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Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de matériaux
liquides et solides dans le dispositif expérimental CADUCEE
23ème journées du GDR feux – 9 et 10 mars 2017 – INERIS – Verneuil en Halatte
David Alibert1
Thèse réalisée dans le cadre du LRC ETIC (AMU/CNRS/IRSN) – octobre 2014-septembre 2017
Directeur de thèse : Bernard Porterie1
Encadrant IRSN : Mickaël Coutin2
1 IUSTI Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels, UMR 7343, 13453 Marseille, France 2 IRSN Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, PSN-RES/SA2I/LEF, 13115 Saint-Paul-Lez-Durance, France
1 Contexte de l’étude
2 Dispositif expérimental
3 Résultats et discussion
4 Conclusion et perspectives
Sommaire
2 David Alibert – Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de matériaux liquides et solides dans le dispositif expérimental CADUCEE
GDR feux mars 2017 – Vernueil en Halatte
1 Contexte de l’étude
2 Dispositif expérimental
3 Résultats et discussion
4 Conclusion et perspectives
Sommaire
3 David Alibert – Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de matériaux liquides et solides dans le dispositif expérimental CADUCEE
GDR feux mars 2017 – Vernueil en Halatte
Contexte de l’étude
4 David Alibert – Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de matériaux liquides et solides dans le dispositif expérimental CADUCEE
GDR feux mars 2017 – Vernueil en Halatte
Feux en milieu confiné
Consommation de l’oxygène présent dans le local par le feu
Apport d’air limité par les ouvertures et/ou la ventilation
Feux en milieu sous-oxygéné Flux de la
flamme vers le
combustible
Cinétique de
dégradation du
combustible
Production de gaz et de suies
5 David Alibert – Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de matériaux liquides et solides dans le dispositif expérimental CADUCEE
GDR feux mars 2017 – Vernueil en Halatte
Corrélation de Tewarson et Pion [3]
Essais expérimentaux sur des échantillons
de plastiques
Essais à petite échelle
Corrélation de Peatross et Beyler [4]
Essais expérimentaux sur diesel, bois et
polyuréthane
Essais à petite et moyenne échelles
Modèle d’Utiskul [1]
Basé sur l’approche de Quintiere
Faible nombre de Spalding B
Effets radiatifs de la flamme négligeables
Modèle de Nasr [2]
Basé sur un bilan d’énergie à la surface du combustible
Nombre de Spalding B non négligeable
Prise en compte du flux radiatif issu de la flamme
Contexte de l’étude
Contexte de l’étude 1
2 Dispositif expérimental
3 Résultats et discussion
4 Conclusion et perspectives
Sommaire
6 David Alibert – Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de matériaux liquides et solides dans le dispositif expérimental CADUCEE
GDR feux mars 2017 – Vernueil en Halatte
7 David Alibert – Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de matériaux liquides et solides dans le dispositif expérimental CADUCEE
GDR feux mars 2017 – Vernueil en Halatte
Dispositif expérimental
8 David Alibert – Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de matériaux liquides et solides dans le dispositif expérimental CADUCEE
GDR feux mars 2017 – Vernueil en Halatte
Combustibles étudiés PMMA
Plaques carrées de 30 mm d’épaisseur
Surfaces d’intérêt de 0.04, 0.16 et 0.36 m²
Allumage par rainurage et inflammation d’éthanol
Concentrations en oxygène de 21% à 18%
Heptane
Bacs en pyrex de 11.6 et 19.6 cm de diamètre
Concentrations en oxygène de 21% à 15%
Dispositif expérimental
1 Contexte de l’étude
2 Dispositif expérimental
3 Résultats et discussion
4 Conclusion et perspectives
Sommaire
9 David Alibert – Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de matériaux liquides et solides dans le dispositif expérimental CADUCEE
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10 David Alibert – Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de matériaux liquides et solides dans le dispositif expérimental CADUCEE
GDR feux mars 2017 – Vernueil en Halatte
Vitesse de régression Suivie de l’interface de la zone bullée
Résultats et discussion : PMMA
Vreg, 21% = 0.008579 mm/s – Kacem [6]
11 David Alibert – Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de matériaux liquides et solides dans le dispositif expérimental CADUCEE
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Débit de pyrolyse Dérivée de l’évolution temporelle de la masse
Résultats et discussion : PMMA
CADUCEE – PMMA – 0.04 m²
CADUCEE – PMMA – 0.16 m²
CADUCEE – PMMA – 0.36 m²
Coutin [5] – Heptane – 0.07 m²
Tewarson [7] – PMMA – 0.073 m²
Tewarson [7] – PMMA – 0.068 m²
Tewarson [7] – Heptane – 0.0068 m²
Santo [8] – PMMA – 0.07 m²
Brohez [9] – Pyridine – 0.0061 m²
Peatross [5] – Diesel – 0.3 m²
Peatross [5] – Diesel – 0.5 m²
--- Corrélation de Peatross et Beyler [5]
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GDR feux mars 2017 – Vernueil en Halatte
Température des gaz Mesurée dans l’axe verticale de la flamme
Résultats et discussion : PMMA
Température augmente avec la
surface du combustible
Température maximale
augmente avec la surface du
combustible mais diminue avec
la fraction molaire d’oxygène.
Tflamme max = 1184 K – S = 0.011 m² – Beaulieu [10]
Tflamme max = 1100 K – S = 0.010 m² – Kacem [6]
En atmosphère normalement oxygénée En atmosphère sous-oxygénée
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GDR feux mars 2017 – Vernueil en Halatte
Flux thermiques reçus au centre des plaques Mesurés à l’aide d’un fluxmètre MEDTHERM total ou ellipsoïdal
Résultats et discussion : PMMA
0.04 m² 0.16 m²
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Résultats et discussion : PMMA
LG = 2.0-2.7 MJ.kg-1 – De Wilde [11]
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Perte de masse Dérivée de l’évolution temporelle de la masse
Résultats et discussion : heptane
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GDR feux mars 2017 – Vernueil en Halatte
Résultats et discussion : heptane
17 David Alibert – Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de matériaux liquides et solides dans le dispositif expérimental CADUCEE
GDR feux mars 2017 – Vernueil en Halatte
Température des gaz Mesurée dans l’axe verticale de la flamme
Résultats et discussion : heptane
En atmosphère normalement oxygénée
En atmosphère sous-oxygénée
Zones observées par McCaffrey [24]
18 David Alibert – Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de matériaux liquides et solides dans le dispositif expérimental CADUCEE
GDR feux mars 2017 – Vernueil en Halatte
Température du liquide Mesurée dans le combustible, à 1 cm du fond du bac de 0.196 m
Résultats et discussion : heptane
En atmosphère normalement oxygénée :
Température initiale du combustible de 293 K
Augmentation de la température jusqu’à la température d’ébullition (371.3 K)
Plateau de température puis 1ère augmentation brutale (TC dans gaz chaud
415-425 K)
2nd augmentation brutale (TC dans flamme)
En milieu sous-oxygéné :
Même évolution mais niveaux de température plus faibles
Diminution de la température du plateau (361.2 K à 15%)
Comportement général dû à la diminution des transferts thermiques à la
surface et au sein du liquide
Valeurs proches de celles obtenues par Chen [17] à 21%
1 Contexte de l’étude
2 Dispositif expérimental
3 Résultats et discussion
4 Conclusion et perspectives
Sommaire
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20 David Alibert – Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de matériaux liquides et solides dans le dispositif expérimental CADUCEE
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Conclusion Dépendance linéaire des paramètres de combustion à la concentration en oxygène
Fractions radiative et convective du flux total au centre de la plaque de PMMA indépendantes de la concentration en oxygène
(FR/FT = 0.65 et FC/FT = 0.35)
Détermination de la chaleur de gazéification du PMMA à l’aide de la mesure du flux total reçu au centre de la plaque et la
vitesse de régression (~ 2.25 MJ.kg-1)
Perspectives Mesure des flux total et radiatif au centre de bacs en pyrex
Etude de la répartition du flux à la surface du PMMA
(insertion d’un fluxmètre excentré)
Etude numérique avec les codes de calculs ISIS et SAFIR
Valorisation INTERFLAM – Intermediate-scale controlled-atmosphere calorimeter CADUCEE
SFT - Etude Expérimentale de la Combustion de PMMA en Atmosphères Normalement Oxygénée et Sous-Oxygénée – Effet d’Echelle
IAFSS - Effect of Oxygen Concentration on the Combustion of Horizontally-Oriented Slabs of PMMA
JITH - Effet de la Sous-Oxygénation sur la Combustion de Matériaux Liquides et Solides dans le Dispositif Expérimental CADUCEE
Conclusion et perspectives
Merci pour votre attention
23ème journées du GDR feux – 9 et 10 mars 2017 – INERIS – Verneuil en Halatte
22 David Alibert – Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de matériaux liquides et solides dans le dispositif expérimental CADUCEE
GDR feux mars 2017 – Vernueil en Halatte
Références 1. Y. Utiskul, J.G. Quintiere, A.S. Rangwala, B.A. Ringwelski, K. Wakatsuki, T. Naruse, Compartment fire phenomena under limited ventilation, Fire Safety Journal, Volume 40, Pages 367–390, 2005.
2. A. Nasr, S. Suard, H. El-Rabii, L. Gay, J.-P. Garo, Fuel Mass-Loss Rate Determination in a Confined and Mechanically Ventilated Compartment Fire Using a Global Approach, Combustion Science and Technology, Volume 183,
Pages 1342–1359, 2011.
3. A. Tewarson, R.F. Pion, Flammability of plastics—I Burning intensity, Combustion and Flame, Volume 26, Pages 85–103, 1976.
4. M. Peatross, C. Beyler, Ventilation Effects On Compartment Fire Characterization, Fire Safety Science, Volume 5, Pages 403–414, 1997.
5. M. Coutin, D. Alibert, B. Porterie, Intermediate-scale controlled-atmosphere calorimeter CADUCEE, 14th International Conference on Fire Science, INTERFLAM, Pages 1433–1444, 2016.
6. A. Kacem, M. Mense, Y. Pizzo, G. Boyer, S. Suard, P. Boulet, G. Parent, B. Porterie, A fully coupled fluid/solid model for open air combustion of horizontally-oriented PMMA samples, Combustion and Flame, Volume 170,
Pages 135–147, 2016.
7. A. Tewarson, J.L. Lee, R.F. Pion, The influence of oxygen concentration on fuel parameters for fire modeling, Symposium (International) on Combustion, Volume 18, Pages 563–570, 1981.
8. G. Santo, F. Tamanini, Influence of oxygen depletion on the radiative properties of PMMA flames, Symposium (International) on Combustion, Volume 18, Pages 619–631, 1981.
9. S. Brohez, G. Marlair, C. Delvosalle, The effect of oxygen concentration on CO and soot yields in fires, Fire and Materials, Volume 32, Pages 141–158, 2008.
10. P.A. Beaulieu, N.A. Dembsey, Effect of oxygen on flame heat flux in horizontal and vertical orientations, Fire Safety Journal, Volume 43, Pages 410–428, 2008.
11. J.P. De Wilde, The heat of gasification of polyethylene and polymethylmethacrylate, Delft University of Technology, Netherlands, Report PML 1988-C42, 1988.
12. V. Babrauskas, Estimating large pool fire burning rates, Fire Technology, Volume 19, Pages 251–261, 1983.
13. H.-C. Kung, P. Stavrianidis, Buoyant plumes of large-scale pool fires, Symposium (International) on Combustion, Volume 19, Pages 905–912, 1982.
14. C.S. Tarifa, Open fires, Instituto Nacional de Tecnica Aeroespacial Esteban Terradas, Madrid, 1967.
15. A.S.-X. Loo, A. Coppalle, J. Yon, P. Aîné, Time-dependent smoke yield and mass loss of pool fires in a reduced-scale mechanically ventilated compartment, Fire Safety Journal, Volume 81, Pages 32–43, 2016.
16. H. Hayasaka, Unsteady Burning Rates Of Small Pool Fires, Fire Safety Science, Volume 5, Pages 499–510, 1997.
17. B. Chen, S. Lu, C. Li, Q. Kang, M. Yuan, Unsteady burning of thin-layer pool fires, Journal of Fire Sciences, Volume 30, Pages 3–15, 2012.
18. G. Mulholland, V. Henzel, V. Babrauskas, The Effect Of Scale On Smoke Emission, Fire Safety Science, Volume 2, Pages 347–357, 1989.
19. H. Koseki, T. Yumoto, Air entrainment and thermal radiation from heptane pool fires, Fire Technology, Volume 24, Pages 33–47, 1988
20. J. Gore, M. Klassen, A. Hamins, T. Kashiwagi, Fuel Property Effects On Burning Rate And Radiative Transfer From Liquid Pool Flames, Fire Safety Science, Volume 3, Pages 395–404, 1991.
21. R. Buch, A. Hamins, K. Konishi, D. Mattingly, T. Kashiwagi, Radiative emission fraction of pool fires burning silicone fluids, Combustion and Flame, Volume 108, Pages 118–126, 1997.
22. M. Klassen et J.P. Gore, Structure and radiation properties of pool fires, National Institute of Standards and Technology, 1992.
23. Q. Kang, S. Lu, B. Chen, Experimental study on burning rate of small scale heptane pool fires, Chinese Science Bulletin, Volume 55, Pages 973–979, 2010.
24. B. McCaffrey, Purely buoyant diffusion flames: some experimental results, National Bureau of Standards, 1979.