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- Paru le 22/12/2005
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Articles Scientifiques bulletArticle: Modèle numérique simple pour évaluer le risque de Backdraft


Auteur : Franck Gaviot-Blanc pour Flashover.fr - Juillet 2006. Merci au Dr Christian Pérez Jiménez pour la relecture, les corrections et commentaires de la partie technique de cet article.

Le 3 juillet 2006, à l'Université de Liège (Belgique), Christian Pérez Jiménez, a défendu en séance publique une thèse intitulée : Simple Numerical Model for Backdraft Risk Assessment, pour l'obtention du grade de Docteur en sciences appliquées. Ce travail financé par des fonds Européens, s'inscrit dans le projet FIRENET. A ce jour, la thèse est en correction. Une copie de cette thèse (en anglais) sera placée dans la section scientifique du site pour les personnes intéressées.

Le présent article va tenter de présenter la globalité du travail effectué par ce chercheur.


Pour rendre accessible ce genre de travail à la majorité d'entre vous, l'article a été divisé en deux parties.

  • "Pour faire simple... " devrait au moins permettre à tous de prendre connaissance de la nature des travaux effectués lors de cette thèse.
  • "Pour aller plus loin" qui, bien qu'ouverte à tous, s'adresse plus spécialement aux personnes qui seraient intéressées pour utiliser le travail de Christian.

Quelques repères avant de commencer...

Modèle numérique : c'est un programme informatique qui permet d'obtenir des informations sous forme graphique / numérique sur les paramètres d'un phénomène, uniquement par le fait de calculs validés par des essais expérimentaux. Un modèle repose sur un programme informatique. Le Fortran a été le langage de programmation utilisé pour le présent travail.
CFD (Computational Fluid Dynamics) : La transcription la mieux appropriée pour CFD serait : Mécanique des Fluides Numérique. Plus simplement on peut parler ici, de l'étude du comportement des fluides par simulation informatique. Christian, pour une partie de son travail (le courant de gravité) a eu recours à ce mode de modélisation. Il résulte des modèles CFD une animation graphique en deux dimensions, qui montre l'interaction dans des conditions bien définies, des fluides les uns par rapport aux autres lors de leur mise en mouvement. Ces visualisations sont très intéressantes, mais aussi très lourdes à mettre en uvre (matériel de calcul puissant et paramétrages complexes).
Corrélation : c'est une "formule mathématique simple", précise sur une gamme donnée, qui permet d'estimer la valeur d'une mesure sans avoir à l'effectuer.

Pour faire simple...


L'objectif de la thèse a été de développer un modèle numérique simple, centré sur :

  • La prédiction du risque de Backdraft
  • L'analyse des paramètres qui influencent le plus le déclenchement du backdraft
  • La déflagration (estimation des énergies et pressions libérées)
  • Le diamètre de la boule de feu générée par le phénomène s'il a lieu

Pourquoi avoir voulu développer un modèle ?

  • 90% des études sur le Backdraft sont le fait d'expériences
  • Les expériences coûtent cher
  • L'influence de plusieurs paramètres ne peut pas être vu dans une expérience, alors que dans un modèle si.

Pourquoi un modèle simple et pas un modèle type CFD ?

  • Le temps nécessaire à l'obtention d'un résultat est assez court avec un modèle simple (quelques dizaines de secondes maximum, pour avoir un résultat car les opérations de calculs à effectuer sont " simples ") en utilisant un PC " standard " alors qu'en CFD, il faut, malgré des calculateurs puissants, attendre plusieurs jours, parfois une semaine pour parfois ne pas obtenir le résultat escompté du fait d'un mauvais paramétrage etc.
  • Le modèle simple offre une bonne qualité de résultats
  • Il est facile d'utiliser un tel modèle (contrairement à de la modélisation type CFD )

Limite de l'étude
Le programme développé, permet de modéliser une pièce fermée, muni sur une de ces faces d'une ou plusieurs fenêtres (simple ou double vitrage).

Lors du backdraft, ce sont les gaz produits pendant la phase de latence du sinistre qui sont mise à feu plus ou moins violemment lors de l'introduction du comburant. Le modèle ne permet pas de modéliser la pyrolyse d'un mobilier type (trop complexe) mais, en connaissant la nature des matériaux qui brûlent et en considérant leur réaction chimique de combustion, il est possible de modéliser la production des gaz de pyrolyse qui seraient dégagés par le mobilier dans une telle situation.

La taille de la fenêtre ou des fenêtres, position sur la ou les faces de la pièce, composition du double vitrage, dimensionnement, etc. sont des paramètres ajustables.

Scénario
Un départ de feu se produit dans une pièce vitrée, qui contient du mobilier combustible, et le feu se développe. Le local étant sous ventilé, la combustion va rapidement régresser, les flammes vont disparaître mais pour autant, le rayonnement thermique des fumées emprisonnées dans le compartiment va persister et permettre la décomposition chimique des matériaux combustibles présents. Le modèle permet d'évaluer l'évolution de la température dans le compartiment en fonction du temps. En fonction du temps de latence, si une ouverture est créée, que ce soit par le bris d'une vitre qui cèdent sous l'effet des contraintes thermiques (la pression régnant dans la pièce n'est pas prise en compte dans le présent modèle car elle n'a pas d'impact sur le résultat) ou par l'intervention d'un sapeur-pompier, un courant de convection (également appelé courant de gravité) va se remettre en place. En fonction des paramètres saisis le modèle sera alors capable de prédire si un backdraft aura lieu ou non, et s'il a lieu, il estimera les paramètres inhérent à la déflagration (énergie et pression intérieur et extérieur) mais aussi la taille de la boule de feu qui sera alors produite.

Voilà donc rapidement dépeint le cadre d'étude pour lequel Christian à passé 4 ans de recherche...

Pour aller plus loin

Pour son travail, Christian s'est appuyé sur le modèle Ozone, développé à l'Université de Liège par le Dr J.F. CADORIN, qui a soutenu sa thèse en 2003 (thèse disponible sur le site dans la section scientifique ou en cliquant ici). Ce modèle permettait initialement de déterminer l'évolution de la température dans un local en feu en mode pré-flashover et post-flashover, en résolvant les équations de conservation de la masse et de l'énergie. Christian a dû, pour son travail, développer des modules complémentaires qu'il a intégrés à Ozone :

Module de pyrolyse : afin de calculer la quantité d'espèces gazeuses dégagées par le matériel dans le compartiment. Le modèle permet de dissocier la pyrolyse des composés ne produisant pas de cendre (plastique, liquide...), qui ont donc un mode de pyrolyse surfacique, des composés produisant des cendres (bois), qui eux ont un mode de pyrolyse interne (en profondeur).

Module équilibre des masses : afin de calculer le type et la quantité d'espèce gazeuse (CO, CO2, Hydrocarbures) accumulés dans le compartiment car cela permet de vérifier l'inflammabilité du mélange et de calculer l'énergie lors de la déflagration.


Module bris de vitre : afin d'obtenir le temps de résistance du double vitrage à la rupture par rapport au régime thermique dans le compartiment, cette donnée étant nécessaire pour savoir à quelle moment le courant de convection va se remettre en place dans le compartiment. Pour ce faire, Christian à utilisé comme base un programme existant : BRANZFire. Ce programme ne prenait en compte que les surfaces vitrées à simple vitrage. Il a donc fallu apporter des modifications dans Ozone pour les doubles vitrages.

Module courant de convection (courant de gravités): afin d'estimer le niveau de brassage, la position et la vitesse du courant de convection, car ce sont ces paramètres qui génèrent le mélange inflammable, le transportent en dehors du compartiment et influencent directement la violence du backdraft. La simulation de tels paramètres (importance du courant de gravité, niveau de mélange, vitesse et position de gaz) n'est pas réalisable directement sous Ozone. Des simulations CFD ont donc été utilisées à part, pour l'étude du courant de convection (code CFX ANSYS). Les paramètres étudiés ont été : la géométrie de l'ouvrant, le ratio (longueur / largeur) du compartiment, la présence ou non d'obstacle et leur position dans le compartiment (en zig / zag ou haut / bas). Le résultat de ces travaux CFD ont permis de déterminer un paramètre : le nombre de Froude. Ce nombre adimensionnel permet de qualifier la qualité d'un mélange gazeux. Si le nombre de Froude est égal à 0.5, alors les gaz en présence ne se mélangent pas. Plus la valeur de ce nombre se rapproche de 0 et plus les deux gaz se mélangent intimement. Il a été constaté que les nombres de Froude déterminés par les essais CFD étaient très proches de ceux déterminés par calcul "classique". Cela a validé le fait que la détermination du nombre de Froude "classique" était un bon paramètre pour "quantifier" la qualité du mélange des gaz quels que soient les paramètres entrés dans le modèle : la géométrie de l'ouvrant, le ratio du compartiment, la présence ou non d'obstacle et leur position dans le compartiment.

Exemples de modélisation CFD du courant de convection obtenu dans une pièce sans obstacle

Les modélisations "CFD" ci-contre, montrent bien qu'un exutoire en plafond limite fortement la qualité du brassage lié au courant de convection du fait que l'air frais dans ce cas ne peut pas pénétrer dans le compartiment, contrairement à ce qui est obtenu avec une ouverture latérale (porte ou même fenêtre en partie haute!).


Ouverture d'une porte

Ouverture d'une fenêtre en partie haute

Ouverture d'un exutoire

Module inflammabilité : afin de contrôler si le mélange en présence dans la pièce est susceptible de se mettre à feu avec propagation au travers du compartiment ou non, pour savoir si une déflagration est possible (en fonction des limites d'inflammabilité du mélange constitué, de la température qui régnera dans le compartiment et des espèces présentes ­ CO, CO2, combustibles-). Pour ce module, le paramètre sélectif est le nombre de Le Chatelier. Si ce nombre est supérieur à 1, le déclenchement est possible. Si ce nombre est inférieur à 1 le déclenchement est impossible.
Dans cette partie, un modèle capable de prédire les diagrammes d'inflammabilité des mélanges formés par un ou plusieurs combustibles avec un ou plusieurs gaz inertes, de l'air a 1 atmosphère et une température élevée a été développé.

Module déflagration : afin d'obtenir l'évolution de la déflagration dans et hors du compartiment. La littérature actuelle contient des corrélations simples sur la prédiction des Backdraft. Elles sont faciles à utiliser, mais ne renseignent que sur la pression maximum développée par la phénomène. Or, lors d'un Backdraft, l'énergie dégagée et la boule de feu qui s'en suit sont aussi des facteurs importants à prendre en compte. En 2003, A. GRIGORASH a proposé une corrélation que Christian a améliorée pour répondre à son étude.
Pour un gaz donné, en fonction du volume de la pièce et de la dimension de l'ouvrant, une méthode graphique peut permettre d'estimer le diamètre de la boule de feu qui ferait suite à la déflagration.
Sur le schéma ci-contre on peut voir que, pour une pièce de 50 m3 avec une ouverture de 2m2 une boule de feu d'un diamètre de l'ordre de 7 m pourrait être formée si le gaz contenu dans le local était du méthane.

Exemple de détermination graphique du dimensionnellement de la boule de feu générée par un Backdraft au "méthane" pour une ouverture allant de 1 à 4 m2 et pour des volumes de compartiment allant jusqu'à 500 m3


Images issues d'un film transmis par D. GOJKOVIC


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Re: Modèle numérique simple pour évaluer le risque de Backdraft (Score: 1)
par buche le 19 septembre 2006 à 22:31:55
(Profil Utilisateur | Envoyer un message)
Bonsoir,

"CFD (Computational Fluid Dynamics) : La transcription la mieux appropriée pour CFD serait : Mécanique des Fluides Numérique."

Nan, nan, la traduction la plus appropriée c'est bien Mécanique des Fluides Numérique. Je n'en connais pas d'autre ;-)

"Corrélation : c'est une "formule mathématique simple", précise sur une gamme donnée, qui permet d'estimer la valeur d'une mesure sans avoir à l'effectuer."

En très simplifiée, une corrélation ce serait plutôt une expression de la relation entre deux phénomènes (mesurés ou simulés).
En général, on distingue corrélation temporelles et spatiales, ou un mix des deux.
Typiquement, on mesure ou simule un phénomène, on a par exemple deux signaux dans deux coins, et on examine s'il le signal 1 voit passer un truc avant/après le signal 2 (corrélation temporelle), ou bien si en baladant le point de mesure 2, on s'aperçoit qu'à certains endroits il ressemble au signal 1 (corrélation spatiale).

Dans la pratique, quand le phénomène est trop compliqué, on est amené à corréler des choux avec des vaches. Le système est un peu trop méchant pour être détaillé, donc pour les besoins pratiques, on corrèle plein de trucs pour en déduire des abaques, afin de tenter de prédire sur un intervalle donné au moins le comportement global du système étudié. Mais çà, ce n'est pas faire une corrélation, c'est l'utiliser :)

Sinon, si Christian nous lit, j'aurai aimé discuter avec lui :
- pourquoi CFX et pas un truc plus ouvert genre le code de la nist? Je veux dire, choix délibéré à cause d'un blême avec le machin de la NIST, ou bien CFX parce que c'était plus facile à prendre en main ?
- ce sont des simulations 2D ?
- les écoulements sont très lents, c'est du laminaire sans rien ajouté (genre modèle sous-maille ou modèle de turbulence) j'imagine ?
- combien de cellules pour les différentes simulations ?
- le schéma spatial, c'est de l'ordre 2 incompressible typique, ou il y a moyen d'y avoir plus ? l'avancement en temps c'est quoi ? Si çà passe en compressible, comment c'est géré ? C'est peut-être plutôt du compressible pré-conditionné ?

A bientôt

Buche



Re: Modèle numérique simple pour évaluer le risque de Backdraft (Score: 1)
par Ph.G. le 26 février 2010 à 09:56:16
(Profil Utilisateur | Envoyer un message)
ces docs sont interessants mais il y a des petites choses que je ne saisis pas bien sur l'interprétation des images de modélisation CFD: il est dit "les images montrent bien qu'un exutoire en plafond limite fortemlent la qualité du brassage du fait que l'air frais ne peut pénetrer dans le compartiment...
il me semble au contraire que plus l'exutoire est réalisé en partie haute et plus le brassage se fait, preuve en est l'importance des taches jaunes et oranges à la différence avec l'ouverture de la porte ou le mélange est faible avec prédominance des zones rouges et bleu foncé. La chute de l'air frais depuis l'ouverture s'accompagne de turbulences mises en évidence dans d'autres travaux de modélisation numériques et de modèles expérimentaux à l'eau salée.

Je suis d'accord que dans l'exutoire en plafond l'air frais aura plus de mal à rentrer (comme les fumées auront elle aussi plus de mal à sortir) puisque à la différence de la porte nous ne bénéficions pas d'un gradient de pression qui organise un flux de sortie et un flux entrant.Le brassage est meilleur même si les échanges entre l'intérieur et l'extérieur sont plus longs...
Je sais que ce que j'écris peut paraître choquant mais je m'interroge sur le bien fondé de l'exutoire en partie haute pour les risques de backdraft (alors que c'est bien sûr la bonne position pour les feux lorsque l'on a une bonne stratification des fumées avec couche tres chaude en partie supérieure sur des feux semi clos par exemple. Merci de me donner votre avis...


 
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