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BOURMADA Noureddine Institut d’Hygiène et Sécurité Industrielle Laboratoire de

BOURMADA Noureddine Institut d’Hygiène et Sécurité Industrielle Laboratoire de Recherche en Prévention Industrielle 1 2 La première motivation de ce travail est de comprendre le mécanisme complexe des différents modèles numériques spécifiques aux différents phénomènes d’incendie. Les pertes énormes qu’un incendie peut causer rend la modélisation de ces phénomènes un véritable défi pour les analystes L’objectif majeur est l’application de ces modèles à des cas réels, sachant que l’intérêt de ces applications n’est pas juste dédié à l’étude des phénomènes qui naissent lors d’un incendie mais de protéger des biens ou des personnes contre les effets qu’il peut générer. Ce travail présente l’application de deux codes FLUENT et ALOHA pour l’étude des effets d’un accident sur un environnement atmosphérique urbain avec la comparaison des résultats d’un programme FORTRAN qui prend en considération le terme source comme variable. Apport de chaleur Agression thermiques aux hommes et aux biens Incendi e Météorologie Topographie Incendie extérieur Propagation des flammes Effets domino Etre à l’origine de d’autres accidents Composition du combustible 3 Estimer les effets sur un site donné Approfondir les connaissances sur certains mécanismes des effets Long, Coûteux Impossibilité de maitriser les conditions météorologiques Maquette en soufflerie Grandeurs adimensionnels Long, Coûteux Difficilement a à d’autres config Rapidité d’étude Grands nombre de configurations Validation sur des essais Reproductibilité Reproductibilité Facilité de mise en œuvre Facilité de mise en œuvre 4 Modèles Déterministe s Modèles numérique dites : Modèles thermique d’incendie Modèles D’incendie Modèles Intuitifs Modèles Statistiques Modèles numérique dites : Modèles de dispersion Modèles de champ Modèles de zones Modèles intégraux Modèles gaussiens 5 Des formules mathématiques simples qui estime :la température en fonction du temps, du flux radiatif reçu par une cible GAUSSIEN, INTEGRALE Des codes de calcul qui découpent artificiellement le local en dizaines de milliers de petits volumes CHAMPS Des codes de calcul découpant artificiellement le local en deux zones Homogènes ZONE 6 Comment choisir un modèle ? En fonction des cibles (personnes ou structures); En fonction des scénarios de feu. Comment choisir un code ? Connaissances sur la physique du feu (combustion, mécanique des fluides); Connaissances sur les méthodes numériques; Connaissances sur les combustibles. 7 8 Le problème étudié est relatif à la propagation de fumée et des gaz de combustions dues a un accident survenue sur un bac de stockage du Butane au niveau de la terminal de Skikda en octobre 2005. L’objectif principal de cette étude est de décrire la propagation des fumées et l’apport thermique . Les simulations numériques ont été réalisées sur deux codes (ALOHA et FLUENT) pour mettre en évidence leurs performances vis-à- vis de ce problème. 9 Conservation de la masse Conservation des espèces Conservation de la quantité de mouvement Conservation de l'énergie Le jeu d’équations simplifiées du modèle CFD Le jeu d’équations simplifiées du modèle CFD ρ :masse volumique, Ye fraction massique de l'espèce e, D: coefficient de diffusion u =(u, v, w)=(u1, u2, u3) vecteur vitesse, g:champ de gravité, We’’’ :taux de production de l’espèce i par unité de volume, k: conductivité thermique τ: tenseur des contraintes visqueuses, q’’’ :flux de chaleur par unité de volume h: enthalpie d'une espèce chimique,  température L LRP RPI I IHS IHS Modèle de combustion Modèle global (mixture fractions) Modèle (Flammelettes ) Modèles EDM (Eddy Dissipation Model) ou EBU (Eddy Break-Up) Modèle de rayonnement Modèle de turbulence LES: DNS:                 4 , , , , , , , , 4 s I x s x x I x s x B x s s I x s d                           Les sous modèle s du modèle CFD Les sous modèle s du modèle CFD •S représente le vecteur directeur de l’intensité ; •Il (x s) Désigne l’intensité du rayonnement à la longueur d’onde; •k(x,l) Désigne le coefficient d’absorption local à la longueur d’onde ; •s(x,l) Désigne le coefficient de diffusion local à la longueur d’onde ; •B(x,l) Désigne terme-source d’émission à la longueur d’onde . L LRP RPI I IHS IHS Equation générale d’évolution du panache 12 13 Photo du Boilover lors de l’accident. Conséquences des effets de l’incendie 14 1000 m Entrée: Vair= 3 m ⁄ s T air= 300°K Hbac= 13m Sortie : Résultats de simulation 66 m y x 1 0 0 0 m Flamme V flamme =360 m ⁄ s T flammes = 670°K H boule = 350m A B C D E F G H 15 Résultats simulation Profil Température et Contours de vitesse Contours de vitesse prise de l’animation (à des instants différents).(5, 30, 60, 100s). Contours de température pour différents temps (5, 30, 60, 100s). 16 Résultats de simulation: Champs de réaction Champs de réaction prise pour différents temps. 17 Résultats de simulation: Concentrations des espèces chimiques Evolution de la concentration du C4H10 dans le temps Evolution de la concentration du CO2 dans le temps. 18 Evolution de la concentration du SO2 dans le temps Résultats de simulation: Concentrations des espèces chimiques Evolution de la concentration du NH3 dans le temps. 19 66m 1000m 66m 1000m 1000m y z Profil du vent Nord Ouest T=300°K V=3m⁄s Humidite =75% Zone de combustio n T=673°K V=360m⁄s Panache de fumées x 20 Modélisation du gaz évaporé avant l’accident Limite de la zone d’évacuation Panache de dispersion Concentration à l’air extérieure Concentration à l’intérieur des résidences Concentration du polluant en ppm dans les régions touchées Concentration du polluant au point (5m, 5m). 21 Modélisation après l’accident Débit de la source du rejet lors de l’accident Concentration du polluant en ppm dans les régions touchées Concentration du polluant au point (5000m, 5000m) Concentration du polluant au point (2000m, 2000m) Concentration du polluant au point (1000m, 1000m) Concentration du polluant au point (100m, 100m) 22 Modélisation après l’accident 23 Les zones menacées par les effets thermiques Concentration des effets thermiques au point (100m, 100m) Concentration des effets thermiques au point (5000m, 5000m) Modélisation après l’accident Les zones menacées par les surpressions 24 scenario Dispersion des polluants Radiation thermiques Menace modélisée Toxicité Effets thermique Zone menacée de couleur rouge 2500m 500m Zone menacée de couleur orange 5000m 1100m Zone menacée de couleur jaune 6800m 1800m Dispersion des polluants Radiation thermiques 25 Le premier point qu’on doit évoquer concerne le code ALOHA, ce dernier est très limité par le temps de consommation des produits chimiques (60 minutes au maximum), alors qu’il y a des scénarios d’incendies qui prennent des heures pour consommer toutes la quantité du combustible; Un autre inconvénient majeur des modèles intégraux est de supposer de fait des terrains soit plats et libres, soit caractérisés par leur seule rugosité ; ceci ne permet pas de modéliser les interactions nuage / sillage d’obstacle. 26 Il y a aussi la chimie de la combustion qui est également un point délicat pour obtenir des simulations plus réalistes et les cinétiques à plusieurs étapes seront nécessaires à l’avenir pour simuler les phénomènes . D’un autre coté les simulations CFD tridimensionnelles ne sont généralement pas adaptées à l’étude d’un nombre de conséquent de scénarios. Elles trouvent une application dans des situations particulières (géométries complexes notamment) pour lesquelles les phénomènes physiques sont difficiles à appréhender et les autres modèles ne sont pas valides. 27 La maîtrise du feu constitue une étape majeure de l’évolution humaine ainsi plusieurs niveaux de modélisation du feu peuvent être utilisés selon la nature des phénomènes étudiés. L’ingénierie de la sécurité contre l’incendie dispose donc d’une palette d’outils allant de la formule analytique aux modèles avancés, le recours à ces derniers n’étant pas systématiquement nécessaire. 28 Une utilisation combinée de plusieurs logiciels, afin d’associer leurs compétences Combiner pour un même problème les deux modèles : modèles de champ CFD et modèles à zones. Ceci permet de bénéficier des avantages respectifs des techniques : en bref, un calcul précis avec la CFD et un calcul rapide avec le modèle à zone. Par ailleurs, on a déjà mentionné les différents types de modélisations dédiées à l’étude des incendies ; modélisation numérique, intuitive et statistique. Il serait évidemment pertinent de progresser dans le domaine de la modélisation des incendies en ce spécifiant a un autre type de modélisation ; statistique par exemple et la réflexion sur ce sur le sujet est souhaitable. 29 30 ALOHA v5.4.1 ALOHA v5.4.1 Modèle intégral; Assimile plusieurs scénarios du feu; Ne prend pas en compte les murs de Rétention; Temps de calcul rapide; Pratique pour traiter un grand; nombre de cas, et faire des tracés de concentration; Distances maximales de 10 km de la source du rejet et ce pendant une durée ne dépassant pas 60 minutes; Ne peut être utilisé pour des produits radioactifs ou pour modéliser des émissions atmosphériques continuelles; FLUENT v FLUENT v6.3.26 6.3.26 Modèle numérique (3D); Prend en compte la forme réelle de la cuvette, cheminé ou réservoir; Prend en compte les dénivelés, les murs, etc.… Prédire l’apport thermique et les uploads/Industriel/ cours-2-modelisation-de-l-incendie.pdf