Caractérisation expérimentale et numérique des scenarii de feu impliquant un conduit de fumée d

264 Pages·2017·18.85 MB·French

by  Pierre Cremona

Caractérisation expérimentale et numérique des scenarii
de feu impliquant un conduit de fumée d’appareils de
combustion bois
Pierre Cremona
To cite this version:
Pierre Cremona. Caractérisation expérimentale et numérique des scenarii de feu impliquant un con-
duit de fumée d’appareils de combustion bois. Autre. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de
Mécanique et d’Aérotechique - Poitiers, 2017. Français. ￿NNT: 2017ESMA0023￿. ￿tel-01696249￿
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abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
I

THESE

Pour l’obtention du Grade de
DOCTEUR DE L’ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DE MECANIQUE ET
D’AEROTECHNIQUE
(Diplôme National – Arrêté du 25 mai 2016)

Ecole Doctorale :
Sciences et Ingénierie en Matériaux, Mécanique, Energétique et Aéronautique

Secteur de Recherche : Fluide, Thermique et Combustion

Présentée par :
Pierre CREMONA
****************************
Caractérisation expérimentale et numérique des scénarii de feu impliquant un conduit
de fumée d’appareils de combustion bois
****************************
Directeur(s)de thèse : Pr. Thomas Rogaume
Co-encadrant : Dr. Franck Richard
Co-encadrant : Dr. Jocelyn Luche
Co-encadrant : Mr. Lionel Druette
****************************
Soutenue le 22 décembre 2017
devant la Commission d’Examen
****************************
JURY
Président : Pr. Parent Gilles Professeur – Université de Lorraine (France)

Rapporteurs : Pr. Torero José Professeur – Université du Maryland (USA)
Pr. Porterie Bernard Professeur – Université Aix-Marseille (France)

Membres du jury : Dr. Rogaume Caroline Maître de Conférences – ENSTIB (France)
Pr. Rogaume Thomas Professeur – Université de Poitiers (France)
Dr. Richard Franck Maître de Conférences – Université de Poitiers (France)
Dr. Luche Jocelyn Maître de Conférences – Université de Poitiers (France)
Mr. Druette Lionel Directeur – Laboratoire CERIC - Poujoulat SA (France)
II
« Je suis de ceux qui pensent que la Science a une grande beauté.
Un savant dans son laboratoire n’es pas seulement un technicien :
c’est aussi un enfant placé en face de phénomènes naturels qui
l’impressionnent comme un conte de fées. »
Marie Curie

A ma muse Fanny et mes chers
disparus Robert et Thierry.

III
IV
A -P
VANT ROPOS

La thèse est avant tout une aventure humaine dont la réussite ne peut pas être attribuée qu’à soi-
même. Elle dépend fortement des nombreuses rencontres et des moments partagés, autant d’un point
de vue professionnel que personnel, qui ont rythmé ces dernières années. Chacune d’entre elles
forgent des amitiés et apportent des éléments clés qui transforment ces trois années intenses et
parfois difficiles en un souvenir agréable et immuable. Les remerciements sont un art comme tant
d’autres, ne l’ayant pas, je vais tenter de transcrire au mieux l’apport de ces échanges.
En premier lieu, je dois remercier le Groupe Poujoulat SA pour avoir eu confiance en moi et avoir
accepté de financer entièrement ce travail de thèse ainsi que de m’avoir détaché trois années
complètes sur cette mission. Je ne doute point que les résultats obtenus satisfassent Poujoulat SA et
puissent être utilisés et valorisés d’une quelconque manière. Un remerciement tout particulier à Lionel
Druette pour m’avoir défendu et m’avoir accompagné dès mes premiers pas au Laboratoire CERIC dans
mon envie de continuer mes études. Ton expertise et ta bonne humeur ont été pour moi autant de
facteurs de réussite.
En second lieu, je souhaite également remercier les instances universitaires à travers l’Ecole Nationale
Supérieure de Mécanique et d’Aérotechnique (ENSMA), l’Institut P’ et la plateforme HESTIA.
En troisième lieu, merci à chacun des membres du jury et des rapporteurs de ce mémoire de thèse,
qui ont accepté d’apporter leurs expertises pour juger la qualité du travail accompli ; merci pour leurs
remarques ; merci pour les discussions d’un grand intérêt au cours de la défense de ce mémoire.
Plus personnellement, les mots ne sont pas suffisants pour te remercier, Professeur Thomas Rogaume.
Pour moi, tu as été un Directeur de Thèse exemplaire. Tu as su me faire confiance, me laisser libre dans
mes choix, m’écouter, me recadrer et m’aiguiller dans mes recherches à travers ta grande
connaissance scientifique. Et surtout, tu as réussi à supporter ma plume. Outre ces grandes qualités
professionnelles, ta bonne humeur, ton humour et ton énergie inépuisable ont été très plaisantes au
cours de ces années et ont contribué, sans aucun doute, au bon déroulement et à la qualité de ce
travail de thèse. Pour l’ensemble de ces raisons, ces trois années ont été à la hauteur de mes
espérances d’un point de vue professionnel et personnel.
Au Docteur Franck Richard, pour m’avoir accompagné dans un domaine qui m’est toujours aussi
obscure, la simulation numérique. Tes connaissances pointues, tes conseils avisés et tes explications
m’ont apporté énormément. Ta bonne humeur et ton enthousiasme sont également des vecteurs qui
m’ont poussé à me dépasser. Malgré des sueurs froides, je ne retiendrai que les bons moments de vie
pendant et en-dehors du travail. Pour ceci, je te remercie profondément.
Au Docteur Jocelyn Luche, merci de m’avoir apporté tes connaissances techniques d’un point de vue
expérimental et ta rigueur scientifique particulièrement nécessaire aux traitements des résultats
expérimentaux, indispensables pour produire un travail de qualité. Je ne peux que te dire merci.
Je remercie également le Professeur Didier Saury et le Docteur Yann Billaud (Institut P’ – D2) pour
m’avoir permis d’utiliser vos bancs expérimentaux et de m’avoir accompagné dans certaines
réflexions. Il en est de même pour le Professeur Damien Halm et Laure (Institut P’ – D1). Du même
ordre, je remercie l’Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers (IC2MP) pour avoir réalisé
des analyses chimiques ainsi que pour avoir échangé avec moi afin de m’aider à répondre à mes
nombreuses interrogations.
Un immense merci à Marc Poisson avec qui j’ai connu beaucoup de moments tout autant compliqués
qu’agréables. Merci à toi de m’avoir aidé dans mes plus grands projets et d’avoir réalisé autant d’essais
pour moi. Sans toi, je n’aurais pas pu engendrer autant de résultats indispensables à la pertinence de
V
ce travail de thèse. Mon cher, je ne peux te souhaiter que de trouver une situation professionnelle
enfin stable et ce sera avec un immense plaisir de retravailler avec toi.
Une très forte pensée à Benjamin, Fabien et Simon. Je peux vous dire, sans honte, que vous avez été
des sources d’inspiration très importantes pour moi au cours de ces trois années. Sans compter
qu’humainement vous êtes incroyables ! Mon seul regret est de n’avoir pas pu aller aussi loin dans ma
réflexion et de ne pas avoir suffisamment travaillé avec vous. Mes amis, j’espère pouvoir un jour vous
rendre autant que ce que vous m’avez apporté. Tout particulièrement toi, Fabien, pour avoir souffert
jusqu’à la fin à mes côtés.
Jacques, Hervé et Vincent, mes sincères remerciements pour votre savoir-faire et votre extrême bonne
humeur. J’ai passé de très bons moments avec vous et j’ai énormément appris à votre contact autant
techniquement qu’humainement. Restez comme vous êtes, il n’y a rien à changer.
Nicolas, Francis et Pierre, un grand merci pour l’ensemble des tâches, pas toujours agréables, que vous
avez remplies avec réussite pour moi. Jeremy, tu as fortement contribué au succès de mon travail de
thèse, et pour cela je te remercie sincèrement.
A Julien et Amélie, qui ont eu la gentillesse de m’accueillir et de m’héberger un nombre de fois
incalculable durant ces trois années. Vous êtes presque des hôteliers désormais ! J’ai pris énormément
de plaisir à passer du temps avec vous au sec ou mouillé ! Je vous suis fortement redevable.
Au Docteur Laurence Robert qui a joué un rôle majeur. Ma chère amie, sans notre rencontre et nos
aventures professionnelles inoubliables, je n’aurais sans doute jamais réalisé un Doctorat. Tu es à la
génèse de cette réussite. De plus, te côtoyer quotidiennement a influencé mon épanouissement dans
le travail et dans ma vie... Tu connais déjà toute la reconnaissance que j’ai envers toi.
Avec l’espoir de n’oublier personne et le cas échéant, qu’ils ne m’en tiennent pas rigueur, je souhaite
remercier ceux qui ont été mes collègues soit au CERIC soit à l’Institut P’ et qui m’ont aidé chacun à
leur manière : Talal, Xao Wen, Minh, Etienne, Julien (P’), Florent et Julien (Ceric).
A mes amis, que j’ai fortement délaissés au cours de ces années. Merci à vous d’avoir compris
l’importance qu’avait pour moi la réalisation de cette thèse. J’espère pouvoir libérer plus de temps
avec vous désormais.
A mon père et ma mère pour m’avoir laissé choisir ma voie professionnelle et m’avoir laissé autant de
liberté pour assouvir ma curiosité. Comme le dit Marie Curie, « dans la vie, rien n’est à craindre, tout
est à comprendre ». C’est de cette manière que j’ai autant appris et que je continuerai à apprendre.
Egalement une tendre pensée à ma famille proche, merci pour votre soutien inconditionnel.
Enfin, à toi Fanny, qui a surement le plus souffert au cours de ces trois dernières années. Je ne pourrais
jamais suffisamment te remercier pour le soutien, l’amour et l’estime que tu me portes. Même si tu
n’as pas entièrement compris l’intérêt, l’énergie et l’enthousiasme que j’ai déployé pour cette thèse,
ton soutien aveugle a été indispensable et a joué un rôle de premier ordre. Les mots ne suffisent pas
à te remercier.

Pierre Cremona

VI
T
ABLE DES MATIERES

AVANT-PROPOS ................................................................................................................................................... V
TABLE DES MATIERES......................................................................................................................................... VII
NOTATIONS......................................................................................................................................................... IX
LISTE DES FIGURES ............................................................................................................................................ XIII
LISTE DES TABLEAUX ........................................................................................................................................ XVII
INTRODUCTION GENERALE .................................................................................................................................. 1
1. RESISTANCE AU FEU DES CONDUITS DE FUMEE ......................................................................................... 5
1.1. DEFINITION DETAILLEE DU SCENARIO 1 .......................................................................................................... 6
1.1.1. Présentation de la problématique ............................................................................................... 6
1.1.2. Présentation du projet de norme prEN 1366-13 [2] .................................................................... 7
1.1.3. Analyse critique du projet de norme prEN 1366-13 ..................................................................... 8
1.2. EVALUATION EXPERIMENTALE DE LA RESISTANCE AU FEU EI DES CONDUITS DE FUMEE ............................................ 13
1.2.1. Conception du four et instrumentation ..................................................................................... 13
1.2.2. Résultats expérimentaux .......................................................................................................... 17
1.3. ETUDE NUMERIQUE DES PHENOMENES AERAULIQUES ET THERMIQUES ............................................................... 32
1.3.1. Domaine de calcul et de maillage ............................................................................................. 33
1.3.2. Description du modèle .............................................................................................................. 35
1.3.3. Configuration des données sources et intrinsèques ................................................................... 39
1.3.4. Résultats numériques et validation du modèle ......................................................................... 46
1.4. CONCLUSION DU CHAPITRE ....................................................................................................................... 61
2. CARACTERISATION DES RESIDUS DE COMBUSTION ................................................................................. 62
2.1. RESIDUS LIBERES PAR LA DECOMPOSITION THERMIQUE DU BOIS ........................................................................ 64
2.1.1. Définitions générales ................................................................................................................ 64
2.1.2. Produits primaires de décomposition thermique du bois .......................................................... 67
2.1.3. Produits secondaires de décomposition de la phase liquide ...................................................... 73
2.1.4. Produits secondaires de décomposition de la phase solide ....................................................... 77
2.1.5. Produits secondaires de décomposition de la phase gaz/vapeur .............................................. 81
2.1.6. Conclusion partielle .................................................................................................................. 93
2.2. PROPRIETES CHIMIQUES ET STRUCTURELLES DES RESIDUS ................................................................................ 95
2.2.1. Provenance des échantillons ..................................................................................................... 95
2.2.2. Composition chimique des résidus ............................................................................................ 99
2.2.3. Analyse spectroscopique ......................................................................................................... 104
2.2.4. Aspect structurel des résidus................................................................................................... 106
2.3. PROPRIETES PHYSIQUES ET THERMIQUES DES RESIDUS .................................................................................. 111
2.3.1. Masse volumique apparente et réelle ..................................................................................... 111
2.3.2. Conductivité et effusivité thermique ....................................................................................... 113
2.3.3. Porosité .................................................................................................................................. 116
2.3.4. Pouvoir Calorifique ................................................................................................................. 118
2.4. DECOMPOSITION THERMIQUE DES RESIDUS ................................................................................................ 120
2.4.1. Analyse Thermogravimétrique (ATG-DSC)............................................................................... 120
2.4.2. Modèle de décomposition ....................................................................................................... 127
2.4.3. Capacité thermique massique ................................................................................................. 130
2.5. CLASSIFICATION DES RESIDUS .................................................................................................................. 133
2.5.1. Démarche ............................................................................................................................... 133
2.5.2. Corrélation des critères ........................................................................................................... 133
2.5.3. Interprétations ........................................................................................................................ 134
2.6. CONCLUSION / DISCUSSION .................................................................................................................... 135
3. INFLAMMATION ET COMBUSTION DES RESIDUS .................................................................................... 138
VII
3.1. PROBLEMATIQUE DE L’ETUDE A L’ECHELLE DU MATERIAU .............................................................................. 140
3.1.1. Objectifs de l’étude ................................................................................................................. 140
3.1.2. Présentation des grandeurs étudiées ...................................................................................... 140
3.1.3. Sélection des résidus ............................................................................................................... 143
3.2. DISPOSITIF EXPERIMENTAL DE CARACTERISATION DE LA DECOMPOSITION THERMIQUE DES RESIDUS ......................... 144
3.2.1. Cônes Calorimètres ................................................................................................................. 144
3.2.2. Mesures de gaz ....................................................................................................................... 149
3.2.3. Imagerie rapide ...................................................................................................................... 150
3.2.4. Déplacement structurel .......................................................................................................... 150
3.2.5. Température de la phase gazeuse .......................................................................................... 150
3.3. PARAMETRES D’INFLAMMATION DES RESIDUS ............................................................................................. 151
3.3.1. Description des inflammations ................................................................................................ 151
3.3.2. Délai d’inflammation .............................................................................................................. 156
3.3.3. Température de surface .......................................................................................................... 169
3.3.4. Propriétés thermo-physiques apparentes ............................................................................... 175
3.3.5. Bilans des essais sur les paramètres d’inflammation .............................................................. 175
3.4. PARAMETRES DE COMBUSTION DES RESIDUS .............................................................................................. 177
3.4.1. Régimes de décomposition thermique .................................................................................... 177
3.4.2. Dégagement d’énergie ........................................................................................................... 187
3.4.3. Comportement structurel ....................................................................................................... 194
3.4.4. Bilan des essais sur les paramètres de combustion ................................................................. 197
3.5. CONCLUSION DU CHAPITRE ..................................................................................................................... 200
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES ..................................................................................................................... 203
BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................................................ 209
A. ANNEXE A ................................................................................................................................................ 222
B. ANNEXE B ................................................................................................................................................ 224
C. ANNEXE C ................................................................................................................................................ 235
D. ANNEXE D ................................................................................................................................................ 238
E. ANNEXE E ................................................................................................................................................ 240
F. ANNEXE F ................................................................................................................................................ 241

VIII
N
OTATIONS

Abréviations
Acronyme Unité Description
3D 3 Dimensions
ACP Analyse Composantes Principales de variables
AI Configuration du cône Calorimètre en Auto-inflammation
AIT [°𝐶] Auto Ignition Temperature (Température d’auto inflammation)
ATG Analyseur ThermoGravimétrique
AALH Aromatic-Aliphatic Linked Hydrocarbons (Hydrocarbures
Aromatiques-Aliphatiques Liés)
CAL Conditions Aux Limites
CC Cône Calorimètre
CCAC Cône Calorimètre à Atmosphère Contrôlée
CERIC Centre d’Essais et de Recherche des Industries de la Cheminée
CHF [𝑘𝑊.𝑚−2] Critical Heat Flux (Flux critique d’inflammation)
COC Composés Organiques Condensables
COV(T) Composés Organiques Volatils (Totaux)
DIN Deutsches Institut für Normung (Institut de Normalisation
Allemand)
DSC Differential Scanning Calorimetry (Calorimètre à balayage
différentiel)
EC Elementar Carbon (Carbone élémentaire)
EI Classement de résistance au feu Etanchéité-Isolation
GEP50 Conduit de fumée de la gamme Therm+GEP50
HAP Hydrocarbure Aromatique Polycyclique
H/C [−] Rapport atomique Hydrogène sur Carbone
HRR [𝑘𝑊.𝑚−2] Heat Release Rate per unit area (Taux de dégagement de chaleur
par unité de chaleur)
IRTF InfraRouge à Transformé de Fourier
ISO International Standard Organisation (Organisation
Internationale de Normalisation)
MDSC Modulated Differential Scanning Calorimetry
MLR [𝑔.𝑠−1] Mass Loss Rate (Taux de perte de masse)
ND Non Déterminable
NF EN Normalisation Française European Normalisation
PB Résidus provenant des foyers ou Poêles à Bûches
PCAH Peri-Condensed Aromatic Hydrocarbons (Hydrocarbures
Aromatiques Péri-Condensés)
PCI/PCS [𝑀𝐽.𝑘𝑔−1] Pouvoir Calorifique Inférieur / Supérieur
PGI Résidus provenant des poêles à Granulés
PI Configuration du cône Calorimètre en Pilotée Inflammation
PM Particulate Matter (Particule primaire)
POM Particulate Organic Matter (Matière organique particulaire)
IX