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Modélisation - FDS & Smokeview (II)
- Paru le 09/01/2007
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Articles Scientifiques bulletArticle: Ghosting Flames


Dans l'un des premiers documents traduit et mis en ligne sur flashover.fr, intitulé JARGON SCIENTIFIQUE nous trouvons la définition suivante, concernant le phénomène de Ghosting flame: c'est la description de flammes qui ne sont pas rattachées à la source combustible et qui se déplacent autour d'une enceinte quand le mélange carburant / air est favorable. Un tel événement, lors d'un feu sous-aéré est un signe de situation pré-Backdraft. On parle également de flammes dansantes.
Cette définition a été initialement utilisée par le Dr Richard CHITTY dans un document en Anglais intitulé Survey of Backdraught.

Lors d'une discussion, le Dr L. AUDOUIN de l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, sur le thème des feux en milieu sous ventilé a transmis un article intitulé « A Real scenario for a Ghosting flame », qu'il a publié en collaboration avec Mrs J.M. SUCH, JC. MALET et C. CASSELMAN en 1997 à l'occasion du 5ème symposium de l'IAFSS (International Association for Fire Safety Science) de Melbourne (Australie) en mars 1997. Cette publication scientifique, dans sa version originale (en anglais) et intégrale est placée dans la partie documents scientifique du site.

La publication scientifique décrit une expérimentation réalisée dans les installations de l'IRSN (IPSN à l'époque) qui se trouve à Cadarache à St Paul lez Durance. L'essai mené concerne un feu à grande échelle à l'intérieur d'une structure dans laquelle un bac contenant un mélange de solvant inflammable a été mis à feu. Les conditions de ventilation naturelle sont telles qu'elles contrôlent la combustion (une seule ouverture de 0.8 m * 0.8 m²). Rapidement, une température de 560°C a été atteinte et, dans les conditions de l'essai, il a été observé la migration des flammes, de la source (la surface du bac) jusqu'à l'ouverture, soit un déplacement de la zone réactionnelle de plus de 8 m à une vitesse de l'ordre de 4 à 8 cm/s. Une fois devant l'ouverture, le feu s'est stabilisé et a perduré en laissant s'échapper des flammes par l'ouvrant jusqu'à ce qu'il n'y ait plus assez de combustible liquide disponible dans le bac. Cette expérimentation a été reproduite trois fois, avec quelques variantes au niveau de la ventilation, et pour chacun des essais le phénomène a été observé.

Caractéristique du compartiment d'essai
Les dimensions du compartiment utilisé pour l'expérience sont : 10 m de long, 3.75 m de largeur et 2.5 m de haut, fournissant un volume total d'environ 95 m³. La structure est fermée sur son extrémité Ouest (face Bravo) et dispose en son centre d'une ouverture de 0.8 * 0.8 m² sur la paroi Est (face Delta). La figure 1 représente un schéma du compartiment d'essai avec l'emplacement de tous les équipements de mesure. L'axe central du bac de combustible est placé sur l'axe médian de la pièce à 2 m de la paroi Ouest (face Bravo). A 2 m de cette paroi, un trou placé sur la paroi Sud (face Alpha) permet d'observer le bac (coïncidant avec l'axe central du bac). Les surfaces des parois du compartiment sont constituées d'une structure métallique de type tubulaire sur laquelle sont disposés des panneaux de fibres résistantes au feu : panneaux de fibres KERANAP (25 mm d'épais) à proximité du bac de combustible en feu et panneaux de fibres THERMIPAN (40 mm d'épais) sur la face ouverte.

Ce compartiment d'essai (Figure 1) a été placé dans une importante installation (3600 m³), nommé JUPITER (Figure 2). Les entrées et sorties d'air de cette installation expérimentale sont contrôlées par un réseau de ventilation industriel qui permet d'évacuer les produits de combustion libérés, à travers l'ouverture du local d'essai. Les conditions d'exploitation de la ventilation permettent un débit volumique de 18000 m³/h sous les conditions opératoires d'étude (conditions initiales de l'expérience). Pour des raisons de sécurité, un système d'injection d'azote est capable de fournir un important débit d'azote, si nécessaire, pour rapidement diminuer le niveau d'oxygène dans l'installation JUPITER.


Figure 1 - Compartiment d'essais
Ce compartiment d'essai a été placé dans une importante installation (3600 m3), nommé JUPITER (Figure 2). Les entrées et sorties d'air de cette installation expérimentale sont contrôlées par un réseau de ventilation industriel qui permet d'évacuer les produits de combustion libérés, à travers l'ouverture du local d'essai. Les conditions d'exploitation de la ventilation permettent un débit volumique de 18000 m3/h sous les conditions opératoires d'étude (conditions initiales de l'expérience). Pour des raisons de sécurité, un système d'injection d'azote est capable de fournir un important débit d'azote, si nécessaire, pour rapidement diminuer le niveau d'oxygène dans l'installation JUPITER.

Combustible
Le combustible est un mélange d'hydrocarbures liquide, 70% de Tétra Propylène Hydrogéné [TPH (C12H26)] et de 30% de Tri Butyl Phosphate - [TBP((C4H9)3 PO4)] en volume. Ces caractéristiques principales sont : ρ=816 kg/m3 et chaleur de combustion : ΔHr=36 MJ/kg. Le point éclair du TBP/TPH est 55°C. La charge combustible est de 50 litres.

Concentrations des espèces
Le suivi des concentrations volumique des espèces chimiques O2, CO2 et CO en fonction du temps a été réalisé par un échantillonnage en continu au moyen de deux sondes de prélèvement (analyses en ligne). Une sonde (noté a1) est placée dans la partie inférieure de la pièce, à 5 m de l'ouverture, 0.5 m du sol et 1 m de la paroi Nord. L'autre sonde (noté a2) est placée au-dessus de la première, à 5 m du haut de la pièce.


Figure 2 : Schéma du bâtiment (JUPITER) à l'intérieur duquel se trouve le compartiment d'essai

Températures
Les températures sont mesurées au moyen de thermocouples gainés, de type K et de 0.2 mm de diamètre. Toutes les températures rapportées ici sont des valeurs non corrigées. Les thermocouples sont notés de t1 à t15 sur la figure 1 et mesurent les températures dans la zone de flamme.

Pression du compartiment
L'évolution de pression dans le compartiment est enregistrée au moyen d'un capteur électronique de pression ayant une gamme de mesure allant de - 10 à 50 kPa. La prise de pression "mesure" est placée au centre de la pièce à 0,1 m de la paroi Nord et à 0,5 m du plafond (noté p1). La prise de pression "de référence" est placée dans l'installation JUPITER.

Procédure
Le mélange TBP/TPH est préparé quelques heures seulement avant l'expérience de façon à obtenir un mélange le plus homogène possible. Une fois le réservoir rempli avec le mélange inflammable, l'acquisition de données est démarrée ainsi que le système de ventilation de l'installation JUPITER. Dès que les conditions opératoires de l'étude sont atteintes, un brûleur au propane utilisé comme flamme pilote, met à feu la surface combustible sur un bord du réservoir. Une fois la mise à feu accomplie, le brûleur est éteint et la flamme se propage sur l'ensemble du bac. Après que le feu se soit éteint, l'acquisition de données reste en fonctionnement afin d'étudier la phase de refroidissement du local.

Résultats
Le taux de dégagement de chaleur moyen pour cette expérience a été estimé à 800 kW.

A t = 90 s, le liquide inflammable est mis à feu par la flamme pilote. La flamme se propage sur tout le bac de liquide en 10 s environ . Au moyen de la caméra vidéo filmant l'ouverture de la pièce, une couche de fumée noire et épaisse de gaz chaud et de suies provenant du feu de bac est observée en partie supérieure du compartiment et progresse sous le plafond en direction de l'ouverture. 20 s après le début du feu, la fumée apparaît en partie supérieure de l'ouverture et s'échappe rapidement du compartiment dans l'installation JUPITER. Cette fumée descend rapidement vers la zone inférieure du local, comme présenté sur la figure 3, sur laquelle l'ordonnée montre la frontière visible de la couche de fumée se déplaçant du haut vers le bas de l'ouverture. A t = 175 s, les parois intérieures du compartiment ne sont plus visibles par l'ouverture. Ces observations visuelles sont en accord avec l'augmentation brusque de température mesurée par les thermocouples placés vers l'ouverture (figure 4). A cet instant, les produits de combustion s'évacuent sur presque toute la surface de l'ouverture, limitant l'approvisionnement en air frais dans la pièce en feu. La figure 5 montre l'évolution de la pression dans la pièce en feu. Au commencement du feu, une surpression d'environ 6 Pa réduit l'échange d'air à l'intérieur de la pièce. Cette surpression persiste jusqu'à ce que le feu soit éteint. La température du haut du compartiment (thermocouple noté t9) augmente rapidement pour atteindre un maximum de 760°C a t = 250°C, c'est-à-dire 160 s après la mise à feu. Après ce pic, la température chute soudainement pour atteindre 640°C à t = 300 s car le compartiment perd de l'énergie à travers ses parois et l'intensité du feu commence à être limitée par le manque d'oxygène (figure 6). Tous les thermocouples de la pièce présentent le même comportement pendant cette période de temps comprise entre 90 et 300 s (figures 7 et 8). Durant cette même période, la concentration en O2 dans la zone supérieure baisse de 21% à 0% et au niveau de la zone inférieure en dessous de 12,5% à t = 300 s.


Figure 3 : Évolution de la couche de fumée, par l'enregistrement vidéo Figure 4 : Relevé des températures à l'ouverture du compartiment
Les concentrations en CO et CO2 atteignent respectivement 1% et 13,5% dans la zone supérieure et 1% et 11% dans la zone inférieure (Figure 6). Comme l'analyseur de CO a une gamme de mesure comprise entre 0 et 1 %, la mesure de concentration de CO indique seulement que la fraction volumique de CO dans le compartiment excède 1 % (saturation du capteur). Par conséquent, durant cette première phase qui montre le commencement de l'expérience (noté Step a sur la figure 9), le feu est rapidement contrôlé par la ventilation naturelle de la pièce, qui limite considérablement l'entrée d'air par l'ouverture. La bac est alors dans une atmosphère viciée, pauvre en oxygène et riche en produit de combustion (CO, CO2 et suies). Cette situation peut conduire à l'extinction des flammes par manque d'oxygène.
Figure 5 : Evolution de la pression dans le compartiment



Figure 6: Relevé de la concentration des espèces dans la zone supérieure et inférieure du compartiment Figure 7: Evolution de la température verticale au centre de la pièce

Durant la seconde phase comprise entre t = 300 s et 600 s (noté Step b sur la figure 9), les températures mesurées dans le compartiment et à l'ouverture n'ont pas beaucoup évolué (Figure 4, 7 et 8). D'autre part, au centre de la pièce, la concentration en O2 dans la zone inférieure a continué à diminuer pour atteindre environ 2% à t=600 s et la concentration en CO2 augmente pour atteindre une fraction volumique proche de celle de la zone supérieure. En considérant la très basse concentration d'O2 dans la pièce, on peut supposer que la flamme est au-dessous de sa limite d'extinction, d'habitude évaluée entre 10% et 15% pour la plupart des hydrocarbures. Cependant, la courbe de température à proximité du bac en feu (Figure 8) indique que la flamme n'est probablement pas éteinte. Les températures élevées mesurées dans le compartiment ( > 560°C - figure 8) dues aux parois adiabatiques et au faible échange d'air au niveau de l'ouverture peuvent expliquer ce comportement. Comme observé par Sugawa et Al. [5], ce résultat expérimental semble montrer que la limite d'inflammabilité supérieure varie significativement avec la température ambiante et que la flamme peut exister dans des conditions de concentration très faible en oxygène.

Pendant la troisième phase comprise de t = 600 à 750 s (noté Step c sur la figure 9), la flamme se détache de la surface combustible et commence à migrer à travers le compartiment vers l'ouverture. Les pics de température successifs entre le réservoir contenant le liquide inflammable et l'ouverture (Figure 8) montrent un déplacement de la flamme sur une distance de 8 m environ. Ce mouvement de la zone réactive à travers le compartiment est similaire au Ghosting Fire (feu fantôme) caractérisé par une flamme détachée de la surface inflammable, dans un environnement avec une atmosphère viciée (très pauvre en oxygène) et avec une température importante, comme précédemment souligné par Sugawa et Al. [5]. Il a été évalué que la vitesse de déplacement Vf de cette zone réactive était comprise entre 4 et 8 cm/s et l'épaisseur de la zone réactive est d'environ 1 m dans le plan Est/Ouest. La largeur de cette zone de flamme n'étant pas visible du fait de la fumée présente, il n'est donné aucune indication sur sa "morphologie" dans le plan Sud/Nord. Durant ce passage de la zone réactive par le centre de la pièce, la concentration volumique d'O2 est passée de 2% à 0% avec un petit pic probablement dû à un entraînement de gaz local généré par la zone réactive (Figure 6).
Figure 8 : Relevé des températures de l'axe longitudinal de la pièce ( à 1,25 m du sol)

Figure 9 : les principales phases du scénario réel de ghosting flame
Si la concentration en CO2 reste constante dans la zone supérieure pendant cette période, la concentration en CO2 atteint 15,5% dans la zone inférieure (plus grand que pour la zone supérieure) et reste constant après le passage de la zone réactive (Figure 6). Grâce à la caméra vidéo située vers l'ouverture du compartiment, on voit que la fumée provenant de la pièce devient plus claire et moins épaisse juste avant l'apparition de la flamme.

La flamme montre alors des paquets de gaz réactifs jaunes montant du sol vers le plafond. Ces observations visuelles sont en accord avec le fait que la zone réactive s'est probablement déplacée dans la première moitié inférieure de la pièce parce que la zone inférieure avait une fraction volumique d'oxygène de plus de 0%. Alors la flamme s'est stabilisée au niveau de l'ouverture et la plupart des gaz inflammables ont brûlé à l'intérieur de la pièce. Quelques paquets de gaz réactifs sont sortis par l'ouverture mais la longueur de flamme visible au-dessus de l'ouverture n'a pas excédé une fois la hauteur de l'ouverture (observation visuelle).

Durant les quatre phases comprises de t = 750 s à t = 1720 s (noté Step d sur la figure 9), la flamme est située à l'ouverture et semble être quasi stationnaire. Ceci est dû aux gaz chauds libérés par la flamme dans le local, le mouvement convectif pouvant fournir assez d'énergie au liquide inflammable pour le pyrolyser et cela jusqu'à l'épuisement. Les concentrations en O2 et CO2 reste constantes, respectivement 0% et 13% dans la zone supérieure et 0% et 15,5% dans la zone inférieure (Figure 6). Cela signifie que le feu placé à l'ouverture du compartiment est alimenté en gaz imbrûlés inflammables mélangés aux produits de combustion pour le côté riche (intérieur du compartiment) et par l'air frais venant de l'installation JUPITER pour le côté pauvre (extérieur du compartiment). Cette flamme est caractéristique d'une flamme de diffusion. Finalement, les températures observées dans la pièce augmentent faiblement dans le temps, en raison de l'accumulation de gaz chauds dans le compartiment et de la limitation d'échange avec l'air frais de l'installation JUPITER (figures 7 et 8).

Durant la cinquième et dernière phase située à t = 1720 s jusqu'au refroidissement de la pièce (noté Step e sur la figure 9), la caméra vidéo montre la diminution progressive de l'intensité du feu à l'ouverture. L'extinction de la flamme peut être estimée à environ 1740 s. Par conséquent, toutes les températures dans la pièce ont baissé très rapidement (Figure 7 et 8) et plus particulièrement dans la zone inférieure du fait du flux d'air frais provenant de l'installation JUPITER et entrant au travers de l'ouverture du compartiment. Ce phénomène est appelé l'effet du courant de gravité et est décrit par Fleischmann et Al. [9,10]. Les concentrations en CO2 et CO ont diminué presque aussi rapidement que la concentration en O2 a augmenté dans le compartiment (Figure 6). A ce moment, la pression de la pièce a diminué, tout comme la température (Figure 5).

Conclusion
Le scénario présenté dans cet article montre l'existence possible d'une flamme ou au moins d'une zone réactive dans des conditions extrêmes (Pourcentage d'O2 proche de 2%, température dans le compartiment > 560°C) qui peuvent mener à une propagation de flamme du réservoir de carburant vers l'ouverture de la pièce (soit une distance de 8 m) et à une vitesse de l'ordre de 4 à 8 cm/s. La zone réactive observée pendant cette expérience semble présenter des similarités importantes avec le phénomène de ghosting flame précédemment étudié par Sugawa et Al.. Cette étude est principalement une approche industrielle qui décrit seulement un phénomène qui est à peine connu à présent. Cependant, elle concerne la sûreté dans une installation industrielle dans laquelle les conditions proches de cette étude sont très probables (ventilation pauvre, température élevée). Des études complémentaires et systématiques sur le sujet conduiraient à une meilleure compréhension d'un ghosting fire, ses conséquences et les solutions à mettre en oeuvre pour l'empêcher.

Différences de point de vue
En France, le terme anges danseurs (Angels dancers) est utilisé par certains pour caractériser l'auto inflammation de poches de gaz riche en combustible qui, une fois placées à l'interface de la couche de fumée chaude vont spontanément se mettre a feu parce qu'elles peuvent alors trouver suffisamment de comburant pour s'auto enflammer. Cette mise à feu est souvent limitée dans le temps et l'espace du fait du manque de comburant, de ce fait la propagation de la flamme n'est pas vraiment possible et l'observation de ce phénomène est assez courte. Soit elles apparaissaient sous forme de poches de gaz plus ou moins circulaires, soit comme une flamme longitudinale à l'interface de la couche de fumée (cf. séquence ci jointe).

Paul Grimwood indique que le terme Angels Dancers trouve ses origines aux Etats-Unis, et que pour nommer ces auto-inflammation de poche de gaz riche en combustible, il préfère les termes Ghosting Flames ou Dancing Flames (Flammes fantômes ou Flammes dansantes). Il existe en effet des phénomènes d'auto-inflammation de poches de gaz qui devraient donc être nommés différemment.

L'équipe de chercheurs Français ne parle pas du tout de ces phénomènes d'auto inflammations spontanées, lorsqu'elle évoque le phénomène de Ghosting Flame, et pour autant, leur observations sont bien en accord avec la définition de R. CHITTY.

Le Dr AUDOUIN précise qu'il fait une petite différence sur l'utilisation des termes Ghosting / Dancing. Il utiliserait Dancing Flame pour qualifier les petites flammes qui persisteraient au-dessus d'un feu "mourant", qui sont comme de petites flammes dansantes au-dessus de la surface combustible en manque de comburant. Il réserve, le terme Ghosting Flame pour caractériser le fait du détachement et du déplacement de la zone réactive par rapport à l'emplacement initial de la source combustible.

Nous pouvons donc nous apercevoir, une fois de plus, que les interprétations de phénomènes tant dans leur dénomination que dans leur description ne sont pas choses faciles, et ce à tous les niveaux...

Sur le flashover.fr, nous évoquons souvent la progression "rapide du feu". Voilà une probabilité de progression du feu un peu moins rapide mais qui n'en reste pas moins surprenante...

Merci au Dr AUDOUIN L. de l'IRSN pour sa contribution à la relecture et aux commentaires qu'il a apportés à cet article ainsi qu'à Paul Grimwood pour les compléments d'informations.

Franck Gaviot-Blanc septembre 2006 pour Flashover.fr


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