Simulation 3D d’incendie d’alcool : méthode

Par Bertrand GAZANION
Ingénieur Projets GANTHA
b.gazanion@gantha.com

Introduction

Cet article est le premier d’une série de deux articles sur la simulation 3D des incendies industriels. Il est consacré aux méthodes de simulation utilisées par la société GANTHA. Le second article, présentant un cas d’application, est disponible ici : application.

La société GANTHA accompagne des industries classées (ICPE) dont les activités nécessitent une évaluation du risque incendie. Les domaines concernés sont vastes car le risque d’incendie est toujours présent, et doit être pris en compte quand de grandes quantités de matériaux inflammables sont stockées. Ainsi, GANTHA intervient dans des secteurs industriels aussi variés que la pharmacie, l’agro-alimentaire et les spiritueux. Le domaine des spiritueux est notamment remarquable car les sites sont souvent implantés au cœur de zones habitées, pour des raisons historiques, alors que les alcools forts (de 40° à 90°) qui y sont produits sont inflammables.

Un incendie industriel peut représenter plusieurs dangers, parmi lesquels trois dont la société GANTHA peut évaluer les effets  :

  • toxicité : les substances gazeuses et particulaires présentes dans la fumée, rejetées dans l’air et dispersées par le vent représentent un danger pour la santé des personnes sur le site ou dans le voisinage.
  • visibilité : les fumées limitent la visibilité, ce qui représente un danger pour l’évacuation du site et l’intervention des secours, ou pour les usagers des axes de transport.
  • rayonnement : les flammes de l’incendie émettent un rayonnement thermique intense qui représente un danger pour les personnes sur le site ou dans son voisinage, pour les secours, ainsi que pour les structures.

 

Principe de la simulation numérique du rayonnement

L’approche utilisée par la société GANTHA consiste à simuler numériquement en 3D la propagation du rayonnement émis par la flamme. Cela permet de déterminer l’impact de ce rayonnement dans l’espace et sur les cibles en prenant en compte les obstacles et l’atténuation par l’air.

La flamme et son rayonnement dépendent de plusieurs facteurs, comme la nature, la quantité et la disposition des combustibles. La détermination de la flamme est une étape importante, et pour laquelle la société GANTHA dispose de deux méthodes.

  • Méthode de la flamme solide : la flamme et ses caractéristiques sont modélisées en utilisant une approche basée sur des lois théoriques et des corrélations. Cette méthode est privilégiée pour l’incendie de multiples stockages incluant des solides.
  • Méthode de la flamme réelle : la flamme est le résultat d’une simulation numérique 3D de la combustion. Cette méthode est privilégiée pour l’incendie de nappes de combustibles liquides, comme des alcools ou des hydrocarbures.

La simulation du rayonnement utilise une approche de lancer de photons basée sur une méthode type Monte-Carlo. Elle prend en compte le fait qu’une partie du rayonnement est absorbé par l’air entre la flamme et la cible. Cette méthode permet également de prendre en compte les obstacles, comme par exemples les murs coupe-feu.

 

Méthode de la flamme solide

La méthode de la flamme solide consiste à modéliser la flamme par une volume géométrique simple (parallélépipède rectangle) émettant un rayonnement thermique uniforme. Pour plus de détails sur cette méthode, on pourra se référer aux rapports techniques du référentiel Ω-2, notamment le rapport Modélisations de feux industriels de 2014.

La source de rayonnement est définie par trois caractéristiques : base, hauteur, et puissance rayonnée. La hauteur de la flamme solide est calculée grâce à la corrélation de Thomas.

La hauteur de la flamme dépend de la vitesse de combustion du mélange des combustibles, qui est une caractéristique physique déterminante et calculée à partir des vitesses de combustion individuelles des combustibles. Quelques exemples de vitesses de combustion sont données ci-dessous à titre d’exemple (source : Ω-2 Modélisations de feux industriels).

Nom Débit massique surfacique de combustion (kg.m-2.s-1)
PVC 0,015
Carton 0,017
Pneu 0,021

La puissance totale de la flamme dépend de la masse et du pouvoir calorifique de chacun des combustibles, ainsi que du rendement de la combustion. Le tableau ci-dessous donne quelques exemples de valeurs de pouvoir calorifique (source : Ω-2 Modélisations de feux industriels).

Nom Pouvoir calorifique (MJ/kg)
Pain 10
Bois 18
Polyéthylène 33,9 – 46

La puissance rayonnée représente une fraction de la puissance totale de la flamme. Cette fraction, appelée fraction radiative, dépend principalement du diamètre équivalent de la flamme. La tendance générale est que plus une flamme a un faible diamètre équivalent, et plus sa fraction radiative est élevée. Par exemple, pour un feu d’hydrocarbure, les valeurs de fraction radiative vont classiquement de 5 % pour une flamme de 50 m de diamètre équivalent à 50 % pour une flamme de faible diamètre équivalent.

Enfin, la base de la flamme solide est un forme géométrique simple recouvrant la surface au sol incendiée.

Flamme solide modélisée

 

Méthode de la flamme réelle

Dans la réalité, la flamme observée résulte de la réaction de combustion d’une espèce inflammable avec l’oxygène de l’air ambiant. Dans le cas de l’incendie d’une nappe de combustible liquide, la combustion se produit en surface de la nappe. La méthode dite de la flamme réelle consiste à simuler cette combustion, l’énergie qu’elle dégage et les mouvements d’air qu’elle provoque. Ainsi, la flamme simulée est représentative de la réalité. Détaillons cette méthode pour le cas d’un incendie d’alcool. Dans ce cas, la combustion de l’éthanol présent dans l’alcool obéit à la réaction chimique suivante :

C2H6O + 3 O2 = 2 CO2 + 3 H2O

Le débit de combustion de l’éthanol dépend principalement de la teneur en éthanol dans l’alcool, ainsi que de la surface incendiée. L’approvisionnement de l’incendie en oxygène n’est pas un facteur limitant car les murs n’empêchent pas l’air frais d’arriver. Une étude réalisée conjointement avec le BNIC (Bureau National Interprofessionnel du Cognac) a permis de déterminer des corrélations pour ce débit de combustion. Elle a également apporté une validation de la méthode de simulation présentée.

Cette méthode est également applicable à l’incendie d’autres liquides inflammables comme des hydrocarbures. Tout ce qu’elle nécessite est de connaître la formule de la réaction de combustion ainsi que son débit.

Flamme réelle simulée

Application

Un cas d’application est présenté dans un autre article : application