Type
Post-doc
Lieu
IRSN
Date
01/01/2021
Sujet/Titre
Application de la PIV à l’étude des écoulements réactifs lors d’un incendie dans une enceinte ventilée
Descriptif
Contexte
Le projet entre dans le cadre de recherches sur le risque incendie dans des enceintes fermées et ventilées mécaniquement. Ces actions visent à étudier les mécanismes de combustion en milieu pauvre en oxygène, la propagation des fumées d’incendie dans une enceinte ainsi que les processus de transferts thermiques par convection et rayonnement. La finalité est l’acquisition de connaissances et la validation des logiciels de simulation pour l’évaluation les risques incendies dans les installations nucléaires.
Des expériences à différentes échelles sont réalisées dans des enceintes ventilées mécaniquement dans lesquelles un foyer combustible (solide, liquide ou gazeux) est enflammé. Les expérimentations ont pour objectifs de reproduire un scénario d’incendie réel et d’étudier en particulier les phénomènes de combustion, l’influence de l’appauvrissement en oxygène et de la température de l’air environnant, la propagation des fumées dans l’enceinte. Une information importante est le champ de vitesse se traduisant par un écoulement de panache ascensionnel au niveau du foyer, une interaction avec le plafond entrainant un écoulement radial horizontal puis un écoulement de remplissage des fumées par stratification verticale. Ces écoulements turbulents participent au transport des espèces chimiques et de la quantité de chaleur dans le local et induisent les champs de température et de concentration en espèces chimiques (cf. Figure 1).
Le développement métrologique associé à ces expérimentations est un enjeu pour la validation des logiciels CFD reproduisant le caractère multidimensionnel des écoulements. Une des techniques répondant à ces objectifs est la mesure de champs de vitesse par vélocimétrie par image de particule ou PIV basée sur le suivie de particules ensemencés dans l’écoulement par prise d’images. Cette technique largement développée dans la caractérisation des écoulements en mécanique des fluides demeure plus confidentielle pour les applications incendie en raison de la complexité des écoulements (milieu réactif, présence de particules de suies, dimension importante des zones d’étude). Les travaux menés à ce jour concernent l’entrainement d’air sur un feu de nappe [1], [2], la description du panache thermique [3], les écoulements à un passage de porte [4] [5], les écoulements dans des grands volumes [6] [7], les écoulements convectifs lors des scénarios de feux de forêts [8] ou les écoulements dans un caisson d’entrainement [9]. L’ensemble de ces travaux ont montré l’intérêt de la technique PIV pour les applications incendie mais ont également mis en avant les chalenges techniques associés. L’IRSN a mis œuvre cette technique pour trois composantes de vitesse (Stéréo PIV) et pour des écoulements non réactifs et bidirectionnel comme celui à un passage de porte [10] [11] [12] ou à une trémie en atmosphère libre sans présence du confinement [13], [14], [15], [16]. La stéréo PIV a permis notamment de mesurer le débit volumique instantané des écoulements de fumée et d’air frais, de mieux comprendre la physique de ces écoulements bidirectionnels, de proposer des modèles corrélatifs et de valider le logiciel de simulation ISIS [17].
Objectif
L’objectif de ce nouveau projet est de passer à une étape plus complexe en réalisant des mesures à l’intérieur de l’enceinte et dans les zones réactives en champs proches du foyer. L’objectif est d’étudier les mécanismes d’entrainement d’air dans un milieu confiné et thermiquement stratifié, l’interaction entre le panache pouvant être réactif en présence de la zone de flamme intermittente et le plafond, l’écoulement radial sous plafond ainsi que les zones de remplissage des fumées et de recirculation. L’influence de l’écoulement de soufflage dans le local généré par la ventilation mécanique est également une zone d’intérêt. Le challenge de l’utilisation de la PIV pour cette application porte principalement sur le traitement de zones réactives et la mise en œuvre pour des écoulements à l’intérieur de l’enceinte. Ces mesures n’ont jamais été réalisées à ce jour pour des applications incendies. Elles permettraient de mieux comprendre les régimes de combustion, les mécanismes de remplissage, les interactions avec les parois et les lois de parois conduisant à l’évaluation des transferts thermiques ainsi que l’influence de l’écoulement issu de la branche de soufflage de la ventilation mécanique sur les écoulements dans le local.
Les expérimentations seront réalisées sur un dispositif à échelle réduite de l’IRSN, 1 m (largeur) × 1.25 m (largeur) × 1 m (hauteur) qui représente une réduction d’échelle 1⁄4 d’une enceinte représentative. Ce dispositif est équipé d’une ventilation mécanique comprenant des conduites de soufflage et d’extraction. La mesure des champs de vitesse sera couplée à des mesures de champs de température par thermocouples dans le but d’analyser les couplages aérothermiques des écoulements.
Trois objectifs sont identifiés pour ce projet de recherche. Le premier est de mettre en place la mesure PIV pour la caractérisation des écoulements dans une enceinte en traitant les contraintes technologiques liés à l’ensemencement et à l’accès optique des zones d’étude. Le second est d’apporter des connaissances sur les écoulements de parois (parois vertical, interaction panache et/ou flamme avec le plafond), la stratification verticale des fumées et les écoulements proche du foyer. Enfin, le troisième objectif est la fourniture de cas tests de référence pour la validation des logiciels de simulation CFD. Cet objectif sera réalisé en collaboration avec les équipes de développement logiciel l’IRSN (SA2I/LIE) afin d’obtenir les configurations les plus appropriées.
Déroulement
Le projet établi sur une durée de 18 mois est décliné suivant trois étapes.
La première porte sur la mise en œuvre de la PIV dans le dispositif à échelle réduite en traitant les contraintes technologiques liés à l’ensemencement et à l’accès optique des zones d’étude. Il s’agira de se prononcer sur faisabilité technique des écoulements d’intérêt identifiés.
La seconde étape porte sur l’application de la PIV sur un écoulement non réactif, éloigné de la zone de flamme afin d’éviter les contraintes associées. L’écoulement sous-plafond et celui induit par l’admission d’air seront étudiés. Les mesures porteront sur des champs 2D de vitesse.
Enfin la troisième étape abordera les écoulements réactifs en champs proche du foyer et dans la zone de flamme. L’influence de la couche de fumée ainsi que des régimes de combustion sur les champs de vitesse seront étudiés.
Le projet entre dans le cadre de recherches sur le risque incendie dans des enceintes fermées et ventilées mécaniquement. Ces actions visent à étudier les mécanismes de combustion en milieu pauvre en oxygène, la propagation des fumées d’incendie dans une enceinte ainsi que les processus de transferts thermiques par convection et rayonnement. La finalité est l’acquisition de connaissances et la validation des logiciels de simulation pour l’évaluation les risques incendies dans les installations nucléaires.
Des expériences à différentes échelles sont réalisées dans des enceintes ventilées mécaniquement dans lesquelles un foyer combustible (solide, liquide ou gazeux) est enflammé. Les expérimentations ont pour objectifs de reproduire un scénario d’incendie réel et d’étudier en particulier les phénomènes de combustion, l’influence de l’appauvrissement en oxygène et de la température de l’air environnant, la propagation des fumées dans l’enceinte. Une information importante est le champ de vitesse se traduisant par un écoulement de panache ascensionnel au niveau du foyer, une interaction avec le plafond entrainant un écoulement radial horizontal puis un écoulement de remplissage des fumées par stratification verticale. Ces écoulements turbulents participent au transport des espèces chimiques et de la quantité de chaleur dans le local et induisent les champs de température et de concentration en espèces chimiques (cf. Figure 1).
Le développement métrologique associé à ces expérimentations est un enjeu pour la validation des logiciels CFD reproduisant le caractère multidimensionnel des écoulements. Une des techniques répondant à ces objectifs est la mesure de champs de vitesse par vélocimétrie par image de particule ou PIV basée sur le suivie de particules ensemencés dans l’écoulement par prise d’images. Cette technique largement développée dans la caractérisation des écoulements en mécanique des fluides demeure plus confidentielle pour les applications incendie en raison de la complexité des écoulements (milieu réactif, présence de particules de suies, dimension importante des zones d’étude). Les travaux menés à ce jour concernent l’entrainement d’air sur un feu de nappe [1], [2], la description du panache thermique [3], les écoulements à un passage de porte [4] [5], les écoulements dans des grands volumes [6] [7], les écoulements convectifs lors des scénarios de feux de forêts [8] ou les écoulements dans un caisson d’entrainement [9]. L’ensemble de ces travaux ont montré l’intérêt de la technique PIV pour les applications incendie mais ont également mis en avant les chalenges techniques associés. L’IRSN a mis œuvre cette technique pour trois composantes de vitesse (Stéréo PIV) et pour des écoulements non réactifs et bidirectionnel comme celui à un passage de porte [10] [11] [12] ou à une trémie en atmosphère libre sans présence du confinement [13], [14], [15], [16]. La stéréo PIV a permis notamment de mesurer le débit volumique instantané des écoulements de fumée et d’air frais, de mieux comprendre la physique de ces écoulements bidirectionnels, de proposer des modèles corrélatifs et de valider le logiciel de simulation ISIS [17].
Objectif
L’objectif de ce nouveau projet est de passer à une étape plus complexe en réalisant des mesures à l’intérieur de l’enceinte et dans les zones réactives en champs proches du foyer. L’objectif est d’étudier les mécanismes d’entrainement d’air dans un milieu confiné et thermiquement stratifié, l’interaction entre le panache pouvant être réactif en présence de la zone de flamme intermittente et le plafond, l’écoulement radial sous plafond ainsi que les zones de remplissage des fumées et de recirculation. L’influence de l’écoulement de soufflage dans le local généré par la ventilation mécanique est également une zone d’intérêt. Le challenge de l’utilisation de la PIV pour cette application porte principalement sur le traitement de zones réactives et la mise en œuvre pour des écoulements à l’intérieur de l’enceinte. Ces mesures n’ont jamais été réalisées à ce jour pour des applications incendies. Elles permettraient de mieux comprendre les régimes de combustion, les mécanismes de remplissage, les interactions avec les parois et les lois de parois conduisant à l’évaluation des transferts thermiques ainsi que l’influence de l’écoulement issu de la branche de soufflage de la ventilation mécanique sur les écoulements dans le local.
Les expérimentations seront réalisées sur un dispositif à échelle réduite de l’IRSN, 1 m (largeur) × 1.25 m (largeur) × 1 m (hauteur) qui représente une réduction d’échelle 1⁄4 d’une enceinte représentative. Ce dispositif est équipé d’une ventilation mécanique comprenant des conduites de soufflage et d’extraction. La mesure des champs de vitesse sera couplée à des mesures de champs de température par thermocouples dans le but d’analyser les couplages aérothermiques des écoulements.
Trois objectifs sont identifiés pour ce projet de recherche. Le premier est de mettre en place la mesure PIV pour la caractérisation des écoulements dans une enceinte en traitant les contraintes technologiques liés à l’ensemencement et à l’accès optique des zones d’étude. Le second est d’apporter des connaissances sur les écoulements de parois (parois vertical, interaction panache et/ou flamme avec le plafond), la stratification verticale des fumées et les écoulements proche du foyer. Enfin, le troisième objectif est la fourniture de cas tests de référence pour la validation des logiciels de simulation CFD. Cet objectif sera réalisé en collaboration avec les équipes de développement logiciel l’IRSN (SA2I/LIE) afin d’obtenir les configurations les plus appropriées.
Déroulement
Le projet établi sur une durée de 18 mois est décliné suivant trois étapes.
La première porte sur la mise en œuvre de la PIV dans le dispositif à échelle réduite en traitant les contraintes technologiques liés à l’ensemencement et à l’accès optique des zones d’étude. Il s’agira de se prononcer sur faisabilité technique des écoulements d’intérêt identifiés.
La seconde étape porte sur l’application de la PIV sur un écoulement non réactif, éloigné de la zone de flamme afin d’éviter les contraintes associées. L’écoulement sous-plafond et celui induit par l’admission d’air seront étudiés. Les mesures porteront sur des champs 2D de vitesse.
Enfin la troisième étape abordera les écoulements réactifs en champs proche du foyer et dans la zone de flamme. L’influence de la couche de fumée ainsi que des régimes de combustion sur les champs de vitesse seront étudiés.
M.
Prénom
Hugues
Nom
Prétrel
email
hugues.pretrel@irsn.fr
Téléphone
04 42 19 96 65