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Détermination expérimentale par
SPIV du coefficient de porte pour un
écoulement de fumée d’incendie
GDR - FEUX
KOCHED Amine
IRSN- PSN/RES/SA2I/LEF
Bât. 346 - 327C
Plan
� Définition
� Bibliographie
� Mesure de débit par SPIV
� Convection naturelle
� Convection mixte
� Conclusions
� Perspectives
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
Définition
� Coefficient de porte = coefficient de l’écoulement = CD
� Coefficient correcteur du débit théorique à travers une ouverture :tenir compte des effets visqueux et de la contraction locale de lasection de l’écoulement.
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
Th
TL
Tamb
Vue de dessus-Porte-
Profil théorique
Profil réel
hN
Théorique
référenceD
m
mC .
.
=xy
z
Définition
� Coefficient de porte = coefficient de l’écoulement = CD
� Coefficient correcteur du débit théorique à travers une ouverture :tenir compte des effets visqueux et de la contraction locale de lasection de l’écoulement.
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
Théorique
RéférenceD
m
mC
.
.
=
Référencem.
Calculé numériquement ou mesuré
Calculé à partir de l’approche Bernoulli
Théoriquem.
Définition
� déterminé par intégration d’un profil de vitesse théorique
Théorème de Bernoulli:
L’écoulement à la porte est engendré par la variation de pression entre l’intérieur et l’extérieur de l’enceinte
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
Théoriquem.
Hypothèses : - Fluide parfait
- Fluide au repos loin de l’ouverture
cteTTTRMP =⇒=⇒= .353
... ρρ
ρ
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) s
z
h ga
z
h
sga PdzzTzT
TgPdzzzgzP
NN
∆+
−=∆+−=∆ ∫∫ ∞∞
00
11ρρρ
∫ ∆+∆=∆
=z
h
soN
Pdzgzz
zPzU ρ
ρρ )(
2
)(
)(2)(
dzzUzWCmNh
din ∫=0
)()(ρ&
dzzUzWCmH
h
dout
N
∫= )()(ρ&
Définition
� déterminé expérimentalement / numériquement : Intégration d’un profil/champ de vitesse mesuré/calculé à la porte
� Mesures expérimentales : Locales - Sondes bidirectionnelles, Tube de Pitot, LDV, fils chauds
- Incertitude lié à la calibration- Ne tient pas compte du caractère 3D de l’écoulement et de l’effet de la turbulence (zone de mélange)
� La référence nécessite une correction !
�Mesures expérimentales : champs de vitesse (Stéréo-PIV)- Description 2D/3D de l’écoulement à la porte
- Bonne résolution spatiale
- Mesure non intrusive indépendante de la variation de pression et de température
- Apporter une correction sur les techniques de mesures utilisées usuellement en incendie (SBD)
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
référencem.
Bibliographie
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
- Rouse (1946) ( )221 BbC
CC
C
CD
−=
- Ecoulement à travers un orifice (Idel’cick, 1986)
HD
l
g
v
H ×+×+=∆= λζεζγ
ζ ϕ ''342.0
2
Re02
00
- Faible dépendance de la dynamique- Forte dépendance de la géométrie de l’ouverture
- Pour les dimensions de la porte considéré dans cette étude
� CD ≈ 0,65 ± 0,01 (valeur fixe)
�Ecoulement à travers un orifice
Bibliographie
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
- Prahl et Emmons. (1975) � CD= f (Re) et pour Re > 104 CD= 0,6 ± 0,1(kérosène/eau)
- Van der Maas et al. (1989) ; Hill et al. (1986) � CD = 0.75
�Essais densimétrique : s’affranchir de la variation de densité
- Pelletret (1990) ; Allard et Utsumi (1992) � CD ≈ 0.8
Bibliographie
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
- Mahajan et Hill (1986) � 0.3 à 0.45 pour 0.5<∆T<15
- Wilson et Kiel (1990) � CD = (0.4 + 0.0045∆T) avec 0.5<∆T<40
- Fritzsche et Lilienblum (1968) � CD = (0.475 + 0.0043∆T) avec 0.5<∆T<45Possible influence des niveaux la turbulence de l’écoulement environnant
�Thermique de l’habitat : ∆T faibles
- Salliou et al (2012) � CD variable de 0,2-0,9
Bibliographie
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
- Bryant (2011) � C = 0.69 ± 0,03
Dimensions de porte : 0.79m × 1.96mDimensions du local : 2.4m × 3.6m × 2.4mPuissances de feux : [34kW ; 320kW]
- Steckler et al. (1984) � CDin = 0.68 et CDout = 0.73 (CDmoy=0,7)
Dimensions de porte : 0.74m × 1.83mDimensions du local : 2.8m × 2.8m × 2.13mPuissances de feux : [31.6kW ; 158kW]
� Incendie
�CD varient de 0.2 à 0.8 � Que choisir pour les applications incendie ?
� Mesures SPIV pas assez exploitées dans ce sens !
Bibliographie
�Quels intérêts à déterminer précisément le CD ?
- Communauté Incendie :� Estimation précise des débits d’air frais qui alimente la flamme
� Sûreté : corrélation du flash-over aux valeurs CD (Beard, 2001, FSJ)
� Proposer une correction des mesures par SBD
� Alimenter les codes à zones : SYLVIA
- Communauté thermique des bâtiments :� Les débits des fluides à travers les ouvertures sont corrélés au CD : réduire la
consommation énergétique des systèmes de ventilation
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
Mesure de débit par SPIV
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
� Enceinte :- Dimensions : 1.3m × 1m × 0.8m
- Porte : 0.645m × 0.26m
� Source: brûleur à gaz
- HRR = 7.8kW, 10.6kW, 15.5kW, 21.7kW
� Mesures : - Température (TC) : intérieur et à la porte
- Vitesse (SPIV) : ∆xi = 4mm, fSPIV = 2Hz, N = 800
� Ventilation : Soufflage et Admission
- QVENT = [94m3/h ; 250m3/h]
� Dispositif expérimental
Mesure de débit par SPIV
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1m
dot_
vent (k
g/s)
mdot_SPIV (kg/s)
Extraction Soufflage
ε ≈ 5%
W (mm)
H (
mm
)
-100 -50 0 50 1000
100
200
300
400
500
600
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
� Validation des mesures SPIV : mesures à froid (sans feu)
Incertitudes de mesures SPIV dans le plan de la porte ≤ 10%
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
�Calcul des débits analytiques entrant/sortant
Entrée de calcul : profils de temp° mesurés de part et d’autre de la porte
Tamb= 25°C
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 100 200 300 400
z (
mm
)
T(°C)
7.8kW 10.6kW 15.5kW 21.7kW
H
Profils analytiques de vitesse au centre de la porte
Convection naturelle
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
�Calcul des débits massiques expérimentaux entrant/sortant
y/L
z/H
-0.5 0 0.50
0.2
0.4
0.6
0.8
1
y/L
z/H
-0.5 0 0.50
0.2
0.4
0.6
0.8
1
y/L
z/H
-0.5 0 0.50
0.2
0.4
0.6
0.8
1
y/L
z/H
-0.5 0 0.50
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
7.8kW 10.6kW 15.5kW 21.7kW
Convection naturelle
0
100
200
300
400
500
600
700
0 100 200 300 400
z (m
m)
T (°C)
7,8kW 10,6kW 15,5kW 21,7kW
Champs de vitesse (U) à la porte Profils de température au centre de la porte
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
�Calcul des débits massiques expérimentaux entrant/sortant
Théorique SPIV CD
in (kg/s) out (kg/s) in (kg/s) out (kg/s) in
7.8kW 0,0623 0,0622 0,0304 0,0283 0,49
10.6kW 0,0695 0,0694 0,0376 0,0255 0,54
15.5kW 0,0773 0,0772 0,0416 0,0254 0,54
21.7kW 0,0821 0,0820 0,0491 0,0317 0,60
0,54 ± 5%
Théorique
SPIV
Théorique
référenceD
m
m
m
mC
.
.
.
.
==
Convection naturelle
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
� Influence de ∆∆∆∆Ps (Admission et Extraction)
Th
TL
Tamb
∆∆∆∆Ps
∆∆∆∆P
hNo
∆∆∆∆Pref
∆∆∆∆Ps
hN
xy
z
Convection mixte
∫ ∫
∆+∆=N
oN
h z
h
sinininD dzPdzgzwmC0
'
'
)(2 ρρ& ∫ ∫
∆+∆=H
h
z
h
soutoutoutD
NoN
dzPdzgzwmC
'
')(2 ρρ&
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
Détermination des valeurs de ∆Ps : � Essais à froid en variant QADM et QEXT
EXT ∆∆∆∆Ps ADM ∆Ps
m3/h Pa m3/h Pa
-101 -0,04 94 0,03
-159 -0,10 145 0,08
-209 -0,17 188 0,14
-248 -0,24 236 0,22
avec CD = 0,65 (Idel’cik, 1986)
Convection mixte
� Influence de ∆∆∆∆Ps (Admission et Extraction)
)(
)(2)(
z
zPzU
ρ∆
=
2
2
=∆ ∞
wHC
qP
D
Vs
ρ
Convection mixte
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
�Calculs des débits
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
-2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5
U (m/s)
Qext 1
Qext 2
Qext 3
Qext 4
CV-Nat
Qadm 1
Qadm 2
Qadm 3
Qadm 4
y (mm)
z (m
m)
-100 -50 0 50 1000
100
200
300
400
500
600
CV Nat. EXT248 m3/h
ADM236 m3/h
HRR = 21,7kW
y (mm)
-100 -50 0 50 1000
100
200
300
400
500
600
y (mm)
z (m
m)
-100 -50 0 50 1000
100
200
300
400
500
600
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Variation d profil analytique de vitesse à la porte en fonction de
∆Ps
Influence de ∆Ps sur les champs de vitesse mesurées à la porte
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
�Détermination du CD
Convection mixte
CDEXT ≥ CDADM
CD CV MX ≤ CV CV Nat
Débits analytiques surestimés en CVMX (hypothèses non respectées pour
l’application de l’approche Bernoulli)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
5 10 15 20 25
CD
HRR (kW)
20Hz-ADM
20Hz-EXT
50Hz-ADM
50Hz-EXT
CV-Nat
Littérature (1984,2011)
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
� CD variable pour Lc fixé dans cette étude
� Convection naturelle :
� CD =f (HRR)
� CD inférieur à 0.68 : [0.48;0.6] � différence > 30% sur Qin
� Convection mixte :
� CDin = f (∆Ps , HRR)
� Limite de Bernoulli pour l’estimation du débit théorique
Conclusion
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers
�Etude de sensibilité : recours aux codes à champs (ISIS)
� Etablir une corrélation généralisée du CD en fonction
du nombre de Richardson
�Effet d’échelle : essais à grande échelle
RCT - ISO9705 en convection mixte
Perspective
2
...
U
LTgRi c∆
=β
MERCI DE VOTRE ATTENTION
GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers