Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de

Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de matériaux

liquides et solides dans le dispositif expérimental CADUCEE

23ème journées du GDR feux – 9 et 10 mars 2017 – INERIS – Verneuil en Halatte

David Alibert1

Thèse réalisée dans le cadre du LRC ETIC (AMU/CNRS/IRSN) – octobre 2014-septembre 2017

Directeur de thèse : Bernard Porterie1

Encadrant IRSN : Mickaël Coutin2

1 IUSTI Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels, UMR 7343, 13453 Marseille, France 2 IRSN Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, PSN-RES/SA2I/LEF, 13115 Saint-Paul-Lez-Durance, France

1 Contexte de l’étude

2 Dispositif expérimental

3 Résultats et discussion

4 Conclusion et perspectives

Sommaire

2 David Alibert – Effet de la sous-oxygénation sur la combustion de matériaux liquides et solides dans le dispositif expérimental CADUCEE

GDR feux mars 2017 – Vernueil en Halatte





Sommaire



Contexte de l’étude



Feux en milieu confiné

Consommation de l’oxygène présent dans le local par le feu

Apport d’air limité par les ouvertures et/ou la ventilation

Feux en milieu sous-oxygéné Flux de la

flamme vers le

combustible

Cinétique de

dégradation du

combustible

Production de gaz et de suies



Corrélation de Tewarson et Pion [3]

Essais expérimentaux sur des échantillons

de plastiques

Essais à petite échelle

Corrélation de Peatross et Beyler [4]

Essais expérimentaux sur diesel, bois et

polyuréthane

Essais à petite et moyenne échelles

Modèle d’Utiskul [1]

Basé sur l’approche de Quintiere

Faible nombre de Spalding B

Effets radiatifs de la flamme négligeables

Modèle de Nasr [2]

Basé sur un bilan d’énergie à la surface du combustible

Nombre de Spalding B non négligeable

Prise en compte du flux radiatif issu de la flamme

Contexte de l’étude

Contexte de l’étude 1




Sommaire





Dispositif expérimental



Combustibles étudiés PMMA

Plaques carrées de 30 mm d’épaisseur

Surfaces d’intérêt de 0.04, 0.16 et 0.36 m²

Allumage par rainurage et inflammation d’éthanol

Concentrations en oxygène de 21% à 18%

Heptane

Bacs en pyrex de 11.6 et 19.6 cm de diamètre

Concentrations en oxygène de 21% à 15%

Dispositif expérimental





Sommaire





Vitesse de régression Suivie de l’interface de la zone bullée

Résultats et discussion : PMMA

Vreg, 21% = 0.008579 mm/s – Kacem [6]



Débit de pyrolyse Dérivée de l’évolution temporelle de la masse


CADUCEE – PMMA – 0.04 m²



Coutin [5] – Heptane – 0.07 m²

Tewarson [7] – PMMA – 0.073 m²

Tewarson [7] – PMMA – 0.068 m²

Tewarson [7] – Heptane – 0.0068 m²

Santo [8] – PMMA – 0.07 m²

Brohez [9] – Pyridine – 0.0061 m²

Peatross [5] – Diesel – 0.3 m²

Peatross [5] – Diesel – 0.5 m²

--- Corrélation de Peatross et Beyler [5]



Température des gaz Mesurée dans l’axe verticale de la flamme


Température augmente avec la

surface du combustible

Température maximale

augmente avec la surface du

combustible mais diminue avec

la fraction molaire d’oxygène.

Tflamme max = 1184 K – S = 0.011 m² – Beaulieu [10]

Tflamme max = 1100 K – S = 0.010 m² – Kacem [6]

En atmosphère normalement oxygénée En atmosphère sous-oxygénée



Flux thermiques reçus au centre des plaques Mesurés à l’aide d’un fluxmètre MEDTHERM total ou ellipsoïdal


0.04 m² 0.16 m²




LG = 2.0-2.7 MJ.kg-1 – De Wilde [11]



Perte de masse Dérivée de l’évolution temporelle de la masse

Résultats et discussion : heptane






Température des gaz Mesurée dans l’axe verticale de la flamme


En atmosphère normalement oxygénée

En atmosphère sous-oxygénée

Zones observées par McCaffrey [24]



Température du liquide Mesurée dans le combustible, à 1 cm du fond du bac de 0.196 m


En atmosphère normalement oxygénée :

Température initiale du combustible de 293 K

Augmentation de la température jusqu’à la température d’ébullition (371.3 K)

Plateau de température puis 1ère augmentation brutale (TC dans gaz chaud

415-425 K)

2nd augmentation brutale (TC dans flamme)

En milieu sous-oxygéné :

Même évolution mais niveaux de température plus faibles

Diminution de la température du plateau (361.2 K à 15%)

Comportement général dû à la diminution des transferts thermiques à la

surface et au sein du liquide

Valeurs proches de celles obtenues par Chen [17] à 21%





Sommaire





Conclusion Dépendance linéaire des paramètres de combustion à la concentration en oxygène

Fractions radiative et convective du flux total au centre de la plaque de PMMA indépendantes de la concentration en oxygène

(FR/FT = 0.65 et FC/FT = 0.35)

Détermination de la chaleur de gazéification du PMMA à l’aide de la mesure du flux total reçu au centre de la plaque et la

vitesse de régression (~ 2.25 MJ.kg-1)

Perspectives Mesure des flux total et radiatif au centre de bacs en pyrex

Etude de la répartition du flux à la surface du PMMA

(insertion d’un fluxmètre excentré)

Etude numérique avec les codes de calculs ISIS et SAFIR

Valorisation INTERFLAM – Intermediate-scale controlled-atmosphere calorimeter CADUCEE

SFT - Etude Expérimentale de la Combustion de PMMA en Atmosphères Normalement Oxygénée et Sous-Oxygénée – Effet d’Echelle

IAFSS - Effect of Oxygen Concentration on the Combustion of Horizontally-Oriented Slabs of PMMA

JITH - Effet de la Sous-Oxygénation sur la Combustion de Matériaux Liquides et Solides dans le Dispositif Expérimental CADUCEE

Conclusion et perspectives

Merci pour votre attention

23ème journées du GDR feux – 9 et 10 mars 2017 – INERIS – Verneuil en Halatte



Références 1. Y. Utiskul, J.G. Quintiere, A.S. Rangwala, B.A. Ringwelski, K. Wakatsuki, T. Naruse, Compartment fire phenomena under limited ventilation, Fire Safety Journal, Volume 40, Pages 367–390, 2005.

2. A. Nasr, S. Suard, H. El-Rabii, L. Gay, J.-P. Garo, Fuel Mass-Loss Rate Determination in a Confined and Mechanically Ventilated Compartment Fire Using a Global Approach, Combustion Science and Technology, Volume 183,

Pages 1342–1359, 2011.

3. A. Tewarson, R.F. Pion, Flammability of plastics—I Burning intensity, Combustion and Flame, Volume 26, Pages 85–103, 1976.

4. M. Peatross, C. Beyler, Ventilation Effects On Compartment Fire Characterization, Fire Safety Science, Volume 5, Pages 403–414, 1997.

5. M. Coutin, D. Alibert, B. Porterie, Intermediate-scale controlled-atmosphere calorimeter CADUCEE, 14th International Conference on Fire Science, INTERFLAM, Pages 1433–1444, 2016.

6. A. Kacem, M. Mense, Y. Pizzo, G. Boyer, S. Suard, P. Boulet, G. Parent, B. Porterie, A fully coupled fluid/solid model for open air combustion of horizontally-oriented PMMA samples, Combustion and Flame, Volume 170,

Pages 135–147, 2016.

7. A. Tewarson, J.L. Lee, R.F. Pion, The influence of oxygen concentration on fuel parameters for fire modeling, Symposium (International) on Combustion, Volume 18, Pages 563–570, 1981.

8. G. Santo, F. Tamanini, Influence of oxygen depletion on the radiative properties of PMMA flames, Symposium (International) on Combustion, Volume 18, Pages 619–631, 1981.

9. S. Brohez, G. Marlair, C. Delvosalle, The effect of oxygen concentration on CO and soot yields in fires, Fire and Materials, Volume 32, Pages 141–158, 2008.

10. P.A. Beaulieu, N.A. Dembsey, Effect of oxygen on flame heat flux in horizontal and vertical orientations, Fire Safety Journal, Volume 43, Pages 410–428, 2008.

11. J.P. De Wilde, The heat of gasification of polyethylene and polymethylmethacrylate, Delft University of Technology, Netherlands, Report PML 1988-C42, 1988.

12. V. Babrauskas, Estimating large pool fire burning rates, Fire Technology, Volume 19, Pages 251–261, 1983.

13. H.-C. Kung, P. Stavrianidis, Buoyant plumes of large-scale pool fires, Symposium (International) on Combustion, Volume 19, Pages 905–912, 1982.

14. C.S. Tarifa, Open fires, Instituto Nacional de Tecnica Aeroespacial Esteban Terradas, Madrid, 1967.

15. A.S.-X. Loo, A. Coppalle, J. Yon, P. Aîné, Time-dependent smoke yield and mass loss of pool fires in a reduced-scale mechanically ventilated compartment, Fire Safety Journal, Volume 81, Pages 32–43, 2016.

16. H. Hayasaka, Unsteady Burning Rates Of Small Pool Fires, Fire Safety Science, Volume 5, Pages 499–510, 1997.

17. B. Chen, S. Lu, C. Li, Q. Kang, M. Yuan, Unsteady burning of thin-layer pool fires, Journal of Fire Sciences, Volume 30, Pages 3–15, 2012.

18. G. Mulholland, V. Henzel, V. Babrauskas, The Effect Of Scale On Smoke Emission, Fire Safety Science, Volume 2, Pages 347–357, 1989.

19. H. Koseki, T. Yumoto, Air entrainment and thermal radiation from heptane pool fires, Fire Technology, Volume 24, Pages 33–47, 1988

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21. R. Buch, A. Hamins, K. Konishi, D. Mattingly, T. Kashiwagi, Radiative emission fraction of pool fires burning silicone fluids, Combustion and Flame, Volume 108, Pages 118–126, 1997.

22. M. Klassen et J.P. Gore, Structure and radiation properties of pool fires, National Institute of Standards and Technology, 1992.

23. Q. Kang, S. Lu, B. Chen, Experimental study on burning rate of small scale heptane pool fires, Chinese Science Bulletin, Volume 55, Pages 973–979, 2010.

24. B. McCaffrey, Purely buoyant diffusion flames: some experimental results, National Bureau of Standards, 1979.

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