Transcript vantelon - Laboratoire SPE

ETUDE THERMO-AERAULIQUE DES
ECOULEMENTS DE FUMEE EN PRESENCE
D’UN INCENDIE DANS UN TUNNEL VENTILE
LONGITUDINALEMENT
Stéphane GAILLOT - Dominique BLAY - Jean-Pierre VANTELON
Contexte de l’étude
Contexte de l’étude
• Etude des phénomènes ayant lieu lors d’un incendie en tunnel
lorsque celui-ci est doté d’un système de ventilation longitudinal.
Extensibilité à tout tunnel ferroviaire, ou routier (de faible
longueur).
• Positionnement de l’étude dans le cadre général des études menées
par d’autres instituts et laboratoires (CSTB, CETU,
SCETAUROUTE… ).
Contexte de l’étude
• Caractérisation de l’écoulement généré par le couplage
incendie/ventilation longitudinale, au moyen d’une métrologie
adaptée, suivant trois aspects:
- Thermique
- Géométrique
- Dynamique
• Modélisation numérique du phénomène ( suivant des
conditions similaires à celles de tests en maquette ) à l’aide du
code commercial FLUENT.
• Analyse des mesures et comparaison.
Développement du panache thermique issu d’un
incendie en tunnel
Critère de stratification
Maquette à échelle réduite en similitude
• - Similitude type Froude
• - Respect du nombre de Richardson
 L
Ri 
g 2
 u

• avec

 préservé
• - Nombre de Reynolds de valeur compatible
uL
Re 

Schéma du dispositif expérimental
Brûleur à butane:
Diamètre 7,5 cm
Surface poreuse
Flamme de diffusion
température: environ 1200°C
température de référence ?
• Thermocouples sur la face extérieure de la coque :
-75
-60
-45
-30 -15
30°
0 10 20 30 40
55
70
cm
Etude expérimentale
• Description
• Thermocouples sur la face extérieure de la coque
Deux sondes:
• 4 thermocouples en amont
• 5 thermocouples en aval
• Déplacement autonome sur
deux axes du plan médian
Thermocouples:
Type K (Chromel-Alumel)
Diamètre 25μm
Etude expérimentale
• Description
• Thermocouples sur sondes mobiles
Etude expérimentale
• Description
• Modularité de la maquette pour la mesure de vitesse par LDV
Etude expérimentale
• Résultats
Dispositif
Mise en évidence de la couche
de retour par éclairement
Lentille de dispersion
Mesure de Tap et de Trmax
- Transposition en profils de température suivant la hauteur
Profils de température en fonction de la heuteur z
en amont du foyer
z (m)
( P=1000 W Ud=0,26 m/s )
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
x=- 15 mm
x=-215 mm
x=-415 mm
x=-715 mm
0,02
0
295
345
395
445
T (K)
x=-115 mm
x=-305 mm
x=-615 mm
495
545
Etude expérimentale
• Résultats
Anémométrie laser Doppler
- Détermination de la composante longitudinale de la vitesse
dans la couche de retour et la zone aval.
z (mm)
Ux(z) x=-225 mm
( P=1000 W Ud=0,38m/s )
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
-0,4
-0,2
0
0,2
Ux (m/s)
0,4
0,6
Etude numérique
Code de calcul FLUENT
- Modèle de turbulence k-ε standard.
- Modèle de combustion PDF.
Simulations basées sur les conditions limites des essais en maquette.
- Condition de vitesse en sortie (aspiration) et de pression en entrée.
- Injection d’un débit massique de butane équivalant à l’injection
réelle pour la puissance voulue.
- Simulation d’une paroi isolante par condition d’adiabaticité.
Etude numérique
Ex: P=1000 W , ud=0,38 m.s-1
Longueur de couche de retour:
- expé. Lc=1,07 m
- num. Lc=1 m
Température max (flamme) : Tmax =1440 K
Hauteur z
(m)
ux (z) à 225 mm du foyer
P=1000 W ud=0,38 m.s-1
0,18
0,16
Expérimental
Numérique
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
-0,4
-0,2
0
0,2
ux (m/s)
0,4
0,6
Température adimensionnée sous le plafond
T*
0,38
Num
0,36
Exp
0,34
0,32
0,3
0,28
0,26
0,24
0,22
0,2
-1
-0,5
0
0,5
1
Distance au foyer (m)
Profil de température à x=-215 mm
z (m)
0,18
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
Num
0,04
Exp
0,02
0
290
340
390
440
490
T (K)
540
590
640
690
P=1000 W Ud=0,30 m/s
- Cartographie thermique des plans scrutés
Critère de stratification
Origine:
Observation de deux paramètres, par Newman (1984), suite à une
étude de stratification des fumées en maquette:
Tc  T f
Tcf Tc  T f
et
S

Tavg  T0
Tc 0 Tc  T0
y/
h1
0
Tf Tavg
Tc
T(K)
Repris par Xue et al. (1994), puis par Bernardo et al.(1997).
Ils utilisent des températures relevées plus près des parois
Critère de stratification
Les conditions optimales de stratification (thermique) doivent
se rencontrer alors lorsque S et
Tcf
Tc 0
sont tous les deux maximum.
Question: « stratification » veut-il dire que la zone inférieure est
tenable thermiquement ?
Critère de stratification
L’évolution de
Tcf
Tc 0
•
•
en fonction de S révèle deux zones distinctes :
Tcf
Tc 0
Tcf
Tc 0
=1
pour S < 1,7
= 0,67 S0,77 pour S > 1,7
Critère de stratification
Cette évolution est en fait représentative d’un « contraste » entre les
deux zones :
- les fumées chaudes en partie haute,
- l’air « frais » en partie basse.
S est caractéristique de la position du maximum de température dans
le profil, mais ne tient pas compte de la température absolue atteinte,
seulement de l’écart relatif avec la température moyenne.
0
x
S<0 S>0
S
Smax
0 (le mélange entraîne Tc ≈ Tf)
Critère de stratification
De même,
Tcf
Tc 0
suit la même évolution que S, mais borné à 1
en limite supérieure, lorsque Tf = T0 (uniquement sous la couche de
retour), ce qui caractérise le maximum de stratification.
Tcf
S
Tc 0
4
1
2
0,5
0
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0
1,2
-2
-0,5
-4
-1
-6
-1,5
-8
-2
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
« Stratification » et « tenabilité »
Exemple:
Pour une puissance de 1000W et 3 vitesses de ventilation (0,26 ; 0,35 ;
0,57 ms-1), on observe S (rouge), Tcf (vert) et une isotherme de
Tc 0
«tenabilité» fixée à 50°C.
0,26 ms-1
..
0,35 ms-1
..
0,57 ms-1
..
« Stratification » et « tenabilité »
0,26 ms-1
0,35 ms-1
0,57 ms-1