Heterogeneous Combustion and Porous Media – CH


Equipe CH « Combustion Hétérogène - Milieux Poreux »

 

Responsable : Jean-François Thovert

Les activités de l'équipe sont centrées autour de deux thèmes forts, la Sécurité incendie et l'Exploitation durable de ressources naturelles.

Sécurité incendie : Notre approche globale de la "Science du feu" allie à différentes échelles les approches numériques, théoriques et expérimentales, et s'appuie fortement sur les plateformes HESTIA et PERICLES. La grande majorité des membres de CH intervient dans cette thématique, qui s'inscrit en partie dans le périmètre du labex INTERACTIFS.

Dynamique des feux

Un premier aspect étudié est la dynamique du feu, en espace libre, confiné, sous-ventilé ou multi-compartimenté, avec diverses problématiques : l’inflammation, la dynamique de croissance et de propagation des feux dans de tels ensembles, leurs caractéristiques ; l’étude des phénomènes d’accidents thermiques liés aux conditions spécifiques rencontrées (Flashover, Backdraft…).

En effet, la multi-compartimentation, le confinement, ou la sous-ventilation ont un impact significatif. Par exemple, l’amélioration de l’efficacité énergétique des bâtiments se traduit par une hausse du confinement des sinistres pouvant favoriser l’atteinte de plus hautes températures dans les premiers instants. De plus, une combustion incomplète peut résulter du manque d'oxygène, avec accumulation de gaz chauds imbrûlés. Le risque d'accident thermique si un apport d'air survient doit être analysé afin de pouvoir le prédire, voire le prévenir. Des études numériques et expérimentales visent donc à caractériser les feux dans des ensembles multicompartimentés (application navales, constructives…) et à simuler numériquement leur propagation, selon les combustibles solides et liquides impliqués et les choix architecturaux (ANR Democrite, ANR MARINER, projet CALYPSO). Des travaux expérimentaux et numériques pour identifier et quantifier les gaz imbrûlés libérés en fonction du confinement et de la ventilation sont menés en collaboration avec différents partenaires industriels (AREVA, CEA, IRSN, CSTB...). L’approche en similitude nécessite parfois des installations lourdes (CERES, et prochainement CERES III).

L’effet de gouttelettes d'eau sur les flux thermiques est examiné afin de caractériser les mécanismes physico-chimiques d’interaction entre un brouillard et la flamme, en vue d'améliorer le travail et le déplacement des opérationnels (SDIS 86 étendu à d’autres SDIS et à l’ENSOSP). Une autre problématique concerne la simulation numérique de la dynamique des feux afin de représenter le plus précisément possible leur développement, dans différentes applications : feux de façades, interactions flamme-paroi, utilisation de nouveaux matériaux biosourcés (BBM). D'autres conditions de feu sont également abordées, telles que la combustion de mélanges COV/CO/air impliqués dans les feux de forêts accélérés avec des aspects expérimentaux sur la composition et la concentration des mélanges, et numériques portant sur l’écoulement des gaz et la thermique. Les travaux expérimentaux autour de la dynamique d’un feu sont complétés par le développement de modèles de combustion permettant de capter par la simulation numérique les phénomènes physiques transitoires inhérents aux conditions sous ventilées.

Décomposition thermique des matériaux exposés au feu

Un second aspect essentiel concerne le comportement au feu des matériaux solides, avec l'étude de leur cinétique de décomposition thermique, pour mieux comprendre les phénomènes et répondre aux préoccupations concernant les matériaux et produits innovants utilisés dans différentes applications, telles que les transports ou la construction. Il en est de même pour la compréhension de la dégradation thermique des végétaux lors des feux de forêts. En effet, représentant le terme source, la description de la cinétique de décomposition thermique est un enjeu majeur pour améliorer les simulations numériques, notamment en ingénierie de sécurité incendie. Si la description de la décomposition thermique à très petite échelle est maintenant mieux maitrisée, les modèles de pyrolyse et la description de la décomposition aux échelles intermédiaires posent encore de nombreuses questions (upscaling). La complexité et la diversité des phénomènes nécessitent des hypothèses adaptées à chaque matériau et configuration. Les travaux se concentrent sur la description des transferts de masse et de chaleur au sein du solide et à l’interface solide-gaz, sur une caractérisation plus précise de l’évolution des propriétés physiques, thermiques et chimiques durant la décomposition afin d’en identifier les paramètres clés et d'en fournir une représentation simplifiée, et d'un point de vue plus fondamental, sur les lois cinétiques de pyrolyse et de combustion et sur les méthodes d’optimisation des paramètres ne pouvant être déterminés expérimentalement.

En outre, il convient de prendre en compte les propriétés mécaniques des matériaux (composites, bois, etc.) utilisés dans le domaine des transports ou de la construction, en considérant l'impact du feu sur les propriétés mécaniques résiduelles, l'impact d’une charge sur le comportement thermique et la tenue globale des systèmes. L'étude de ces aspects, en lien avec le Département DPMM et avec le labex INTERACTIFS, vise à développer des modèles pour décrire le comportement et prédire la ruine d'éléments sous sollicitations couplées.

Enfin, l'examen du cas très spécifique de la combustion des métaux en situation industrielle sous haute pression d'oxygène, constitue un thème émergeant et très novateur. Des travaux exploratoires ont fourni une base de données expérimentale et un modèle mathématique expliquant la phénoménologie des comportements observés a pu être formulé.

Couplage feu/décomposition thermique des matériaux (phases gazeuse et solide)

Le couplage des deux aspects précédents est essentiel pour l’étude de l’inflammation des solides et de la dynamique de propagation de l'incendie. En effet, la décomposition thermique des solides provoque l'émission de gaz combustibles qui contribuent à l’inflammation et au développement du feu, tandis que la flamme influence les conditions de la décomposition, par transfert de chaleur. Les transferts de masse et de chaleur dans et entre les phases solide et gazeuse doivent donc être décrits. Le travail entamé sur cet aspect est mené à différentes échelles.

Tout d’abord au sein du solide. En effet, les propriétés thermochimiques intrinsèques du matériau ne suffisent pas à prédire son comportement à grande échelle, car le couplage des mécanismes de réaction et de transport (masse et chaleur) modifie les processus limitants. La réponse du matériau dépend de (et rétroagit sur) l'histoire des conditions ambiantes. La description de cette interaction passe par une simulation incluant les transports dans le solide.

Ensuite à l’interface entre le matériau et la phase gazeuse afin de décrire les interactions entre ces deux domaines qui conditionnent l’(auto)inflammation et la propagation du feu (lois de couplage, description des transferts). Une attention particulière est portée au couplage et à l’interaction des processus de transfert de masse et de chaleur. En effet, la simulation numérique des transferts aux interfaces flamme / paroi requiert une discrétisation spatiale et temporelle fine, inapplicable à échelle réelle. Le développement de lois de parois est donc nécessaire afin de les prendre en compte. Les outils de simulation de la dégradation des solides sont destinés à être couplés aux codes de calcul décrivant la combustion en phase gazeuse. Des projets avec l'IRSN, FCBA, Calyxis, la Fondation MAIF, Efectis, le CSTB s'inscrivent dans cette démarche. Ces aspects, et de façon plus générale, le couplage entre la dynamique du feu et la dégradation des matériaux qui y sont exposés, sont des points qui sont en plein développement, dans différentes applications, numériquement et expérimentalement, afin de parvenir à la description globale des situations d'incendies.

Un autre axe de développement concerne la formation d'espèces toxiques, responsables de 75% des décès lors d’un sinistre. L’évaluation du niveau de sécurité d’un produit ou d’une installation doit tenir compte de cette toxicité. De plus une meilleure description des phénomènes chimiques en phase gazeuse permet une meilleure description des caractéristiques de la flamme, de l’inflammation des solides et de la propagation du feu. Il convient pour cela d'améliorer la description de la combustion dans les simulations numériques, en y intégrant des modèles cinétiques non infiniment rapides. L’approche en cours vise donc à remplacer l’approche classique de type Eddy Dissipation Concept par des modèles de flammelettes, tenant compte de schémas cinétiques détaillés (type GRI). La dépendance de la cinétique à la température demande une meilleure description des conditions locales de température et donc des transferts radiatifs. En lien avec le LEMTA, différents sous-modèles radiatifs sont ainsi testés.

Exploitation durable de ressources naturelles : Ce second thème traite divers aspects de l'exploitation durable de ressources naturelles, par des approches essentiellement théoriques et numériques. On tire parti du spectre très large de compétences représenté dans l'équipe pour traiter des problèmes liés à la combustion hétérogène, ou plus généralement aux transferts réactifs, en vue d'applications industrielles ou environnementales.

Analyse de Cycle de Vie

Un de ces aspects concerne l'Analyse de Cycle de Vie (ACV). L'objectif est de parvenir à des résultats scientifiquement robustes et aisément interprétables pour savoir « où agir » afin de réduire efficacement les impacts environnementaux. Tout en gardant comme champs d’étude les filières énergétiques, les développements actuels de ces travaux consistent à élargir l'analyse, au-delà des seuls impacts environnementaux, en prenant en compte les risques d'accidents. Il s’agit de développer notre méthode l’Analyse des Risques de Cycle de Vie (ARCV), encore perfectible aujourd’hui.

Milieux poreux et/ou fracturés

D'autre part, une forte activité porte sur les transferts en milieux poreux et/ou fracturés, avec une approche prenant explicitement en compte le détail des mécanismes et de la morphologie à l'échelle locale, afin de prédire les comportements macroscopiques. L'amélioration et l'extension des outils conceptuels et logiciels constituent une tâche de fond permanente et importante. La formulation très générale permet d'aborder une grande variété de contextes industriels ou naturels, et des situations complexes où les transferts sont couplés à des réactions chimiques. Les applications concernent souvent les milieux souterrains, ciblant l'amélioration des techniques de reconnaissance, l'optimisation de l'exploitation et la gestion de ressources souterraines, et la protection du milieu naturel face à l'activité anthropique (agricole, stockage souterrain...). Un important projet concerne la simulation de la combustion, incluant le maximum de mécanismes à l'échelle des pores, dont le couplage détermine souvent les comportements macroscopiques. Le vaste champ d'applications inclut la sécurité incendie et des problèmes industriels tels l'exploitation basée sur la combustion in situ d'hydrocarbures difficilement extractibles par les méthodes conventionnelles.

 

Liste des doctorants (2010-2018)

Liste des publications (2010-2017)


 

PRODUCTION SCIENTIFIQUE DE L'EQUIPE 

 

Nombre des thèses soutenues

ACL : Articles dans des revues à comité de lecture

2010

1

14

2011

3

18

2012

3

16

2013

4

11

2014

3

16

2015

2

8

2016

5

12

2017

2

16

 

PERSONNELS PERMANENTS IMPLIQUES (Janvier 2019) 

BATIOT Benjamin

Maître de Conférences Univ. / IRIAF

benjamin.batiot@univ-poitiers.fr

COUDOUR Bruno

Maître de Conférences Univ. / IUT

bruno.coudour01@univ-poitiers.fr

EL-RABII Hazem

Chargé de Recherche CNRS

hazem.elrabii@ensma.fr

GARO Jean-Pierre

Professeur Université / IUT

jean-pierre.garo@univ-poitiers.fr

JABOUILLE Florent

Maître de Conférences Univ. / IRIAF

florent.jabouille@univ-poitiers.fr

LUCHE Jocelyn

Maître de Conférences Univ. / IUT

jocelyn.luche@univ-poitiers.fr

MOST Jean-Michel

Directeur de Recherche Emérite CNRS

jean-michel.most@ensma.fr

MOURZENKO Valeri

Directeur de Recherche CNRS

valeri.mourzenko@ensma.fr

RICHARD Franck

Maître de Conférences Univ. / IRIAF

franck.richard@univ-poitiers.fr

ROGAUME Thomas

Professeur Université / IRIAF

thomas.rogaume@univ-poitiers.fr

ROUSSEAUX Patrick

Professeur Université / IRIAF

patrick.rousseaux@univ-poitiers.fr

THOVERT Jean-François

Directeur de Recherche CNRS

jean.francois.thovert@univ-poitiers.fr

WANG Hui-Ying

Directeur de Recherche CNRS

hui-ying.wang@ensma.fr

 

 








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