etude de l’auto-inflammation des solides par simulation...

Auto-inflammation des solides Etude DNS, application au PMMA

Etude de l’auto-inflammation des solides par

Simulation Numérique Directe

Application au PMMA

Simon Roblin, Calyxis/Institut Pprime Thomas Rogaume, Université de Poitiers/Institut Pprime

Franck Richard, Université de Poitiers/Institut Pprime Arnaud Trouvé, University of Maryland

Simon ROBLIN Doctorant

Calyxis – Pprime Institute [email protected]

Encadrement :

Thomas ROGAUME Franck RICHARD


• Calyxis, Pôle d’Expertise du Risque

– Centre de recherche appliquée autour du risque à la personne

– Partenaire de nombreuses mutuelles / sociétés d’assurance

– Besoin de caractériser les propagations de feux dans l’habitat

• Brigade des Sapeurs-Pompiers de Paris

– ANR Démocrite

– Besoin d’évaluer le risque incendie en zone urbaine

– Optimisation de la localisation des centres de secours

– Besoin de prédire les évolutions des feux en temps réel

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• 2 projets

– Assurances • Prévention

• Risques financiers

– Services opérationnels • Prévention

• Protection des biens, des personnes et de l’environnement

• Outils de management opérationnel

• Augmentation des travaux à l’échelle urbaine

– Résilience

Himoto et al.

Origines du projet


I - Phénoménologie, démarche

II – Outils, modèles et configurations

III - Résultats

Conclusions, perspectives

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Demarche, phenomenologie

• Nécessité de comprendre comment se propage l’incendie dans un même habitat (au-delà de la pièce du foyer)

• Auto-inflammation des solides : rôle majeur + influence la propagation – Beaucoup d’études mais en All. piloté

– Critères et configurations variables pour la caractériser

– Grand nombre de paramètres en jeu

• Différents processus peuvent piloter l’auto-inflammation qui aura lieu :

– Proche solide, pilotée par le transfert de chaleur depuis le solide

– Plus haut dans la phase gazeuse, pilotée par l’absorptivité des gaz

Importance du nombre de Damköhler (comparaison du temps caractérisitique de résidence devant le temps caractéristique de la chimie)

• Les phénomènes liés au solides ont une influence sur le temps d’AI

Torero, SFPE Handbook, adapté de Fernandez Pello et Niioka

Demarche et phenomenologie Outils, modèles et configurations Résultats


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• De nombreux critères d’inflammation ont été mis en avant dans la littérature

Références Critère d’inflammation Expression

mathématique Contexte de l’étude

Kanury Débit massique critique Auto-inflammation et

inflammation pilotée

Simms Température critique

moyenne du solide

Auto-inflammation de

cellulose

Martin

Alavares et al.

Température critique de

surface


cellulose

Kashiwagi Taux de réaction total

critique


combustibles solides

Gandhi

Inversion du gradient de

température du gaz à

l’interface solide/gaz


cellulose

Tsai et al.

Augmentation de la

températurede la phase

gaz à un maximum critique

Auto-inflammation et

inflammation du PMMA

Nakamura et Takeno Taux de réaction critique Auto-inflammation de

cellulose

Tableau adapté de Bonnmee

• Volonté de :

– Généraliser et comprendre de manière plus fine les interactions entre phases (solide et gazeuse)

– Bien tenir compte des propriétés cinétiques et thermiques des solides



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• En combustion (phase gaz), Vant’hoff, Semenov et Frank-Kamenetskii – Etudes des réactions en chaînes

– Etude de la thermochimie de l’inflammation

(+ Etude de l’importance du transport, Damköhler)

Température d’inflammation

Production de radicaux

Terminaison

Approches chimiques



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Approches thermiques

• En combustion (phase gaz), Vant’hoff, Semenov et Frank-Kamenetskii – Etudes des réactions en chaînes

– Etude de la thermochimie de l’inflammation

(+ Etude de l’importance du transport, Damköhler)



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Nécessité de coupler gaz et solide capter le transport, la chimie et la thermique

• Limitations de l’expérimental pour identifier ces critères couplés

– L’inflammation est un phénomène bref, local et très dépendant des conditions ambiantes

– Nécessité de ramener le problème à des cas académiques

• Choix de la modélisation numérique de l’auto-inflammation

– La DNS permet un approche exacte ainsi que la captation de valeurs locales et instantanées

• Choix de représenter la configuration du cône calorimètre sous FDS, en DNS

Solide

LII

LSI



• Utilisation de Fire Dynamics Simulator, V6.0.1, 6.1.2 et en cours de transition vers 6.3.0

• Combustible choisi : PMMA – Polymère très étudié

– Modèles existants en phase condensée et gazeuse

• Configuration 1D (faisabilité) puis 2D (étude)

• Problématiques concernant les feux confinés : – Paramètres du matériau : taille, orientation, propriétés physico-chimique

– Paramètres liés à l’environnement : éclairement énergétique, concentration d’oxygène

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Outils, modeles et configurations


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• Modèle de pyrolyse

– 1 étape : PMMA -> MMA (C5H8O2)

– FDS

– Données d’entrée

Propriétés Valeurs Unités

Chaleur spécifique kJ/(kg-K)

Conductivité thermique W/(m-K)

Densité kg/m3

Facteur pré-exponentiel s-1

Energie d’activation J/mol - FDS 6.3 User’s Guide, 2015 - Li & Stoliarov, Measurement of Kinetics and Thermodynamics of the Thermal Degradation for Non-Charring Polymers, Combustion and Flame, 2013 - Korver, A Generalized Model for Wall Flame Heat Flux During Upward Flame Spread on Polymers, Master Thesis, 2015



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Propriétés Valeurs Gamme de température (K) Unités

Chaleur spécifique kJ/(kg-K)

Conductivité thermique

W/(m-K)

Viscosité dynamique kg/(m-s)

Diffusivité - m²/s

Facteur pré-exponentiel

- kJ/mol

Energie d’activation - cm3/mol/s

- FDS 6.3 User’s Guide , 2015 - Li & Stoliarov, Measurement of Kinetics and Thermodynamics of the Thermal Degradation for Non-Charring Polymers, Combustion and Flame, 2013 - Korver, A Generalized Model for Wall Flame Heat Flux During Upward Flame Spread on Polymers, Master Thesis, 2015 - Tsai et al., Experimental and Numerical Study of Autoignition and Pilot Ignition of PMMA Plates in a Cone Calorimeter, Combustion and Flame, 2001



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Resultats – 1D, faisabilite

Configuration :

• Maillage : 0,2 mm

• Taille domaine : 1 mm x 36 mm

• Brûleur poreux, propriétés du PMMA

• Débit de MMA imposé : 5.10-5 kg/s/m²

• Eclairement énergétique : 100 kW/m²

• Conditions au limites périodiques aux bords, condition ouverte en haut

Début de réaction Début de réaction

Inflammation Inflammation

Inflammation


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2D, Sensibilite au maillage

Configuration :

• Pyrolyse calculée

• Maillages

• Phase gaz : 1 mm ; 0,5 mm ; 0,2 mm ; 0,1 mm

• Phase condensée : 0,2 mm

• Echantillon PMMA : 2 cm

• Domaine : 4 cm x 6 cm

• Eclairement energétique : 100 kW/m²

Convergences observées pour des maillages de 0,1 mm et de 0,2 mm en phase gazeuse sur des

valeurs intégrées et des valeurs locales



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• L’étude 1D a montré la faisabilité de captation d’une inflammation

• Le maillage choisi en 2D devra s’axer sur 0,2 mm en phase gazeuse

• Etude DNS peu courante dans le domaine, peut permettre la captation de phénomènes difficiles à identifier expérimentalement

Conclusions


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Perspectives

• Corrélation flux de chaleur / taille de l’échantillon

• Influence – Nature du solide

• Couplage solide/gaz 4 types de solides définis – Thermiquement fin, cinétique rapide

– Thermiquement fin, cinétique lente

– Thermiquement épais, cinétique rapide

– Thermiquement épais, cinétique lente

(Travaux de Pyle et Zaror via nb de Biot et nb de Pyrolyse)


Merci de votre attention

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Documents