Modélisation d’un incendie en milieu sous-ventilé : adaptation du modèle de combustion pour la prise en compte du brouillard d’eau

La présente offre de thèse entre Naval Group, l’Ineris et l’Institut Pprime (UPR 3346 CNRS, université de Poitiers, ISAE-ENSMA) est proposée afin d’améliorer la compréhension de l’influence d’un brouillard d’eau sur l’extinction d’un incendie en milieu sous ventilé. Elle entre également dans le cadre d’une collaboration avec l’université du Maryland aux USA.

Elle s’inscrit dans la continuité des travaux réalisés dans le cadre de la thèse de Lucie Lapillonne, qui ont mis en évidence que le modèle de combustion disponible dans l'outil FDS, basé sur une hypothèse de chimie infiniment rapide, ne permet pas de modéliser de manière satisfaisante les phénomènes en milieu sous-ventilé, en particulier, l’extinction en présence d'un brouillard d'eau.

 L’implémentation d’un modèle prenant en compte l’influence de la sous-ventilation et de la présence d’eau sur la combustion dans le code de calcul FDS est ainsi prioritaire. Il s’agit d’un problème complexe, avec un couplage fort entre les processus de transferts de masse, de transferts de chaleur et de cinétique chimique. 

Il s’agira dans un premier temps de réaliser un état de l’art sur les mécanismes physiques représentatifs de l’extinction d’un incendie en milieu confiné et soumis à un dispositif d’extinction par brouillard d’eau, puis sur les approches numériques de simulation de tels scénarios. A l’issue de cette analyse, les contraintes physiques du modèle devront être établies afin de permettre, par la suite, la classification des modèles disponibles pour l’application cible.

A partir des travaux de Lucie Lapillonne et des nombreux essais expérimentaux déjà réalisés, le(a) doctorant(e) devra bien analyser et comprendre les processus qui prennent place et le comportement d’incendies localisés soumis à un brouillard d’eau. Un enjeu fort de cette analyse des résultats expérimentaux déjà obtenus est double. Il s’agit d’identifier les processus clés qui pilotent cette interaction et l’extinction. Il réside également dans l’identification et la détermination des données d’entrée nécessaires au modèle numérique ainsi que des données permettant la comparaison puis la validation de l’approche numérique. Ce travail d’identification des processus et des paramètres de validation les plus pertinents est complexe de par les phénomènes couplés qui prennent place au cours de ces processus d’interaction.

Dans un troisième temps, l’analyse des modèles utilisés au sein du code FDS devra permettre l’identification des limites associées.

Cette étape sera suivie d’une revue bibliographique qui s’attardera sur la modélisation non infiniment rapide des processus de combustion dans des applications de type sécurité incendie. Une attention particulière pourra, par exemple, être portée sur les approches dites de « flamelettes » ou les modèles à transport de fonction de densité de probabilité (PDF). Une autre approche de type deep-learning pourra également être considérée.

Suite à ce travail et à l’identification de l’approche évaluée comme la plus pertinente, le(a) doctorant(e) développera et intègrera dans FDS un modèle numérique permettant une meilleure représentation des brouillards d’eau utilisés dans les bâtiments, tant au sens de Naval Group que de l’Ineris. L’enjeu est de faire évoluer le code FDS afin qu’il puisse mieux reproduire les paramètres de l’incendie au cours du processus d’extinction. Ce travail numérique, cœur du sujet doctoral sera réalisé en plusieurs temps :

• Réalisation de simulations numériques et analyse critique des modèles actuellement intégrés au sein du code FDS.
• Identification à partir de l’analyse bibliographique précédente d’une approche chimique adaptée à la physique cible et intégration de cette dernière au sein du code FDS.
• De manière couplée, la cinétique des réactions de combustion étant fortement dépendante des températures locales, un travail d’amélioration de la modélisation des processus de transfert de masse et de chaleur sera nécessaire, notamment concernant les transferts radiatifs.
• Analyse comparative des résultats obtenus avec cette nouvelle approche à ceux issus de l’outil FDS dans sa version « classique » (modèle EDC) et aux résultats expérimentaux.
• Amélioration constante de cette nouvelle approche numérique de modélisation de la combustion non infiniment rapide intégrée au sein de FDS pour en favoriser la capacité prédictive.

Ce travail numérique reposera sur une collaboration avec l’université du Maryland aux USA. Elle pourra demander des essais expérimentaux complémentaires si besoin.

Dans de nombreuses activités, la sécurité incendie est d’une importance cruciale avec de très forts enjeux humains, sanitaires, matériels, environnementaux, économiques, etc. Le développement et la mise en œuvre de systèmes de lutte incendie est alors indispensable. Si la réalisation d’essais reste la norme pour caractériser l’efficacité des systèmes d’extinction, le développement des outils de simulation numérique est essentiel. 

Afin de garantir un niveau de sécurité satisfaisant vis-à-vis de ce risque et du fait de la spécificité de certaines conceptions architecturales ou nouvelles technologies introduites dans des installations ou des navires, Naval Group et l’Ineris réalisent des études d’Ingénierie de Sécurité Incendie (dites Alternatives Design pour le naval). L’objectif de ces études est de prendre en compte les effets de l’incendie et d’y apporter des solutions de maitrise du risque incendie. Naval Group et l’Ineris utilisent alors le code de calcul CFD Fire Dynamics Simulator (FDS) pour réaliser la modélisation des incendies en milieu sous-ventilé et le plus souvent confiné. Cependant, dans sa version actuelle de l’outil numérique, la modélisation de l’interaction entre un brouillard d’eau et le développement d’un incendie reste mal décrite et doit être améliorée. Plusieurs aspects limitent la capacité des modèles numériques à décrire le processus d’extinction, notamment la description de la cinétique de combustion. En effet, classiquement le modèle de combustion utilisé au sein de FDS repose sur une chimie tabulée et infiniment rapide, tandis que le processus d’extinction est fortement dépendant des réactions chimiques qui prennent place. C’est là l’enjeu principal de ce travail doctoral qui vise à optimiser la modélisation des feux sous-ventilés lors des études d’analyses de risque incendie, avec une prise en compte des dispositifs de brouillard d’eau.

Le candidat devra être titulaire d’un Master 2 ou d’un diplôme d’ingénieur dans les domaines des sciences du feu, de la sécurité incendie, de la combustion, de la physico-chimie.

Des compétences en programmation, en analyse et modélisation de données, ainsi qu’un intérêt pour les méthodes de simulation et le traitement de données expérimentales, constitueront un atout important.

Le projet de thèse comportant une forte composante numérique et pluridisciplinaire, le candidat devra faire preuve d’un réel intérêt pour le travail de laboratoire, d’une grande rigueur scientifique, d’un esprit d’initiative et d’une curiosité marquée pour la recherche appliquée. Une capacité à interagir avec des spécialistes de différents domaines (chimie, matériaux, recherche expérimentale et par modélisation) sera également valorisée.