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Emplacement réservé pour une photo Jean-Pierre Vantelon, Laboratoire de Combust

Emplacement réservé pour une photo Jean-Pierre Vantelon, Laboratoire de Combustion et de Détonique, CNRS, ENSMA, POITIERS État des connaissances sur la fumée 9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 3 La fumée peut être définie comme un mélange de produits gazeux provenant de la combustion de substances organiques, avec de l’oxygène et de l’azote, mélange dans lequel de petites particules solides et des gouttelettes de liquide se trouvent aussi dispersées. Toxicité →due aux produits gazeux Opacité →due aux particules solides et aux gouttelettes liquides Conjonction des deux effets : responsable du danger pour les personnes Qu’est-ce que la fumée ? 9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 5 L’écoulement des fumées est chimiquement peu réactif : →les réactions d’oxydation cessent rapidement à quelque distance de la source (les réactions sont devenues complètes) →le refroidissement (essentiellement par entraînement d’air) ralentit fortement les cinétiques réactionnelles. Température et composition varient depuis le foyer source au cours de l’écoulement : →l’entraînement d’air dilue et refroidit la fumée →les échanges thermiques convectif et radiatif avec des parois ou l’environnement abaissent également la température →l’eau issue de la combustion est présente sous forme vapeur lorsque la fumée est chaude mais se condense en gouttelettes lorsque la fumée se refroidit →ces gouttelettes peuvent se déposer →les particules solides peuvent s’agglomérer et se déposer 9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 7 CONSTITUANTS GAZEUX Dans des conditions de combustion complète, un combustible est converti en produits gazeux sables : CO2 et H2O vapeur. En fait, cela est rarement obtenu dans une flamme de diffusion représentative d’incendie où les flux turbulents, dus aux forces de flottabilité, induisent de forts gradients de concentration et de température. La combustion consomme une partie des molécules de O2 diffusée dans la flamme et extrêmement peu de N2 . Les quantités de O2 et de N2 ne sont donc pas dans la fumée dans le même rapport que dans l’air. Les constituants de la fumée 9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 9 CONSTITUANTS PARTICULAIRES La formation d’espèces particulaires est le résultat du caractère incomplet de la réaction Les particules générées en combustion vive (combustion avec flamme) sont des petites particules solides appelées suies. Les particules générées en combustion lente (type smouldering) résultent de la condensation, au contact de l’air frais, d’espèces de haut poids moléculaire. Il en résulte la formation d’aérosols constitués de petites gouttelettes liquides visqueuses riches en composés aromatiques (diamètre le plus souvent de l’ordre du micron). Les constituants de la fumée 9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 11 ASPECT ET STRUCTURE Les suies sont des agrégats de particules élémentaires (plusieurs dizaines à plusieurs centaines), plus ou moins sphériques, de tailles très voisines (10 à 80 nm environ). Chaque élément de base, appelé sphérule, est constitué d’un grand nombre de cristallites (103 à 104), chaque cristallite étant constitué d’un assemblage d’éléments de base : les composés aromatiques polynucléaires. Nature des particules de suies 9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 13 De nombreuses recherches ont été menées sur : - les propriétés et la nature des particules formées - les quantités formées en fonction : - de la nature du combustible - du type de combustion : prémélange ou diffusion D’une façon très générale, les propriétés et la nature des suies ne sont pratiquement pas affectées par le type de combustion et la nature du combustible. Nature des particules de suies 9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 15 Les particules de suie sont en général caractérisées par trois grandeurs : fv: la fraction volumique de suies (m3 de suies/m3 de gaz) d: le diamètre d’une particule de suie (nm) N : la densité en nombre de particules (nombre de particules /m3 de gaz) Ces trois grandeurs sont reliées par l’intermédiaire de la fraction volumique moyenne : ( )dd d P 6 d N f 0 3 v ∫ ∞π = où P(d) est la distribution en tailles des particules de suie. Dans le cas monodisperse, il vient : 6 d N f 3 v π = grandeurs physiques caractérisant les particules de suie 9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 17 Une fois formés, les anneaux aromatiques grandissent par un processus à deux étapes : - ablation d’un atome d’hydrogène qui active les molécules aromatiques - addition d’une molécule d’acétylène qui assure la croissance et la cyclisation des HAP Ce processus de H-abstraction et C2H2-addition est connu sous le nom de mécanisme HACA. processus élémentaire de formation et de destruction des particules de suie 9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 19 CROISSANCE DE SURFACE C’est un accroissement de la masse de la particule du fait de réactions hétérogènes entre des molécules gazeuses et la surface des particules (sites radicalaires libres). Molécules impliquées : - acétylène - polyacétylènes On a augmentation de fv et de d mais aucune influence sur N. C’est par ce mécanisme que la plus grande partie de la masse est produite. A noter également que la masse volumique des particules subit également un accroissement relativement important. processus élémentaire de formation et de destruction des particules de suie 9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 21 OXYDATION L’émission des suies est très inférieure à la quantité produite dans la flamme. La différence provient de la consommation de celles-ci par oxydation. Au cours du processus de formation, il existe toujours en effet une compétition entre les étapes de production et d’oxydation. Les suies peuvent être oxydées par : - l’oxygène moléculaire - l’oxygène atomique - les radicaux hydroxyles OH processus élémentaire de formation et de destruction des particules de suie 9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 23 Les fumées, comme tout fluide, peuvent être mises en mouvement sous l’effet de forces ce qui se manifeste par l’apparition de gradients de pression. Plus chaudes que l’air environnant, elles ont tendance à s’élever. Mais le mouvement des fumées n’est pas seulement ascensionnel, comme ce que l’on peut observer dans un environnement calme et vaste, où la force d’Archimède est le seul « moteur ». D’autres influences se manifestent : - celles d’autres champs de pression - celles de la configuration, de la géométrie du bâtiment, qui canalisent les écoulements (présence de parois, de linteaux, de conduits, de cages d’escalier, etc.) forces regissant le mouvement des fumées (flottabilite, ventilation) 9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 25 CONCEPT DE LA FORCE D’ARCHIMEDE OU FLOTTABILITE S’il existe une différence de masse volumique entre deux fluides adjacents, résultant d’une différence de température, la force d’Archimède conduit le fluide le moins dense à s’élever par rapport au fluide le plus dense. La force d’Archimède (par unité de volume) s’exprime par : g(ρ1−ρ2) g : accélération de la pesanteur ρ1 : masse volumique du fluide le plus dense ρ2 : masse volumique du fluide le moins dense forces regissant le mouvement des fumées (flottabilite, ventilation) 9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 27 DANS UN BATIMENT Le tirage thermique exprime des différences de pression causées par des différences de masse volumique entre deux volumes. Si des ouvertures sont présentes, les différences de pression créent un mouvement des gaz. Une différence de température entre l’intérieur et l’extérieur du bâtiment va induire un tirage thermique : 9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 29 Si T0<Ti, la pression sera plus élevée à l’intérieur qu’à l’extérieur Si le volume présente une ouverture, non seulement en partie basse mais aussi en partie haute, il y aura un flux net d’air frais vers le haut et un plan neutre s’établira lorsque p0=pi. Au-dessus du plan neutre, l’air aura tendance à s’échapper. Au-dessous du plan neutre, il y aura un flux entrant créant un mouvement ascendant dans le volume Si T0>Ti, nous aurons une situation inverse La différence de pression ∆p qu’engendre le mouvement dans le volume peut être aisément déterminée en appliquant la loi des gaz parfaits et en supposant que le poids moléculaire du fluide est proche de celui de l’air (0,0289 kg/mole) ∆p= 3,46. 103 (1/T0−1/TI)H si H= 30m, T0= 273K et Ti= 293K ∆p= 26N/m2 ou 26Pa 9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 31 L’énergie cinétique associée au vent est homogène à une pression : Ec= 1/2ρairv2 L’impact du vent sur une façade cause une pression dynamique dont l’amplitude est une fonction positive ou négative de l’énergie cinétique, traduite par un coefficient C : P=CEc Pour une façade au vent→surpression Pour une façade sous le vent→dépression La différence de pression entre ces deux façades est représentée par une valeur de 0,8 pour le coefficient C. Exemple : pour une vitesse de vent de 10 m/s, la différence de pression est ≅50Pa Emplacement réservé pour une photo Valérie BOURGHOUD – Architecte–Préventionniste Ministère de l’Éducation Nationale, de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche La réglementation relative au contrôle de l’enfumage 9 NOVEMBRE 2005 | Illustrations extraites du cédérom "Sécurité incendie", Socotec, éditions du Moniteur PAGE 3 Contrôle de l’enfumage En cas de sinistre, le désenfumage doit permettre d’atteindre un double objectif : - évacuer les fumées et les gaz de manière à assurer la praticabilité et la sûreté des cheminements empruntés, - empêcher la propagation des fumées et des flammes dans d’autres locaux. 9 NOVEMBRE 2005 | Illustrations extraites du cédérom "Sécurité incendie", Socotec, éditions du uploads/Finance/ desenfumage-batiment-cstb-vantelon-pdf.pdf