Laboratoire d'accueil : Laboratoire d’étude de l’incendie et de développement de méthodes pour la simulation et les incertitudes (LIMSI)

Date de début de thèse : 12/10/2009

Nom du doctorant : Rodrigo Demarco

Problématique

Les installations nucléaires sont le plus souvent constituées de locaux étanches reliés par un réseau de ventilation, si bien qu'un incendie dans de telles installations peut conduire à des feux sous-ventilés, et donc à une production de suies accrue et à une modification du processus de pyrolyse. Les suies produites sont transportées dans le réseau de ventilation et engendrent un colmatage précoce des filtres destinés à piéger les particules radioactives avant le rejet vers l'atmosphère. Il existe une rétroaction du rayonnement de la flamme, relié à sa teneur en suies, sur le taux de pyrolyse du combustible, ce qui constitue à l'heure actuelle un défi de recherche majeur pour la prédiction de la puissance du feu. Par ailleurs, les propriétés radiatives de la flamme, et donc son potentiel à agresser thermiquement les éléments de sûreté voisins, sont directement reliés à sa teneur en suies et à ses propriétés radiatives.
De nombreux travaux de la littérature traitent des mécanismes de formation des suies, de leur destruction par oxydation et de leurs propriétés radiatives. Les modèles de production récents sont pour la plupart très détaillés. Ce niveau élevé de modélisation se fait souvent au détriment de la représentativité de la flamme et nécessite des temps de calcul très élevés. Ils ne sont le plus souvent appliqués qu'à des combustibles académiques et à l'échelle du laboratoire, ou encore sur des flammes qui ne sont pas directement représentatives des incendies (flammes de prémélange, flammes à contre-courant, flammes-jets...). Deux questions se posent alors: la première concerne l'applicabilité de ces modèles aux cas d'intérêt (grande échelle, conditions sous-ventilées) ; la seconde concerne le choix de modélisation de la production des suies dans les codes CFD en termes de temps de calcul et de qualité de la solution (flux rayonnés notamment).
Etant donnée la complexité du problème, celui-ci doit être réduit dans un premier temps. On propose de s'intéresser à une configuration de feu de nappe et ce pour plusieurs raisons. D'une part, la structure de la flamme dans cette configuration est assez bien connue [Cetegen, 98] et peut être abordée par une approche analytique [De Ris, 00]. D'autre part, de nombreuses données sont disponibles dans la littérature ouverte pour ces types de flammes.

Objectifs de la thèse

L'objectif de la thèse est d'étudier les effets d'une atmosphère sous-ventilée sur la production de suie pour des flammes turbulentes et sur le taux de pyrolyse du combustible. Les mesures de suies effectuées à petite échelle dans un dispositif à atmosphère contrôlée à l'IUSTI (Fire Propagation Apparatus) serviront de base à l'élaboration d'un modèle de production de suies. Des modèles intégraux existants incluant les processus de nucléation, de croissance de surface, d'agrégation et d'oxydation seront également testés. Différentes méthodes de calcul des propriétés radiatives seront explorées. Les erreurs induites par les modèles les plus simples pourront ainsi être évaluées en termes de bilan de flux radiatif sur la surface du combustible et de taux de production de suies.
Par ailleurs, des résultats sont attendus de cette étude sur l'évolution du débit de pyrolyse en fonction de l'échelle du combustible, du niveau d'oxygène ambiant et de la température ambiante. Ces résultats seront comparés d'une part à des corrélations de la littérature [Peatross, 96][Burgess, 74] et d'autre part, à des expériences effectuées à différentes échelles et à différents niveaux d'oxygène [Melis, 08][Chivas, 07].