L’étude des flammes non-prémélangées, représentatives des flammes d'incendie, met en jeu un ensemble de phénomènes dont la description reste difficile, (cinétique chimique, parfois encore très insuffisante, formation des suies) et qui sont interdépendants (couplage combustion/rayonnement/turbulence). L'étude de flammes d'incendie à échelle réelle amène naturellement à identifier et à prendre en compte les effets prédominants, et ce à différentes échelles. À ce titre citons la dégradation thermique des matériaux, l’interaction flamme-solide et la propagation d'un foyer dans son voisinage immédiat. À plus grande échelle, la propagation à l’ensemble de l’environnement d'un foyer d'incendie (comme la propagation d’un local à un autre) est un processus encore mal modélisé. L’une des principales difficultés à l'heure actuelle est de bien comprendre et de pouvoir prédire l'influence du terme source sur la cinétique de dégradation d'un solide, sur la puissance qui en est dégagée (par rayonnement), ainsi que sur la cinétique de formation des polluants gazeux. Au LCD, nous nous intéressons, plus particulièrement, à la combustion sous-ventilée de matériaux.
Dans ce cadre, nos études (expérimentales et numériques) porteront essentiellement sur les points suivants :
- l'étude de la vitesse de développement d'un feu ;
- l'étude des phénomènes responsables de la transition d'un embrasement généralisé d'un local (flashover) ;
- l'étude du phénomène de retour de flammes (backdraft) ;
- l’amélioration des modèles cinétiques de dégradation thermique et de formation des polluants prenant en compte une chimie complexe.
- l'étude des phénomènes menant à l'extinction naturelle d'une flamme ;
L’ Analyse de cycle de vie (ACV) des processus de combustion est un outil permettant d’évaluer tous les impacts environnementaux des systèmes anthropiques sur l’ensemble de leur cycle de vie (Construction– Fonctionnement- Démantèlement).
L’enjeu scientifique est d’identifier les polluants sur lesquels il faut agir en priorité. Le travail consistera à :
- adapter l’ACV aux systèmes de combustion ;
- élaborer de bases de données sur le cycle de vie des systèmes de combustion ;
- réaliser l’ACV des systèmes de combustion étudiés par le laboratoire.
Les activités de l'équipe Transferts en Milieux Poreux reposent d'une part sur une "culture milieu poreux" fruit de la longue expérience de ses membres concernant une grande variété de phénomènes dans ce type de milieux, et d'autre part sur un choix de méthodologie. Celle-ci consiste en la prise en compte explicite et aussi détaillée que possible des mécanismes et de la morphologie à une échelle locale, afin de pouvoir prédire les comportements macroscopiques de façon aussi rigoureuse que possible, sans faire intervenir de modèle intermédiaire susceptible de masquer des phénomènes importants. Ce point de vue ambitieux est déjà trop peu courant dans le domaine des milieux poreux en général, mais probablement unique dans son application aux phénomènes de combustion.
L'approche repose en grande partie sur des simulations numériques 3D de grande ampleur. L'étude des processus de transport réactifs conduite dans l'équipe bénéficie de ses acquis concernant les mécanismes élémentaires (écoulements, diffusion, transport, élasticité, plus récemment transferts radiatifs …) mais aussi la caractérisation et la simulation morphologique des milieux poreux.
L'amélioration et l'extension de cette base conceptuelle et logicielle constitue une tâche de fond permanente et importante. Elle permet d'aborder ensuite des situations complexes ou les transferts sont couplés avec des réactions chimiques, avec des champs d'application environnementaux (souvent en milieux géologiques) ou industriels.
Le principal axe de développement actuel et à relativement long terme concerne la construction d'un outil de simulation de la combustion en milieu poreux, incluant de façon détaillée le maximum de mécanismes à l'échelle des pores, de façon à pouvoir rendre compte explicitement de leurs couplages. Ceux-ci déterminent en effet très souvent les comportements observables à l'échelle macroscopique. Les bases de cet outil ont été mises en place au cours des dernières années, avec application à la combustion en lit de particules solides (schistes bitumineux). Le modèle est déjà riche, et il a permis pour la première fois d'exhiber des phénomènes, tels que de forts déséquilibre thermodynamiques locaux, qui remettent fondamentalement en cause beaucoup de formulations homogénéisées.
La poursuite de son développement est un chantier très important, qui revêtira de nombreux aspects d'ordre différents. Il portera tout d'abord sur le contenu du modèle, avec un enrichissement notamment sur le plan des processus chimiques, et des améliorations de la description des processus thermomécaniques, avec prise en compte notamment d'effet ignorés jusqu'ici (certaines non linéarités, dépendance de certains paramètres à la température, transferts radiatifs, …) et de processus intragranulaires. D'autre part, cette complexification rendra nécessaire des améliorations d'ordre technique, pour accroître les performances numériques. On développera aussi une approche déjà testée et prometteuse, où les simulations sont conduites dans une formulation locale et détaillée dans les régions où cela est nécessaire, avec raccord avec une description homogénéisée bien moins coûteuse dans les régions où les conditions requises sont satisfaites. A long terme, on pourra traiter tout le spectre des situations, allant du cas d'un milieu poreux passif (ou catalytique), ne constituant que le siège d'un processus de combustion dans l'espace interstitiel (brûleur) , ou d'un milieu lui même combustible (incinération, production d'énergie, ...). On pourra également étendre la gamme d'échelle, allant du réacteur de laboratoire à la combustion in-situ, voie possible pour l'exploitation de ressources en hydrocarbures difficilement extractibles (huiles lourdes, bitumes).
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