Projet Feux | UMR SPE 6134
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Thèses

Lien sur la thèse d'Albert Simeoni : "Propagation des feux de forêt : Amélioration des modèles demi-physiques à l'aide de l'approche multiphasique" soutenue le 21 décembre 2000

Lien sur la thèse de Thierry Marcelli : "Propagation de feux de forêt : Modélisation et étude expérimentale de la transition d'un feu de surface vers un feu de cime" soutenue le 3 janvier 2002

Lien sur la thèse de Toussaint Barboni : "Contribution de méthodes de la chimie analytique à l'amélioration de la qualité de fruits et à la détermination de mécanismes (EGE) et de risques d'incendie" soutenue le 12 décembre 2006

Lien sur la thèse de Virginie Tihay : "Contribution expérimentale et théorique pour la modélisation de la combustion dans les feux de forêt" soutenue le 23 novembre 2007

Lien sur la thèse de Valérie Leroy : "Contribution à la modélisation des feux de forêt : Cinétique de dégradation thermique et Cinétique de combustion de végétaux" soutenue le 19 novembre 2007

Lien sur la thèse de Pauline Bartoli :  "Feux de forêt : amélioration de la connaissance du couplage combustible-flamme" soutenue le 13 juillet 2011

Lien sur la thèse d'Elodie Romagnoli : "Dynamique de combustion des végétaux et analyse des fumées émises : effets de l’échelle et du système" soutenue le 11 décembre 2014

Lien sur la thèse de Basiliu Moretti : "Modélisation du comportement des feux de forêt pour des outils d'aide à la décision" soutenue le 7 juillet 2015

Lien sur la thèse de Baha Nader : "Evaluation des simulations de feux de forêt" soutenue le 28 novembre 2016

Lien sur la  thèse de Tom Toulouse : "Estimation par stéréovision multimodale de caractéristiques géométriques d'un feu de végétation en propagation" soutenue le 13 novembre 2015

 


Thèse de Toussaint Barboni : "Contribution de méthodes de la chimie analytique à l'amélioration de la qualité de fruits et à la détermination de mécanismes (EGE) et de risques d'incendie"

Cette étude comporte deux parties, la première concerne l’analyse des arômes et des flavonoïdes sur deux fruits insulaires et la deuxième est consacrée à l’étude du risque encouru par le personnel intervenant lors d’un feu de forêt. Ces deux thèmes correspondent à une attente au niveau des différents protagonistes et s’inscrivent dans le cadre de différents projets auquel le laboratoire est associé.
La première partie concerne l’analyse des composés volatils et des flavonoïdes d’un hybride du genre Citrus ainsi que des baies du myrte commun. En Corse, la production annuelle des clémentines est importante, elle constitue le premier produit d’exportation ; les baies du myrte sont utilisées dans l’élaboration des liqueurs et des vins. Ces deux fruits constituent une dynamique économique importante dans l’île. Les arômes sont des substances responsables des propriétés organoleptiques d’une denrée alimentaire. Nous avons identifiés 44 composés volatils dans les jus de clémentine, de mandarine et des hybrides. Les molécules les plus abondantes sont les monoterpènes hydrocarbonés dont principalement le limonène et le -terpinène. Les flavonoïdes sont des substances à fort potentiel antioxydant, nous avons déterminé deux flavones polyméthoxylées et trois flavanones glycosides. Les baies du myrte sont caractérisées par 36 composés volatils avec majoritairement de l’-pinène, de l’eucalyptol, du cis hex-3-èn-1-ol et par 14 composés phénoliques parmi lesquels, la myricétine et ses dérivés glycosides sont les plus abondants.
La deuxième partie présente une autre préoccupation de l’île durant la saison estivale, il s’agit des feux de forêt. Chaque année, des milliers d’hectares de forêt brûlent en Europe et plus précisément dans le bassin méditerranéen.
L’observation des phénomènes d’embrasement généralisé a été reportée mais le mécanisme reste mal défini. Le but de ce travail est de connaître les molécules terpéniques émises par cinq végétaux représentatifs du couvert végétal Corse à savoir le pin laricio et le pin maritime, le ciste de Montpellier, la bruyère arborescente et l’arbousier. Il s’agit dans un premier de temps de valider la possibilité d’une inflammation subite d’une poche de gaz de composés organiques volatils biogéniques (COVb). Les analyses réalisées montrent que l’-pinène est le composé majoritaire dans les pins, ce sont les diterpènes qui sont les plus émis par le ciste de Montpellier. Ensuite, nous nous sommes intéressés aux émissions de polluants dues aux feux de végétation et à leur pouvoir toxique sur le personnel intervenant. Pour cela, nous analysons les molécules présentes dans les fumées et nous dosons les BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes) puis nous les comparons aux valeurs limites d’exposition (VLE). Nous avons démontré que la concentration en benzène est supérieure à la VLE, les pompiers seraient donc exposés à un environnement toxique.

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Thèse de Pauline Bartoli "Feux de forêt : amélioration de la connaissance du couplage combustible-flamme"

Dans les régions méditerranéennes, les incendies forestiers sont un phénomène courant. Les répercussions de ces incendies sont à la fois écologiques, économiques et humaines. L’étude des feux de forêt nécessite la prise en compte de nombreux phénomènes complexes tels que la dégradation thermique du combustible végétal, la combustion en
phase gazeuse, les transferts thermiques, le couplage atmosphérique, etc. L’objectif de ce travail de thèse est de faire avancer la connaissance fondamentale sur le problème du couplage combustible-flamme. Nous avons réalisé un travail à forte dominante expérimentale situé à l’échelle de la particule et du complexe végétal. L’originalité de ce travail de thèse réside dans le fait que nous avons adapté et appliqué à l’étude de la combustion de combustibles forestiers des outils et méthodes utilisés jusqu’à lors dans le domaine de la recherche en sécurité incendie. Pour chacune des études expérimentales présentées, des protocoles expérimentaux spécifiques ont été utilisés et/ou mis en place. Lorsque nécessaire, des dispositifs expérimentaux dédiés ont été élaborés. Nous avons réalisé une caractérisation physique et chimique des particules fines de six espèces végétales représentatives de l’écosystème méditerranéen à savoir Pinus halepensis, Pinus laricio, Pinus pinaster, Avena fatua, Erica arborea et Cistus monspeliensis. L’intérêt de cette caractérisation est double : elle constitue une base d’intrants pour les modèles de propagation et elle nous a permis une meilleure compréhension et analyse des phénomènes observés en combustion. Ensuite, nous avons considéré l’arrangement de ces particules entre elles constituant un milieu combustible poreux tel une litière recouvrant un sol forestier. Nous avons déterminé leur perméabilité pour différentes charges de combustible couramment retrouvées sur le terrain. Une loi empirique simple reliant la perméabilité de lits d’aiguilles de pin à sa porosité et aux caractéristiques géométriques des aiguilles qui le constitue a été proposée. L’étude en combustion du couplage combustible-flamme a été réalisée grâce aux outils de la calorimétrie par consommation d’oxygène. Pour cela, nous avons utilisé des instruments de la calorimétrie à savoir le Cône Calorimètre de la société FTT et le Fire Propagation Apparatus de la société FM-Global. L’étude principale de ce travail de thèse a concerné la dynamique de combustion de litières d’aiguilles de pin. Nous avons mis en évidence que l’écoulement, les propriétés globales des litières d’aiguilles de pin ou encore les caractéristiques des aiguilles qui les constituent ont une influence nette sur leur dynamique de combustion. Les temps d’inflammation sont grandement influencés par le débit d’écoulement d’air au sein des milieux poreux mais non par leur porosité et/ou leur perméabilité. Pour une même perméabilité et une même condition d’écoulement, le temps d’inflammation dépend des caractéristiques physiques et géométriques de l’espèce végétale considérée. Concernant la puissance calorifique, celle-ci va augmenter avec l’écoulement imposé au lit de combustible. Deux régimes de combustion ont été mis en évidence, un régime sous ventilé dans le cas d’un écoulement faible et un régime sur ventilé dans le cas d’écoulements importants. De même que pour l’inflammation, la
dynamique de combustion des végétaux étudiés et la puissance dégagée par celle-ci va être dépendante de l’espèce végétale considérée. La dernière partie de ce travail de thèse a concerné l’étude de l’influence du flux radiatif incident sur la dynamique de combustion de végétaux de litière et de végétaux de surface. Il a été mis en évidence que le flux radiatif incident ainsi que les caractéristiques physiques et géométriques des particules végétales ainsi que leur état (mort ou vivant) ont une influence nette sur le temps d’inflammation des combustibles. Concernant la puissance calorifique dégagée, pour des combustibles morts, la densité de flux incident a peu d’influence. En revanche, pour des combustibles vivants de type arbustifs, les flux radiatifs élevés entrainent une diminution de la puissance calorifique dégagée.

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Thèse de Thierry Marcelli : "Propagation de feux de forêt : Modélisation et étude expérimentale de la transition d'un feu de surface vers un feu de cime"

Ce travail porte sur la modélisation de la transition feu de surface - feu de cime. Pour cela, nous avons développé un modèle semi-physique de transition. Ce modèle est basé sur le modèle de propagation d'un feu de litière développé à l'Université de Corse ; ce modèle ne prenant pas en compte les éhanges vers une strate supérieure de combustible nous avons décidé d'utiliser une méthode d'amélioration basée sur la réduction de modèle complet, en particulier celui de l'IUSTI de Marseille. Cette réduction a fait appara^tre un terme d'échange entre la colonne chaude convective et le combustible de la strate supérieure, et a permis l'amélioration de notre modèle par l'ajout d'un terme supplémentaire représentant ces échanges. Afin d'évaluer ce terme, nous avons mis en place une campagne de mesure à l'échelle du laboratoire. Etant les preiers à effectuer ce genre d'expériences à l'Université de Corse, nous avons dû tout d'abord mettre au point un protocole afin d'accéder aux données caractéristiques du feu : température, vitesse de propagation. Les mesures de température ont été réalisées à l'aide de thermocouples, dans la zone de ombustion et de panache. Nous avons développé une méthode originale de compensation numérique de températuredans la zone de flammes, car les thermocouples utilisés ne donnent pas une bonne représentation des fluctuations de température. Cette compensation a permis de restituer la dynamiqu des phénomènes, et ainsi, à l'aide du calcul du temps de transit entre deux capteurs, de calculer la vitesse ascensionnelle des gaz de combustion. Une autre série d'expériences réalisée sur la transition a permis de calculer le terme d'échange afin d'effectuer des simulations de notre modèle. Les résultats obtenus sont encourageants, ils représentent bien les étapes et les tendances de la transition d'un feu de surface vers un feu de cime.

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Thèse de Basiliu Moretti : "Modélisation du comportement des feux de forêt pour des outils d'aide à la décision"

La modélisation de la propagation des feux de forêt est une matière complexe pouvant être abordée de différentes manières (approche physique, semi-physique, empirique). Nombre de simulateurs existent avec chacun leurs particularités, leurs avantages et leurs points faibles. Les travaux qui ont conduits à la rédaction de cette thèse visent à l’amélioration du modèle physique simplifié de propagation de Balbi et al, 2007 ainsi qu’à la pose des premières pierres visant à le faire évoluer vers un modèle de comportement du feu. Ils se sont articulés autour de 3 grands axes : Le premier est la modélisation de la propagation d’un feu de surface avec pour principal moteur le transfert de chaleur radiatif. Cette modélisation à conduit à réaliser des améliorations concernant la formulation de la vitesse à plat sans vent. Elle a enfin conduit à caractériser de deux critères d’extinction portant sur des valeurs critique de deux paramètres du combustible (l’indice de surface foliaire et de la teneur en eau du combustible). Le deuxième est la quantification de l’énergie rayonnée par le front de flamme. Cette quantification, a été réalisée en prenant pour hypothèse le modèle de flamme solide. Cette approche a conduit à l’obtention d’une relation analytique permettant l’évaluation des Distances de Sécurité Admissibles (DSA) dans un temps très restreint. Le troisième est l’étude de sensibilité des différents résultats obtenus afin de valider l’ensemble de ceux-ci et identifier l’influence relative des différents paramètres

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Thèse de Baha Nader : "Evaluation des simulations de feux de forêt"

L’évaluation de la performance de modèles est une étape fondamentale de leur développement et de leur amélioration. Le travail de recherche présenté dans ce manuscrit est consacré à l’évaluation des modèles de simulation de propagation des incendies des forêts. Une revue des travaux a montré que, si de nombreux éléments étaient disponibles, aucune solution normalisée et automatisable n’était proposée dans ce champ applicatif. Une solution à ce
problème est proposée en déclinant une approche formelle développée dans le cadre de la théorie de la modélisation et de la simulation. Cette étape a permis de déterminer conceptuellement quels composants devaient être développés et comment les interconnecter.
La réalisation de ce cadre a requis premièrement la normalisation de données disponibles pour les incendies de forêts, aucun standard de fichier ni même de nomenclature n’étant disponible et/ou utilisé par les modélisateurs ou ingénieurs (observations ou simulation). Un ensemble de noms, notations et formats d’encodage des données dans un conteneur NetCDF a pour cela été proposé.
Une seconde étape a consisté à déterminer les métriques nécessaires pour quantifier les erreurs de simulation (score de simulation). Si quatre méthodes standard ont pu être identifiées dans la littérature, nous avons pu montrer qu’elles se limitaient à la comparaison à un instant donné, ne pouvant donc rendre compte de la performance de la dynamique d’une simulation incendie. Cette problématique a été traitée en proposant deux nouvelles méthodes de calcul de score spécifiques. Ces différentes méthodes d’évaluation ont été implantées au sein d’une bibliothèque de calcul.
Enfin, la réalisation d’une évaluation de modèles a été réalisée à l’aide d’une implantation du cadre défini précédemment. Cette évaluation a consisté à confronter quatre formulations de modèles de vitesse de front de flammes effectuées sur 80 simulations d’incendies réels de manière complètement automatique. L’automatisation et le non-ajustement de paramètres ont ainsi permis de se rapprocher au plus près du contexte opérationnel où peu d’informations locales sont disponibles, peu de temps après l’alerte de l’éclosion d’un incendie. Les résultats ont démontré que cette approche est de nature à laisser apparaître une hiérarchie des performances de paramétrisation ou de formulation relativement à une autre, sans toutefois être en mesure de donner une mesure absolue et objective de l’erreur modèle. 

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Thèse d'Elodie Romagnoli : "Dynamique de combustion des végétaux et analyse des fumées émises : effets de l’échelle et du système"

Les incendies de végétation sont caractérisés par de nombreuses échelles de temps et d’espace. Une approche multi-physique et multi-échelle est donc nécessaire pour aborder la complexité de ces phénomènes. Ce travail de thèse est une contribution expérimentale à l’étude des effets d’échelle et du système sur la dynamique de combustion des végétaux et les fumées émises. Notre objectif principal a été de déterminer quels protocoles expérimentaux et plus particulièrement quelles échelles permettent de caractériser au mieux la combustion des végétaux en laboratoire. Nous avons ainsi étudié le comportement au feu des aiguilles de deux espèces de pin représentatives de l’écosystème méditerranéen, Pinus pinaster et Pinus laricio. Les litières d’aiguilles de pin représentent un enjeu important car elles entretiennent la propagation des incendies et elles participent à la transition d’un feu de surface à un feu total.
Trois configurations expérimentales ont été étudiées au cours de cette thèse, l’échelle du cône calorimètre, l’échelle du grand calorimètre ou LSHR (permettant la combustion statique de masses plus importantes que le cône) et enfin, la propagation dans le LSHR permettant d’étudier l’effet du système sur la dynamique de la combustion et sur la production des fumées. Pour comparer ces trois configurations les protocoles expérimentaux ont été adaptés tout en maintenant la charge de combustible. Différents paramètres ont été étudiés pour analyser la dynamique de combustion tels que l’efficacité de la combustion, l’énergie dégagée ou encore la vitesse de perte de masse. La production des fumées a été étudiée par la mesure du coefficient d’extinction qui caractérise leur opacité et permet d’obtenir le facteur d’émission des suies. Les facteurs d’émissions des principaux composés émis lors de la combustion de ces deux types d’aiguilles de pin ont été mesurés en continu à partir d’un analyseur Infrarouge à Transformée de Fourier et d’un analyseur Infrarouge Non Dispersif. Des analyses par chromatographie en phase gazeuse couplée à un détecteur à ionisation de flamme et un spectromètre de masse nous ont permis de compléter ces mesures. Un bilan
massique de carbone a également été réalisé afin de quantifier le carbone total mesuré dans nos analyses. Les principales contributions de notre travail sont les suivantes : l’étude du comportement au feu des aiguilles de P. pinaster a révélé des différences importantes pour la puissance dégagée aux échelles du cône calorimètre et du LSHR. En revanche, le système de combustion (propagation) n’influence pas cette grandeur. L’efficacité de la combustion est
apparue peu dépendante de l’échelle et du système de combustion. Nous avons observé une influence de l’échelle de combustion sur la production totale des fumées (RSR) et sur le facteur d’émission des suies. Nous avons également montré que le système de combustion (la propagation) influence la dynamique et la valeur des facteurs d’émission de dioxyde et de monoxyde de carbone, composés majoritairement émis par ces combustions. Une influence de l’échelle et du système est également à noter sur les facteurs d’émissions des composés azotés et des COV émis pour les trois configurations expérimentales. Nous avons attribué les différences observées aux valeurs de températures des fumées. Enfin, une influence de la géométrie des particules a été mise en évidence par comparaison des combustions réalisées avec le cône calorimètre et le LSHR pour les deux types d’aiguilles de pin. La dynamique de combustion des aiguilles de Pinus laricio est moins affectée par le changement d’échelle que celle des aiguilles de Pinus pinaster (plus faible variation de la puissance de combustion). Nous avons également observé que les aiguilles de Pinus laricio, thermiquement plus fines que les aiguilles de Pinus pinaster présentent une valeur plus faible pour le facteur d’émission des suies.

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Thèse de Virginie Tihay : "Contribution expérimentale et théorique pour la modélisation de la combustion dans les feux de forêt"

Cette étude présente une analyse du comportement au feu de différentes espèces végétales. Elle a pour but de définir le rôle des propriétés des végétaux sur leur combustion et de proposer un modèle d’oxydation en phase gazeuse suffisamment simple pour servir de point de départ à un modèle de propagation. Les espèces végétales sont broyées pour limiter l’influence du rapport surface-volume sur leur comportement au feu. La combustion de ces broyats engendre des flammes laminaires. L’ étude expérimentale comprend la caractérisation des propriétés thermophysiques et physico-chimiques des combustibles, l’analyse des gaz de dégradation et la détermination du comportement des phases solide et gazeuse et de leur couplage. Dans l’étude numérique, différents mécanismes squelettiques et globaux sont testés afin de définir un modèle simple d’oxydation des gaz de dégradation. Ce modèle est appliqué aux flammes de combustibles végétaux.

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Thèse de Tom Toulouse : "Estimation par stéréovision multimodale de caractéristiques géométriques d'un feu de végétation en propagation"

Les travaux menés dans cette thèse concernent le développement d’un dispositif de vision permettant l’estimation de caractéristiques géométriques d’un feu de végétation en propagation. Ce dispositif est composé de plusieurs systèmes de stéréovision multimodaux générant des paires d’images stéréoscopiques à partir desquelles des points tridimensionnels sont calculés et les caractéristiques géométriques de feu tels que sa position, vitesse, hauteur, profondeur, inclinaison, surface et volume sont estimées.
La première contribution importante de cette thèse est la détection de pixels de feu de végétation. Tous les algorithmes de détection de pixels de feu de la littérature ainsi que ceux développés dans le cadre de cette thèse ont été évalués sur une base de 500 images de feux de végétation acquises dans le domaine du visible et caractérisées en fonction des propriétés du feu dans l’image (couleur, fumée, luminosité). Cinq algorithmes de détection de pixels de feu de végétation basés sur la fusion de données issues d’images acquises dans le domaine du visible et du proche-infrarouge ont également été développés et évalués sur une autre base de données composée de 100 images multimodales caractérisées.
La deuxième contribution importante de cette thèse concerne l’utilisation de méthodes de fusion d’images pour l’optimisation des points appariés entre les images multimodales stéréoscopiques.
La troisième contribution importante de cette thèse est l’estimation des caractéristiques géométriques de feu à partir de points tridimensionnels obtenus depuis plusieurs paires d’images stéréoscopiques et recalés à l’aide de relevés GPS et d’inclinaison de tous les dispositifs de vision.
Le dispositif d’estimation de caractéristiques géométriques à partir de systèmes de stéréovision a été évalué sur des objets rigides de dimensions connues et a permis d’obtenir les informations souhaitées avec une bonne précision. Les résultats des données obtenues pour des feux de végétation en propagation sont aussi présentés.

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Thèse d'Albert Simeoni : "Propagation des feux de forêt : Amélioration des modèles demi-physiques à l'aide de l'approche multiphasique" 

Le but à long terme de notre équipe de recherche (équipe incendie de l'UMR CNRS 6134 – SPE) est de proposer un simulateur de feux de forêt qui puisse servir d’outil à la fois pour l’aide à la décision lors de la lutte contre les incendies et pour la gestion des milieux boisés. Dans cette optique, nous avons défini un modèle simple que nous avons qualifié de semi-physique car il traite le problème de la propagation des feux sous un angle plus physique que les modèles semiempiriques, mais ses paramètres sont identifiés de manière dynamique. Ce modèle a permis, dans un premier temps, de prédire le développement de feux de laboratoires au travers de litières d'aiguilles de pin, à la fois pour des pentes fortes et des vents faibles. Cependant, il n’est pas parvenu à représenter correctement le comportement de feux soumis à des vents forts. Nous avons donc éprouvé le besoin de le faire évoluer afin de prendre en compte des phénomènes physiques que nous avions négligés auparavant, et en premier lieu les effets convectifs. Afin de mettre en place une méthode d’amélioration du modèle, nous nous sommes inspirés d’un des modèles les plus complets disponibles à ce jour, c'est à dire du modèle multiphasique de l’IUSTI de Marseille. En effet, ce modèle prend en compte de manière détaillée l'ensemble des phénomènes physiques impliqués dans la propagation. Notre démarche a donc consisté à réduire le modèle multiphasique afin de lui donner une expression proche de celle du modèle semi-physique, notamment grâce à l’hypothèse de l’équilibre thermique entre les phases solide et gazeuse. Ceci afin d’en extraire l'information qui nous manquait pour proposer une amélioration de notre modèle. Nous avons appliqué cette méthode à la prise en compte des effets de vent, ce qui nous a conduit à ajouter un terme de convection dans l’équation d’énergie de notre modèle et à définir un sous-modèle de vent local pour décrire la variation de la vitesse des gaz dans la zone de combustion. 
Les résultats obtenus sont encourageants, dans le sens où ils permettent une amélioration notable des prédiction des vitesses de propagation du front de feu et la prise en compte d’effets négligés jusqu’à présent, comme l’aspiration des gaz frais par la zone de combustion. Par ailleurs, la méthode théorique d’amélioration des modèles semi-physiques que nous proposons pourra s’appliquer, au delà de notre simple modèle, à d’autres modèles du même type, voire à la création de nouveaux modèles dévolus aux simulateurs de feux de forêt.

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Thèse de Valérie Leroy : "Contribution à la modélisation les feux de forêt : Cinétique de dégradation thermique et Cinétique de combustion des végétaux"

Les travaux de modélisation des feux de forêts menés sur le plan international montrent que la problématique liée à la chimie des végétaux en condition de feu était mal connue. L’objectif de cette thèse était donc d’apporter une contribution à la compréhension de :

  • la cinétique de dégradation thermique des végétaux,
  • la cinétique de combustion des gaz émis lors de la pyrolyse.

La dégradation thermique de végétaux méditerranéens a été étudiée par thermogravimétrie. L’utilisation d’une méthode cinétique hybride a apporté des connaissances sur la quantification de la perte de masse et le modèle cinétique de dégradation thermique des combustibles. D’autre part, la combustion d’un mélange CH4/CO/CO2 a été étudiée dans un réacteur auto-agité par jets gazeux. Nous avons développé, dans un premier temps, un mécanisme squelettique à partir d’un mécanisme cinétique détaillé connu traduisant l’oxydation du méthane. Puis, l’application de l’AEQS a abouti à un mécanisme réduit comprenant 4 réactions globales. Ce mécanisme réduit peut désormais être introduit dans un code de simulation plus vaste d’écoulement réactif.

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Page mise à jour le 29/05/2017 par Lucile Rossi-Tison