Approche multi-phasique de la dégradation de matériaux solides | Projet Feux | Università di Corsica Pasquale Paoli

Dans cette catégorie : Effet des brulages dirigés sur les écosystèmes à Pinus laricio - Outils pluridisciplinaires | Caractérisation des fumées | Modélisation du comportement et impacts du feu | Mesure par vision des caractéristiques géométriques des feux | Comportement au feu des végétaux et modèle détaillé d'incendie | Simulation des incendies de végétation à l'échelle de la vallée |

Notre groupe est constitué de 3 Maîtres de Conférences en Chimie Physique (31eme section), Dominique Cancellieri, Valérie Leroy-Cancellieri et Eric Leoni.

Nos travaux sont à la fois expérimentaux et numériques, attestant leur caractère interdisciplinaire. Cette double expertise nous permet de répondre aux questions opérationnelles à partir d’une meilleure connaissance des feux. Nos recherches sont dictées par la volonté de répondre :

• aux attentes concrètes des modélisateurs pour une caractérisation robuste des termes sources.

• aux préoccupations environnementales d’actualités concernant les émissions et la dispersion des polluants.

Dans sa globalité la propagation d’un feu est un phénomène multi-phasique, pour rendre compte de cette complexité nous travaillons en parallèle sur :

la caractérisation de la dégradation thermique de combustibles solides
la mécanistique réactionnelle de la phase gazeuse.

Ces études présentent conjointement un caractère expérimental et numérique.

Caractérisation thermochimique de la dégradation de matériaux solides

Afin de mieux définir le processus thermochimique qui consiste à dégrader un combustible végétal en combustible gazeux qui alimente la flamme, nous mettons en œuvre des expériences en analyse enthalpique différentielle (DSC) et en thermogravimétrie (ATG). Ces expériences sont réalisées sur diverses espèces représentatives du couvert végétal méditerranéen. L’utilisation combinée de différentes techniques d’analyse thermique nous permet de définir avec exactitude les réactions mises en jeu tout au long de la dégradation. Nous travaillons sur une large gamme de température, avec d’importantes vitesses de chauffe (au regard des applications couramment étudiées en analyse thermique) et sous différentes atmosphères environnantes.

Une fois les réactions clairement identifiées, l’exploitation des données expérimentales nous permettent d’élaborer de modèles cinétiques. Cette modélisation paramétrique est réalisée grâce à une méthode que nous avons créée et baptisée Méthode Cinétique Hybride. L’application de cette méthode conduit à la détermination des constantes de vitesse de chaque réaction suivant une loi d’Arrhenius dont les paramètres (modèle de la réaction, énergie d’activation et facteur pré-exponentiel) sont également calculés.

Thermogramme de perte de masse confrontant les données expérimentales (symboles) à la modélisation (trait) à différentes vitesses de chauffe.

Quantification et modélisation des émissions gazeuses

Les feux de forêt constituent une perturbation majeure pour l’écosystème naturel et contribuent à l’augmentation des gaz atmosphériques responsables des changements climatiques. Afin de décrire l’impact d’un feu sur l’environnement et plus particulièrement sur l’atmosphère et pour modéliser ses émissions, il est nécessaire de comprendre les processus impliqués dans la combustion des végétaux.

Pour cela, nous avons expérimenté l’oxydation d’un mélange pyrolytique gazeux en réacteur auto-agité par jets gazeux. Ces expériences ont été réalisés à l’Institut P’ de Poitiers. Les données de fractions molaires obtenues ont été confrontées aux résultats de simulation du code Chemkin®.

Lors du traitement numérique, une méthode de réduction dite « chimique » a été appliquée afin de proposer un mécanisme squelettique de 49 réactions élémentaires puis un mécanisme réduit à 4 équations globales.

A l’issu de ce premier travail, nous souhaitions fournir une cinétique chimique utile pour des modèles de combustion turbulente, tout en préservant dans ces modèles les marqueurs atmosphériques nécessaire à l’étude des émissions atmosphériques. En collaboration avec le laboratoire Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion - EM2C - nous avons alors proposé un mécanisme global de combustion.

Mécanisme global de combustion d’un mélange de gaz pyrolytique

Diagnostiques expérimentaux et traitement numérique de la dégradation de végétaux à l’échelle du terrain

La dépendance d’échelle est au cœur de la problématique et nous devons confronter les données calculées aux mesures réalisées en conditions réelles.

Pour y parvenir, nous avons dû créer des outils spécifiquement dédiés aux mesures sur le terrain. Ainsi, la perte de masse de végétaux soumis à front de feu est mesurée grâce à un dispositif, conçu par nos soins, et qui permet l’enregistrement simultané de 3 profils de perte de masse et de température.

Dispositif de perte de masse différentielle

Nous travaillions avec les institutions en charge de la lutte et de l’aménagement du territoire (Conseils Généraux, Office National des Forêt, SDIS) afin de réaliser des brûlages expérimentés et d’éprouver nos instruments de mesure en conditions réelles.

Les données recueillies sur le terrain sont ensuite confrontées aux mesures réalisées en laboratoire.

Pour le contrôle de la qualité de l’air pendant le déroulement de l’incendie et une estimation du bilan carbone de ces événements il apparaît de plus en plus nécessaire de qualifier et quantifier les panaches gazeux émis. Toujours dans l’optique de faire évoluer nos études vers des feux réels dits de terrain du point de vue expérimental comme numérique, nous avons fait l’acquisition d’un analyseur Infra-Rouge à Transformé de Fourier qui permet de quantifier en temps réel et au plus près du front de feu, le panache gazeux émis.

Analyseur IRTF en situation et mesures de gaz réalisées

Compétences - Expertise

Sur l’ensemble de nos recherches nous avons acquis de nombreuses compétences dans le domaine analytique et thermique :

Analyse Calorimétrique (Differential Scanning Calorimetry : DSC)
Analyse ThermoGravimétrique (ATG)
Spectroscopie Infra-Rouge à Transformée de Fourier (IRTF)
Chromatographie en Phase Gazeuse (CPG),
Chromatographie Liquide Haute Performance (CLHP)
Réacteur auto-agité par jets gazeux (Perfectly Stirred Reactor : PSR).

Collaborations scientifiques nationales

Institut PPrime (Poitiers)
Institut de Combustion, Aérothermique, Réactivité et Environnement (Orléans)
Laboratoire d’Aérologie (Toulouse).
Laboratoire Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion (Châtenay-Malabry)
Laboratoire de Physico-Chimie des Processus de Combustion et de l'Atmosphère (Lille)
Laboratoire Physico-Chimie pour l’Atmosphère (Dunkerque)

Collaborations scientifiques internationales

Department of Physical and Computational Mechanics, Université d’Etat de Tomsk
Department of Physical and Computational Mechanics, Université d’Etat de Tomsk (Russie).
BRE Centre for Fire Safety Engineering, Université d’Edinburgh, (Grande-Bretagne).
Department of Fire Protection Engineering, Worcester Polytechnic Institute (Massachusetts, USA).
Institute of Biometeorology, CNR-IBIMET, (Sassari, Italie)

Valorisation scientifique – Transfert technologique

L’aboutissement de nos recherches en modélisation ont permis la création d’un outil logiciel pour le traitement numérique de la dégradation de matériaux solides. Ce logiciel, WinGpyro^®, est dédié à la modélisation des mécanismes impliqués dans la dégradation thermique de combustibles solides.

Page mise à jour le 08/06/2017 par VALERIE CANCELLIERI