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
