Simulation numérique sur des feux de nappe de kérosène de grande échelle soumis à un vent traversier avec prise en compte d'un aéronef

par Guoda Wang

Thèse de doctorat en Energétique, thermique, combustion

Sous la direction de Hui Ying Wang.

Le président du jury était Jean-Michel Most.

Le jury était composé de Pascal Bruel, Alexis Coppalle, Michael Delichatsios, Anthony Collin.

Les rapporteurs étaient Pascal Bruel, Alexis Coppalle.


  • Résumé

    Le feu est une des préoccupations majeures des avionneurs et des compagnies aériennesétant donnée la grande quantité de combustibles hautement inflammables à bord. De plus, lamenace au feu augmente par l’allègement grâce à la substitution de l’aluminium par dematériaux composites inflammables. La simulation numérique des grandes échelles estappliquée à un feu de nappe de kérosène de grande échelle soumis à un vent traversier avecprise en compte d’un aéronef de type d’aluminium et celui composite. La combustion esttraitée à l’aide d’une réaction globale et une hypothèse de chimie infiniment rapide, choixvalables tant que le feu est dans un régime de sur-ventilation où la combustion est contrôléepar le mélange des réactifs. L’interaction entre la combustion et la turbulence est traitée parune approche de type EDC (Eddy Dissipation Concept). L’équation des transferts radiatifs estrésolue à l’aide de la méthode des volumes finis. Les propriétés radiatives du milieu sontestimées à l’aide d’un modèle à larges bandes donnant une bonne approximation ducoefficient d’absorption par rapport aux calculs spectraux. Les suies sont modélisées par unmodèle semi-empirique de type Smoke-Point tenant compte du processus de formation dessuies par nucléation. Pour l'instant, le modèle de pyrolyse simple, contrôlée par latempérature, est utilisé à travers d’une approche du nombre de transfert de masse. Desanalyses spécifiques ont été menées par nos soins sur la forme de flamme, ainsi que sur lesflux thermiques, les champs de vitesse, de température et des espèces chimiques. Les résultatsobtenus sur les feux à une échelle intermédiaire sont en accord avec les résultatsexpérimentaux. Ils sont par contre difficilement comparables aux résultats expérimentaux surles feux à une échelle plus importante tridimensionnelle car l'instrumentation dans le domaineen aéronautique est très difficile. Quelques soient la taille de foyer et l’intensité de vent, leflux de chaleur maximal venant de nappe de kérosène semble inférieur à 340 kW/m2.

  • Titre traduit

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  • Résumé

    Large fully turbulent fires, which result as a consequence of an aircraft accident, pose asevere hazard to the occupants and cargo. This numerical study focuses on the firephenomenology associated with the presence of an aircraft immersed, at one particularlocation and orientation, within a large aviation-fuel fire in a moving fluid medium.Turbulence is modelled using a standard Smagorinsky sub-grid scale model in a Large EddySimulation An extension of the eddy dissipation concept is incorporated, allowing toinvestigate the roles of the wind speed and its direction on the fire growth, heat fluxdistribution and smoke products, such as carbon monoxide and soot. The outcome of thestudy is interesting, and the interaction model between turbulence and combustion is indeedadequate. A radiative transfer equation is solved by using a discrete expression adapted to afinite volume method. The soot model is based on a Smoke-Point concept, and the mixture ofsoot and gas behaves as a gray medium. The predicted flame shape and heat flux comparewell with the measurements. The prediction indicates that interaction between aircraft and fireenvironment combined with the influence of wind conditions affects dramatically location ofthe continuous flame zone and heat flux distribution. The highest heat flux occurs on thewindward side of the aircraft for the low and medium winds, but on the leeward side of theaircraft for the high wind. A good reproduction of the experimental trends has been achievedfor the temperature field. Preliminary comparisons of the heat flux distribution on the cylinderskin show promise. The peak heat fluxes to the aircraft for various wind conditions rangefrom 200-340 kW/m2, and the contribution of radiation to the aircraft skin is higher than 95%of the total heat flux.


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