Données expérimentales sur le comportement au feu de la mousse polyuréthane 

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Prise en compte dans Fire dynamics simulator

Dans FDS, le rayonnement peut être traité de différentes manières [103, p. 193]. Les deux premières approches reposent sur la définition d’une fraction radiative (paramètre RADIATIVE_FRACTION), qui représente la part de l’énergie libérée par la combustion qui est transmise par transferts radiatifs. Dans le premier cas, dit optiquement mince, cette énergie est transportée jusqu’à rencontrer un obstacle ou les limites du domaine de calcul, sans absorption donc : ce mode offre un grand contrôle sur l’énergie rayonnée et la manière dont elle est transmise, mais n’est applicable que pour certains scénarios (p. ex. feux en extérieur [103, p. 194]). Dans le second cas, dit optiquement épais, le milieu peut potentiellement émettre, diffuser mais aussi absorber : les coefficients d’absorption nécessaires sont donc définis [104, p. 131, 105] et utilisés pour prédire l’émission et l’absorption (voir Équation 2.5). Enfin, une troisième approche n’utilise pas le concept de fraction radiative, et consiste à calculer directement l’énergie rayonnée. Elle nécessite une très grande résolution spatiale et n’est donc généralement applicable qu’aux très petits domaines voire aux calculs DNS (Direct numerical simulation).
Dans sa configuration par défaut, et celle la plus souvent utilisée, FDS utilise l’approche optiquement épais avec définition d’une fraction radiative, en combinaison avec un « gray gas model » qui suppose que la flamme est un corps gris (grandeurs indépendantes de la longueur d’onde). Les coefficients d’absorption sont tabulés en début de simulation : les données nécessaires pour ces calculs sont actuellement disponibles pour douze espèces gazeuses [104, p. 131, 105]. Ils sont ensuite utilisés pour tenir compte de l’absorption mais aussi de l’émission (Équation 2.4). Cette dernière est aussi fonction d’une température, qui est généralement celle de la maille considérée. Si cette dernière fait partie d’une zone réactive, la température est corrigée. En effet, il s’agit de caractériser l’émission de la flamme, mais cette zone réactive est de taille négligeable par rapport à la maille et la température de cette dernière ne représente donc pas celle de la flamme. La correction est faite de telle sorte que la fraction radiative imposée soit respectée. Une définition autant précise que possible de ce paramètre est donc primordiale, mais n’est pas aisée car il dépend du combustible, de la taille du foyer ainsi que d’autres facteurs. Il est possible de programmer des variations de la fraction radiative en cours de simulation [103, p. 196] pour prendre en compte « artificiellement » des changements de conditions, une propagation, etc.
Il est aussi possible de faire une hypothèse moins forte que celle d’un milieu entièrement gris, à savoir considérer des propriétés radiatives constantes sur des bandes spectrales, et non sur le spectre entier comme précédemment. Ce modèle (« wide band model » [103, p. 198, 104, p. 61]) n’est pertinent que pour les combustibles dont les propriétés sont suffisamment bien décrites et entraîne de toute façon un coût de calcul supplémentaire non négligeable, sans que la validité des résultats ne soit clairement avérée, il ne sera donc pas détaillé ici.
Quelles que soient les hypothèses faites sur le rayonnement, la résolution numérique se fait de la même manière (méthode des volumes finis) et nécessite deux discrétisations : l’une spatiale, l’autre angulaire [104, p. 65]. La première est identique au maillage « fluide », utilisé pour la résolution des autres équations de transport, tandis que la seconde est donnée par des lois empiriques qui visent à répartir le nombre d’angles solides demandé par l’utilisateur de manière aussi uniforme que possible. Ces angles définissent les directions selon lesquelles sera propagé le rayonnement : une résolution suffisante est donc primordiale.
Une fois les modèles et leurs paramètres définis, il est possible d’obtenir différentes grandeurs [103, p. 293], comme des densités de flux avec les quantités dont les noms se terminent par « HEAT FLUX », abrégé HF dans les exemples ci-après. Plusieurs options sont disponibles dans FDS [103, p. 271], notamment en fonction de la cible : INCIDENT HF pour la densité de flux radiatif reçue, RADIATIVE HF pour prendre en compte la réémission, NET HF pour aussi intégrer les échanges convectifs, GAUGE HF pour simuler un capteur. . .

Décomposition et propagation

Éléments théoriques et expérimentaux

Comme pour le rayonnement thermique, il ne s’agit pas ici de rapporter une description complète des phénomènes intervenant dans la décomposition des matériaux 18 : ceci est bien traité dans de nombreuses références et par exemple résumé dans l’un des cours de l’ESIA 19. Seuls quelques détails seront donnés concernant l’un des combustibles principaux de l’étude, à savoir la mousse polyuréthane.

Formation et décomposition de la mousse polyuréthane

Composition et formation des mousses polyuréthane Les uréthanes ou carbamates sont une famille de composés chimiques dont le groupement caractéristique est R NH COO R [107]. La réaction principale pour produire des liaisons polyuréthanes est une réaction de polymérisation entre les polyisocyanates et les groupes polyhydroxyles, c’est-à-dire nOCN R NCO Isocyanate + nHO R′ HO Polyol (R NHCOO R′ NHCOO)n Polyuréthane.
Pour la production des nombreuses mousses polyuréthane, le groupement isocyanate utilisé est le Toluène diisocyanate (TDI). C’est une molécule composé de toluène (hydrocarbure aromatique) et de deux groupements isocyanate [108]. Le groupe polyhydroxyle réagissant avec le TDI est une association de polyol et polyéther (R dans la réaction). La réaction est donc Les mousses polyuréthane dites « soufflées à l’eau » sont obtenues en ajoutant de l’eau, qui en réagissant avec l’isocyanate forme du dioxyde de carbone et entraîne le gonflement de la mousse [107, 109].

Caractérisations expérimentales de la décomposition

Afin de mieux comprendre et prendre en compte les réactions comme celles présentées ci-dessus, différents essais sont possibles. De manière générale, ce travail se fait à petite échelle afin de contrôler au mieux les conditions expérimentales et n’imputer les effets mesurés qu’aux réactions chimiques.

Décomposition et propagation

Les dispositifs expérimentaux les plus utilisés sont notamment décrits en détails chez Bustamante Valencia [110], Guillaume [111] et Thiry [14]. Ceux-ci incluent par exemple l’Analyseur thermogravimétrique (ATG) et la calorimétrie à balayage différentiel (DSC, Differential scanning calorimetry), qui reposent sur le chauffage de quelques milligrammes d’échantillon et le suivi de leur perte de masse afin de caractériser les réactions chimiques (températures de début, masse perdue. . .), mais aussi le cône calorimètre, qui, sur des échantillons plus gros (quelques grammes), permet entre autres de caractériser les transferts thermiques. Plus de détails concernant ce matériel sont donnés ci-après. L’utilisation d’autres techniques d’analyse permettant de caractériser la décomposition thermique, notamment la spectroscopie infrarouge ou la chromatographie pour quantifier les produits formés, sont abordés par Bustamante Valencia [110].

Caractérisations expérimentales du comportement au feu

À une échelle supérieure aux dispositifs de caractérisation de la décomposition, mais toujours réduite par rapport à l’échelle réelle, différents outils expérimentaux ont été développés afin de caractériser le comportement au feu d’échantillons de tailles variées. Parmi eux, on trouve par exemple le cône calorimètre [112], le FPA (Fire propagation apparatus) [113], le LIFT (Lateral ignition and flame spread test) [114], le SBI (Single burning item) [115] ou encore le room corner test [116]. Ici, l’objectif n’est plus de caractériser les réactions chimiques en phase condensée, mais plutôt les transferts thermiques, la propagation à la surface et dans la profondeur de l’échantillon ainsi que les autres phénomènes macroscopiques (p. ex. déformation, fonte, production de gouttes enflammées. . .).
Quelques précisions seront données quant au cône calorimètre, car c’est un dispositif très répandu dans la communauté incendie, dont disposent par exemple le LCPP et le LEMTA. De plus, la taille des échantillons en fait un outil parfait pour fournir des données d’entrée pour les modèles de propagation, comme illustré en Section 2.2.b.ii. Développé dans les années 80, il a pour objectif de caractériser le comportement au feu de matériaux à échelle réduite [117-119]. Les échantillons de petite taille, typiquement 10 × 10 × 5 cm3, sont placés horizontalement ou verticalement et exposés à un flux radiatif incident contrôlé grâce à une résistance chauffante conique. Cette forme garantit une répartition du flux aussi homogène que possible, tout en permettant le passage des gaz de combustion pour qu’ils soient ensuite analysés. Le cône calorimètre permet de mesurer la perte de masse, le débit calorifique, l’opacité de fumées et éventuellement leur composition s’il est couplé à d’autres matériels (p. ex. spectromètre IR chez Bustamante Valencia [110]). De ces grandeurs peuvent être déduits le temps d’allumage, la durée de combustion, l’enthalpie efficace de combustion, etc. Ces caractéristiques en font un outil de choix pour des essais normés (p. ex. ISO 5660 [112]) ou à vocation de recherche.

Modèles de décomposition

La prise en compte de la décomposition thermique se fait de plus en plus à l’aide de modèles de pyrolyse. Ceux-ci visent à décrire les réactions qui surviennent dans la phase condensée afin de prédire l’émission de gaz combustibles, qui pourront ensuite s’enflammer et participer à la combustion. Un exemple d’application est donné par le travail de Bustamante Valencia [110], qui a abordé la décomposition thermique de la mousse polyuréthane par une approche multi-échelles, en partant de l’échelle matière (ATG) pour développer un modèle de pyrolyse.
Afin de décrire la décomposition d’un matériau, il faut établir un mécanisme réactionnel, ce qui peut être fait de manière plus ou moins simplifiée, voir par exemple [110, p. 130] pour la mousse polyuréthane ou [111, p. 10] pour le bois et la mousse polyuréthane. Il faut ensuite décrire la cinétique de chaque réaction, c’est-à-dire la variation de masse m, avec une expression de la forme dm dt = f(m) k(T), (2.20).

Prise en compte dans Fire dynamics simulator

Le terme source est une grandeur essentielle en simulation incendie car il définit la quantité de gaz combustibles injectée dans le domaine : l’ensemble des modèles utilisera cette donnée pour la suite des calculs, du transport des espèces, aux transferts d’énergie, en passant par les réactions de combustion par exemple. FDS ne fait pas exception, et il est donc nécessaire de définir une vitesse de perte de masse (MLR, Mass loss rate).
Pour cela, plusieurs méthodes sont disponibles. Ici, seules les approches simplifiées, dites « simple pyrolysis models » [103, p. 94], seront présentées. Malgré leur nom anglophone, ces méthodes ne visent pas à modéliser la pyrolyse à proprement parler, les réactions chimiques n’étant pas prises en compte : d’autres modèles pouvant le faire sont proposés (« complex pyrolysis models » [103, p. 97]) mais ne seront pas abordés ici.
Les différentes approches simplifiées reposent toutes sur la définition d’un MLRPUA ou d’un HRRPUA, c’est-à-dire un débit massique ou calorifique surfacique (Mass loss ou Heat release rate per unit area). Il s’agit ensuite de définir l’aire en feu, afin de déterminer la quantité de gaz combustible libéré dans le domaine de calcul (MLR). Par défaut, l’ensemble de la zone définie comme combustible pyrolyse dès le début de la simulation. Il est possible de faire varier le HRRPUA ou le MLRPUA au cours du temps, par un système appelé RAMP [103, p. 155] : les surfaces définies de la sorte se comportent alors comme des brûleurs à gaz dont on contrôlerait le débit.
Il est aussi possible de définir une température d’inflammation pour le combustible, appelée IGNITION_TEMPERATURE [103, p. 96] : tant que la température de surface calculée en fonction de la sollicitation et des propriétés thermiques du matériau ne dépasse pas cette limite, l’élément de combustible ne se décompose pas. Une fois « enflammé », il dégage le gaz combustible ou l’énergie défini par le MLRPUA ou le HRRPUA, en tenant compte de la RAMP éventuellement associée.
Une autre option consiste à définir une vitesse de propagation radiale [103, p. 95] : ceci représente par exemple la croissance du feu sur un combustible plan, comme un matelas. Le paramètre associé, SPREAD_RATE, permet de calculer à chaque pas de temps l’aire en feu (zone en feu supposée circulaire) et ainsi la quantité de gaz combustible/d’énergie dégagée.
Quelle que soit l’approche simplifiée retenue, en sachant qu’elles peuvent être combinées, le terme source (MLR ou HRR) sera toujours « prescit », car il ne dépend pas de la sollicitation thermique  des conditions aérauliques par exemple. Ainsi, dans le cas d’une température d’inflammation, celle-ci ne servira qu’à contrôler le moment où la décomposition commence : une fois qu’il a atteint T_IGNITION, le matériau dégagera le MLR/HRR tel que défini dans le fichier d’entrée. Ceci est encore plus clair lorsque la seule variation possible est temporelle (RAMP) ou spatiale (SPREAD_RATE) : la décomposition est définie au préalable par l’utilisateur et ne sera jamais influencée par les conditions de la simulation.
Bien que cette limite soit très simplificatrice, surtout en se rappelant à quel point l’incendie fait intervenir des phénomènes différents et couplés entre eux, les « simple pyrolysis models » offrent l’avantage de ne nécessiter que très peu de données d’entrée, et peuvent tout de même fournir des résultats exploitables. Pour ces raisons, ils sont souvent préférés aux « complex pyrolysis models » qui visent à décrire les réactions en phase condensée en fonction des sollicitations thermiques par exemple.

Blocs de mousse polyuréthane

La mousse polyuréthane (PU) étudiée était une mousse soufflée à l’eau, composée à deux tiers de TDI (toluène diisocyanate) et un tiers de polyol, avec une masse volumique de (28,0 ± 1,0) kg · m−3 (données fournisseur). Elle ne contient pas de retardateur de flamme.
Différentes dimensions ont été choisies, comme indiqué dans le Tableau 3.1. À noter que les plus grands échantillons (6m2) dépassaient les capacités de production du fournisseur, et étaient donc composés de deux parties (250 × 210 × 20 cm3 et 250 × 40 × 20 cm3), qui ont été juxtaposées pour les essais. Il a été choisi de ne pas les (faire) coller, en jugeant que les maintenir l’une contre l’autre à l’aide du support d’essai serait plus représentatif d’un bloc continu que la présence de colle.

Site CNPP

Le second site d’essais grande échelle était le hall no 3 du Centre national de prévention etde protection (CNPP, Vernon), gracieusement mis à disposition pour les brûlages. Ce local d’une surface au sol de 900m2 et d’une hauteur de 25m comprend une zone feu centrale de 8 × 8m2 en briques réfractaires (voir Figure 3.6). De part et d’autre, un plafond mobile (surface totale de 280m2) était positionné à 12m du sol.

Site PROMETHEI

Les essais à moyenne échelle ont été conduits sur la plateforme expérimentale PROMETHEI (Plateforme de recherche opérationnelle en métrologie thermique dédiée aux essais incendies), une installation du LEMTA située à la Bouzule, près de Nancy. Ce hangar d’environ 20 × 15 × 7m3, déjà utilisé pour réaliser des feux de végétation [136], à cette fois été utilisé pour les foyers de nombreux combustibles (voir Figure 3.7), de largeur 70 ; 50 et 30 cm.

Site fort de la Briche

Des essais complémentaires (p. ex. feux de bacs, voir Annexe B) ont été réalisés dans la structure expérimentale du LCPP au Fort de la Briche (site de la Brigade de sapeurspompiers de Paris ou BSPP). Il est constitué de plusieurs conteneurs de transport agencés sur deux niveaux (voir Figure 3.8) permettant la réalisation d’essais à échelle réelle, qu’il s’agisse de brûlages simples comme ici (bac ou bloc de mousse seul) ou de reconstitutions complètes de feux d’appartement par exemple. Cette installation est, entre autres, équipée d’une hotte calorimétrique (pièce en haut de la rampe sur la Figure 3.8).

Table des matières

Partie I Introduction 
Chapitre 1 Contexte et généralités 
1.1 Contexte
1.2 Généralités
1.2.a Incendie : principaux phénomènes
1.2.b Simulation numérique des incendies
1.2.c Récapitulatif
Chapitre 2 État de l’art 
2.1 Rayonnement
2.1.a Éléments théoriques et expérimentaux
2.1.b Modèles disponibles
2.2 Décomposition et propagation
2.2.a Éléments théoriques et expérimentaux
2.2.b Modèles disponibles
Approche retenue
1 Objectifs
2 Méthodologie
3 Limites
Partie II Campagnes expérimentales 
Chapitre 3 Vue d’ensemble 
3.1 Combustibles
3.1.a Blocs de mousse polyuréthane
3.1.b Feux de bac
3.1.c Bûchers de bois
3.2 Sites d’essais
3.2.a Échelle réelle
3.2.b Cône calorimètre
Chapitre 4 Métrologie 
4.1 Mesures classiques
4.1.a Pesée
4.1.b Fluxmétrie
4.2 Mesures relatives à la flamme
4.2.a Imagerie visible
4.2.b Opacimétrie et spectrométrie
4.3 Mesures de la propagation
4.3.a Thermométrie
4.3.b Imagerie visible
4.3.c Photogrammétrie
Résumé
Partie III Rayonnement de la flamme 
Chapitre 5 Données expérimentales sur le rayonnement 
5.1 Géométrie de flamme
5.1.a Hauteur de flamme
5.1.b Forme de flamme simplifiée
5.2 Propriétés radiatives
5.2.a Coefficient d’absorption
5.2.b Température de flamme équivalente
5.3 Densités de flux thermiques
Chapitre 6 Modélisation du rayonnement 
6.1 Modèle académique
6.1.a Éléments utilisés pour le lancer de rayons
6.1.b Comparaison du lancer de rayons à l’expérience
6.2 Évaluation de Fire dynamics simulator
6.2.a Étude de convergence pour FDS
6.2.b Comparaison de FDS à l’expérience et au lancer de rayons
Partie IV Propagation pour la mousse polyuréthane 
Chapitre 7 Données expérimentales sur le comportement au feu de la mousse polyuréthane 
7.1 Perte de masse au cône calorimètre
7.1.a Résultats expérimentaux
7.1.b Choix des fonctions
7.1.c Corrélations avec l’éclairement
7.1.d Prédictions
7.1.e Discussion
7.2 Propagation à échelle réelle
7.2.a Propagation en surface
7.2.b Propagation en profondeur
7.2.c Perte de masse
7.2.d Comparaison des résultats
Chapitre 8 Modélisation de la propagation 
8.1 Implémentation FDS
8.1.a Fonctions concernées
8.1.b Ajouts et modifications
8.2 Application
8.2.a Simulation de blocs 1,00 × 1,00 × 0,05m3 : FDS original
8.2.b Simulation de blocs 1,00 × 1,00 × 0,05m3 : FDS modifié
8.2.c Comparaisons
8.2.d Échantillons plus épais
Résumé 1
Partie V Conclusion 
Chapitre 9 Conclusions et perspectives 
9.1 Conclusions
9.2 Perspectives
9.2.a Consolidation et valorisation de l’existant
9.2.b Développement des outils et méthodes
Bibliographie

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