Simulations aux grandes échelles de panaches libre et impactant

par Damien Lamalle

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de Richard Perkins, Pietro Salizzoni et de Pierre Carlotti.

Soutenue le 12-12-2014

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec Laboratoire de Mecanique des Fluides et d'Acoustique / LMFA (laboratoire) et de Centre scientifique et technique du bâtiment (France) (EPIC) .

Le président du jury était Lionel Le Penven.

Le jury était composé de Patrick Bontoux, Stéphanie Vallerent.

Les rapporteurs étaient Frédéric Plourde, Olivier Vauquelin.


  • Résumé

    Lors des études de désenfumage, le recours à la mécanique des fluides numérique, par l’emploi de codes tridimensionnels (CFD), est de plus en plus employé. Cependant, suite aux études de Dalmarnock (2007) et d’Arcueil (2009), il a été montré que les résultats numériques peuvent s’éloigner de façon significative des résultats expérimentaux. Ces différences peuvent être notamment induites par des faibles erreurs de certains paramètres clés, ce qui limite l’utilisation prédictive de ces codes dans les études d’ingénierie de la sécurité incendie. Dans ce cadre, cette thèse est consacrée à la simulation numérique d’écoulement induit par une source de chaleur. Les simulations sont réalisées avec le code FDS, largement utilisé par la communauté incendie, afin d’étudier sa capacité à reproduire la dynamique de ces écoulements. L’étude se porte principalement sur la simulation d’un panache, créé par une plaque chauffante, avec une comparaison détaillée à des résultats expérimentaux. Les résultats des simulations montrent que, les profils radiaux des statistiques en un point de vitesse et température d’ordre 1 et 2, sont en très bon accord avec les résultats de la littérature. Les évolutions des flux de masse, de flottabilité et de quantité de mouvement, ainsi que celle du nombre de Richardson du panache, sont également bien reproduites. Après avoir validé la simulation, l’évolution du coefficient d’entraînement avec la hauteur a pu être examinée en détail, montrant que ce coefficient diminue en s’éloignant de la source de chaleur, passant de 0.4 en partie proche de la source à 0.1 en partie éloignée. Cette évolution a pu être expliquée par une dépendance du coefficient d’entraînement avec le nombre de Richardson local du panache et le rapport des masses volumiques entre le panache et l’air ambiant. La thèse a également permis de montrer que les variables étudiées sont sensibles à différents modèles de sous maille. Pour finir, une méthodologie a été proposée pour étudier la sensibilité de différents paramètres d’entrée de simulation et appliquée sur un cas réaliste d’incendie dans un bâtiment. Cette analyse a permis de mettre en évidence plusieurs paramètres explicites (paramètres définis en concertation avec le propriétaire du bâtiment, les services d’incendie et les autorités compétentes) qui modifient les résultats de la simulation : la puissance du foyer, le débit d’extraction des gaz chauds, mais également certains paramètres implicites (paramètres définis par le modélisateur) comme le débit d’insufflation au niveau des entrées d’air frais.

  • Titre traduit

    Large eddies simulation of free and impinging plumes


  • Résumé

    Fire Safety Engineering studies often rely on the use of Computational Fluid Dynamics, but several recent studies (e.g. Dalmarnock 2007, Arcueil Numérique 2009) have highlighted significant differences between experimental data and the results of numerical simulations. The numerical models are often rather sensitive to the choice of boundary conditions, and may depend on key parameters which are poorly understood. The research presented in this thesis addresses some of these questions, using the CFD code FDS to simulate a set of experimental test cases, and to test the sensitivity of the simulations to different input parameters. The general configuration studied is that of a thermal plume generated by a heated plate, either rising freely or else impacting on a ceiling. Radial profiles of 1st and 2nd order statistics of temperature and velocity agree well with published data, as does the axial variation of Mass, Momentum and Buoyancy fluxes, and the local Richardson number. A detailed study of the entrainment coefficient shows that this varies with distance from the heat source, between about 0.4 and 0.1; this is explained by the dependence of entrainment on the local Richardson number and the density difference between the plume and the ambient air. The comparison between simulations has also been used to investigate the applicability of different sub-grid scale models for this type of flow. Finally, a methodology has been developed for evaluating the sensitivity of the calculations to different input parameters, and the method has been applied to a test configuration representing a fire in a building. The results show the relative importance of both explicitly-defined parameters that characterize the situation (thermal power of the fire, ventilation regime inside the building) and implicit model parameters.


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  • Détails : 1 vol. (xx-128 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.95-98

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T2435
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