Contribution à l’étude et à la - docs.gdrfeux.univ-lorraine.frdocs.gdrfeux.univ-lorraine.fr/Paris2/LCPP1.pdf · Vue de côté Vue du dessus. 22èmes Journées du GDR Feux LABORATOIRE

LABORATOIRE CENTRALIUSTI / LCPP

Contribution à l’étude et à la modélisation du dépôt des suies

Louis Decoster (IUSTI/LCPP)

Encadré par Axel Bellivier (LCPP)

Dirigé par Olivier Vauquelin et Fabien Candelier (IUSTI)

LABORATOIRE CENTRAL22èmes Journées du GDR Feux – 2 et 3 Juin 2016 - LCPP 2/25

Introduction

Dépôts de suie causés par des incendies

Dépôt de suie sur les murs en milieu confiné

Dépôt de suie sur une façadeDépôt de suie sur différents

objets


Introduction

Que sont les particules de suie ?

Formation

Géométrie DimensionsComposition

Carbone majoritaire (90%) sous forme graphitique ou organique

Hydrogène, Azote, autrescomposés organiques adsorbés

Agrégat de particules primaires

Souvent qualifié de particule « fractale »

Diamètre particules primaires ~ 50 nm

Diamètre d’agrégat ~ 1 μm

Combustible

oxydation

pyrolyse


Introduction

Dépôt des particules de suie

Dépôt par thermophorèse sur la partie remplie de la bouteille qui est restée froide plus longtemps.

Dépôt par sédimentation sur les surfaces horizontales

Peu de dépôt sur la partie vide de la bouteille et les parois de la boîte qui ont chauffé rapidement.


Introduction

Mécanismes contribuant au dépôt

La vitesse de dépôt udep (m/s) est le rapport concentration / flux déposé

Le phénomène prépondérant dans le dépôt de suie lors de l’incendie est la thermophorèse

Dépôt par sédimentation sur les parois horizontales, important à des échelles de temps plus grandes.

Dépôt par thermophorèse, causé par les forts gradients de température.

thermophorèse

diffusion

Dépôt isotherme par diffusion et/ou impaction, selon l’inertie de la particule. Négligeable (voir graphique à droite)


Introduction

Phénomène de thermophorèse

Gradient de température Migration des particules dans le sens opposé au gradient

Déséquilibre dans la quantité de mouvement transmise par les

molécules de gaz

GAZCHAUD

GAZFROID

Force de thermophorèse dans le sens opposé au gradient

Observation

Explication

y


Introduction

Modèle de Beresnev & Chernyak (1995)

- Valable pour toutes les tailles de particules

- Obtenus par résolution des équations de mécanique statistique.

- Meilleur accord avec données expérimentales sur la thermophorèse (Brugière 2012, Sagot 2014)

Coefficient de thermophorèse

Modèle de Talbot (1979)

- Le plus utilisé (utilisé dans FDS 6).

- Extrapolation d’un modèle théorique valable pour de grosses particules (modèle de Brock).

- Equations de Navier-Stokes avec conditions aux limites adaptées.

Expression générale de la vitesse de thermophorèse (valable partout dans le fluide)

Dépend de …taille de particuleconductivité thermique de particule interactions moléculaires gaz-particulechamp de température localgradient de température local

Coefficient de thermophorèse


Introduction

Calcul du flux de particules déposées

Données expérimentales

avec

Où h est le coefficient de

transfert thermique

h = hforcée(Re,Pr) en convection forcée

h = hnaturelle(Gr,Pr) en convection naturelle

Peu de données expérimentales sur le dépôt de suie

Aucune donnée à l’échelle réelle


Dépôt de suie à échelle réelle

Objectifs : - Mise en évidence de l’influence de la température de paroi

- Outil de validation de modèle

- Essai répété 3 fois

Feu de bac dans un local

Vue de côté Vue du dessus



Modélisation de l’expérience

Simulation FDS 6.3 du local

Source prescrite d’après la perte de masse

Tparoi prescrites d’après les mesuresRésultats (mg/cm2)




Résultats, pour un feu de bac d’heptane

Utilisation directe du modèle FDS

Résultats (mg/cm2)

d = 0,3 μm

α = kg/kp ~ 0,026/0,26 ~ 0,1

Modèle de Talbot

h = max{ hforcée(Re,Pr) ; hnaturelle (Gr,Pr) }

Tparoi = moyenne sur 3 essais

Tgaz = moyenne sur 3 essais

Csuie = moyenne sur 3 essais





Utilisation directe du modèle FDS, corrigé

d = 0,3 μm

α = kg/kp = 1 (Brugière 2012)

Modèle de Talbot


Résultats (mg/cm2)








Utilisation directe du modèle B&C

d = 0,3 μm

α = kg/kp = 1

Modèle de Beresnev & Chernyak




Résultats (mg/cm2)





La correction de la conductivité thermique de la suie (Brugière, 2012) ne permet pas de combler l’écart.

BilanLa simulation de cet essai par FDS sous-estime le dépôt d’un facteur 2 à 3.

Influence de la vitesse d’écoulement sur le dépôt ?

L’utilisation du modèle de thermophorèse plus récent et plus précis de B&C ne permet pas de combler l’écart.

La corrélation pour h ne dépend pas de Re (convection naturelle prise en compte en pratique)

Le dépôt isotherme est négligeable


Dépôt de suie à échelle réelle : couloir

couloir local

FuméesFumées

Varier les conditions de dépôt

CB5

CB6

FOYER

Foyer simple : un bac d’heptaneSix cibles de mesure de dépôt cumulé (voir tableau)Dépôt à deux vitesses d’écoulement des fuméesMesure de la vitesse d’écoulementMesure de la température proche paroi

Dispositif :Cible Localisation Température Caractéristiques

1 couloir Refroidie Verticale parallèle écoulement

2 couloir Ambiante Verticale parallèle écoulement

3 local Refroidie Verticale parallèle écoulement

4 local Ambiante Verticale parallèle écoulement

5 local Ambiante Verticale face écoulement

6 local Ambiante Horizontale au plafond

Etranglement=

Accélération



Simulation numérique – vitesse d’écoulement

z

x

y

x

Simulation FDS de l’essai



Ligne de mesure

Sonde de McCaffrey

Opacimètre

Cible refroidie

Cible ambiante

Mesure dans l’écoulement

Peigne de TC


Profil de Température « local »


Températures en proche paroi

Peigne de 5 thermocouplesDans la direction normale à la paroi

y

Profil de Température « couloir »



Dépôt et vitesse d’écoulement

Bilan La tendance n’est pas reproduite

Dépôt cumulé deux cibles non thermostatées situées l’une dans la partie « couloir » (C), l’autre dans la partie « local » (L)

difficile de conclure sur l’influence de la vitesse d’écoulement

C C C

C C C

L L L

LLL

Deuxième Série

Première Série



Dépôt et position des cibles

Bilan

Dépôt cumulé trois cibles non refroidies situées dans la partie « local »

La sédimentation limite le dépôt sur la cible horizontale (plafond)

La cible face à l’écoulement (cible F) reçoit du dépôt par impaction

V F

Deuxième Série

Première Série

P V F P V F P

V F P V F P V F P

V Verticale parallèle écoulement

F Verticale Face écoulement

P Horizontale au Plafond


Dépôt de suie dans une veine

Vérifier l’influence de la vitesse

1,65 m

5 cm10 cm

0,52

Objectif : Différencier les dépôts amont et aval en fonction de la vitesse U.

On veut

0,95



Mesure de dépôt

Cible + Thermocouple paroi

Cible horizontale

Thermocouple paroi

Thermocouple gaz



Configurations expérimentales

Bilan …

Données en cours d’analyse

Trois configurations testées pour compenser les pertes thermiques en ligne le long de la veine

Sortie des fumées

Sortie des fumées

Sortie des fumées

(A)

(B)

(C)



Conclusions

Merci de votre attention

Fournir de nouvelles données expérimentales sur le dépôt de suie

- à grande échelle avec des foyers moyens

- pour des configurations et géométries variées

Utiliser des modèles adaptés

- Prise en compte des propriétés thermiques et morphologiques des particules

- Prise en compte du gradient de température

Avancée vers la prédiction numérique précise du dépôt de suie


Métrologie

Appareils utilisés pour les essaisPegasor Particle Sensor

> Mesure de concentration de suie par charge de particules

Thermocouples (type K)

> Mesure de température

Cibles aluminium

> Mesure de Dépôt de suie cumulé

Opacimètre

> Mesure de concentration de suie par mesure de densité optique


Thermophorèse

Comportement des molécules après réflexion sur les particules

Facteur d’accommodation thermique

Facteur d’accommodation de quantité de mouvement

αm = αt = 0 —> Réflexion spéculaire (collisions complètement élastiques)

Ee = Ei et Me = Mi la molécule émise a la même énergie et la même quantité de

mouvement que la molécule incidente.

αm = αt = 1 —> Réflexion diffuse / accommodation complète

Ee = Es la molécule émise une énergie correspondant à une accommodation complète.

Me = 0 la molécule émise a une quantité de mouvement nulle.

Facteurs d’accommodation

E : Flux radial d’énergie …

M : Flux radial de quantité de mouvement tangentielle …

indice i : de la molécule incidente

indice e : de la molécule émise

indice s : en cas d’accommodation complète


Introduction

Modèle de Talbot (1981)

Le plus utilisé

Réunion des modèles de Brock (domaine continu) et Waldman (domaine moléculaire)

Cs = 1.17 Coefficient de glissement thermique (profil de vitesse dans CL particule)

Cm = 1.14 Coefficient d’accommodation de quantité de mouvement (disc de vitesse)

Ct = 2.18 Coefficient d’accommodation thermique (disc de température)

α = kg/kp Rapport des conductivités thermiques gaz / particules

Cn Coefficient de Cunningham (correction de la force de traînée de Stokes pour les effets de raréfaction)

Thermophorèse : modèle de Talbot

(Cunningham, 1910)


Introduction

Modèle de Beresnev & Chernyak (1995)

Valable pour des valeurs de Kn et alpha arbitraires.

Obtenus par résolution des équations de Lattice Boltzman.

Tabulées en fonction de R

Facteur d’accommodation thermique

Facteur d’accommodation de quantité de mouvement

Thermophorèse : modèle de Beresnev & Chernyak


Dépôt de suie à échelle réelle : local

Résultats

Cibles refroidies Cibles

refroidies

Quatre cibles après un essai Masse de suie déposée (essai heptane)

Documents

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