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Ecoulements hors cadre Boussinesq, réactifs et chargés

Coordinateur : Olivier Vauquelin

Présentation

Cette opération de recherche a pour but d’expérimenter et de modéliser les écoulements chargés et à masse volumique variable rencontrés dans les problématiques environnementales, au sens large. Les approches sont théoriques (établissement de modèles analytiques ou corrélatifs) et expérimentales (validation ou calage des modèles et caractérisation phénoménologique sur des dispositifs contrôlés en laboratoire). Les simulations numériques sont en général réalisées en partenariat avec d’autres équipes. Les applications de ces recherches se trouvent principalement dans les domaines de la géophysique (écoulements éruptifs, courants de densité …) et de la maîtrise des risques (rejet accidentel de gaz lourd, contrôle des fumées d'incendie, dispersion marine et atmosphérique…) mais aussi dans certains process industriels.

Thèmes

  • Ecoulements à masse volumique variable.
  • Dynamique de particules.
  • Aéraulique de l’incendie.
  • Transfert radiatifs et production de suies dans les flammes.

Domaines d'application

  • Dispersion des gaz et particules dans l'atmosphère et en milieu marin.
  • Prédiction des écoulements environnementaux hors cadre Boussinesq.
  • Propagation des fumées d’incendie en milieux confinés (bâtiments, tunnels, …).
  • Ventilation sanitaire et ventilation incendie (contrôle et désenfumage).
  • Amélioration de la combustion moteur (rendement et pollution).

Moyens et équipements

  • Souffleries subsoniques, canal aéraulique (tunnel)
  • Compartiments à feux et maquettes aérauliques
  • Métrologie laser (tomographie, LDV, PIV, PLIF)
  • Lasers impulsionnels (UV, YaG) et continus (Ar+, CO2)
  • Caméras rapides
  • Codes industriels (Fluent, Star CCM+, Fire Dynamics Simulator, …)
  • Blocs de bureau Rhodia et feutres Pilot SignPen

 

Recherches

Ecoulements à masse volumique variable

Les écoulements pilotés par la flottabilité se retrouvent dans de nombreuses applications. Ils ont souvent été abordés parle passé dans le cadre restrictif de l’approximation de Boussinesq. L’objectif ici est de les décrire et de les quantifier pour des écarts de masse volumique significatifs. L’approche retenue vise à établir des modèles prédictifs basés sur des solutions analytiques s’appuyant sur des validations expérimentales en laboratoire. Deux écoulements ont plus particulièrement été étudiés : les panaches et les fontaines turbulentes. La modélisation des panaches a été développée en introduisant le formalisme « Γ » permettant de décrire l’évolution des caractéristiques du panache (vitesse, diamètre et masse volumique) en fonction d’une unique quantité sans dimension : la fonction Γ, qui correspond à une forme normalisée du ratio local entre la flottabilité et la quantité de mouvement. Cette approche Γ a ensuite été appliquée au cas des fontaines (aussi appelées jets denses) pour leur phase ascensionnelle transitoire. Les fontaines dites stables (ou retombantes) ont été modélisées à l’aide d’une approche semi-analytique intégrant les interactions dynamiques et le mélange entre l’écoulement ascendant et l’écoulement annulaire retombant. Ces travaux théoriques et expérimentaux sur les fontaines ont été menés en grande partie dans le cadre de la thèse de Rabah Mehaddi (2011-2014). Les modèles établis ont alors été appliqués aux cas des panaches en atmosphère stratifiée. Ces panaches se développent jusqu’à atteindre une zone d’équilibre gravitaire avec l’ambiant. Leur flottabilité devient alors négative (écoulement de type fontaine) donnant lieu ensuite à un écoulement radial comme cela est illustré sur la Figure 4. La simulation numérique (basée sur la méthode de lattice-Boltzmann) de ces écoulements à masse volumique variable est actuellement en cours dans le cadre de la thèse de Raphaël Sayada (2015-2018). La thèse en cotutelle d’Aicha Belcaïd (2010-2013) s’est intéressée aux jets flottants horizontaux représentatifs de la dispersion des rejets en milieu côtier. D’autres travaux collaboratifs avec le Maghreb peuvent être mentionnés. Ces travaux s’appuient essentiellement sur des simulations numériques effectuées à l’aide de codes « commerciaux ».

Dynamique des particules

Dans les problématiques environnementales, les écoulements peuvent être chargés en petites particules généralement anisotropes. Actuellement, les mécanismes physiques sous-jacents au transport de telles particules, et qui plus est dans des écoulements à masse volumique variable, restent mal compris. Les travaux entrepris sur ce sujet sont essentiellement de nature théorique. Une étude a été réalisée afin d’estimer la force qui s’exerce sur une particule se déplaçant avec une vitesse arbitraire dans un fluide stratifié en densité, à nombres de Péclet et de Reynolds faibles mais non-nuls. Plus précisément, l’objectif est de caractériser le comportement aux temps longs de la force d’histoire et de son altération due aux effets de flottabilités. Il a ainsi été possible de mettre en évidence un phénomène d’oscillation de la force en réponse à un mouvement soudain de la particule qui trouve son origine dans l’établissement de cellules de recirculations de l’écoulement de perturbation générées par les forces de flottabilité. Plus récemment, dans le cadre d’une collaboration avec J.-R. Angilella de l’université de Caen et de B. Mehlig de l’université de Göteborg (suède), des études ont été entreprises sur la dynamique angulaire et la sédimentation de particules anisotropes (de type ellipsoïdales ou haltères) plongées dans des écoulements non-uniformes, en vue de mieux comprendre le rôle des effets d’inertie du fluide, habituellement négligés dans ce genre de problèmes. Un des résultats forts de ces études a été de montrer que dans un écoulement cisaillé, la position qui correspond à un alignement de l’axe de l’ellipsoïde avec la direction de la vorticité de l’écoulement (position appelée log-rolling) est instable, et qu’aux temps longs, la particule finit par s’aligner dans le plan de l’écoulement. Ce résultat nous a permis de trancher sur la question de la stabilité d’une ellipsoïde dans un écoulement cisaillé, question qui animait de manière récurrente la communauté. Enfin, dans le cadre de la thèse de Louis Decoster qui se déroule au LCPP (Laboratoire Central de la Préfecture de Police – Paris), des travaux de nature expérimentale portant sur les phénomènes de transport et de dépôt de particules (notamment par thermophorèse) sont actuellement en cours de réalisation. L’un des objectifs de cette thèse est d’apporter des éléments quantitatifs pour les expertises post-incendie basées sur le prélèvement des suies déposées.

Aéraulique de l'incendie

La connaissance des écoulements fluides impliqués dans l’incendie et dans la ventilation incendie est indispensable à la définition de stratégies de désenfumage performantes. C’est dans ce cadre très appliqué que des recherches à caractère plus amont ont été développées, notamment sur la ventilation par induction (thèse en cotutelle de Tebr Chammem), les longueurs de « bon mélange » (thèse Jonathan Alengry) et les échanges gravitaires par une ouverture horizontale (type trémie) reliant deux compartiments (thèse Kévin Varrall illustrée sur la Figure 6). Les recherches qui se poursuivent actuellement concernent la ventilation naturelle des locaux (thèses de Mehdi Koutaiba et Patricio Becerra) revisitée dans un cadre général non-Boussinesq pour des panaches thermiques représentatifs de sources incendie, les feux dans les tunnels présentant des géométries singulières (thèse de Romain Hanouzet, en relation avec le projet CIGEO) et le développement de méthodes de mesures innovantes pour les essais incendie in-situ (Thèse de Romain Nottet). L’essentiel de ces recherches sur l’aéraulique de l’incendie est mené dans le cadre du laboratoire commun ETiC (avec l’IRSN) ou en collaboration avec des partenaires du GdR CNRS n°2864 sur les Feux.

Transfert radiatif et production des suies dans les flammes

Une des principales difficultés dans la modélisation du transfert radiatif dans le cadre de la combustion provient du comportement très bruité du coefficient d’absorption des produits de combustion gazeux participants au transfert radiatif. L’approche « exacte » raie par raie, développée dans le cadre de ces travaux et utilisée comme méthode de référence, nécessite de résoudre environ 106 équations de transfert radiatif et ne peut pas être utilisée dans le cadre de simulations numériques couplés du fait des temps de calcul mis en jeu. Des approches moins consommatrices en ressource informatique ont été développées et évaluées. Une autre difficulté dans le cadre des flammes turbulentes est due au fait que les termes d’émission et d’absorption du rayonnement sont des fonctions non-linéaires. En particulier le terme d’émission est une fonction non-linéaire de la température et des concentrations des espèces participant au transfert radiatif. Ceci introduit des difficultés de fermeture pour ces termes similaires à celles rencontrées pour la fermeture des taux de production/destruction des espèces en combustion. Ce problème est couramment appelé interaction rayonnement-turbulence. Des approches basées sur la méthode de transport de la PDF sont développées pour modéliser ces interactions. Un autre objectif de ce projet est de mieux appréhender les phénomènes liés à la production des particules de suie en vue de réduire leur émission dans l’atmosphère. Des modèles de production de la suie détaillés ont été développés. Ils font intervenir une cinétique en phase gazeuse exhaustive de sorte à avoir accès aux précurseurs des particules de suies (HAP) et une cinétique pour les particules de suie complète considérant toutes les étapes du processus de production, à savoir la nucléation, la croissance de surface, et l’oxydation. Ces modèles sont notamment été utilisés pour mieux comprendre la formation de la suie dans des conditions rencontrées dans l’industrie ou en lien avec les transports (combustion de l’essence) qui participent de manière significative à la pollution aux particules. L’application de ces modèles détaillés à des flammes turbulentes nécessite de prendre en compte les interactions suie-turbulence. En effet les termes de formation/destruction de suie sont des fonctions non-linéaires de la température, des concentrations des espèces gazeuses participant à la production de la suie, et des grandeurs liées aux particules de suie comme leur surface spécifique. Ces interactions suie/turbulence sont modélisées de manière exacte en utilisant le transport de PDF.



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