LEMTA - CEREN 1 IV- Etude des expériences de feu de végétation Deux types dexpériences de laboratoire ont été conduites au C.E.R.E.N Expériences de petites.

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1 LEMTA - CEREN 1 IV- Etude des expériences de feu de végétation Deux types dexpériences de laboratoire ont été conduites au C.E.R.E.N Expériences de petites tailles ( TEXAID ) Expériences de taille réelle ( B.E.S.T )

2 LEMTA - CEREN 2 IV.1. Expérience de propagation dans le TEXAID Expérience sans vent sur une litière homogène et plane avec une densité surfacique de combustible de 0.75 kg/m 2 Capteur Frisure de bois L front hfhfhfhf A laide du système de traitement dimage OPTIMAS, on détermine : L front = 44 cm h f = 51 cm

3 LEMTA - CEREN 3 Vitesse de propagation A laide du même système de traitement dimage, on détermine la vitesse de propagation : Vitesse de propagation V ( cm/s ) 1.00 Résultat de L. Naville 0.96 Présent résultat Le présent résultat est en bon accord avec celui de L. Naville (1997) Le présent résultat est en bon accord avec celui de L. Naville (1997) Températures et flux de chaleur f p = V p /L = 0.0096 hz

4 LEMTA - CEREN 4 A pplication dun filtre de Butterworth dordre 2 avec une fréquence de coupure f c = 0.017 hz Utilisation de la fonction de transfert du capteur Les flux mesurés par le capteur et par le fluxmètre sont en bon accord Les flux mesurés par le capteur et par le fluxmètre sont en bon accord

5 LEMTA - CEREN 5 IV.2. Expériences de propagation dans le B.E.S.T

6 LEMTA - CEREN 6 Expérience de propagation sans vent La charge de la frisure de bois utilisée est : P F = 1.5 kg/m 2 La charge du chêne kermès utilisée est : P chêne = 3 kg/m 2 La vitesse de propagation mesurée par les thermocouples est égale à V=1.47 cm/s La vitesse de propagation mesurée par les thermocouples est égale à V=1.47 cm/s

7 LEMTA - CEREN 7 Expérience de propagation à charge variable Trois valeurs de charge sont utilisées : P 1 =1.5 kg/m 2, P 2 =3 kg/m 2 et P 3 =4.5 kg/m 2 1.681.782.23 Vitesse de propagation (cm/s) Charge (kg/m 2 ) Expérience de propagation à vent variable On utilise les mêmes charges que précédemment On impose trois valeurs du vent V 1 = 1.5 m/s, V 2 = 2 m/s et V 3 = 2.5 m/s 5.714.002.06 Vitesse de propagation (cm/s) Vent (m/s)

8 LEMTA - CEREN 8 V- Identification des paramètres de propagation Mode dutilisation des résultats expérimentaux Capteur simple Capteur double 1.Caractérisation des flammes (TEXAID et BEST) 2.Mesure de vitesse des gaz (mesure de fréquence par D.N.S et expérience) 3.Coefficient dabsorption (BEST) 4.Vitesse de propagation (BEST) 1.Caractérisation des flammes (à faire) 2.Mesure de vitesse des gaz (mesure de Nusselt) 3.Coefficient dabsorption (à faire) 4.Vitesse de propagation (à faire)

9 LEMTA - CEREN 9 V.1. Modèle de flamme et flux reçus par le capteur h f hauteur de la flamme 0 puissance émise par la flamme V vitesse de propagation La flamme est une surface plane caractérisée par : f angle dinclinaison de la flamme

10 LEMTA - CEREN 10 Les flux radiatifs mesurés par les trois plaquettes du capteur, exposées au feu, sécrivent : x f = V t + y tan ( f ) est la position du front de flamme suivant laxe ( ox ) Quand le capteur est loin des flammes, on peut considérer que T i r << T f

11 LEMTA - CEREN 11 V.2. Fonction objectif et coefficients de sensibilités réduits Afin didentifier les différentes paramètres de propagation on choisit la fonction objectif suivante : Pour vérifier lidentifiabilité des paramètres on définit

12 LEMTA - CEREN 12 V.3. Identification à partir des expériences du TEXAID Propagation sans vent f = 0 Paramètres initiaux choisis sont : h f = 51 cm ( valeur obtenue par analyse dimage ) 0 = 9.6 kW/m 2 ( valeur proposée par Weber (1989) pour f = 0.28 et T f = 609 °C ) 19.0 45.9 Valeurs de paramètres 1 = 1/150 et 2 = 1/5 ( rapport des sensibilités )

13 LEMTA - CEREN 13 Différentes réponses expérimentales et théoriques V.4. Identification à partir des expériences du B.E.S.T Paramètres initiaux choisis sont : h f = 2 m ( valeur obtenue par une analyse vidéo ) 0 = 22 kW/m 2 ( valeur obtenue par la loi de Stefan- Boltzmann pour f = 0.28 et T f = 812 °C )

14 LEMTA - CEREN 14 Expérience de propagation sans vent 1 = 2 = 0 5.2 139 Plaquette frontale 5.2 140 Trois plaquettes 1 = 2 = 1/6 Le modèle de flamme est « validé » On procède à deux types didentifications Plaquette frontale Trois plaquettes

15 LEMTA - CEREN 15 Expériences de propagation à vent variable En plus des paramètres initiaux précédents, nous avons choisi langle f = / 4 comme un paramètre initial Angle dinclinaison de flamme f (°) Puissance émise ( kW.m -2 ) 18.4 15.312.5 7976 72 394547 Hauteur de flamme h f ( cm ) 6 % 7 % 6.5 % Différentes réponses expérimentales et théoriques

16 LEMTA - CEREN 16 Albini (1981) Nelson et Adkins (1986) Avec Fr est le nombre de Froude, Fr = V vent 2 / g h f Albini (1981) propose cette corrélation On utilise une régression linéaire de moindres carrés v gaz = 0.49 m / s

17 LEMTA - CEREN 17 Expérience de propagation à charge variable Trois valeurs de charge sont utilisées : P 1 =1.5 kg/m 2, P 2 =3 kg/m 2 et P 3 =4.5 kg/m 2 Coefficient dabsorption du chêne kermès Application de la loi de BEER 3.562.54 Coefficient dabsorption a (m -1 ) Charge (kg/m 2 ) 0.65

18 LEMTA - CEREN 18 V.5. Identification de la vitesse de propagation Utilisation des résultats de lexpérience du B.E.S.T sans vent 3.8215 Valeurs de paramètres 1.7 Ecart relatif 2.4 % La hauteur de flamme est en bon accord avec le résultat de lanalyse vidéo h f 2 m La vitesse de propagation est sans doute de meilleure qualité que celle mesurée par les thermocouples Le capteur peut donc servir dun appareil de mesure de la vitesse de propagation Le capteur peut donc servir dun appareil de mesure de la vitesse de propagation

19 LEMTA - CEREN 19 Conclusion générale Nous avons mis au point des instruments de mesure pour la métrologie des feux de végétation des feux de végétation : ces appareils, une fois calibrés, sont en final destinés à être utilisés aussi bien pour des feux réels que pour des feux de laboratoires ces capteurs servent comme un outil de calibrage pour les modèles de propagation et de validation pour les modèles de combustion Lidentification de la vitesse de propagation à partir des flux mesurés par les capteurs montre que ceux-ci peuvent servir dappareil de mesure pour cette grandeur Les différentes perspectives de ce travail sont : Utilisation des différents capteurs dans des expériences de brûlage dirigé ( expériences des feux réels ). Utilisation dun algorithme doptimisation global de type génétique pour une évaluation plus pertinente des caractéristiques de flamme. Reconstruction du front de feu à partir de la réponse de N capteurs Production scientifique 2 communications internationales, 3 communications nationales, 1 thèse, publications à venir Retour

20 LEMTA - CEREN 20 Laboratoire dEnergétique et de Mécanique Théorique et Appliquée Métrologie des feux de végétation Khaled CHETEHOUNA Alain DEGIOVANNI, Olivier SERO-GUILLAUME CEREN Frédérique GIROUD Claude PICARD

21 LEMTA - CEREN 21 II- Présentation des capteurs de flux de chaleur II.1. Capteur simple Calibrage des différents modèles par la mesure de M r, T f et V f Pour instrumenter des feux réels, ce capteur devrait satisfaire les conditions suivantes : Il doit être simple et commode dinstallation et demploi. Il doit avoir un coût le plus faible possible. Il ne doit pas être détruit par le passage du feu. Son échelle caractéristique doit être adaptée à celle utilisée par les modèles de propagation de type « réaction-diffusion ». Il doit permettre lévaluation des flux thermiques. Il doit permettre aussi lévaluation de la température et de la vitesse moyennes des gaz induits par les flammes.

22 LEMTA - CEREN 22 Coupes horizontale et verticale du capteur simple

23 LEMTA - CEREN 23 Modélisation du capteur et fonction de transfert Bloc N° 1 Bloc N° 2Bloc N° 3 Bloc N° 4 Flux Fonction de transfert = Températures

24 LEMTA - CEREN 24 Expériences didentification et estimation des paramètres Quatre expériences sous lampe halogène et avec écran réfléchissant Minimisation de la fonction Mesure des différentes températures + 13.343211.110.7Valeurs

25 LEMTA - CEREN 25 Mesure du flux radiatif – expériences de corroboration 1.Quatre expériences sous lampe halogène et sans écran réfléchissant températures flux de chaleur Différentes températures expérimentales et théoriques Ecart relatif 2.5 %

26 LEMTA - CEREN 26 2.Deux séries dexpériences sous panneau radiant 1 = 20.25 kW/m 2 et 2 = 32.94 kW/m 2 températuresflux de chaleur 1 = 20.25 kW/m 2 1 = 20.25 kW/m 2

27 LEMTA - CEREN 27 2 = 32.94 kW/m 2 2 = 32.94 kW/m 2 températuresflux de chaleur II.1. Capteur double Cet instrument de mesure, outre les critères que doit satisfaire le capteur simple devrait permettre : La mesure des flux radiatifs. La mesure des flux convectifs.

28 LEMTA - CEREN 28 Coupe horizontale du capteur double Thermocouples Armature en acier Plaquettes en molybdène Support thermocouples Isolant Colle céramique 10 11 12 9 13 70 mm 80 mm 1 5 2 3 4 6 7 8 20 mm 1 mm

29 LEMTA - CEREN 29 Représentation du capteur double par le même modèle réduit + Utilisation de la même procédure didentification 26.466.42.946.7Valeurs 1013.5 Les flux totauxLes relations entre les flux totaux et les flux radiatif et convectif+ Flux radiatif et flux convectif

30 LEMTA - CEREN 30 III- Mesure de vitesse Détermination du champ de vitesse V f Capteur double : relation entre le nombre de Nusselt Capteur double : relation entre le nombre de Nusselt et le nombre de Reynolds et le nombre de Reynolds Capteur simple : relation entre le nombre de Reynolds Capteur simple : relation entre le nombre de Reynolds et les oscillations des flux et les oscillations des flux III.1. Etude bibliographique 1.Ecoulement autour dun prisme carré, Igarachi (1986) 2.Ecoulement autour dun cylindre de section carrée, Okajima (1982)

31 LEMTA - CEREN 31 Plaquette de cuivre TU, p T 1 2 3 4 Gaz environnant Gaz environnant 2 1 3 4 Capteur TU, III.2. Simplification de létude III.3. Simulations numériques La géométrie retenue est celle d Igarachi (1986) L = 80 cm, D = 40 cm et d = 3 cm T = 20 °Cet T p = 100 °C T = 20 °C et T p = 100 °C 0.03 m/s < U < 1 m/s 40 < Re < 1250

32 LEMTA - CEREN 32 On résout les équations de bilan 2D avec FLUENT On maille le domaine de calcul avec GAMBIT + Pas de temps t = d / ( 6 U ) t = d / ( 6 U ) Nombre de pas de temps = 1200 Pour Re = 623 U = 0.5 m/s 3 maillages n d = 48 N = 21060 n d = 64 N = 38144 n d = 75 N = 58320 Optimiser le temps et la précision du calcul

33 LEMTA - CEREN 33 Le nombre de Nusselt moyen sur chaque face du capteur en fonction du nombre Reynolds peut sexprimer par : Nu = cRe n La corrélation sur le front est similaire à celle dune couche limite laminaire ( Re 0.5 ) Bon accord avec le résultat dIgarachi (1986) Corrélation entre le nombre de Nusselt et le nombre de Reynods

34 LEMTA - CEREN 34 Corrélation entre le nombre de Strouhal et le nombre de Reynods Le nombre de Strouhal est un nombre adimensionnel qui caractérise la fréquence de décrochement tourbillonnaire St = f d / U St = f d / U III.4. Expérience annexe 1 m/s < U < 14 m/s 1200 < Re < 18000 1 m/s < U < 14 m/s 1200 < Re < 18000 Veine dessais : 1m x 0.4m Veine dessais : 1m x 0.4m Cylindre : d = 2 cm Cylindre : d = 2 cm Coordonnées = 3.5 d ( ox ) et 1.9 d ( oy ) Coordonnées = 3.5 d ( ox ) et 1.9 d ( oy ) Suite