Combustion hétérogène et milieu poreux – CH


 BILAN DES ACTIVITÉS DE RECHERCHE

L’activité s’inscrit dans la continuité du passé bien que certains thèmes aient été abandonnés et que de nouvelles activités aient émergé, souvent stimulées par l'implication dans le Labex INTERACTIFS ou par un partenariat académique ou industriel, et parfois en interaction avec d'autres équipes ou départements de P'. Elle concerne majoritairement les processus de combustion hétérogène, ou plus généralement de processus réactifs multiphasiques, et se répartit en deux grands champs d’applications qui font intervenir un large spectre de disciplines scientifiques, de phénomènes, de contextes et de méthodologies : la sécurité-incendie, et l’exploitation durable des ressources naturelles.

Sécurité Incendie

Notre approche globale de la "Science du feu" allie à différentes échelles les approches numériques, théoriques et expérimentales, et repose notamment sur l’utilisation de la plateforme HESTIA. Unique en France, celle-ci permet d’étudier les cinétiques de décomposition thermique et de combustion à différentes échelles, en caractérisant les émissions gazeuses, en milieu bien ventilé ou confiné.

Dynamique des feux

A grande échelle, la dynamique des feux est étudiée en considérant leur phénoménologie, et plus particulièrement l'influence des conditions de confinement et de ventilation et les spécificités associées au contexte aéronautique. L’un des verrous actuel est l'évaluation du terme source qui détermine la puissance d'un feu et résulte de la pyrolyse. Les feux en environnement confiné et/ou sous-oxygéné, pouvant donner lieu à la production puis ré-inflammation de gaz imbrûlés, constituent un scénario encore mal connu. Les travaux menés dans ce contexte en vue de modéliser l'évolution de la puissance du foyer jusqu'à son extinction ont plusieurs enjeux : la caractérisation de la cinétique de décomposition thermique et le développement de modèles de pyrolyse pertinents ; la caractérisation de l’inflammation des mélanges

Feux de nappe de kérosène soumis à un vent traversier avec prise en compte d’un aéronef

gazeux ; les couplages entre phases condensées et gazeuses;   l’étude de la structure de flammes de combustibles liquides, la stratification conduisant à un milieu sans flottabilité réduisant l’entraînement de réactifs dans la flamme. Les feux de forêts peuvent également donner lieu, dans des conditions topographiques spécifiques, à une transition soudaine vers une propagation explosive. Une approche thermochimique basée sur l’inflammation d’un prémélange des composés organiques volatils (COV)/air accumulé au bas d’un canyon a été proposée, conjointement à des études expérimentales portant sur la dispersion des COV et sur les limites d’inflammabilité de mélanges gazeux. L'usage croissant de matériaux composites dans les avions nécessite la caractérisation de leurs propriétés (inflammabilité, combustion, dégradation mécanique) pour évaluer les risques et augmenter les chances de survie des passagers lors d’un incendie en vol ou post-crash. C’est l’objectif du projet européen AircraftFire coordonné par P'. Les tests standards de type « passed/failed » imposés aux matériaux aéronautiques fournissant peu d’informations au modélisateur et au concepteur, des campagnes d'essais ont été conduites pour identifier les données thermochimiques et appréhender le comportement

thermique de ces matériaux : cône calorimètre, percement par brûleur, essais thermomécaniques. Les simulations numériques appliquées à un feu de nappe de kérosène de grande échelle montrent que le comportement du feu dépend de sa taille et de l'orientation de l’aéronef par rapport au vent traversier.

Dégradation des matériaux exposés au feu

Les besoins majeurs pour l'amélioration des codes de simulation des incendies concernent les modèles de pyrolyse, représentant le terme source, et les modèles de combustion. On examine donc, à des échelles intermédiaires ou microscopiques, la dégradation des matériaux exposés au feu et l’émission de gaz combustibles qui contribuent à son alimentation. On s'intéresse notamment aux matériaux de l’habitat, de l’ameublement et du transport (aéronautique, ferroviaire, naval), dans des environnements reproduisant la diversité des types de sinistres rencontrés : puissance, confinement, teneur en oxygène… Les études à l’échelle de la particule de matériau (mm) par ATG/DSC pour déterminer les propriétés thermiques, définir les mécanismes réactionnels et quantifier leurs lois cinétiques ont permis de justifier l’emploi d'une loi d’Arrhenius modifiée et d'analyser le rôle de chaque paramètre. Des tests en cône calorimètre (cm) permettent de tenir compte également des phénomènes diffusifs (chaleur, masse). La caractérisation des émissions gazeuses par analyseurs IRTF ou GCMS complète la description du comportement thermique des matériaux. Les modèles développés à l’échelle de la matière sont alors introduits dans des codes de simulation des incendies (FDS, FireFoam…) et les résultats peuvent être confrontés pour validation aux observations d'essais à l'échelle supérieure (produit) où les phénomènes de propagation de flamme sont reproduits : dispositifs du panneau radiant, du medium burner ou du single burning item.

Thèmes émergeants de la période 2011-2016

En outre, il convient de caractériser le comportement en cas de sinistre des éléments de structures qui supportent des charges mécaniques : impact du feu sur les propriétés mécaniques, impact d’une charge sur le comportement thermique, tenue globale des systèmes. Ces aspects sont étudiés en lien avec le Département PMM de P' et constituent l'un des thèmes émergeants de la période 2011-2016. On peut aussi citer à ce titre la combustion des métaux, en situation industrielle sous haute pression d'oxygène. Un banc expérimental a été mis en place pour obtenir une base de données reliant l’énergie seuil déclenchant l’initiation et la propagation de la combustion aux principaux paramètres expérimentaux et un modèle mathématique qui prend en compte les processus d’adsorption de l’oxygène, de diffusion des ions, de réactions, de changements de phase et d’effets thermo-capillaires a permis d'expliquer la phénoménologie des comportements observés. Les deux actions précédentes ont bénéficié du soutien du labex INTERACTIFS. Enfin, un modèle numérique a été développé pour la simulation des processus à l'intérieur d'un solide poreux exposé au feu. Il permet de décrire l'évolution du matériau, sur la base de ses propriétés intrinsèques et en prenant en compte le couplage des mécanismes de réaction et de transport (masse et chaleur). La réponse dépend de l'histoire des conditions ambiantes (température, concentration en O2...). Les simulations d'essais normalisés ont permis de valider le modèle, d'établir une typologie de comportements et d’identifier les processus importants et les paramètres qui les gouvernent.

Exploitation durable de ressources naturelles

Ces activités tirent parti du spectre très large de compétences représentées dans CH pour traiter des problèmes liés à la combustion hétérogène, ou plus généralement aux transferts réactifs, en vue d'applications industrielles ou environnementales.

Transferts en milieux poreux et/ou fracturés

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. 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. 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. Un important projet concerne la simulation de la combustion, incluant le maximum de mécanismes à l'échelle des pores, dont le couplage détermine les comportements globaux. Le vaste champ d'applications inclut la sécurité incendie et des problèmes industriels tels que l'exploitation basée sur la combustion in situ d'hydrocarbures difficilement extractibles par les méthodes conventionnelles.

Analyse de cycles de vie

L'Analyse de Cycles de Vie a été appliquée à différentes alternatives énergétiques pour le secteur de l‘automobile : agrocarburants, hydrogène, véhicule électrique. L’étude s’intéresse aux modes d’évaluation des impacts et à l’impact de l’usage du véhicule, concernant les polluants locaux. L’électricité renouvelable apporte de vrais gains environnementaux vis-à-vis des carburants conventionnels ce qui n’est pas le cas des agrocarburants. Nous nous intéressons également aux risques d’accident, tout en gardant comme champs d’étude le cycle de vie des filières énergétiques. Nous avons ainsi proposé une nouvelle méthode très prometteuse, l’Analyse des Risques de Cycle de Vie, qui a été appliquée à plusieurs énergies renouvelables.

Flammes de diffusion et régimes de combustion

Enfin, des travaux présentant souvent un intérêt sur le plan de la sécurité incendie, mais aussi en vue d’optimiser l’efficacité énergétique et de réduire l'émission de polluants en situation industrielle ont abordé expérimentalement et numériquement des questions liées aux flammes de diffusion et régimes de combustion: formation de suies et de CO, interactions avec des parois, éventuellement en conditions de microgravité, mélange par jets de réactifs gazeux ou en spray, combustion sans flamme… L'activité dans cette thématique encore active en début de période est désormais réduite du fait du départ de certains acteurs.

Production scientifique de l'equipe

 

Nombre des thèses soutenues

ACL :

Articles dans des revues à comité de lecture

ACTI :

Congrès internationaux avec actes

INV : Conférences invitées

2011

3

18

18

1

2012

3

16

18

3

2013

3

11

15

2

2014

3

17

11

2

2015

2

8

13

2


 

Liste de doctorants et de thèses (2010-2016)


 

Liste de publications (2010-2016)


Personnels permanents (7 décembre 2018)
 

BATIOT Benjamin

Maître de Conférences Univ. / IRIAF

benjamin.batiot@univ-poitiers.fr

COUDOUR Bruno

Maître de Conférences Univ. / IUT

bruno.coudour01@univ-poitiers.fr

GARO Jean-Pierre

Professeur Université / IUT

jean-pierre.garo@ensma.fr

JABOUILLE Florent

Maître de Conférences Univ. / SFA

florent.jabouille@ensma.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@ensma.fr

ROGAUME Thomas

Professeur Université / IRIAF

thomas.rogaume@ensma.fr

ROUSSEAUX Patrick

Professeur Université / IRIAF

patrick.rousseaux@ensma.fr

THOVERT Jean-François

Directeur de Recherche CNRS

jean-francois.thovert@ensma.fr

WANG Hui-Ying

Directeur de Recherche CNRS

hui-ying.wang@ensma.fr

 


 








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