Modélisation du comportement et impacts du feu

Le groupe Modélisation du comportement et impacts du feu est constitué d’un professeur Emérite en physique, Jacques-Henri Balbi, de deux maîtres de conférences en physique (62è section), Jean Louis Rossi et Thierry Marcelli et d’un maître de conférences en mathématiques appliquées (26è section), François Joseph Chatelon.

Les travaux du groupe consistent en la création de modèles physiques simplifiés dont la principale caractéristique est le temps de calcul extrêmement rapide (plus rapide que le temps réel) tout en prenant en compte un maximum de phénomènes physiques.

Ainsi, ces modèles (de propagation, de flamme, de calcul de distances de sécurité etc.) peuvent être facilement intégrés dans divers outils (simulateur, logiciels sur tablette ou smartphone) susceptibles d’être utilisés en situation opérationnelle.

C’est la thématique historique du groupe. En 2007 a vu le jour la première version du modèle de propagation de feu de surface. Le modèle ne prenait en compte que le rayonnement comme mode de transfert de chaleur. En 2010, le modèle a été amélioré avec une meilleure prise en compte des cas où direction du vent et pente du terrain ne sont pas parallèles. 

De nouvelles améliorations ont été apportées depuis. Citons par exemple, la suppression des paramètres de modèle non universels, une meilleure prise en compte de la vitesse du front arrière ou bien encore la définition d’un sous-modèle de hauteur de flamme.

La prise en compte des effets convectifs est une piste de recherche débutée en 2010. Ces travaux débouchent sur un nouveau modèle de propagation purement convectif testé dans des cas très particuliers de strates végétales (strates bien ordonnées et orientées verticalement) et ainsi sur l’intégration de ce modèle convectif dans le modèle radiatif pour obtenir un modèle complet utilisable sur n’importe quel lit végétal et à n’importe quelle échelle.

L’objectif est d’obtenir un modèle de comportement du feu avec la connaissance, outre la vitesse de propagation, des caractéristiques physiques du front de flamme (angle d’inclinaison, longueur, hauteur, température etc.).

Les résultats donnés par les codes numériques réalisés en interne sont comparés à ceux fournis par d’autres codes CFD du type FireStar ou WFDS.

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Cette thématique concerne la connaissance de la vitesse de propagation à plat sans vent et les effets de certains paramètres sur la non propagation d’un incendie. Par exemple, les effets de la teneur en eau du végétal sur la propagation ne sont que partiellement bien cernés. Aussi, un des objectifs serait de dégager un seuil critique de la teneur en eau en fonction de la surface foliaire permettrait une avancée intéressante dans le domaine des feux de forêt.

Une collaboration scientifique avec l’Université Aix-Marseille a été engagée afin de mettre en synergie des chercheurs travaillant jusqu’ici sur des domaines connexes.

Les feux dits « éruptifs » sont une des causes majeures de pertes humaines dans la lutte contre les incendies. Ils se traduisent par une accélération très importante du déplacement du front de flamme de manière imprévisible. La Corse, tout comme le Portugal, l’Espagne, la Croatie ou encore les Etats Unis, a connu un tragique accident en 2000 avec la mort de deux pompiers sur la commune de Palasca (en Balagne), lorsqu’un pan entier de montagne s’était embrasé subitement.

Notre travail porte sur deux aspects : l’explication du phénomène et la prévision de son déclenchement.

Notre explication du phénomène suit l’interprétation qui en a été donnée à l’université de Coimbra, à savoir un phénomène de feedback dû au flux convectif induit par la flamme. Si dans la majorité des cas, ce feedback s’équilibre, il se peut que cela ne soit pas le cas et on assiste alors à une accélération de la vitesse de propagation qui entraîne un changement de comportement du feu. La question est alors de connaître les conditions qui entraînent ce déséquilibre et ainsi le déclenchement de l’éruption.

Nous donnons tout d’abord une condition de danger qui suivant les caractéristiques de la végétation, de la pente du terrain et du front de flammes permet de savoir si le danger d’éruption existe. Puis lorsque cette condition est vérifiée, le code numérique permet de déterminer l’angle de pente pour lequel l’éruption se produira.

L’objet de cette thématique est d’évaluer de manière rigoureuse les distances de sécurité entre un front de flammes et une cible donnée. Dans un premier temps, une étude a été menée lorsque la cible est un pompier équipé avec du matériel de lutte incendie. Cette étude a débouché sur un modèle analytique de distances de sécurité qui, couplé au modèle de comportement du feu, a permis la création de DIMZAL, un logiciel de dimensionnement de zones d’appui à la lutte utilisable sur tablette ou smartphone. Ce logiciel permet une vérification de la valeur de ces distances qui étaient évaluées soit de manière empirique, soit à dire d’expert. Au niveau de l’aménagement du territoire, l’outil permettrait d’identifier les zones « à risques », de positionner et dimensionner des ouvrages permettant de réduire l’intensité du feu lors d’une propagation ou le repli des opérationnels sur des zones sécurisées.

Dans un second temps, notre travail porte sur la quantification de l’impact du feu sur une cible autre qu’un pompier en situation de lutte. Cela peut être un bâtiment pour une étude sur l’interface forêt/habitat. Connaître cette quantité de chaleur impactant une habitation permettrait de quantifier la végétation qui doit être débroussaillée autour des habitations comme l’impose la réglementation en vigueur. L’intérêt de ce travail se retrouve aussi au niveau économique.

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L'objet de cette étude, réalisée en collaboration avec nos collègues chimistes, est la détermination des paramètres cinétiques de dégradation thermique pour des végétaux constitutifs du couvert végétal Méditerranéen (Erica arborea, Cistus Monspeliensis, Arbustus unedo, Pinus Pinaster).

Pour cela, une méthode cinétique innovante dite hybride fut dévelopée au laboratoire. Cette méthode repose sur l'identification et l'individualisation des pics exothermiques enregistrés grâce à des analyses d'échantillons du végétal en utilisant la méthode de calorimétrie différentielle à balayage (DSC) par deux séparations de processus distincts. La première séparation est purement expérimentale et l'autre est numérique. Cette dernière permet d'isoler les courbes et d'en donner une expression mathématique. Grâce à ces expressions analytiques, il est alors possible de calculer les énergies d'activation des réactions correspondantes.

De plus, une autre partie de l'étude consiste en la donnée d'une cinétique globale simplifiée pour la dégradation de différentes espèces typiques de la végétation de Méditerranée avec comme objectif final de pouvoir l'intégrer dans un simulateur de propagation d'incendie. Nous proposons une modélisation capable de donner les expressions analytiques des températures des solides en fonction du degré d'avancement des réactions.