1.5.4 Le taux de production de fumée (SPR : Smoke
Production Rate)
Au cours d'un incendie, la fumée est produite. En
l'absence de toute perturbation, son comportement est régi uniquement
par sa propriété de flottabilité : étant plus
chaude que l'air ambiant, elle suit un mouvement ascendant, puis elle se
répand de part et d'autre en direction des extrémités du
local. Cette fumée est un vecteur de transport d'énergie et des
particules imbrulées qui sont potentiellement dangereuses [42]. Par
ailleurs sa production et sa circulation s'accompagne de : CO, CO2, H2O
en phase vapeur, des particules de suies, des hydrocarbures lourds
condensés (goudrons), des cendres (combustion du bois. Selon Coppalle
[9], une émission importante de fumées a pour conséquences
: accroissement du risque de propagation, une perte de visibilité pour
l'évacuation et les secours puis une exposition à des gaz
toxiques. Ce processus a fait l'objet de recherche de plusieurs auteurs dans le
but de sa quantification, sa caractérisation et son désenfumage
à savoir:
Jesper et al. [35] montraient que la fumée
produite par les feux peut essentiellement être mesurée de deux
façons. Une première façon est de collecter et de filtrer
une partie des gaz de fumée, puis de mesurer le poids des particules. Et
la deuxième façon qui utilise une chambre et mesure la
transmission de la lumière à travers la fumée. Ils
proposaient également des équations permettant de calculer le
taux de production des fumées :
SPR = K ÿVT3
(1.21)
1.5 État des travaux antérieurs
22
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Mémoire de fin d'études
le taux du débit volumique à la température
de Ts :
|
ÿVTS =
|
ÿV298.Ts
(1.22)
298
|
le coefficient d'extinction :
~T r0 ~
1
K = Lmn (1.23)
T r
oÙ Tr0 : transmission
initiale de la fumée, Tr :
transmission de la fumée dans la cheminée,
ÿVTS : taux du
débit volumique.
1.5.5 Production de suies (Soot production)
Les suies sont des polluants atmosphériques
formés lors d'un incendie, qui causent des maladies respiratoires et
augmentent le risque de mortalité. Elles sont des particules
imbru-lées contenues dans les flammes et dans les fumées
résultant de la combustion incomplète des composés. Elles
sont à l'origine de la luminosité visible des flammes. Aussi, la
composition chimique ambiante ainsi que la vitesse de ventilation sont des
paramètres de premier ordre dans la production de suie au sein de la
flamme. Par contre, les transferts radiatifs auquel contribuent fortement ces
particules de suie pilotent la propagation de flamme en l'absence de pesanteur.
Par ailleurs, plusieurs chercheurs se sont intéressés à la
compréhension de la phénoménologie des suies : Lee et
al. [43] dans une étude expérimentale confirmaient que
le taux de réaction est fonction de la température de la
production des suies et de la pression partielle de l'oxygène. Ils
observaient que le taux de génération des suies augmente avec le
jet d'oxygène enrichi. Ils proposaient un modèle Semi-empirique
basé sur la description simple de la chimie de suie pour leur
prédiction dans les flammes de diffusion. Edelman et al. [44]
disaient que la pertinence des procédures de maîtrise des
incendies dans des configurations spatiaux dépend à coup
sûr de phénomènes liés à la gravité
terrestre. Olson et al. [45] mesuraient la température
d'émission et la fraction volumique des suies dans une flamme de
diffusion laminaire dans un test de 43 hydrocarbures.
Moss et al. [46] ont proposé des
modèles pour l'étude de la formation et la propagation des suies
par radiation. En suite, Syed et al. [47] considéraient la
croissance en surface comme étant l'aire surfacique d'aérosol.
D'autres s'intéressent à la caractérisation [48],
modélisation et à la formation [49] des particules suies. Moss et
al. [50] ont passé en revue les modèles
1.5 État des travaux antérieurs
23
des suies par un test sur plusieurs combustibles pour
déterminer empiriquement certaines constantes du modèle et ils
affirmaient que la croissance en surface dépend de la densité des
suies
L'équation de la densité de la concentration
moyenne des suies :
|
? (ñns) + ?t
|
? (ñ uj
ns) ?xj
|
|
?
|
ut
|
! ?
ns
?xj
|
|
|
|
|
=
|
+ ñ ÿwns
(1.24)
|
|
|
|
?xj
|
Sct
|
L'équation de la fraction volumique moyenne des suies :
|
?(ñfv)+
?t
|
~ ~
? ñ uj
fv
?xj
|
=
|
? ?xj
|
ut
Sct
|
?fv
?xj! +
ñÿwfv (1.25)
|
Les termes sources décrivant la physicochimie et les
phénomènes de la production des suies par nucléation,
coagulation et la croissance surfacique sont évalués par les
expressions suivantes :
ñ ÿwns =
NACáñ3 T 1/2
XFue-Tá/ T
| {z }
nucléation
n2 s
T1/2
ñCâ
| NA
{z }
coagulation
(1.26)
ñ3 T1/2
XFue-Tá/ T
n1/3
s
vf2/ñ2
T1/2 XFue-Tã/
T + CáCä 3
ñsuies
| {z}
| {z }
nucléation
croissance de surface
Cã
ñ ÿwfv =
ñ1/3
suies
(1.27)
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Mémoire de fin d'études
Où les termes :
nucléation traduit la germination
d'une nouvelle particule suies parmi ses précurseurs ;
coagulation spécifie la liaison des deux particules
suies en agrégats ;
croissance de surface explique l'augmentation
en masse et en volume des particules suies à travers l'addition de
carbone par réaction chimique produite sur la surface des particules.
Kennedy et al. [51] utilisait le modèle
à une équation de la conservation de fraction volumique des suies
pour décrire leur formation et oxydation dans une flamme de diffusion
laminaire d'éthylène-air. Martino et al. [52]
modélisaient la formation des suies dans une flamme diffusion sous
l'influence de la turbulence. Moss et Stewart [42] modélisaient le champ
de feux en se servant de la hauteur de la flamme basée des
propriétés de la fumée. McEnally et al. [32]
utilisaient la méthode optique pour déterminer la
température, les espèces gazeuses et la fraction volumique.
Morvan et al. [53] ont mis en oeuvre une approche pdf pour
simuler
1.5 État des travaux antérieurs
24
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Mémoire de fin d'études
numériquement la flottabilité des particules
dans une flamme de diffusion de méthane-air. Smooke et al. [54]
ont mesuré la fraction de volume de suie aussi bien que les
concentrations en différents carburants (méthane), de
l'acétylène et du benzène dans la zone de flamme de
diffusion laminaire co-courant. Melissa et al. [55] ; Bijan et
al. [56] ont quantifié des particules suies à travers
leur fraction volumique par des simulations numériques. Pour
évaluer l'effet de la pression sur la formation des suies et les
structures des flammes de diffusion laminaire, Marc [57] dans une étude
expérimentale et numérique variait une gamme de pressions de 10
à 35 atm lors d'un test d'une flamme de diffusion laminaire
d'éthylène. Arup [58] évalue la température, la
vitesse de la formation des suies dans une flamme de diffusion sous condition
de microgravité à cinq (5) valeurs de la pesanteur: 0,1g; 0,25g;
0,5g, 0,75g et 1g dans une configuration co-courante d'une combustion de
méthane dans l'air. Il observait qu'à plus petite valeur de la
pesanteur, la concentration des suies est limitée et elle augmente
significativement avec des valeurs comprises entre 0,25g à 1g. Wang
[59], dans une simulation numérique modélisait la
flottabilité des particules suies et la formation du monoxyde de carbone
dans la flamme de diffusion turbulente entre deux murs verticaux en couplant
les modèles des suies et les mécanismes de rayonnement sous le
modèle d'approche L.E.S. Il confirmait que des simulations
couplées gaz/suies/rayonnement des flammes permettent d'évaluer
l'effet du rayonnement sur les structures des flammes. Le rayonnement dû
aux suies est identifié comme étant plus important que la
contribution associée à la phase gazeuse. Il a pour effet de
diminuer la température des flammes. Ahmet et Ömer [60]
étudiaient la formation des suies sous haute pression (40 à 100
atm) dans une flamme de diffusion laminaire d'une configuration co-courante
avec dilution de l'azote dans le mélange.
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