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Modélisation Informatique

Modélisation - FDS & Smokeview (IV)
- Paru le 17/02/2007
- Déjà lu 9520 fois.

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Pédagogie et formation bulletArticle: Mouvements et évolution des zones chaudes dans un local


Il y a de nombreuses années (en 1996), le FSEG (FIRE SAFETY ENGINEERING GROUP de l'Université de Greenwich) a mis au point une système permettant de modéliser les phénomènes de flashover et de backdraft. Outre cette possibilité, le système permet de suivre de façon précise les mouvements et l'évolution des zones chaudes, dans un local. L'influence de l'ouverture d'une porte ou l'influence de la simple présence d'une porte ouverte (turbulence en haut de celle-ci), sont parfaitement visibles dans cette étude.

Le modèle est prévu pour être utilisé dans des applications d'engineering liées au domaine de la modélisation incendie. Il représente une extension de cette technique pour les situations impliquant la combustion de combustibles cellulosiques solides. En plus de prédire la propagation de flammes sur les surfaces solides, le modèle est capable de prédire qualitativement les comportements semblables au Flashover - dans le cas d'un scénario avec pièce ouverte - et au Backdraft - dans le cas d'un scénario avec pièce fermé. Le modèle comprend les sous-composants suivants : un modèle de combustion de phase gazeuse, un modèle de rayonnement (radiation) et un modèle thermique de pyrolyse.

Les deux simulations présentées ici concernent un compartiment bidimensionnel de 3.6O m de long et 2.4O m de haut et une maille informatique non-uniforme se composant de cellules de 52x23 (1196) employés pour discritiser le domaine d'écoulement.


NdT : le principe consiste à découper le volume en une multitude de petites zones, afin de pouvoir réaliser les calculs. Ce principe de découpe d'un volume ou d'une surface en une multitude de petites surfaces est employé depuis longtemps en informatique, dans des domaines aussi différents que l'image de synthèse, les jeux vidéos etc Plus le maillage est fin, plus la précision est importante, mais plus le temps de calcul est long.

Le compartiment possède une porte de 2.0Om de hauteur (elle apparaît à droite sur les schémas). Le combustible solide est situé au plafond et se compose d'un matériel cellulosique de 12mm d'épaisseur, qui couvre entièrement la surface du plafond. Une maille de cellules de 47x60 est employée pour discrétiser le matériel plein.

Scénario 1 - Porte ouverte
Dans le premier scénario, la porte de 2.0Om de haut est ouverte pendant toute la simulation. Une source de chaleur est artificiellement présentée dans le calcul, par l'introduction d'une source de chaleur de 100 kilowatts située sur le plancher, à côté du mur du fond. Cette source est active pendant toute la simulation.

Le développement du feu dans le compartiment semble suivre un développement en trois étapes

  • étape de croissance
  • étape de plein développement
  • étape de déclin

Le schéma 1, qui dépeint le taux de rejets de chaleur dûe à la combustion gazeuse et le taux de combustion du combustible solide dans le compartiment, montre clairement cette évolution. Au bout d'environ 220 secondes, suite à l'implication totale du plafond combustible (totalement enflammé) , la flamme sort du compartiment (schéma 2), ce phénomène étant souvent observé dans les expériences durant lesquelles le Flashover se produit. L'augmentation brutale du taux de combustion, visible sur le schéma 1, à environ 220 secondes, valide également le principe général admis lors de plusieurs expériences et indiquant qu'il existe un taux limite de combustion qui doit être dépassé pour qu'il y ait déclenchement d'un Flashover.

Schéma 1 : Taux de rejets de chaleur issue de la combustion gazeuse et taux de combustion du matériel plein dans le cas 1. (scénario avec porte ouverte). Les "plus" (+) représente le taux de rejets de la chaleur de la combustion gazeuse (kW). Les "x" représentent le taux de combustion du matériel plein (g/s).

Schéma 2 : Tracé du taux de rejets de chaleur de la combustion gazeuse durant la phase de preflashover pour le cas 1 (t = 200s) et pendant le Flashover (t = 220s). Unité : kW.

Scénario 2 - Porte fermée
Le compartiment utilisé dans le deuxième cas est identique au compartiment utilisé dans le premier. Cependant, la porte du compartiment est initialement fermée. Plusieurs secondes après le moment prédit par le modèle pour la fin de la combustion en phase gazeuse, la porte du compartiment est ouverte, permettant à l'air riche en oxygène d'entrer dans la pièce.

En comparant au premier cas, nous voyons qu'au lieu d'obtenir une augmentation brusque du taux de rejets de la chaleur avec propagation du feu, les augmentations de taux de rejets de la chaleur évoluent lentement, cependant il y a une augmentation rapide de la quantité du combustible s'accumulant dans le compartiment (schéma 3). Après approximativement 45 secondes, le taux de rejets de la chaleur dû à la combustion avec flamme, commence à diminuer en raison de la réduction de la concentration en oxygène. Le schéma 3 laisse penser qu'alors même que le feu meurt, la quantité de combustible s'accumulant dans le compartiment continue à augmenter. Ceci montre que le processus de pyrolyse continue, car le mélange de gaz chaud fournit suffisamment d'énergie pour que le processus endothermique continue .

Schéma 3 : taux de rejets de chaleur de la combustion gazeuse et quantité de combustible s'accumulant dans le compartiment pour la cas 2 (porte fermée). Les "plus" .(+) représentent le taux de rejet de chaleur de la combustion gazeuse (kW). Les "x" représentent la quantité de combustible s'accumulant dans le compartiment (en grammes).
Au bout de 59 secondes, la porte du compartiment est soudainement ouverte. Le comburant (air) est entraîné dans la pièce par la partie inférieure de la porte tandis que le mélange de gaz combustible , chaud et riche, sort de la pièce par la partie supérieure de la porte, sous le soffite. Presque immédiatement, le mouvement des gaz riches en combustible chaud associé au mouvement de l'air riche en oxygène , re-lance le processus de combustion (Schéma 4 (a)). Une grande quantité de combustible s'étant accumulée dans le compartiment (Schéma 3), la réactivation de la combustion gazeuse est violente. Des quantités considérables de gaz combustibles sont éjectées à l'extérieur en partie haute de la porte, en un temps très court, produisant une grande zone en combustion en dehors du compartiment c.-à-d. que la flamme dépasse du compartiment (Extériorisation - Schéma 4 (b)). Ce type de comportement est semblable au phénomène connu sous le nom de backdraft.

Schéma 4 : Taux de rejets de chaleur de la combustion gazeuse pour le cas 2, c'est à dire "porte fermée durant la phase initiale" . Le schéma (a) représenta la situation une seconde après l'ouverture de porte, et le shcéma (b) trois secondes après l'ouverture de porte. (unité: kW).

Référence
Prédiction de la propagation du feu lors de feux en milieu clos. Auteurs : F Jia, ER Galea et M K Patel. Article n° 96/IM/10, ISBN 189999 10 93, CMS PRESS, 1996


Conclusion des traducteurs
Cet article montre deux choses :

1 - La différence entre flashover et backdraft. Les courbes des figures 1 et 3 montrent que lors d'un flashover, les gaz combustibles sont consommés pratiquement en même temps qu'ils sont produits, alors que dans le cas du backdraft, le combustible est produit, accumulé dans le local alors que la quantité d'énergie est quasi stable (et pas forcément très élevée) puis, à l'ouverture de porte les gaz combustibles éjectés se mélangent avec l'air puis sont consommés. Dans la présente simulation, le fait que cette consommation de gaz combustible soit quasi immédiate caractérise le backdraft.

2 ­ Quelle que soit la situation dans laquelle se trouve le local (en mode pré-flashover ou en mode pré-backdraft) cette simulation illustre parfaitement le danger lié au passage de porte et plus particulièrement a ce qui peut se passer en partie supérieure de la porte. La porte est une restriction de passage. A cet endroit, les gaz chauds vont accélérer et le mode d'écoulement, qui pouvait être quasi laminaire, peut devenir turbulent. Ces turbulences plus ou moins importantes en fonction de la combustion, vont favoriser les mélanges gaz combustible / air. Ainsi, nous pouvons aisément, lors d'un passage de porte, nous trouver au niveau des fumées face à des puissances thermiques supérieures à la puissance thermique présente à l'intérieur du local, du simple fait de ce brassage.

Ce genre de travaux valide pleinement le protocole d'ouverture de porte tel qu'il est décrit dans le document Jet-Débit-Action, disponible ici, en téléchargement.

Article original: Modelling of FLASHOVER and BACKDRAFT Using Fire Field Models.
http://fseg.gre.ac.uk/fire/flashover_and_backdraft_modelling.html. Traduction Franc Gaviot-Blanc et Pierre-Louis Lamballais.


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