendance

(fonction affine) pour laquelle la pente correspond au débit massique de la réaction de combustion dans sa

phase stabilisée. Le graphique suivant illustre la méthode retenue :

La courbe d’illustration ci-dessus, assortie d’une courbe de tendance permet de déterminer

immédiatement un débit massique correspondant à la pente de l’équation. Le coefficient de confiance est

très acceptable puisqu’il est de R² = 0.9972.

36

Le calcul de l’ensemble de ces débits massiques rapportés à la surface du récipient permet d’obtenir les

données de débits massiques surfaciques des essais intérieurs suivants :

37

Pour mémoire, le débit massique surfacique extérieur calculé précédemment était de 0.17 kg/s. On

détermine dans le cas des essais intérieurs une débit massique surfacique de 0.12kg/s. Bien que l’on soit

sur un ordre de grandeur assez proche, on note un écart de l’ordre de 30%. L’explication la plus probable à

cet écart pourrait être la ventilation et donc la concentration en oxygène du local. Cette hypothèse mérite

toutefois d’être vérifiée en gommant les autres variables afin de se prononcer sur une éventuelle sous-

ventilation (Cf. Chapitre 6.4).

Débit massique surfacique moyen (0.12kg/s/m²)

Mélange massique

Débit massique moyen

(0.0074 g/s)

Débit massique surfacique moyen (0.12kg/s/m²) Mélange volumique

38

5.2.2 Analyse de la production de fumée et de flammes

La première donnée observable est le temps de remplissage du volume par les fumées. Celui-ci est consigné

par un opérateur à l’issue des essais au moyen de l’enregistrement vidéo. On utilise la [pige métrique]

matérialisée au mur pour évaluer la hauteur de fumée. Le temps de remplissage et la vitesse peuvent

ensuite être consignés afin de comparer les essais entre eux.

On constate que sur les 9 essais réalisés, 6 d’entre eux conduisent à un remplissage total du volume par la

fumée produite malgré la présence d’une extraction mécanique. 3 essais génèrent un enfumage partiel du

local. Ces données, associées aux mesures de désenfumage par extraction mécanique réalisées au moyen

de l’anémomètre permettent de s’intéresser à la quantité totale de fumée produite ainsi qu’à une

estimation de son débit de production.

En effet, il est possible d’évaluer de manière « approximative » le débit de production de fumée dans le

volume en s’appuyant sur les données de temps de remplissage du volume.

Les données habituelles d’évaluation de la production de fumée sont le calcul (Cf. norme EN 50399) :

• du taux de production de fumée SPR (m²/s)

• et la production totale de fumée TSP (m²)

39

Ne disposant pas des appareils de métrologie permettant de mesurer les grandeurs (mesures de

transmittance à la lumière blanche) permettant de calculer ces données, on décide de déterminer une

« méthode simplifiée » d’évaluation de la production de fumée.

La méthode utilisée pour réaliser cette approximation s’appuye sur l’analogie à la « vidange d’une

baignoire » alimentée par un robinet à débit constant. Le temps de remplissage de la baignoire correspond

à un débit précis d’alimentation du robinet soustrait du débit d’évacuation de l’eau. Connaissant le volume

de la baignoire, on peut déduire du temps de remplissage le débit d’alimentation du robinet.

Si l’on assimile le robinet d’alimentation à notre mélange combustible qui « débite » sa fumée, on peut

effectuer une opération similaire au calcul de remplissage de la baignoire pour notre volume enfumée.

• On connait le volume total du local (9 x 6.3 x 3 = 167.4 m3).

• On connait le débit d’extraction d’air que l’on relève pour chaque essai au moyen de l’anémomètre

• on connait le débit d’amenée d’air qui est également mesuré à l’anémomètre à chaque essai*

Le remplissage du volume correspond au moment où la quantité de fumée produite est supérieure à la

quantité de fumée extraite par vidange mécanique. La fumée non extraite rempli ainsi le volume du local

en un temps que l’on connait car elle est relevée pour chaque essai (les conditions de désenfumage

changent régulièrement pour les besoins des exercices du centre de formation en cours). On peut ainsi en

déduire le débit de production de fumée issue de la combustion du mélange par la formule suivante :

Qfumée = volume du local + volume de fumée extrait

𝑡𝑒𝑚𝑝𝑠 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑚𝑝𝑙𝑖𝑠𝑠𝑎𝑔𝑒

Le temps de remplissage est une donnée relevée pour chaque essai.

Le volume de fumée extrait est déterminé comme suit : Vfumée = Qextr x temps de remplissage.

*Le volume d’amenée d’air devrait être pris en compte dans le calcul réalisé. Toutefois, on constate que la

fumée est extraite exclusivement par la gaine de désenfumage. L’air qui pénètre dans le volume est donc

mélangé à la fumée produite et donc assimilé à celle-ci. On formule donc l’hypothèse qu’il se produit une

dilution et non un phénomène de « chasse » de cette fumée. En effet, on ne constate aucun transfert de

masse au niveau des ouvrants d’amenée d’air. On peut donc négliger le volume d’air entrant dans le calcul

qui nous intéresse. On obtient les résultats suivants :

Débit amenée air

Volume = 167.4 m3

Débit d’extraction

Débit de

prod

fumée ?

40

Concernant les tests 3, 5 et 9, le temps de remplissage ne correspond pas à l’ensemble du volume qui ne

se retrouve pas totalement enfumé durant le temps de l’essai. Le volume enfumé est donc recalculé en

prenant en compte la hauteur maximale de fumée relevée en fin d’essai et le temps correspondant.

On s’attache également à observer les caractéristiques observables de fumées produites de la même

manière que pour les essais réalisés à l’extérieur. On relève les éléments suivants :

Test Masse Proportion Récipient Image Observations

Test#1 6000 g Massique Bac 40 x 40cm

Fumées grises et opaques. Présence de petites flammes vives à la base. Absence de dépôt de suie résiduelle au mur.

Test#2 1500 g Massique Bac 40 x 40cm

Fumée foncés gris/noire. Absence de flamme. Absence de dépôt de suie résiduelle au mur.

EssaisTemps de

remplissage (s)

Débit d'extraction

(m3/s)

Volume fumée

extraite (m3)

Volume enfumé

local (m3)

Débit production de

fumée (m3/s)

test#1_Petitbac_6kg_25%_Massiq 340 0.1 34 167.4 0.59

test#2_seau_2kg_100%_Massiq 290 0.1 29 167.4 0.68

test#3_grandbac_2kg_100%_Massiq 750 0.2 150 152 0.40

test#4_petitbac_2kg_100%_Massiq 200 0.2 40 167.4 1.04

test#5_conserve_744g_100%_Massi 250 0 0 16.74 0.07

test#6_seau_2kg_100%_Massiq 260 0.24 62.4 167.4 0.88

test#7_petitbac_2kg_100%DF_Volu 90 0.25 22.5 167.4 2.11

test#8_Vol_seau_2kg_100%DF_Volu 460 0.25 115 167.4 0.61

test#9_Vol_conser_520g_100%_Vol 300 0 0 83.7 0.28

41

Test#3 2000 g Massique Bac 80 x 60cm

Fumée très claire. Propagation très poussive à l’ensemble de la surface du mélange. Absence de flamme. Absence de dépôt de suie résiduelle au mur.

Test#4 2000 g Massique Bac 40 x 40cm

Fumée opaque, dense et noire. Absence de flamme. Absence de dépôt de suie résiduelle au mur.

Test#5 744 g Massique Conserve 9x9cm

Fumée claire et peu dense. Quelques petites flammes. Absence de dépôt de suie résiduelle au mur.

Test#6 2000 g Massique Seau diam 20cm

Fumée brune et opaque. Absence de flamme. Absence de dépôt de suie résiduelle au mur.

Test#7 2000 g Volumique Bac 40 x 40cm

Fumée claire mais dense. Flammes très vives ; hauteur 1m. Absence de dépôt de suie résiduelle au mur.

42

Test#8 2000 g Volumique Seau diam 20cm

Fumée claire mais dense. Présence de flamme de petite taille. Projection de particules incandescentes jusqu’à quelques mètres. Absence de dépôt de suie résiduelle au mur.

Test#9 520 g Volumique Conserve 9x9cm

Présence de fumée assez foncée. Quelques projections de matériaux incandescentes. Peu de flammes. Absence de dépôt de suie résiduelle au mur.

5.2.3 Analyse de l’évolution de la température dans le volume

Les 10 thermocouples implantés dans le volume permettent de mesurer l’évolution de l’ambiance

thermique durant les essais. Cela permet d’évaluer la possibilité de réaliser des mélanges Chardot

fumigènes dans des volumes non protégés et disposant de matériaux combustibles (mobilier, revêtements

de sol ou muraux, teintures…). Le graphique ci-dessous représente l’évolution de la température lors du

test#1.

On constate que le thermocouple situé au droit du foyer subit une augmentation de température d’environ

25°c, ce qui porte la température localement à 35°c. Les 9 autres thermocouples répartis dans le volume

augmentent seulement de 10 à 15°c pour atteindre les 25°c. Ces températures sont peu élevées et

totalement compatibles avec des essais en site exploité.

43

Compte-tenu de l’emplacement du thermocouple 3 au droit du foyer, c’est celui qui est le plus sensible aux

essais successifs. Il semble donc approprié de comparer les données des essais en s’appuyant sur cette

sonde. Le graphique suivant présente donc les mesures de ce [TC3] au cours des 9 essais réalisés en

intérieur.

On constate que les températures maximales relevées sur les différents essais ne dépassent pas les 40°c

hormis pour les tests 7 et 8 qui atteignent respectivement 140°c et 60°c. Il s’agit de 2 essais réalisés lors de

la combustion de mélanges volumique. On peut clairement attribuer l’élévation de température à la

présence de flammes lors des essais à mélange volumique. Il s’agit donc d’une donnée particulièrement

intéressante à considérer pour les essais en site exploité.

5.2.4 Analyse des durées de combustion

La durée de combustion est un critère intéressant à analyser lorsque l’on souhaite anticiper la durée d’une

démonstration ou d’un exercice. Le graphique suivant met en évidence les durées totales de combustion

et donc de production de fumée en fonction des essais réalisés.

44

A l’identique des essais réalisés à l’air libre, les durées de combustion semblent directement liées à la

proportion du mélange. Le mélange Chardot à proportion massique brule durant un temps généralement

plus long que le mélange volumique. Cette disposition est directement liée à l’observation inverse relative

aux débits de pertes de masse.

45

On constate une nouvelle fois que la durée de combustion est globalement plus importante pour un

mélange massique comparé à un mélange volumique. Les 2 graphiques précédent le mettent en évidence.

On constate également que la masse de combustible semble une donnée intéressante à considérer. Le

mélange massique de 6 kg brule durant un temps presque 4 fois plus important qu’un mélange identique

de 2kg (pour un même récipient). La donnée de masse de combustible semble donc à considérer.

46

SYNTHESE DES RESULTATS / COMPARAISON / ANALYSE

Les essais réalisés successivement à l’extérieur puis à l’intérieur ont permis de commencer à dégager un

certain nombre de tendances et de caractéristique du mélange. On note cependant qu’il n’est pas toujours

possible de conclure de manière catégorique sur le critère qui a été déterminant dans le comportement du

mélange combustible, en raison du recours à plusieurs variables simultanées

Afin de comparer les données entre elles, il est donc recommandé de limiter le nombre de variables au

minimum. En effet, la variation de plusieurs données d’entrée ne permet pas d’identifier quelle variable a

un impact sur la réaction.

On s’attachera donc dans ce chapitre à se concentrer uniquement sur les essais permettant de ne faire

varier qu’un seul critère afin d’en mesurer l’impact sans ambiguïté lorsque cela est possible et d’en dégager

une certaine tendance permettant d’avancer sur notre objectif de caractérisation.

6.1 IMPACT DE DE LA TAILLE DE LA SOURCE

Nous avons utilisé pour les essais 4 types de récipient différents permettant de faire varier la surface de la

source conformément au tableau ci-dessous.

Conserve 9 X 9 cm 81 cm² = 0.0081m²

Seau Diam = 20 cm 1256cm² = 0.0314m²

Bac40 40 x 40 cm 1600cm² = 0.16m²

Bac80 80 x 60 cm 4800cm² = 0.48m²

La conserve et la bac80 seront difficiles à comparer car nous avons peu utilisé ces récipients durant les 21

essais. Ils permettent tout de même de poser une donnée moyenne de débit massique.

Pour les autres essais, on peut comparer les tests ne faisant varier que le critère de surface afin d’essayer

de dégager une caractéristique. On utilisera La donnée de débit massique (en phase stabilisée) pour

comparer les essais entre eux dans les graphiques suivants.

47

Hormis dans le cas de l’essai test#10, on constate que le débit massique augmente avec la surface réactionnelle. En calculant une moyenne des débits massiques par type de récipient (donc associé à chaque surface), on peut en déduire une évolution du débit massique en fonction de la surface issue des données expérimentales par type de mélange. Les 2 courbes suivantes pourraient ainsi être considérées comme un « abaque » expérimental.

48

On note que le coefficient de détermination du graphique R² de la courbe de tendance est plutôt faible.

Cela ne permet donc pas d’accorder un degré de confiance très important à cette analyse expérimentale.

Pour le mélange massique, on peut difficilement conclure sur une règle ou une équation d’évolution du

débit de pyrolyse en fonction de la surface réactionnelle.

49

Dans le cas des essais à mélange volumique, on note que le coefficient de détermination du graphique R²

de la courbe de tendance est plus élevé (0.9226). Cela permet donc d’accorder une meilleure confiance à

cette analyse expérimentale. Pour le mélange volumique, on pourrait donc conclure qu’il existe une

corrélation plutôt linéaire entre la surface de réaction et le débit massique de la combustion du mélange.

On se retrouve donc sur un comportement plutôt assimilé à celui d’un feu de solide et non celui d’un liquide

inflammable.

La question que l’on peut se poser ensuite est de savoir si le facteur de surface peut avoir un impact sur

d’autres éléments ? Il est inutile de s’intéresser à la durée de combustion qui est directement liées au débit

massique. On se penche donc sur la production de fumée en utilisant la donnée approximée de débit de

production de fumée. Les seules données utilisables sont donc celles des essais intérieurs. Afin de pouvoir

comparer suffisamment de données, il est donc proposé de présenter les résultats de débit de fumées en

fonction des surfaces réactionnelles.

50

A l’exception des test#1 et test#3 pour lesquels le débit de production de fumée ne semble pas évoluer

avec la surface réactionnelle, on constate pour tous les autres essais que c’est le cas. On peut donc

raisonnablement poser l’hypothèse que le débit de production de fumée augmente avec la surface

réactionnelle, tout comme le débit massique. Cela semble assez cohérent car la fumée est bien produite

par la combustion du mélange réactionnel.

6.2 IMPACT DE LA MASSE

A l’identique de la comparaison précédente, on reprend les résultats des différents essais pour mesurer

l’impact de la masse sur les données des essais. En faisant varier cet unique facteur sur les différents essais,

on s’intéresse tout d’abord à l’impact de cette variable sur le débit massique.

51

On ne constate pas de tendance particulière lorsque la masse est l’unique variable entre ces essais. Ce

constat permet de confirmer l’hypothèse que la masse n’a pas d’impact sur le débit de pyrolyse du mélange.

Intéressons-nous ensuite à la durée de combustion pour vérifier si on note des écarts.

Bien que l’évolution de la durée de combustion ne soit pas strictement linéaire, on constate une

augmentation de celle-ci proportionnellement à la masse de réactifs. On pourrait également utiliser cette

courbe comme un abaque de durée de combustion pour la préparation des mélanges.

52

6.3 IMPACT DE LA COMPOSITION DU MELANGE (MASSIQUE / VOLUMIQUE)

Analyse de l’impact sur le débit massique :

On constate que la proportion du mélange à un impact notable sur les débits de pyrolyse qui augmentent

très significativement pour les mélanges volumiques. Il n’est pas nécessaire de vérifier l’impact en matière

de durée de combustion. En effet, celle-ci est forcément plus importante pour des mélanges massiques car

les débits de pyrolyse seront plus faibles.

Analyse de l’impact sur la production de fumée et de flammes :

La simple observation des essais à l’œil permet immédiatement de constater que les mélanges volumiques

génèrent beaucoup plus de flammes que les essais massiques. Par ailleurs les mélanges massiques ont

tendance à produire une fumée plus foncée et opaques que les mélanges volumiques.

Ext Test#12 Volumique Ext Test#4 Volumique Ext Test#3 Volumique Int Test#7 Volumique

53

Ext Test#8 Massique Ext Test#7 Massique Int Test#4 Massique Int Test#2 Massique

Analyse de l’impact sur l’ambiance thermique

L’analyse du thermocouple le plus proche du foyer (TC3) permet de mesurer l’impact des essais sur

l’ambiance thermique dans le volume. On constate immédiatement que les mélanges volumiques (en

pointillés sur le graphique) génèrent une ambiance thermique plus élevée à proximité du foyer que les

essais massiques. On peut assez simplement expliquer cela par la présence de flammes vives lors de ces

réactions de combustion. L’écart de température peut être assez significatif comme on le constate sur les

essais #7 et #8 qui se distinguent dans le graphique ci-dessous.

54

6.4 IMPACT DU CONFINEMENT (CONFINE OU A L’AIR LIBRE)

Analyse de l’impact sur les débits massiques

Les 4 grapiques ci-dessus comparent les débits massiques des différents essais en ne faisant varier que le

confinement. On ne constate pas de tendance caractéristique entre ces tests. Les débit massiques restent

dans des proportions relativement homogènes. On pourrait penser que le confinement a un impact sur les

conditions de combustion des mélanges massiques à l’observation des graphiques correspondant.

Toutefois, seul un essai le met en évidence, d’une part, et d’autre part, les essais à proportion volumiques

ne l’illustrent pas ce qui rendrait peu cohérente cette explication. On peut donc raisonnablement avancer

que le confinement n’a pas eu d’impact sur le débit massif de combustion et donc sur les conditions de

réalisation des essais en intérieur.

55

ESSAIS DE MODELISATION NUMERIQUE DU MELANGE CHARDOT

7.1 MODELISATION NUMERIQUE

Le recours à la modélisation numérique avait pour objectif de déterminer les données d’entrée du mélange

Chardot dans un code de calcul afin de pouvoir compléter sa caractérisation.

Considérant que les caractéristiques susceptibles d’être prise en compte comme données d’entrée dans

notre code de calcul ne sont pas connues (modèle de combustion du Chardot, concentration en suie, débit

de pyrolyse, puissance de feu surfacique…) il est proposé de recourir à un processus de raisonnement

itératif. Il s’agit d’une méthode « d’approche d’optimisation » tel que décrit dans le schéma ci-dessous que

l’on retrouve dans l’ouvrage [SFPE Handbook of Fire Protection Engineering ]

Figure 36.25 du SFPE : approche d’optimisation

Le modèle numérique est alimenté à partir d’une part de grandeurs connues et d’autres part, de données

issues de l’expérimentation. Ces données de sorties expérimentales « outpout » sont comparées aux

données de sorties du modèle numérique. Lorsqu’un écart significatif est observé, on reprend le modèle

numérique afin d’essayer de s’approcher au plus des données de sortie expérimentales.

7.1.1 Fire Dynamic Simulator et Smokeview

La modélisation numérique des scénarios de feu permet la simulation des écoulements et des différents

phénomènes thermiques dans une géométrie donnée.

Pour cela le logiciel « Fire Dynamic Simulator » est utilisé. Développé par le National Institute of Standard

and Technology (NIST) aux Etats-Unis, il est dédié à la simulation d’incendie en bâtiments et à la simulation

de la dynamique fondamentale de l’incendie. Il s’agit d’un code CFD (Computational Fluid Dynamics) qui

résout numérique une forme des équations de Naviers-Stokes à faible nombre de Mach (<0.3). La version

utilisée pour le résultat présenté est la version [FDS 6.7.3]. Ce code donne donc la possibilité de modéliser

la géométrie étudiée, d’y implanter un foyer, et de placer différents capteurs afin de visualiser l’évolution

du feu et des phénomènes liés. Il est adapté à l’étude des mouvements d’air chaud et de panache de fumée,

ainsi qu’à l’étude de dispersion atmosphérique.

56

Les modèles proposés par FDS pour la représentation des phénomènes pris en compte dans notre étude

sont les suivants :

Modèle de combustion Pour la plupart des applications, FDS utilise un modèle de combustion de fraction de mélange. Ce modèle est basé sur deux équations qui composent la réaction globale : l’oxydation du combustible en eau, suie et monoxyde de carbone ; puis l’oxydation du CO et du dioxyde de carbone. FDS dispose également d’un modèle de combustion dit « DNS » (Direct Numerical Simulation), proposant une modélisation directe de la diffusion des espèces chimiques. Ce modèle DNS est adapté pour des résolutions de maillage très fines, et donc ne convient pas à la représentation de feux à grande échelle.

Turbulence Dans le code FDS, la turbulence est traitée avec la méthode Large Eddy Simulation (LES), basée sur la taille des tourbillons d’un écoulement turbulent. Les tourbillons plus fins que la taille de la résolution fixée sont remplacés par des expressions modélisant leurs impacts sur les équations gouvernées. La méthode LES convient donc pour des simulations pour lesquelles l’écoulement est influencé par la géométrie étudiée. Il est également possible d’utiliser la méthode DNS, mais comme dans le cas du modèle de combustion, cela implique un maillage très fin. C’est donc la méthode LES qui est proposée par défaut dans le code.

Rayonnement Enfin, le rayonnement est pris en compte dans FDS par la résolution de l’équation de transfert radiatif pour un corps gris, avec une méthode similaire à la méthode des volumes finis pour les transferts par convection. Cette méthode permet de prévoir les valeurs du rayonnement au niveau de chacun des nœuds du maillage, et dans toutes les directions discrétisées : il y a environ 100 angles discrets pris en compte dans le code FDS. Les données d’entrée à indiquer dans le fichier de calcul sont donc, entre autres, la géométrie du modèle étudié, la résolution voulue pour chaque direction de la géométrie 3D (maillage), la représentation du foyer et le modèle de combustion, le débit de perte de masse (kg/s), la concentration en suie (Soot Yield en g/g), les éléments de ventilation (surface / vitesse ou débit), et enfin les capteurs correspondant aux grandeurs significatives de l’étude. Afin de comparer avec les données de l’expérience, on considérera donc la hauteur de fumée et la température. Les données de sortie sont donc les valeurs relevées par les capteurs placées en données d’entrée. La comparaison de ces valeurs avec les données mesurées de manière expérimental permettra de confirmer la pertinence du choix des données d’entrée et affiner la caractérisation du mélange étudié. La visualisation 3D des résultats obtenus avec le logiciel FDS se fait avec le logiciel SmokeView également développé par le NIST. Nous disposons pour cette présente étude de la version [SMV 6.7.10].

7.1.2 Construction du modèle numérique

7.1.2.1 Création de la géométrie étudiée

Dimensions

Le volume du local correspond à celui des essais en intérieurs de dimensions 9m30 x 6m x 3m (L x l x h).

La surface de la zone feu est celle du test retenu pour être modélisé. Il s’agit de l’essai intérieur test#4

réalisé dans un bac 40cm x 40 cm soit une surface de 0.16 m².

le local est ouvert sur l’extérieur au moyen de 3 portes de dimension 2m x 0m90. Seule la porte latérale

gauche en partie ouverte durant les essais est représentée sur le modèle numérique. Son ouverture

représente une surface d’amenée d’air de 10 cm x 200 cm. Un registre d’amenée d’air donnant sur

l’extérieur est présent sur la façade opposée à la porte d’accès en partie basse. La surface équivalente de

l’ouverture est de 40 cm x 40 cm.

57

Une gaine d’extraction mécanique de dimensions 480 cm x 435 cm est également implantée en partie haute

de la façade contiguë à la porte d’accès. Le débit d’extraction mécanique entré est celui-ci mesuré lors de

l’essai modélisé (0.11 m3/s)

Hypothèses numériques

Le 2 portes d’accès fermées durant toute la durée des essais ne génèrent pas d’échanges avec l’extérieur.

Ces 2 éléments ne sont donc pas représentés dans la géométrie modélisée.

Aucune information sur les volumes contiguës au local de test n’est collectée durant les essais

expérimentaux, le domaine de la modélisation est donc peu étendu autour du local. Par ailleurs, le maillage

de cette zone périmétrique est plus grossièrement représenté afin de gagner du temps de calcul.

7.1.2.2 Représentation du foyer

Afin de comparer la modélisation aux essais expérimentaux, le feu est programmé en prenant comme

donnée d’entrée le débit de perte de masse en (kg/s/m²) autrement dénommé Mass Loose Rate (MLR).

l’essai qui est modélisé est le test#7 dont le débit massique est de 0.0244 kg/s. Rapporté à la surface de la

zone feu de 0.16m², on obtient donc comme donnée d’entrée [MLR = 0.1525 kg/s/m²].

Le profil d’évolution du débit massique instantané est construit sur la base de la courbe d’évolution de la

perte de masse de l’essais modélisé. Cette courbe est représentée dans la figure suivante et codé comme

suit.

&SURF ID='extraction',

RGB=26,5,248,

VOLUME_FLOW=0.11,

VEL_T=0.52,0.0/

58

La donnée de concentration en suie est une valeur manquante pour caractériser le terme source. C’est donc

la variable qui sera testée pour chaque modélisation afin d’identifier laquelle est susceptible de représenter

la combustion du mélange Chardot.

Les données « Soot Yield » (en g/g) testées sont : 0.2, 0.1, 0.05 g/g.

7.1.2.3 Capteurs et grandeurs significatives

Une première visualisation des résultats peut être obtenue à l’aide du logiciel SmokeView. Cela permet

dans un premier temps de comparer la durée de remplissage avec l’essai choisi.

Par ailleurs, pour obtenir des valeurs numériques localisées, le code FDS permet d’implanter différents

capteurs dans le domaine. On obtient ensuite les données de sortie dans des fichiers au format [CSV]

exploitables ensuite sous tableur. Dans le cas qui nous intéresse, on pose les capteurs numériques à

l’identiques des capteurs de mesures installés dans le local des essais.

La température

Le capteur thermocouple permet de relever une température en un point donné de la phase gazeuse. 10

thermocouples sont implantés dans le volume aux mêmes emplacements que pour les essais

expérimentaux.

La hauteur de fumée

&SURF ID='Feu test#2',

COLOR='RED',

TEXTURE_MAP='psm_fire.jpg',

MLRPUA=0.1525,

RAMP_Q='Feu test#2_RAMP_Q',

PART_ID='Tracer'/

&RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=0.0, F=0.0/

&RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=50.0, F=0.05/

&RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=100.0, F=0.075/

&RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=110.0, F=5.0/

&RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=120.0, F=1.0/

&RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=130.0, F=1.0/

&RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=140.0, F=0.5/

&RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=150.0, F=0.4/

&RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=200.0, F=0.1/

&RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=250.0, F=0.075/

&RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=300.0, F=0.05/

&RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=350.0, F=0.05/

&RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=400.0, F=0.0/

59

Afin de mesurer l’évolution de la hauteur de fumée, on place un capteur [LAYER HEIGHT] à l’emplacement

de la pige métrique positionnée dans le local d’essai. On peut ainsi comparer les données de sortie de la

modélisation avec celle de l’essai choisi.

La vitesse d’écoulement des gaz

2 slides [VELOCITY] sont positionnés à une hauteur correspondant respectivement à l’amenée d’air et à

l’extraction mécanique afin de vérifier que les vitesses de déplacement des gaz de la modélisation

correspondent aux vitesses mesurées à l’anémomètres durant les essais.

Figure 7.1 : Schéla de modélisation numérique et implantation des capteurs

7.1.2.4 Etude de convergence au maillage

Il n’existe pas dans la documentation du code FDS de règle précise relative au choix

de la finesse du maillage de la géométrie étudiée. On retient une règle assez

générale qui précise que pour avoir une description correcte des phénomènes

étudiés proche de la source, le maillage doit être de l’ordre de 10% des

dimensions habituelles d’un foyer. Considérant que seul le volume du local nous

intéresse dans la présente étude, le maillage sera découpé en plusieurs [Mesh]

afin d’être moins discriminant sur les zones extérieures à l’étude et ainsi gagner en

temps de calcul.

60

Le choix du maillage optimisé semblerait s’orienter vers des mailles de 20cm. Toutefois, afin de confirmer

cette hypothèse, une étude de convergence au maillage est réalisée. L’objectif de cette étude est la mise

en avant d’une convergence entre les résultats obtenus avec des mailles de 20 cm et des mailles d’autres

dimensions. Pour vérifier cette convergence, l’étude est réalisée avec des mailles cubiques de 10, 20 et 25

cm.

Les grandeurs significatives étudiées pour comparer la précision des résultats sont : la hauteur de fumée et

la température.

La comparaison des données de sortie pour la hauteur de fumée met en évidence des courbe relativement

proches. Toutefois, on constate que la courbe relative au maillage 20 cm est médiane par rapport aux

maillages 10 et 25 cm. On peut donc considérer que le maillage de 20cm est suffisant pour obtenir un

résultat satisfaisant tout en conservant un temps de calcul acceptable.

L’analyse des données de température met également en évidence que les 3 courbes sont quasiment

superposées pour les 3 type de maillage. On ne note donc pas de plus-value particulière à choisir le maillage

le plus raffiné pour lancer les modélisations. On se contentera donc d’un maillage à 20 cm.

61

7.2 PRESENTATION DES RESULTATS DE LA MODELISATION

Afin de déterminer la concentration de suies correspondant au mélange Chardot étudié, on compare les

données de sorties des 3 modélisation différentes réalisées (pour YS=0.2, YS=0.1 et YS=0.05). on obtient

pour chacune des 2 grandeurs les résultats suivants

La température

Pour ce qui concerne le critère de température, la concentration en suie le plus proche de l’essai

expérimental choisi est un [Soot Yield] = 0.2 g/g. Les concentrations de 0.1 g/g et 0.05 g/g génèrent une

ambiance thermique trop éloignée des conditions expérimentales. On se rend compte et revanche que

l’évolution de la température au cours du temps ne correspond pas à celle de l’essai. Il convient donc de

reprendre les données d’entrée de la courbe d’évolution du feu afin de caler la « forme du MLR » aux

données expérimentales.

Conformément au processus d’approche d’optimisation, on s’attachera donc à relancer une simulation

numérique en prenant en considération ce critère.

La hauteur de fumée

62

La pente de la courbe des 3 simulations numérique est relativement similaire et proche de la solution

expérimentale. La courbe correspondant au SY = 0.2 g/g semble cependant celle qui converge le mieux vers

la situation expérimentale.

Il convient de noter que le modèle numérique n’atteint pas le remplissage du volume ce qui laisse penser

que le facteur de ventilation du code numérique est différent de la situation expérimentale. On peut

également observer cet écart en visualisant la modélisation 3D qui illustre une sortie de fumée par la porte

latérale, ce qui n’était pas le cas lors des essais expérimentaux.

Essais de modélisation en ajustant la « ramp » de la courbe de feu à l’essai in situ

Le profil d’évolution de températures du TC3 expérimental correspond assez bien à la simulation numérique

avec toutefois un maximum de température très au-dessus (100°c). Si on s’intéresse au thermocouple

voisin (TC5) on se rend compte que celui-ci correspond strictement au profil de température. On peut donc

conclure qu’il y une correction à apporter sur les critères influençant l’évolution de la température ou son

refroidissement (flux convectif, facteur de ventilation du local).

63

Les deux courbes d’évolution de la hauteur de fumée demeurent dans des proportions cohérentes,

toutefois, on constate que la modélisation numérique ne permet pas d’atteindre un remplissage total. On

peut s’interroger sur la source de cet écart. S’agit-il des données d’entrée, ou bien s’agit-il de observations

expérimentales qui ne correspondent pas aux mêmes critères d’appréciation de la hauteur de fumée que

la modélisation numérique.

On conclue donc que les données d’entrée approchantes pour coder la combustion d’un mélange Chardot

pourraient s’approcher de :

Cp = 12 000 kJ/kg

Soot Yield = 0.2 g/g

MLR = Cf. abaque proposé

7.3 SYNTHESE

Débit massique Durée de combustion Production de fumée flammes Ambiance thermique

PROPORTION DU MELANGE

Plus élevé pour un mélange à proportion volumique

Durée de combustion plus longue pour un mélange à proportion massique

Massique : fumée noire Volumique : fumée blanche

Massique : peu de flamme Volumique : flammes vives (max = 1m de haut)

Plus élevé (jusqu’à 140°c)

MASSE

Pas de lien identifié entre masse et débit massique

Durée de combustion augmente avec la masse

Pas de lien observé entre masse et fumée Pas de lien observé entre masse et flammes

Pas de lien entre lien constaté entre masse et ambiance thermique

SURFACE DE LA SOURCE

Débit massique augmente avec la surface réactionnelle. 2 profils distincts :

Volumique

Massique

Si c’est le seul facteur qui varie, la durée de combustion est inversement proportionnelle au débit massique. Donc pour une masse identique, si la surface augmente, la durée de réaction diminue.

Débit de production de fumée augmente avec la surface réactionnelle.

Pas de lien entre flamme et surface de la source

Pas de lien entre surface de la source et ambiance thermique.

Constituants du mélange Masse volumique Dosage massique

(pour 1kg)

Dosage volumique

(pour 1kg)

Nitrate de potassium (KNO3) 1,65 g.cm-3 333 g = 202 cm3 485 g = 294 cm3

Fécule de pomme de terre (amidon) 1,05 g.cm-3 333 g = 317 cm3 309 g = 294 cm3

Flocons de pomme de terre 0,7 g.cm-3 333 g = 476 cm3 206 g = 294 cm3

Le mélange perd 70% de sa masse lors de la combustion et conserve 30% de résidu.

Un mélange volumique est plus facile à allumer qu’un mélange massique.

les bords du récipient peuvent avoir un impact sur la réaction de combustion si la surface réactionnelle n’affleure pas (canaliser le flux de

chaleur).

La combustion du mélange produit très peu de dépôt de suie sur les parois du volume des essais.

La fumée produite est très réaliste et représente parfaitement un feu de matériau solide courant.

Données d’entrée de modélisation : MLR (kg/s/m²) = Cf. abaque / Soot Yield = 0.2 g/g

CONCLUSION

Vaste et ambitieux sujet que celui de tenter de caractériser un mélange dont l’usage est particulièrement

répandu et généralisé dans les milieux « autorisés ». Nos réflexions, recherches, expérimentations, essais

plus ou moins concluant, et autres tentatives ont permis de poursuivre cet objectif tout au long de ce travail

de prospection.

S’il semble présomptueux de considérer que les tendances formalisées dans le tableau de synthèse

constituent une caractérisation exhaustive du comportement de la combustion du mélange Chardot, cela

permet pour le moins de mieux le connaitre. Un utilisateur désireux de se servir de ce mélange pour

produire de la fumée y trouverait quelques pistes et orientations pratiques.

Pour aller plus loin dans cette caractérisation, il semblerait désormais intéressant d’orienter les recherches

dans des domaines tels que :

- la caractérisation chimique du modèle de combustion,

- la multiplication des essais de modélisation numérique afin d’affiner les données d’entrée du code

- ou encore la multiplication des essais en grandeur nature afin, d’une part de valider la répétabilité

et donc la fiabilité des premières tendances et d’autre part de se questionner sur la transposition

des celles-ci dans des locaux de grands volumes.

66

ANNEXES

67

9.1 LA BALANCE DE PESEE

68

9.2 L’ANEMOMETRE

69

9.3 CHALEUR SPECIFIQUE DE CERTAINS MATERIAUX (SFPE)

70

9.4 FICHE DU CETU : FUMEES TIEDES

71

72

9.5 LE CODE DE CALCUL CFD

&HEAD CHID=’maille20_SY0.1’/ &TIME T_END=400.0/ &DUMP RENDER_FILE=’maille20_SY0.1.ge1’, COLUMN_DUMP_LIMIT=.TRUE., DT_RESTART=300.0, DT_SL30=0.25/ &MESH ID='mesh1-a', IJK=15,60,25, XB=-3.0,0.0,-3.0,9.0,-1.0,4.0/ &MESH ID='mesh1-b-a-a', IJK=45,15,25, XB=0.0,9.0,-3.0,0.0,-1.0,4.0/ &MESH ID='mesh1-b-a-b-a', IJK=45,30,25, XB=0.0,9.0,0.0,6.0,-1.0,4.0/ &MESH ID='mesh1-b-a-b-b', IJK=45,15,25, XB=0.0,9.0,6.0,9.0,-1.0,4.0/ &MESH ID='mesh1-b-b', IJK=20,60,25, XB=9.0,13.0,-3.0,9.0,-1.0,4.0/ &PART ID='Tracer', MASSLESS=.TRUE., MONODISPERSE=.TRUE., AGE=60.0/ &REAC ID='WOOD_OAK', FYI='SFPE Handbook, 3rd Ed', FUEL='REAC_FUEL', C=1.0, H=1.7, O=0.72, N=1.0E-3, CO_YIELD=4.0E-3, SOOT_YIELD=0.2/ &DEVC ID='TC8', QUANTITY='THERMOCOUPLE', XYZ=1.0,2.6,2.5/ &DEVC ID='TC7', QUANTITY='THERMOCOUPLE', XYZ=2.0,2.6,2.5/ &DEVC ID='TC6', QUANTITY='THERMOCOUPLE', XYZ=3.0,2.6,2.5/ &DEVC ID='TC2', QUANTITY='THERMOCOUPLE', XYZ=4.0,2.6,2.4/ &DEVC ID='TC4', QUANTITY='THERMOCOUPLE', XYZ=5.0,2.6,2.5/ &DEVC ID='TC3', QUANTITY='THERMOCOUPLE', XYZ=6.0,2.6,2.5/ &DEVC ID='TC5', QUANTITY='THERMOCOUPLE', XYZ=4.0,2.6,2.8/ &DEVC ID='TC10', QUANTITY='THERMOCOUPLE', XYZ=4.0,2.6,1.2/ &DEVC ID='TC9', QUANTITY='THERMOCOUPLE', XYZ=4.0,2.6,1.6/ &DEVC ID='TC1', QUANTITY='THERMOCOUPLE', XYZ=4.0,2.6,2.0/ &DEVC ID='Hauteur de fumée', QUANTITY='LAYER HEIGHT', XB=7.0,7.0,1.0,1.0,0.0,3.0/ &SURF ID='Feu test#2', COLOR='RED',

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&RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=110.0, F=5.0/ &RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=120.0, F=1.0/ &RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=130.0, F=1.0/ &RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=140.0, F=0.5/ &RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=150.0, F=0.4/ &RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=200.0, F=0.1/ &RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=250.0, F=0.075/ &RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=300.0, F=0.05/ &RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=350.0, F=0.05/ &RAMP ID='Feu test#2_RAMP_Q', T=400.0, F=0.0/ &OBST ID='dalle sol', XB=-3.0,12.3,-3.0,9.0,-0.25,0.0, SURF_ID='INERT'/ &OBST ID='dalle plafond', XB=0.0,9.3,0.0,6.0,3.0,3.2, COLOR='INVISIBLE', SURF_ID='INERT'/ &OBST ID='balance', XB=5.5,6.5,2.0,3.0,0.0,0.2, SURF_ID='INERT'/ &OBST ID='foyer', XB=5.8,6.2,2.3,2.7,0.2,0.4, SURF_IDS='Feu test#2','INERT','INERT'/ &OBST ID='mur local', XB=0.0,0.2,0.2,5.8,-5.551115E-17,3.0, SURF_ID='INERT'/ &OBST ID='mur local', XB=0.0,9.0,0.0,0.2,-5.551115E-17,3.0, SURF_ID='INERT'/ &OBST ID='mur local', XB=0.0,9.0,5.8,6.0,-5.551115E-17,3.0, SURF_ID='INERT'/ &OBST ID='mur local', XB=9.0,9.2,3.885781E-16,6.0,-5.551115E-17,3.0, SURF_ID='INERT'/ &HOLE ID='Hole', XB=3.6,3.8,0.0,0.2,0.0,2.0/ &HOLE ID='Hole', XB=8.1,8.5,5.8,6.0,0.2,0.6/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-a [XMIN]', SURF_ID='OPEN', XB=-3.0,-3.0,-3.0,9.0,-1.0,4.0/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-a [YMAX]', SURF_ID='OPEN', XB=-3.0,0.0,9.0,9.0,-1.0,4.0/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-a [YMIN]', SURF_ID='OPEN', XB=-3.0,0.0,-3.0,-3.0,-1.0,4.0/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-a [ZMAX]', SURF_ID='OPEN', XB=-3.0,0.0,-3.0,9.0,4.0,4.0/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-a [ZMIN]', SURF_ID='OPEN', XB=-3.0,0.0,-3.0,9.0,-1.0,-1.0/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-b-a-a [YMIN]', SURF_ID='OPEN', XB=0.0,9.0,-3.0,-3.0,-1.0,4.0/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-b-a-a [ZMAX]', SURF_ID='OPEN', XB=0.0,9.0,-3.0,0.0,4.0,4.0/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-b-a-a [ZMIN]', SURF_ID='OPEN', XB=0.0,9.0,-3.0,0.0,-1.0,-1.0/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-b-a-b-a [ZMAX]', SURF_ID='OPEN', XB=0.0,9.0,0.0,6.0,4.0,4.0/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-b-a-b-a [ZMIN]', SURF_ID='OPEN', XB=0.0,9.0,0.0,6.0,-1.0,-1.0/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-b-a-b-b [YMAX]', SURF_ID='OPEN', XB=0.0,9.0,9.0,9.0,-1.0,4.0/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-b-a-b-b [ZMAX]', SURF_ID='OPEN', XB=0.0,9.0,6.0,9.0,4.0,4.0/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-b-a-b-b [ZMIN]', SURF_ID='OPEN', XB=0.0,9.0,6.0,9.0,-1.0,-1.0/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-b-b [XMAX]', SURF_ID='OPEN', XB=13.0,13.0,-3.0,9.0,-1.0,4.0/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-b-b [YMAX]', SURF_ID='OPEN', XB=9.0,13.0,9.0,9.0,-1.0,4.0/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-b-b [YMIN]', SURF_ID='OPEN', XB=9.0,13.0,-3.0,-3.0,-1.0,4.0/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-b-b [ZMAX]', SURF_ID='OPEN', XB=9.0,13.0,-3.0,9.0,4.0,4.0/ &VENT ID='Mesh Vent: mesh1-b-b [ZMIN]', SURF_ID='OPEN', XB=9.0,13.0,-3.0,9.0,-1.0,-1.0/ &VENT ID='Extraction mécanique', SURF_ID='extraction', XB=0.2,0.2,1.0,1.48,2.565,3.0/ &SLCF QUANTITY='TEMPERATURE', PBZ=2.5/ &SLCF QUANTITY='VELOCITY', VECTOR=.TRUE., PBZ=2.8/ &SLCF QUANTITY='VELOCITY', VECTOR=.TRUE., PBZ=0.5/

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9.6 ÉVALUATION DES MATIERES DANGEREUSES A L’AIDE DU CALORIMETRE DE

TEWARSON

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BIBLIOGRAPHIE

[1] SFPE Handbook of Fire Protection Engineering – editor-in-Chief Morgan J. Hurley Aon Fire Protection

Engineering Greenbelt, MD, USA.

[2] Enclosure Fire Dynamics – Björn Karlsson & James G. Quintiere.

[3] Fundamentals of Fire Phenomena – James G. Quintiere University of Maryland, USA.

[4] Guide de bonnes pratiques pour les études d’ingénierie du désenfumage établissements recevant du

public – 2017 – LCPP.

[5] Évaluation des matières dangereuses à l’aide du calorimètre de Tewarson – Guy Marlair – Submitted on

6 Sep 2018

[6] Guide méthodologique sur les exercices de sécurité en tunnel routier – CETU – Juin 2017.

[7] Traité de physique du bâtiment – Tome 3 Physique du feu pour l’ingénieur – CSTB 2001.

[8] Incendie et lieu de travail – Prévention et lutte contre le feu.

[9] Présentation Efectis : Absence de stratification – petits foyers et l’évacuation en panique – Dr Pascal

VAN HULLE – présentation lors du GDR du 14/01/2010.

[10] Fumée et sécurité en cas d’incendie – Franck GYPPAZ Nexans Research Center – Mars 2014.

[11] L’ingénierie de Sécurité Incendie, bilan et perspective dans un environnement textuel en révolution –

Lieutenant-Colonel Yann LE GALL – SDIS 974 Commandant Fabrice ANSELME – SDIS 60 Commandant

Sébastien WALFARD – SDIS 59.

[12] Présentation en cours d’étude relative à la mise au point d’un générateur de fumée tiède – LCPP 2019.

[13] Formalisation du savoir et des outils dans le domaine des risques majeurs (DRA-76) – Modélisations de

feux industriels – Stéphanie JOLY – INERIS 14/03/2014.

[14] Etudes Expérimentales et lois prédictives des foyers d’incendies – Benjamin Betting 2018.

[15] Compréhension du système feu – Nicolas STRUSKI.