Développement d’un mod èle simple de calcul des flux sur

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19/12/2006 Séminaire Incendie - 4ème GdR

DDééveloppementveloppement dd’’un un modmod èèlele simple simple de de calculcalcul des flux des flux sursur les structures les structures

dansdans le le cascas de de flammesflammes extext éérieuresrieures

Alexis COPPALLEAlexis COPPALLE [1][1] , Sylvain DESANGHERE, Sylvain DESANGHERE [2][2] , Daniel JOYEUX, Daniel JOYEUX [3][3]

[1][1] UMR 6614 CORIA Saint Etienne du RouvrayUMR 6614 CORIA Saint Etienne du Rouvray[2][2] CTICM Saint RCTICM Saint R éémy lmy l èès Chevreuses Chevreuse

[3][3] EFECTIS Saint REFECTIS Saint R éémy lmy l èès Chevreuses Chevreuse


contextecontexte de de ll ’é’étudetude

• réglementation actuelle: majoritairement « à obligation de moyens »,prise en compte réduite des particularités de chaque ouvrage.démarche prescriptive,

• une nouvelle approche de la sécurité contre l’incendie« à obligation de résultats »étude détaillée du développement du feu et de la physique mise en jeu.concept d’« ingénierie de la sécurité contre l’incendie »

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ObjectifsObjectifs de de ll ’é’étudetude

Procedure de Procedure de calculcalcul de de l’échauffement d’éléments de structure en acier situés à l’extérieur d’un bâtiment en feu. (EUROCODE 3)


ObjectifsObjectifs de de ll ’é’étudetude

• vérifier la stabilité des structures situées à l’extérieur des bâtiments. (Contract 7210-PR/380) »• améliorer les modèles existants afin de mieux prédire les actions thermiques sur les éléments de structure extérieurs• étendre les modèles de transferts thermiques afin de prendreen compte les effets des diverses protections thermiques et les différents type d’éléments• vérifier les modèles développés en les confrontant à des résultatsexpérimentaux• mettre au point des règles de calcul simplifiées permettantd’estimer l’échauffement des éléments de structure.

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11èère re éétapetape ::

Validation d’un outil numérique FDSpour la simulation des flammes extérieures

•Comparisons avec les résultatsexpérimentaux d’un test CTICM

–Valeur mesurée du HRR utilisée pour les simulations

–Comparaison des températures pour des points situés à l’intérieur et àl’extérieur


11èère re éétapetape : Validation de : Validation de ll ’’outiloutil numnum éériquerique

description du description du cascas testtest

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Side view Facade view


Thermocouples Thermocouples utilisutilis ééss pour le testpour le test



Temps [s]0 500 1000 1500 2000

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Temperature moyenne

Mesurées Calculées

Temperatures Temperatures àà ll ’’ intint éérieurrieur en en °°CC

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Calculées

TempTemp éératures ratures àà ll ’’extext éérieur en rieur en °°CC



• Le modèle FDS est en bon accord avec les valeurs expérimentales pour le test CTICM

===> utilisation de FDS pour analyser l’influence des paramètres dans le scénario « flamme extérieure »

===> utilisation de FDS pour étendre les études au delà du cas du test

conclusionsconclusions

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CasCas de de deuxdeux ouverturesouvertures diffdiff éérentesrentes

Condition de ventilation forcée à travers la fenêtre

Vitesses à travers les ouvertures (m/s)

• Une fenêtre et une porte

•Position du plan neutre


CasCas de de deuxdeux ouverturesouvertures diffdiff éérentesrentes

•Conclusions–Quand les ouvertures sont très differentes, une approche plus détaillée que le modèle de zone est nécessaire :

Position du plan neutre

===> loi utilisable par un modèle de zone

–Pour des ouvertures régulières, la longueur de flammeexterne depend seulement de la valeur de la somme des ouvertures

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EffetsEffets de la de la geomgeom éétrietrie du du compartimentcompartiment

•différentes simulations avec FDS

–Cas de référence. Compartiment cubique

–Compartiment profond (2 fois le cas cubique)

–Compartiment large (3 fois le cas cubique)


ComparaisonComparaison cubique/profondcubique/profond

Vue en coupe

Temperature en °C

• la charge combustible est la même dans les deux cas

Lignes pointillées: cas cubique (réference)

• le HRR est très faibledans le fond du compariment profond

• même forme de flamme pour les deux cas

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ComparaisonComparaison cubiquecubique /large/large

•Écoulements complexes pour le cas large

Ecoulement 3D

Vitesse horizontale dans la direction x

X

y

• Le HRR est pratiquementle même dans les deux casdans la partie devantl’ouverture

• Le HRR n’est pas négligeable dans les cotésdu compartiment large


ComparaisonComparaison cubiquecubique /large/large

Temperature en °C

Faibles différencesdans les formes de flamme extérieure

Vue en coupe

Lignes pointillées: cascubique (réference)

Lignes continues: compartiment large

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EffetsEffets de la de la geomgeom éétrietrie du du compartimentcompartiment

•Conclusions de l’étude numérique- Le compartiment cubique produit les flammes externes les plus hautes

- les champs de température externe du compartiment long sontpeu différents du cas cubique

- les températures externes sont plus faibles dans le casdu compartiment large

• L’utilisation du cas du compartiment cubique est“sécuritaire” pour prédire les impacts thermiques surles structures extérieures

– Cela permet d’étendre la validité de la méthode simplifiée au cas des compartiments non cubiques.


Compartment fire

Solid flame

View factor

Design fuel release rate

DevelopementDevelopement dd’’un un modmod èèlele simplesimple

prpr éédictiondiction des des effetseffets thermiquesthermiques de de ll ’’ incendieincendiesursur des structures des structures extextéérieuresrieures

fuelm.

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HypothHypoth èèsesses simplificatricessimplificatrices

air

fuelairfuel m

mr

&

&

/=φ

•État quasi-stationnaire:

évolution du débit de combustible ou du HRR

évolution lente /autres phénomènes

•Utilisation des principaux concepts de l’eurocode

–Modèle de flamme solide

–Calcul des facteurs de forme

•Choix du taux de dégagement du combustible

–Utilisation du paramètre“richesse globale equivalente”


HypothHypoth èèsesses simplificatricessimplificatrices

air

fuelairfuel m

mr

&

&

/=φ

•Le Taux de dégagement de chaleur (HRR) à l’intérieur et à l’extérieur est fonctionde la richesse globale equivalente

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CasCas de base: de base: ggééomom éétrietrie simple et simple et ouverturesouvertures àà la la mêmemême hauteurhauteur

HAGERr

HAGERR

airfuel

⋅⋅≈= 088.05.0

/

]40

)800;0max(65.1;5.0max[

−+⋅=

TGER

h

X

));max(

027.01)(()(,

0,stfuelfuel

afaz mm

wlTTTlT

&&

⋅−−+=

•Calcul du taux de pyrolyse (débit de fuel)

•La longueur totale de flamme est donnée par (T en °C)

•La température sur l’axe de la flamme est donnée par


One zone

model

External

flames model

Thermal

actions

calculation

Openingsgeometry

Compartmentproperties

Fire load

Arbitrarygrowing

phase

Gasestemperature

GER

Flow rates through

openings

Flames temperature

Flames dimensions

Thermal transfer

coefficients

Location and orientation of the target

Sim

ple

open

ings

Multiple openings

Compartment

Com

plex

geom

etry

CFD

One zone

model

External

flames model

Thermal

actions

calculation

Openingsgeometry

Compartmentproperties

Fire load

Arbitrarygrowing

phase

Gasestemperature

GER

Flow rates through

openings

Flames temperature

Flames dimensions

Thermal transfer

coefficients

Location and orientation of the target

Sim

ple

open

ings

Multiple openings

Compartment

Com

plex

geom

etry

CFD

MMééthodethode complcompl èètete

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niveauniveau 2: 2: ouverturesouvertures multiples multiples ààdiffdiff éérentesrentes hauteurshauteurs

•Determining the temperature-time curve in the compartment with better accuracy than the parametrical fires

•Determining the neutral plane to define an equivalent opening according to the conditions of air entrance and external flaming

Documents

Développement d’un mod èle simple de calcul des flux sur