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STOP FEU, Oran 2010 Lectures invitées Les moyens expérimentaux de caractérisation de la dégradation thermique des matériaux solides Thomas Rogaume Institut Pprime, UPR 3346 CNRS, département Fluides, Thermique, Combustion, ENSMA, BP 40109, 86961 Futuroscope cedex. thomas.rogaume@lcd.ensma.fr Face aux coûts et impacts des feux, il est primordial de développer des moyens de prévention et de protection. Toutefois, chaque feu étant de part ses caractéristiques et son environnement un cas particulier, son étude requiert la mise en place et l’utilisation de codes de simulations numériques. En ce sens, divers codes de simulation des incendies ont été développés, mais tous reposent sur une hypothèse limitante, le modèle de pyrolyse. Ainsi de nombreuses études actuelles consistent à développer de nouveaux modèles de pyrolyse, plus pertinents et performants. Toutefois, se pose toujours pour le modélisateur la question suivante : quel modèle de pyrolyse prendre, est il valide pour mes conditions ? Chaque modèle de pyrolyse est développé et mis en place à partir de résultats expérimentaux. C’est dans ce sens qu’est réalisé ce travail. L’enjeu est de présenter les différents dispositifs expérimentaux utilisés afin d’étudier la décomposition thermique des matériaux solides pour le développement des modèles de pyrolyse. Pour chaque dispositif expérimental, un bilan du principe de fonctionnement, des avantages et inconvénients est réalisé. Le modèle de pyrolyse répond à un double enjeu : décrire la vitesse de perte de masse du combustible et la quantité de gaz volatils formés. Il est alors d’une grande importance car il décrire le terme source (1ere étape de la combustion) et en ce sens il va avoir un impact sur : ‐ Les caractéristiques de l’inflammation (température, délais… ) ‐ Les caractéristiques de la combustion (phase gazeuse) Rappel de la problématique Les modèles de pyrolyse ont pour enjeu de décrire la vitesse de perte de masse des combustibles solides et la quantité de gaz volatils générés en fonction des conditions aux limites, notamment du bilan thermique. Lorsqu’un solide, initialement à température ambiante, est soumis à un flux de chaleur q ° i , sa température en surface augmente, mettant en jeu un certain nombre de processus physiques et chimiques, présentés sur la figure 1. Figure 1. Processus simplifié de dégradation d’un combustible solide [1]. 94
STOP FEU, Oran 2010 Lectures invitées Le processus est considéré ici monodimensionnel selon l’axe x et l’échantillon a une épaisseur L. La surface supérieure du combustible qui reçoit la chaleur se situe à x=0 et l’ensemble des paramètres évoluent au cours du temps t. Il est important de noter que la position de cette surface (qui reçoit le flux de chaleur) va évoluer (régresser) en fonction de la vitesse de perte de masse. La chaleur (ainsi que la température T) va se répartir au sein du combustible par conduction q ° c, tandis qu’une autre partie de la chaleur est rerayonnée à partir de la surface du combustible, q ° r. La phase solide va produire une quantité de gaz à la vitesse m ° p. En fonction de cette vitesse, l’oxygène peut diffuser en surface et à l’intérieur du combustible en fonction de la perméabilité χ, suivant un gradient de fraction massique Y O2 . La dégradation thermique va générer une fraction massique de combustible gazeux Y s et de combustible solide résiduel Y F,s . L’ensemble des paramètres évoluent en fonction de l’épaisseur x et du temps t : (x,t). La description de la dégradation thermique nécessite la résolution de l’ensemble des équations de conservation : masse, énergie, espèces et parfois quantité de mouvement. Toutefois, face à la complexité de cette résolution, aux temps de calculs générés et aux dimensions des domaines à modéliser, de nombreuses hypothèses et simplifications sont réalisées. La dégradation thermique va ainsi dépendre : - De la température, T(x,t). - De la fraction massique locale de combustible, Y s (x,t). - De la fraction massique locale d’oxygène, Y O2 (x,t). - De la fraction massique de combustible solide résiduel, Y F,s (x,t). - De la perméabilité, χ(x,t). - De l’épaisseur de pénétration de l’oxygène, δ O2 (t). - De l’épaisseur de la zone réactive, δ F (t). - De la valeur des constantes cinétiques, A i , n i , m i , E i. Les investigations expérimentales Les modèles de pyrolyse sont développés à partir d’investigations expérimentales. Les paramètres qu’il est nécessaire de déterminer sont : • Caractéristiques chimiques : composition élémentaire, masse moléculaire, degré de polymérisation… • Propriétés physiques et thermiques : k, ρ, Cp, , ∆H… • Caractéristiques de la décomposition thermique : vitesse de perte de masse (MLR), délais et température d’inflammation, quantité de gaz, composition des produits volatils C’est ce dernier point qui est traité ici. La problématique des essais expérimentaux est alors : - De connaitre et de maitriser les paramètres influençant la dégradation (conditions initiales et conditions aux limites). - D’être représentatif des conditions réelles d’incendie. Se pose alors la problématique des échelles de travail. Plus les essais sont conduits à petite échelle et plus les paramètres de la décomposition sont maîtrisés et connus, mais moins l’on est représentatif de la réalité d’un feu, et inversement en fonction de l’augmentation des échelles de tests. De manière courante, 4 échelles sont considérées : 95
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