Exposé 5

IV- Etude des expériences de feu de végétation
Deux types d’expériences de laboratoire ont été
conduites au C.E.R.E.N
Expériences de petites tailles
( TEXAID )
LEMTA - CEREN
Expériences de taille réelle
( B.E.S.T )
1
IV.1. Expérience de propagation dans le TEXAID
Expérience sans vent sur une litière homogène et plane avec une
densité surfacique de combustible de 0.75 kg/m2
Capteur
Ligne d’allumage
Bac de combustion (132 cm)
7 cm
x
y
o
x
Frisure de bois
Fluxmètre
42 cm
28 cm
3
4 x2
1
150 cm
Frisure de bois
Capteur
hf
Zone de propagation (102 cm)
Caméra vidéo
A l’aide du système de traitement d’image OPTIMAS, on détermine :
LEMTA - CEREN
Lfront
hf = 51 cm
Lfront = 44 cm
2
Vitesse de propagation
A l’aide du même système de traitement d’image, on détermine la
vitesse de propagation :
Vitesse de propagation V (cm/s)
Présent résultat
0.96
Résultat de L. Naville
1.00
 Le présent résultat est en bon accord avec celui de L. Naville (1997)
Températures et flux de chaleur
fp = Vp/L=0.0096 hz
LEMTA - CEREN
3
A pplication d’un filtre de
Butterworth d’ordre 2 avec
une fréquence de coupure
fc = 0.017 hz

Utilisation de la
fonction de transfert
du capteur

 Les flux mesurés par le capteur et par le fluxmètre
sont en bon accord
LEMTA - CEREN
4
IV.2. Expériences de propagation dans le B.E.S.T
Ligne d’allumage
IV
III
II
I
1m
2m
C2
Frisure
de bois
1
2
3
4
5
6
x
x
x
x
x
x
y
o
Frisure de bois &
Chêne kermès
x
Zone de propagation
LEMTA - CEREN
F
C3 C1
2 m
Bac de combustion
D
Chêne
kermès
D : capteur double, C1 : capteur 1
C2 : capteur 2, C3 : capteur 3
F : fluxmètre
5
Expérience de propagation sans vent
•La charge de la frisure de bois utilisée est : PF = 1.5 kg/m2
•La charge du chêne kermès utilisée est :
Pchêne = 3 kg/m2
 La vitesse de propagation mesurée par les thermocouples
LEMTA - CEREN
est égale à V=1.47 cm/s
6
Expérience de propagation à vent variable
On utilise les mêmes charges que
précédemment
Vent (m/s)
On impose trois valeurs du vent V1 = 1.5 m/s ,
V2 = 2 m/s et V3 = 2.5 m/s
V1  1.5
Vitesse de propagation (cm/s) 2.06
V2  2
V3  2.5
4.00
5.71
Expérience de propagation à charge variable
Trois valeurs de charge sont utilisées : P1=1.5 kg/m2 ,
P2=3 kg/m2 et P3=4.5 kg/m2
LEMTA - CEREN
Charge (kg/m2)
P0  1.5
Vitesse de propagation (cm/s)
2.23
P1  3
1.78
P2  4.5
1.68
7
V- Identification des paramètres de propagation
Mode d’utilisation des résultats
expérimentaux
Capteur simple
Capteur double
1. Caractérisation des flammes
(TEXAID et BEST)
1. Caractérisation des flammes
(à faire)
2. Mesure de vitesse des gaz
(mesure de fréquence par D.N.S et
expérience)
2. Mesure de vitesse des gaz
(mesure de Nusselt)
3. Coefficient d’absorption
(BEST)
3. Coefficient d’absorption
(à faire)
4. Vitesse de propagation
(BEST)
4. Vitesse de propagation
(à faire)
LEMTA - CEREN
8
V.1. Modèle de flamme et flux reçus par le capteur
 hf hauteur de la flamme
La flamme est une surface plane caractérisée par :
 f angle d’inclinaison de la flamme
 V vitesse de propagation
 0 puissance émise par la flamme
Flamme
Vent
o
Capteur placé en
M 0 ( x 0 , y0 , z 0 )
ds f
f
y
2L
( x f , y, z )

nf
f
r
4
1
hf

n1
z
1
3
2
x
Végétation non brûlée
Sol
LEMTA - CEREN
9
Les flux radiatifs mesurés par les trois plaquettes du capteur,
exposées au feu, s’écrivent :
  T r 4 
4
4
ir (t, hf , f ,0 )  fi r (t, hf , f )0 1   i    B 1  fi r (t, hf , f ) Ti r   Ta 
  Tf  
h
1 L f x 0  x f  x 0  x f    y0  y  tan  f 
r
f1 (t, hf , f )   
dydz
 L 0 x 0  x f 2   y0  y 2  z0  z 2 2


f (t, hf , f ) 
r
2
f (t, hf , f ) 
r
4
1

1

z 0 hf
z

  x
L 0
L hf
0
 z  x 0  x f    y0  y  tan  f 
0

2 2
2
dydz
 z0  z  x 0  x f    y0  y  tan  f 
  x
z0 0
 x f    y0  y   z0  z 
2
 x f    y0  y   z0  z 
2
0
2

2 2

(5.1)
( 5 .2 )
( 5 .3 )
dydz
( 5 .4 )
 xf = Vt + ytan(f ) est la position du front de flamme suivant l’axe (ox )
Quand le capteur est loin des flammes, on peut
considérer que Tir<< Tf


ir (t, hf , f ,0 )  fi r (t, hf , f )0  B 1  fi r (t, hf , f ) Ti r   Ta 
LEMTA - CEREN
4
4

(5.5)
10
V.2. Fonction objectif et coefficients de sensibilités réduits
Afin d’identifier les différentes paramètres de propagation on choisit la
fonction objectif suivante :
tf r

2
Obj(hf , f ,0 )    (t, hf , f ,0 )   (t ) dt  1   2 (t, hf , f ,0 )  2rexp(t ) dt 
ti
 ti

tf r

2
  2   4 (t, hf , f ,0 )  4r exp(t ) dt 
( 5. 6 )
t
i

tf
r
1
r
1 exp
2
Pour vérifier l’identifiabilité des paramètres on définit 
X

1( i )
X

2( i )
X 3( i )
LEMTA - CEREN
( 5 .7 )
t
avec ˆ  hf , f ,0 

(5.8)


(5.9)
fi r (t, ˆ1 , ˆ2 ) ˆ
4
4
ˆ
 2
 3  B Ti r   Ta 
ˆ2
 ˆ3 fi r (t, ˆ1 , ˆ2 )

r


(t, ˆ )
i
ˆ
ˆ
(t,  )   j
ˆ j

fi r (t, ˆ1 , ˆ2 ) ˆ
4
4
ˆ
 1
 3  B Ti r   Ta 
ˆ1

X

j(i )
(5.10)
11
V.3. Identification à partir des expériences du TEXAID
 Propagation sans vent  f = 0
Paramètres initiaux choisis sont :
•hf = 51 cm (valeur obtenue par analyse d’image)
•0= 9.6 kW/m2 (valeur proposée par Weber (1989)
pour f = 0.28 et Tf = 609 °C )
 1 = 1/150 et 2 = 1/5 ( rapport des sensibilités )
LEMTA - CEREN
Valeurs de paramètres
hf (cm)
0 ( kW  m2 )
45.9
19.0
12
Différentes réponses expérimentales
et théoriques
Obj(hf ,0 )
4r (t, hf ,0 )

 2%
V.4. Identification à partir des expériences du B.E.S.T
•hf = 2 m (valeur obtenue par une analyse vidéo)
Paramètres initiaux choisis sont :
•0= 22 kW/m2 (valeur obtenue par la loi de StefanBoltzmann pour f = 0.28 et Tf = 812 °C )
LEMTA - CEREN
13
Expérience de propagation sans vent
On procède à deux types d’identifications
Plaquette frontale
Trois plaquettes
hf (cm)
0 ( kW  m2 )
Plaquette frontale
139
5.2
 1 = 2 = 0
Trois plaquettes
140
5.2
 1 = 2 = 1/6
LEMTA - CEREN
 Le modèle de flamme est « validé »
14
Différentes réponses expérimentales
et théoriques
Obj(hf ,0 )
4r (t, hf ,0 )

 2.7 %
Expériences de propagation à vent variable
En plus des paramètres initiaux précédents, nous avons choisi l’angle
f =  / 4 comme un paramètre initial
V1  1.5 m/s V2  2 m/s
Hauteur de flamme hf (cm)
47
45
39
Angle d’inclinaison de flamme f (°)
72
76
79
Puissance émise  ( kW.m-2 )
12.5
15.3
18.4

6%
LEMTA - CEREN
V3  2.5 m/s

7%

6.5 %
15
Albini (1981) propose cette corrélation

tan( f ) 
Vvent
vgaz
On utilise une régression linéaire
de moindres carrés

vgaz = 0.49 m /s
Albini (1981)
0.5
 tan( f )  1.225 Fr
0.29
Nelson et Adkins (1986)  tan( f )  0.889 Fr
Avec Fr est le nombre de Froude, Fr = Vvent2/ g
hf
tan( f )  4.178 Fr 0.42
LEMTA - CEREN
16
Expérience de propagation à charge variable
Trois valeurs de charge sont utilisées : P1=1.5 kg/m2 ,
P2=3 kg/m2 et P3=4.5 kg/m2
Coefficient d’absorption du chêne
kermès
Application de la loi
de BEER
( x , y, z )  1capteur3
( x , y, z )  ( x , y) e  a ( z )
  90 cm
Charge (kg/m2)
( x , y)  1capteur1
P0  1.5
Coefficient d’absorption a (m-1) 0.65
LEMTA - CEREN
P1  3
2.54
P2  4.5
3.56
17
V.5. Identification de la vitesse de propagation
Utilisation des résultats de l’expérience du B.E.S.T
sans vent

V (cm / s) hf (cm) 0 ( kW  m2 )
Valeurs de paramètres 1.7
215
3.8
 La hauteur de flamme est en bon
accord avec le résultat de l’analyse
vidéo hf  2 m
 La vitesse de propagation est sans
doute de meilleure qualité que celle
mesurée par les thermocouples
 Le capteur peut donc servir d’un appareil
de mesure de la vitesse de propagation
LEMTA - CEREN

Ecart relatif 2.4 %
18
Conclusion générale
Nous avons mis au point des instruments de mesure pour la métrologie
des feux de végétation :
 ces appareils, une fois calibrés, sont en final destinés à être utilisés aussi bien
pour des feux réels que pour des feux de laboratoires
 ces capteurs servent comme un outil de calibrage pour les modèles de propagation
et de validation pour les modèles de combustion
 L’identification de la vitesse de propagation à partir des flux mesurés par les capteurs
montre que ceux-ci peuvent servir d’appareil de mesure pour cette grandeur
Les différentes perspectives de ce travail sont :
 Utilisation des différents capteurs dans des expériences de brûlage dirigé
(expériences des feux réels).
 Utilisation d’un algorithme d’optimisation global de type génétique pour une
évaluation plus pertinente des caractéristiques de flamme.
 Reconstruction du front de feu à partir de la réponse de N capteurs
Production scientifique
2 communications internationales, 3 communications nationales, 1 thèse,
publications à venir
Retour
LEMTA - CEREN
19
Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée
CEREN
Métrologie des feux de
végétation
Khaled CHETEHOUNA
Frédérique GIROUD
Alain DEGIOVANNI,
Claude
PICARD
Olivier SERO-GUILLAUME
LEMTA - CEREN
20
II- Présentation des capteurs de flux de chaleur
Calibrage des différents modèles par la mesure de
Mr , Tf et Vf
II.1. Capteur simple
Pour instrumenter des feux réels, ce capteur
devrait satisfaire les conditions suivantes :
• Il doit être simple et commode d’installation et d’emploi.
• Il doit avoir un coût le plus faible possible.
• Il ne doit pas être détruit par le passage du feu.
• Son échelle caractéristique doit être adaptée à celle
utilisée par les modèles de propagation de type
« réaction-diffusion ».
• Il doit permettre l’évaluation des flux thermiques.
• Il doit permettre aussi l’évaluation de la température
et de la vitesse moyennes des gaz induits par les flammes.
LEMTA - CEREN
21
Coupes horizontale et verticale du capteur simple
LEMTA - CEREN
22
Modélisation du capteur et fonction de transfert
Tref
~
Re
Bloc N° 3
3
C cu
3
R
3
3
Re1
Re1
r
4 4
Re1
Bloc N° 4
r
Re1
C ac
Ccu
=
LEMTA - CEREN
'
1
cu
C cu
r 0
1
C cu
~
Re

C cu
~
Re
 cu  ac
C ac
Re
Re1 , Re1  Re
Tref
d
1 1
(  ~ )
dt R Re
1
R
ac
R
Tref
Températures
Fonction de transfert
cu (t)
ac (t)
1
Bloc N° 1
Flux
2
'
T0
'
~
Re
2
'
1
R
r
'
 1' , '2 , '3 , '4   ac
'
2 2
R
r
R
Tref
C ac
Re2
'
4
4
C cu
'
Tref
Bloc N° 2
1
R
cu (t)
d
1 1
(  )
dt R Re
 ac (t)

Cac
23
Expériences d’identification et estimation des paramètres
Quatre expériences sous lampe halogène et avec écran réfléchissant
Mesure des différentes
températures
~cui et ~aci pour i  1,2,3,4
Valeurs
LEMTA - CEREN
Minimisation de la fonction
+
texp
texp i

2
2
~i
~
Obj(  )      cu (t,  )   cu (t ) dt     aci (t,  )   aci (t ) dt 
i 1  0
0

1
t
  Ccu , R,Cac , Re  et  
10
4


R ( K /W )
Ccu (J/K )
Cac (J/K )
Re ( K /W )
10.7
11.1
432
13.3


~
avec Re  44.0 K / W
24
Différentes températures
expérimentales et théoriques

Ecart relatif  2.5 %
Mesure du flux radiatif – expériences de corroboration
1. Quatre expériences sous lampe halogène et sans écran réfléchissant
LEMTA - CEREN
températures
flux de chaleur
25
2. Deux séries d’expériences sous panneau radiant  1 = 20.25 kW/m2 et 2 = 32.94 kW/m2
1 = 20.25 kW/m2
LEMTA - CEREN
températures
flux de chaleur
26
2 = 32.94 kW/m2
températures
flux de chaleur
II.1. Capteur double
Cet instrument de mesure, outre les critères que doit
satisfaire le capteur simple devrait permettre :
• La mesure des flux radiatifs.
• La mesure des flux convectifs.
LEMTA - CEREN
27
Armature en acier
20 mm
70 mm
Isolant
1 mm
6
3
2
11
Colle céramique
7
Thermocouples
10
12
13
5
4
1
Support thermocouples
9
8
Plaquettes en molybdène
80 mm
Coupe horizontale du capteur double
LEMTA - CEREN
28
Représentation du capteur double
par le même modèle réduit
Valeurs
+
Utilisation de la même procédure
d’identification
R ( K /W )
Cmo (J/K )
Cac (J/K )
Re ( K /W )
~
Re  ( K / W )
46.7
2.9
66.4
26.4
1013.5
Flux radiatif et flux convectif
Les flux totaux
d n (t ) 1 1
1


(
t
)

C

(

)

(
t
)

 ac (t )
mo
~ n
 n
dt
R
R
R

e

 (t )  C d b (t )  ( 1  1 ) (t )  1  (t )
mo
ac
~ b
 b
dt
R R
R
e
Les relations entre les flux
totaux et les flux radiatif et
convectif
+
n (t )  c (t )  r (t )

b (t )  c (t )   r (t )
1 
d
1 1 
 Cmo

(
 ~ )   n (t )  b (t )
1   
dt
R R
e 
1 
d
1 1 
1
 Cmo
 b (t )  n (t   ac (t )
c (t ) 

(

)
~
1   
dt
R Re 
R
 r (t ) 
LEMTA - CEREN
29
III- Mesure de vitesse
Détermination du champ
de vitesse Vf
 Capteur double : relation entre le nombre de Nusselt
et le nombre de Reynolds
 Capteur simple : relation entre le nombre de Reynolds
et les oscillations des flux
III.1. Etude bibliographique
1. Ecoulement autour d’un prisme
carré, Igarachi (1986)
sur la face frontale :
Nuf  0.64 Re0.5
sur les faces latérales :
Nul  0.131 Re2 / 3
sur la face arrière :
Nua  0.173 Re2 / 3
LEMTA - CEREN
2. Ecoulement autour d’un cylindre de
section carrée, Okajima (1982)
30
III.2. Simplification de l’étude
Plaquette de cuivre
Capteur
Gaz environnant
Gaz environnant
4
U , T
U , T
4
3
1
1
2
3
Tp
2
III.3. Simulations numériques
La géométrie retenue est celle
d’Igarachi (1986)
Paroi supérieure
y
L = 80 cm, D = 40 cm et d = 3 cm
U
T
D
x
d
T = 20 °C et Tp = 100 °C
0.03 m/s < U < 1 m/s  40 < Re < 1250
LEMTA - CEREN
Plaquette de cuivre
Air
Paroi inférieure
L
31
On maille le domaine de
calcul avec GAMBIT
+
On résout les équations de
bilan 2D avec FLUENT
Nombre de pas de
temps = 1200
Pas de temps
 t = d / ( 6 U )
Nu 
d T / n
TP  T
Pour Re = 623  U = 0.5 m/s

3 maillages
nd = 48
nd = 64
nd = 75
N = 21060
N = 38144
N = 58320
LEMTA - CEREN
Optimiser le temps et la précision du calcul
32
Corrélation entre le nombre de Nusselt et le nombre de Reynods
Le nombre de Nusselt moyen sur chaque face du capteur en fonction du
nombre Reynolds peut s’exprimer par :
Nu = cRe n
le front :
Nuf  23.54 Re0.52
les faces latérales: Nul  22.52 Re0.36
la face arrière:
Nua  1.62 Re0.78
La corrélation sur le front est
similaire à celle d’une couche
limite laminaire ( Re 0.5 )
Bon accord avec le résultat
d’Igarachi (1986)
LEMTA - CEREN
33
Corrélation entre le nombre de Strouhal et le nombre de Reynods
Le nombre de Strouhal est un nombre
adimensionnel qui caractérise la fréquence
de décrochement tourbillonnaire
St = f d / U
III.4. Expérience annexe
 Veine d’essais : 1m x 0.4m
 Cylindre : d = 2 cm
 1 m/s < U < 14 m/s  1200 < Re < 18000
 Coordonnées = 3.5 d (ox) et 1.9 d (oy)
LEMTA - CEREN
Suite
34