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Enhancing Nuclear Safety


Research

Theses in progress

Experimental and theoretical study of low frequency combustion instability regimes during a fire in a mechanically ventilated enclosure


Host laboratory:​Fire Experimentation Laboratory (LEF)

Beginning of the thesis: October 2015

Student name: Maxime Mense



Subject description (in French)

Lors d’un incendie dans un milieu mécaniquement ventilé, la puissance de feu, généralement importante par rapport au débit nominal de ventilation des enceintes, conduit à des niveaux d’oxygénation inférieurs aux conditions environnementales rencontrées en atmosphère libre (21 %) en se rapprochant dans certains cas des limites inférieures d’inflammabilité (5-12 %). Dans ces conditions, des modes instables de combustion sont rencontrés, comme cela été le cas récemment dans le dispositif de grand volume (120 m3) Diva de l’IRSN. Ces instabilités se traduisent par des fluctuations basses fréquences importantes des grandeurs caractéristiques d’un incendie. Les applications de ce sujet concernent l’évaluation du risque incendie dans les installations nucléaires. Ces phénomènes oscillatoires peuvent avoir un impact direct sur la sûreté des installations nucléaires en entraînant notamment des pertes de confinement dynamique et d’intégrité des équipements de sectorisation. L’objectif de cette thèse est d’étudier théoriquement et expérimentalement les mécanismes conduisant à des instabilités de combustion de basse fréquence pour des scénarios d’incendie en milieux confinés et ventilés mécaniquement.

Ainsi, une première partie est consacrée à l’étude théorique. Il s’agit de définir analytiquement les couplages possibles permettant d’obtenir des solutions oscillantes et d’identifier les grandeurs (paramètres adimensionnels) caractérisant ces phénomènes instables. Les critères d’apparition des instabilités ainsi que les grandeurs les caractérisant (fréquence, amplitude) sont recherchés ainsi que les mécanismes physiques.

Ces travaux théoriques sont supportés par une approche expérimentale. Pour ce faire un dispositif expérimental à échelle réduite (1,9 m3), appelé NYX2, a été mis au point. Ce dernier permet de réaliser des feux en régime sous-oxygéné dans une enceinte fermée et mécaniquement ventilée. Le but de cette approche est de fournir des données de compréhension et de validation de l’approche théorique. Les paramètres d’étude sont la puissance du foyer, le type de combustible, le débit de ventilation, la position relative entre la bouche d’admission d’air et le foyer. La métrologie mise en place consiste à mesurer les champs de températures, la pression, la concentration des gaz, la perte de masse du combustible, les flux de chaleur. La structure et le déplacement de la flamme sera analysée grâce au traitement d’images vidéo.

Cette thèse est effectuée dans le cadre d’une collaboration entre l’IRSN et l’Université du Maryland, et plus particulièrement avec le professeur Arnaud Trouvé, pour son expertise dans le domaine des instabilités de combustion.


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