Modélisation non infiniment rapide de la combustion des solides dans le contexte de la sécurité incendie

Modeling of finite rate chemistry effects in the combustion of solid fuels relevant to fire safety problems

• Auteur / Autrice : Van Minh Le
• Direction : Thomas Rogaume, Franck Richard, Jocelyn Luche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique, Thermique, Combustion
• Date : Soutenance le 20/12/2019
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Matériaux, Mécanique, Énergétique (Poitiers)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime / PPRIME
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Trouvé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Rogaume, Franck Richard, Jocelyn Luche, Bénédicte Cuenot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Porterie, Tarek Beji

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation tridimensionnelle

Agents d'extinction

Feu

Combustion

Simulation des grandes échelles

Mots clés libres

Flamme de diffusion turbulente flottante

Cfd

Large Eddy Simulation

Modélisation

Combustion du flammelette

Chimie fini

Transfert de chaleur par rayonnement

Rayonnement gazeux

Flamme à diffusion laminaire instationnaire

Flamme à contre-Courant

Extinction du rayonnement

Feu

Buoyant turbulent diffusion flame

Cfd

Large Eddy Simulation

Modeling

Flamelet combustion

Finite rate chemistry

Radiation heat transfer

Gas radiation

Unsteady laminar diffusion flame

Counter-Flow flame

Radiation extinction

Fire

Résumé

L'objectif de cette étude est de développer et d’améliorer des modèles de combustion et de rayonnement pour les simulations aux grandes échelles (LES) de feux turbulents représentatifs de scénarios de feu. L’approche retenue repose sur un modèle de combustion de type bibliothèque de flammelettes correspondant à une flamme de diffusion à contre-courant (laminaire stationnaire, plane et uni-dimensionnelle). Le modèle de rayonnement comprend une description classique des phénomènes de rayonnement non locaux par l’équation de transfert radiatif (RTE). Différentes configurations sont étudiées : un traitement dans lequel les phénomènes locaux de rayonnement sont négligés au sein du solveur de flammelette, un traitement dans lequel ces phénomènes sont inclus, puis la configuration dans laquelle les interactions turbulence-rayonnement à une échelle inférieure à celle de la maille (TRI) sont incluses dans le solveur de RTE. Ce travail est réalisé à l’aide du solveur de FireFOAM développé par FM Global. Le cas test retenu pour le développement et la comparaison des modèles est un brûleur en ligne turbulent qui a été caractérisé expérimentalement à l'université du Maryland. La composition du combustible (méthane), la chimie d’oxydation du combustible (mécanisme chimique détaillé pour la combustion air-méthane) sont connues. Des essais ont été réalisés avec des injections à co-courant, dans des situations de dilution à l’azote ou pas. Les résultats des simulations numériques pour les différentes configurations sont évalués par comparaison avec les mesures expérimentales caractéristiques, telles que les températures, la fraction molaire d'oxygène locale, la puissance, le rayonnement émis et l'efficacité de combustion. Un bon accord est obtenu pour les températures tandis que la puissance rayonnée est significativement sur-prédit. Ce résultat peut être expliqué par la limitation du modèle de rayonnement gris. Le désaccord concernant les fractions molaires d'oxygène révèle la restriction du modèle actuel de combustion de type flammelette. Enfin, les comparaisons pour l'efficacité de combustion montrent un bon accord, avec une erreur de seulement 8%.

The general objective of this study is to develop accurate combustion and radiation models for large eddy simulations (LES) of well-controlled laboratory-scale turbulent fires. The combustion model features a library of flamelet solutions corresponding to steady, laminar, strained diffusion flames. The radiation model features a classical description of non-local radiation phenomena through the Radiative Transfer Equation (RTE). Different treatments of coupled combustion and radiation effects at flamelet scale are considered: a treatment in which local radiation phenomena are neglected inside the flamelet solver; and a treatment in which these phenomena are included inside the flamelet solver and also subgrid-scale turbulence-radiation interactions are included in the RTE solver. This modeling framework is incorporated into the LES solver FireFOAM, developed by FM Global. The test case for the modeling developments is a buoyancy-driven, methane-air, turbulent line fire studied at the University of Maryland with the co-flow at the condition diluted or not diluted by nitrogen. Simulated results are evaluated against experimental measurements characterized by local temperatures, oxygen mole-fraction, global flame emissive power and combustion efficiency. Comparisons between simulated temperature and measured temperatures show a good agreement. Comparisons for the global radiative loss fraction show that the simulated results are significantly over-predicted that can be explained by the limitation of the gray model radiation model. Discrepancy at the comparisons for the oxygen mole-fraction reveals the restriction of the current flamelet combustion model. Finally, similar comparisons for combustion efficiency show a good agreement with the error of only 8 %.