Evaluation des flux de chaleur mis en jeu lors de la

Evaluation des flux de chaleur mis en jeu lors de la combustion stationnaire de plaques

thermiquement épaisses de PMMA

GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges

M. Mense, Y. Pizzo, B. Porterie

C. Lallemand

P. Boulet, G Parent

A. Kacem, S. Suard

ETiC

1

Matériau et configuration de références :

• Clear PMMA sublimation, no-charring, propriétés thermophysiques connues

Modèle de

dégradation de

la phase

condensée

2

Contexte : vers une modélisation prédictive de la combustion d’un

matériau solide (PMMA)

Expérimentations

spécifiques de validation

(TC, flux)

Expérimentations

spécifiques de

validation (TC, 𝛿𝑟𝑒𝑔)

Modélisation de

la phase

gazeuse

𝑚" = 𝑓(∅𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒)

∅𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒 = 𝑓( 𝑚")

Couplage phase

gazeuse et phase

condensée

GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges

RAPPELS

Modèle de dégradation thermique du PMMA

La procédure consiste à résoudre l’équation 1D de transferts couplés conduction

/ rayonnement (hypothese: propriétés thermophysiques du PMMA constantes),

l’équation de la chaleur prend la forme :

L’approximation de Schuster-Schwarzschild pour un milieu 1D, non gris,

absorbant / diffusant

𝛻. 𝑞 = 0

∞

𝛻. 𝑞𝜂 𝑑𝜂 = 0

∞ 𝑑𝑞𝜂+

𝑑𝑦−𝑑𝑞𝜂

−

𝑑𝑦𝑑𝜂

𝜌𝑐𝑝𝜕𝑇

𝜕𝑡= 𝜆

𝜕2𝑇

𝜕𝑦2− 𝛻. 𝑞

Validation : 2 températures dans le matériau, position de l’interface et perte de masse

3GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges

Condition à la limite au niveau de la surface exposée “noire”(𝑦 = 𝑠(𝑡)):

−𝜆𝜕𝑇

𝜕𝑦𝑠, 𝑡 = 𝑞𝑓𝑙

𝑟𝑎𝑑 + 𝑞𝑓𝑙𝑐𝑜𝑛𝑣 − 𝐸𝑏

𝑎𝑖𝑟 𝑇𝑠 − 𝐸𝑏 𝑇𝑠 + 𝑞− 𝑠 − 𝑚′′𝐿𝑝𝑦𝑟

Validation du modèle de dégradation en non flaming sous cône

Configuration de référence (10 x 10 x 3 cm3) : non flaming (qcc<qcri) pour une plaque plane

horizontale soumise à un flux radiatif calibré et sous flamme

3 flux imposés (14 et 18 kW/m² et flamme24,5 kW/m²)

• Position de l’interface combustible / gaz

• Températures à deux profondeurs dans le matériau (2 TC, 5

mm avant et 5 mm arrière)

PMMA

Electronic scales

CCq

rrq

CCD camera

TC

4GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges

14 kW/m²

Flamme (24,5 kW/m²)

Matériau et configuration de références :

• Clear PMMA sublimation, no-charring, propriétés thermophysiques connues

Modèle de

dégradation de

la phase

condensée

Contexte : vers une modélisation prédictive de la combustion d’un

matériau solide (PMMA)

Modélisation de

la phase

gazeuse

Expérimentations

spécifiques de validation

(TC, flux)

Expérimentations

spécifiques de

validation (TC, 𝛿𝑟𝑒𝑔)

𝑚" = 𝑓(∅𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒)

∅𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒 = 𝑓( 𝑚 )

Couplage phase

gazeuse et phase

condensée

GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges 5

Modèle (SAFIR) :

SAFIR : logiciel de simulation des incendies en milieux ouverts et semi-confinés

Fonctionnalités du code :

• Description 3D

• Stationnaire et Instationnaire

• Description des phénomènes de base: transport de gaz, turbulence,

rayonnement, combustion (à deux étapes, LII), etc.

• Faible nombre de Mach et de Froude (représentatif des flammes d’incendie)

• Résolution totalement implicite

• Equations fortement couplées procédure itérative interne (algorithme PISO)

6

Modélisation de la phase gazeuse

Evolution spatiale de la température d’une flamme

de PMMA (100x100mm²)GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges

7

• Perte de masse (balance)

• Position de l’interface combustible/gaz (caméra latérale)

• Thermocouples dans la flamme et le panache (TC)

• Longueur de flamme (caméra)

• Flux total/radiatif à la surface du combustible (fluxmètre medtherm refroidi +

pastille ZnSe)

100 x 100 mm²Inflammation sous cône

Validation de la modélisation de la phase gazeuse :protocole expérimental

Balance

GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges

Fluxmètre total

Mesure du flux total Mesure du flux radiatif

ZnSe (~

transparente

aux IR)

8GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges

Validation de la modélisation de la phase gazeuse : mise en place du fluxmètre à la surface de la plaque

Mesure des flux total et radiatif pour une plaque de PMMA de 100x100mm²

Découplage des flux

convectif et radiatif

9

Evolution temporelle des flux d’une flamme de PMMA 100x100mm²

GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges

Flux convectif ~ 5 𝑘𝑊/𝑚²Flux total ~ 25 𝑘𝑊/𝑚²

Flux radiatif ~ 20 𝑘𝑊/𝑚²

• Flux radiatif expérimental de 20kW/m² et

Flux Total de 25kW/m²

• Flux radiatif numérique de 17,5kW/m² et

Flux total de 22,5kW/m²

• Bon accord pour les flux total et radiatif

simulés et mesurés

Comparaison des Flux Radiatifs et Totaux obtenus numériquement

et expérimentalement

Validation de la modélisation de la phase gazeuse :mesure des flux pour une plaque de 100x100mm²

GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges 10

50 x 50 mm²100 x 100 mm²

200 x 200 mm²

400 x 400 mm²

Perspectives : Etude de la combustion de plaque de PMMA horizontale de

50 x 50 mm², 200 x 200 mm² et 400 x 400 mm²…et des flux mis en jeu…

Même procédure pour des plaques de plus grandes dimensions

Etude de la combustion de plaque de PMMA horizontale de 50 x 50 mm²,

100 x 100 mm², 200 x 200 mm² et 400 x 400 mm²…

11GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges

Flaming horizontal : effet d’échelle et notamment sur les flux

12GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges

Etude de plaques de 200x200 mm²

Inflammation : panneau radiant

Instrumentation : identique au 100x100 mm²

13GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges

Flux convectif ~ 10 𝑘𝑊/𝑚²Flux total ~ 40 𝑘𝑊/𝑚²

Flux radiatif ~ 30 𝑘𝑊/𝑚²

Evolution temporelle des flux d’une flamme de PMMA 200x200mm

Etude de plaques de 400x400 mm²

Inflammation:

panneau radiant

Instrumentation:

identique au

100x100 mm²

15

Evolution temporelle des flux d’une flamme de PMMA 400x400 mm²

GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges

Flux convectif ~ 15 𝑘𝑊/𝑚²Flux total ~ 65 𝑘𝑊/𝑚²

Flux radiatif ~ 50 𝑘𝑊/𝑚²

Effet d’échelle : mesures de débits de pyrolyse et positions de l’interface combustible/gaz

Comparaison débits de pyrolyse pour des plaques

de 400, 200, et 100 mm de coté

Comparaison de la régression pour des plaques de 400, 200, et

100 mm de coté

GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges 15

Débit prescrit pour la

modélisation de la phase

gazeuse

Vitesse de régression

pour validation de la

modélisation de la

phase condensée

Effet d’échelle : mesures des flux

Comparaison des flux totaux et radiatifs à la surface de plaques de 400, 200, et 100 mm de coté

16

Evolution temporelle des flux totaux pour

différentes dimensions de plaque

(100,200,400mm)

Evolution temporelle des flux radiatifs pour

différentes dimensions de plaque

(100,200,400mm)

Dimensions Flux total Flux radiatif Flux convectif

100x100 mm² 25kW/m² 20kW/m² 5kW/m²

200x200 mm² 40kW/m² 30kW/m² 10kW/m²

400x400 mm² 65kW/m² 50kW/m² 15kW/m²

GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges

Dimensions Flux radiatif / Flux total

100x100 mm² 0,80

200x200 mm² 0,75

400x400 mm² 0,77

Conclusion

Modèle de dégradation :

• Bon accord (14, 18 kW/m² sans flamme et flamme couche limite)

Modélisation de la flamme :

• Bon accord concernant le flux radiatif et total (100x100mm²)

Expérimentation :

Développement d’une technique de mesure originale pour la mesure et

le découplage des flux à la surface de la plaque combustible

17

Perspectives

Modèle de dégradation :

• Poursuite de validations (flaming horizontal) effet d’échelle

Modélisation de la flamme :

• Poursuite développement pour le calcul des flux (couplage

pression/vitesse, intermittence, combustion…)

• Poursuite de validations (flaming horizontal) effet d’échelle

• Simulations de configurations sous oxygénées

Couplage de la phase solide et de la phase gazeuse

Expérimentation :

• Etude de la possibilité d’adapter cette manip dans CADUCEE ou

dans un nouveau dispositif (IUSTI)

GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges

ANR ASTRID MARINER (2013-2015;DGA Tn/LEMTA/IUSTI) : MAîtrise du

Risque INcendie et lutte anti-feu dans des grands Ensembles polydisperses

multi-locaux sur Réseau

Dispositif

Incendie

Appliqué

MArine

Nucléaire

17GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges

Schématisation du Caisson

Montage du Caisson Feu

Cahier des charges :

• Deux locaux de 27m3 accolés et

communicants par une porte (1mx2m)

• Paroi en acier de 10mm d’épaisseur

• Cerclage IPN et soudées

intérieur/extérieurs sur chanfreins

(encaisser de fortes contraintes de

température et de pression)

18GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges

Ventilation :

• Naturelle (confiné)

• Mécanique (jusqu’à 10R.h-1 )

GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges 19

Instrumentation :

• Thermocouples

• Tubes de Pitot

• Fluxmètres radiatifs et totaux

refroidis

• Sondes de prélèvement de

gaz

• Sondes McCaffrey

• Système d’aspersion (en

cours)

GDR feux, 29-30 Janvier 2015, Bourges 20