Combustion lente en milieux poreux représentatif de matériaux isolants

Contexte et enjeux

Face à l'urgence climatique, la réglementation énergétique et environnementale (RE2020) s'inscrit dans la trajectoire de la Stratégie Nationale Bas Carbone (SNBC), fixant ainsi des objectifs ambitieux pour réduire l'empreinte carbone et la consommation énergétique dans le secteur de la construction. En intégrant un indicateur de stockage du carbone dans l'analyse de cycle de vie des produits, la RE2020 encourage l'utilisation de matériaux biosourcés pour isoler notamment l’enveloppe des bâtiments.

La généralisation de l'utilisation de ces matériaux soulève toutefois des préoccupations majeures en matière de sécurité incendie. En raison de leur nature poreuse et réactive, ces matériaux peuvent être sujets à des phénomènes de combustion lente (smoldering) lorsqu'ils sont exposés à un stress thermique de faible intensité. Des réactions hétérogènes se produisent au niveau de la matrice solide et se propagent lentement au sein du matériau. Tant que l'apport en oxygène est suffisant et que les pertes de chaleur sont minimisées, l’exothermicité des réactions chimiques suffit à entretenir à la propagation sans nécessité de source de chaleur externe. Cependant, un déséquilibre local dans le bilan énergétique peut entraîner un emballement thermique, pouvant potentiellement conduire à une inflammation et à un incendie, ou au contraire à une extinction. À ce jour, une prédiction détaillée de ce type de feu représente un défi scientifique pour la communauté scientifique en raison des processus multiphysiques et multiphasiques impliqués. De nombreuses questions subsistent également sur la propension des produits de construction à initier, propager et déclencher un emballement thermique dans des conditions d’utilisation réelles. Comprendre ce risque est essentiel pour anticiper et réduire leur incidence et, par conséquent, le risque d'incendie dans les bâtiments.

Objectifs et résultats attendus

Les travaux de thèse doivent permettre d’améliorer notre compréhension des mécanismes sous-jacents à la combustion lente au sein de matériaux isolants biosourcés. Le sujet proposé ici s’articule autour de deux grands enjeux :

• Modéliser/représenter le système et investiguer les conditions amenant à des propagations en milieu confiné et possiblement sous ventilé
• Déterminer et comprendre la réactivité de ces matériaux soumis à des flux thermiques variables

Le sujet de la propagation de fronts de réaction in situ n’est pas nouveau et a été historiquement étudié que ce soit analytiquement par Aldushin et al. (1976), numériquement en formulation macroscopique par Ohlemiller (1985), ou à l’échelle de la structure microscopique des matériaux par Debenest et al. (2005).

Néanmoins, la compréhension de la propagation de fronts de réactions couvant dans des matériaux isolants reste un enjeu majeur sociétal. En particulier, les effets de l’humidité sur la réaction de dégradation sont un enjeu majeur, ceci étant relativement peu investigué dans la littérature voir Lapene et al. (2009)

Méthodologie de recherche

La description du calendrier est prévisionnelle et dépendra forcément des problèmes rencontrés. Il comporte 3 parties sur l’analyse numérique, la réactivité et la mise en place d’une expérimentation modèle.

Année 1 :

• Etat de l’art (réactivité/modèle) et mise en place d’un modèle de combustion lente en reprenant un modèle pré existant ( i.e. Pan et al. (2022)).
• Mise en place de réseau de neurone. Analyse de sensibilité à la réactivité, densité, propriétés de transport au sein du milieu poreux
• Rédaction d’un article bilan

Année 2 :

• Etude de la réactivité de milieux par des méthodes ATG/DSC en voie sèche et humide
• Mise en place de modèle de dynamique moléculaire utilisant un champ de forces réactifs (REAXFF) pour apporter une analyse théorique  détaillée des mécanismes de décomposition thermique.
• Proposition de schéma réactifs complexifiés
• Rédaction d’un article synthèse

Année 3 :

• Mise en place d’expériences modèles échelle 1 pour analyse de la propagation de front de réactions et suivi chimique (microsampling Martins et al. 2009) thermique et analyse des propriétés de transport post mortem
• Consolidation du modèle numérique et confrontation à l’expérience référence
• Rédaction du mémoire de thèse/article final

Laboratoire d’accueil

• Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE)
• Institut de mécanique des fluides de Toulouse (IMFT UMR 5502-CNRS-TOULOUSE INP UT3)

Profil recherché : Ecole d’ingénieur ou titulaire d’un master en physique/mécanique des milieux poreux, thermique/Energétique ou mécanique des fluides.

Aptitudes :

• Volonté de développer des compétences numériques et expérimentales,
• Rigueur, capacité d’initiative, esprit d’analyse et de synthèse.
• Autonomie

Expertises : Solide connaissances en mécanique des fluides, physique des matériaux poreux et transfert thermique, calcul scientifique. La connaissance des outils de CFD serait un plus.

Langues : Français/ Anglais/Français