‬Caractérisation d'un milieu poreux réactif soumis à de forts flux de chaleur : application au bois Redwood

Caracterisation of a porous medium subjected to high heat fluxes : application to Redwood

• Auteur / Autrice : Emilie Biotteau
• Direction : Son Doan-Kim, Frédéric Plourde
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie, thermique, combustion
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et aéronautique (Poitiers1992-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydation

Charbon

Matériaux poreux

Expériences

Pyrolyse

Résumé

La compréhension des processus de dégradation thermique en milieu poreux réactif est l'objectif principal de ce mémoire. Le comportement d'un échantillon de redwood soumis à de forts flux de chaleur a été étudié numériquement et expérimentalement. Le modèle numérique développé permet de décrire les principaux modes de transferts, la réaction de pyrolyse et la transformation de la matrice solide associée. Il conduit à la résolution d'un système différentiel, non linéaire, couplé. L'anisotropie du matériau a également été prise en compte grâce à une modélisation bidimensionnelle. Expérimentalement, deux bancs d'essais ont été développés afin d’étudier la pyrolyse sous atmosphère inerte et oxydante. L'étude de la pyrolyse sous atmosphère inerte a fait ressortir le phénomène de propagation du front de réaction, modulé en intensité par un amortissement progressif du processus. Une analyse détaillée des transferts a permis d’expliciter le mécanisme de propagation. Une vitesse caractérisant cette propagation a été définie, numériquement et expérimentalement. Sous atmosphère oxydante, il a été montré que les réactions d'oxydation du charbon en surface constituent un apport de chaleur trois fois plus important que le flux incident, permettant ainsi le déclenchement et la propagation de la pyrolyse dès les faibles flux. Enfin, la prise en compte de l'anisotropie de la structure a soulevé un résultat paradoxal: le front de pyrolyse se propage plus vite dans la direction perpendiculaire aux fibres (direction caractérisée par une conductivité thermique plus faible).

The major purpose of this study is a better understanding of mechanisms involved in thermal degradation of porous medium (wood for instance). Numerical and experimental investigations have been carried out. A non linear coupled differential set of equations had to be solved to describe heat and mass transfer, pyrolysis reaction and the induced solid matrix transformation. Inclusion of anisotropy has been performed using 2D-simulation. Two experimental set up have been used to investigate pyrolysis under inert and ambient atmosphere. The reactive zone has been found to be very thin compared to slab length and to propagate into the sample as time proceeds. A pyrolysis front velocity has been defined experimentally and numerically. A detailed analysis of heat and mass transfer in the sample provided an improved understanding of the front propagation mechanism. Heat conduction has been found to play a major role in the heat balance whereas chemical reactions contribution has been shown to be negligible. Under oxidative atmosphere, smoldering combustion occurs at the irradiated surface and has been shown to supply three times more heat than incident heat flux so that pyrolysis starts at lower incident heat fluxes. Inclusion of structure anisotropy leads to a paradox: pyrolysis front propagates more rapidly across than along the fibres (although heat conductivity is lower across than along fibres).