Influence de la végétation et du relief dans les feux de forêt ...docs.gdrfeux.univ-lorraine.fr/Paris2/PPRIME4.pdfIntroduction Composition Inflammabilité Concentration Perspectives

Inflammabilité Concentration Composition Perspectives Introduction

Institut P’ • UPR CNRS 3346

ENSMA• Téléport 2

BP 40109

F86961 FUTUROSCOPE CHASSENEUIL Cedex



BP 40109


Bruno COUDOUR

22e journées du GDR Feux 02 et 03 juin 2016

Laboratoire Central de la Préfecture de Police

1

Influence de la végétation et du relief dans les feux de forêt extrêmes

03/06/2016

Inflammabilité Concentration Composition Perspectives Introduction Introduction

Sommaire

Introduction

I. Composition

II. Inflammabilité

III. Concentration

Conclusion

2


3

Introduction


4

Droit d’auteur : SDIS 66 (Perpignan – France) Vingrau – France [SDIS-66]


5

Droit d’auteur : SDIS 66 (Perpignan – France)

Vingrau – France [SDIS-66]

Inflammabilité Concentration Composition Perspectives Introduction Dégradation thermique des COVb

Introduction Accumulation des COV dans

un thalweg

Conclusion et

perspectives

Propriétés de combustion de mélanges de COV issus des

feux de forêt

6

Opoul – France [SDIS-66]

Droit d’auteur : SDIS 66 (Perpignan – France)


7

Combustion = gaz Problème : mélange complexe COV biogéniques (COVb) Produits de pyrolyse Produits de combustion

Caractéristiques et conditions propices à un

accident thermique (AFF)

convection


Forte augmentation des émissions de COVb

Stress thermique (40 à 200 °C)

Produits de pyrolyse et de combustion

Accumulation de gaz lourds

Dro

its d’au

teur : SD

IS Hau

te-C

orse

8

Approche du front de flamme (200 à 1000 °C)

Vent faible + thalweg ou canyon

Émissions maximales ≈ 170 °C

+

Composition (dégradation)

Inflammabilité (propriétés de combustion)

Concentration (dispersion)

Plantes aromatiques Feu de forêt

Influence thermochimique

Stress thermique (40 à 200 °C)

Inflammabilité Concentration Composition Perspectives Introduction Composition Introduction

9

Composition :

Étude de la dégradation thermique

des COV biogéniques


Bruno Coudour – 1er décembre 2015

10

(Dewick 2002)

Biosynthèse des COVb

Renforcée par le stress hydrique

Hypothèse du taux de croissance et d'équilibre croissance-différenciation

(Growth-Differenciation Balance GDB)

Isopentényl diphosphate


11

(Owen et Peñuelas 2005)

Biosynthèse des terpènes (C5H8)n


12

(Dewick 2002)

Les monoterpènes

Composés

COV biogéniques

α-pinène limonène dipentène myrcène

TAI 255 °C 255 °C 245 °C 255 °C

LII 0,7 0,7 0,7 0,7


13

Émissions plantes aromatiques

Principalement monoterpènes (C10H16) et sesquiterpènes (C15H24) CO, CO2 et aromatiques

Credits : SDIS Haute-Corse

benzène

Combustion et pyrolyse

lavande, thym, romarin, menthe, sauge, pins, etc.

Composition

Hautes températures ?


Deux CG + FID/TCD

Four tubulaire et réacteur

Institut P’ (CEAT, Poitiers)

14

IC2MP (Poitiers)

Dégradation thermique de l’α-pinène de 300 à 900 °C


15

Dégradation de l’α-pinène : pyrolyse flash

Monoterpénoïdes Aromatiques Autres

500 °C 11 3 3

600 °C 12 4 4

800 °C 10 13 11


16 Kolicheski et al. (2007)

Étude de mélanges α-pinène/benzène

Dégradation de l’α-pinène : - Isomérisation (300 à 500 °C) - Création d’aromatiques (600 à 800 °C)

Inflammabilité Concentration Composition Perspectives Introduction Introduction Inflammabilité

17

Inflammabilité :

Étude des propriétés de combustion des principaux

COV issus des feux de forêt


18

Laser Nd:Yag

Capteurs pyroélec-triques

Chambre de combustion

Propriétés de combustion : allumage

- 2 proportions en α-pinène/benzène

- 5 richesses

- 2 énergies incidentes de laser

- Claquage

- Allumage

- Énergie absorbée Paramètres

Données enregistrées

Laboratoire PRISME


19

25 mJ 33 mJ

Probabilité d’allumage pour 25 et 33 mJ

La présence de benzène dans un mélange d’α-pinène: - Augmente les probabilités d’allumage


20

Énergies Minimales d’Inflammation

Diagramme de Moorehouse 20% α-pinène–80% benzène à 347 K et 1 bar

La présence de benzène dans un mélange d’α-pinène: - Abaisse l’Énergie Minimale d’Inflammation

Diagramme de Moorehouse Pour différentes proportions de COV à 1 bar


21

Propriétés de combustion : propagation

• 9 richesses • 3 proportions de fuel • 4 températures

Laboratoire PRISME


22

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Vit

esse

fo

nd

amen

tale

de

flam

me

S u

0 [

cm/s

]

Richesse

75°C

120°C

150°C

180°C

Vitesse de flamme

20% α-pinène 80% benzène

50% α-pinène 50% benzène

Longueur de Markstein

La présence de benzène dans un mélange d’α-pinène - Augmente la stabilité de la flamme - Augmente la vitesse maximale de flamme

Inflammabilité Concentration Composition Perspectives Introduction Introduction Concentration

23

Concentration :

Étude de dispersion des gaz


24

• 2 angles α = 50°et α = 80° • 4 zones d’émissions

Face au vent

Vent Étude de dispersion

Face sous le vent

Maquette de forêt et soufflerie

Laboratoire PRISME


25

Maquette de forêt et soufflerie

distributeur désassemblé répartiteur d’éthane raccordé aux quatre

distributeurs


26

LDV pour les mesures de vitesse et de turbulence

FID pour les mesures de concentration



27

Concentration et ligne de courant

L’angle d’une vallée joue sur : - L’écoulement d’air (recirculation) - La concentration mesurée à l’intérieur de la vallée



28

Influence de chaque zone pour α = 50°

Émission par toutes les zones

(1)+(2)+(3)+(4)

Émission par la zone sous le vent

(3)

Émission par la zone face au vent

(4)

Aubrun et al. (2004) Concentration (dispersion)


29

Limites du modèle :

• Deux angles d’étude topographie complexe

• Utilisation de l’éthane de densité ≈ air COV denses (2 à 5 fois densité de l’air)

• Pas de gradient de température plus grande dissipation des gaz plus grande recirculation


modèle numérique


30

Star-CCM+


Collaboration avec l’IUSTI

Inflammabilité Concentration Composition Perspectives Introduction Introduction Perspectives

31

Conclusion

• Fumées peuvent avoir un rôle de catalyseur si accumulation des aromatiques

• Certaines topographies favorisent la recirculation des fumées

Impact de la densité des gaz ?

Perspectives

• Modèle numérique pour étude de dispersion plus précise

• Influence du CO, CO2, H2O sur l’inflammabilité du mélange

• Etudes de TAI

Inflammabilité Concentration Composition Perspectives Introduction



BP 40109




BP 40109


Merci pour votre attention

32 03/06/2016

Bruno COUDOUR

22e journées du GDR Feux 02 et 03 juin 2016

Laboratoire Central de la Préfecture de Police

Inflammabilité Concentration Composition Perspectives Introduction Introduction Perspectives Droit d’auteur : SDIS 66 (Perpignan – France)


34

benzène

(C6H6)

α-pinène

(C10H16)

β-pinène

(C10H16)

Isoprène

(C5H8)

Concentration moyenne dans

les fumées (pptv)

Concentration maximale dans

les fumées (pptv) 4359 1727 2916 1634

Ordre de grandeur fumées

Tab. I.5. Concentration moyenne et maximale des

composés majoritaires ayant plus de

cinq atomes de carbone détectés lors d’un feu de

forêt boréale (pptv).

Fig. I.8. 19 principaux EF des 88 composés mesurés par Simpson et al. (2011) dans

des fumées de feu de forêts boréales

Simpson et al.

(2011)

Akagi et

al. (2011)

EF (

g/kg

brû

lé)

benzène (C6H6) 1,11

toluène (C7H8) 0,48

xylènes (C8H10) 0,18

phénol (C6H5OH) Non analysé 2,96

autres aromatiques 0,17

α-pinène (C10H16) 1,64

β-pinène (C10H16) 1,45

isoprène (C5H8) 0,15

alcanes (C5-C7) 0,376


35

Limites du modèle :

• Deux angles d’étude

• Utilisation de l’éthane de densité ≈ air

• Pas de gradient de température

Extrapolation des résultats


36

Cas d’un feu de forêt :

Rayonnement thermique

Émissions : 8 à 4400 fois dans les zones exposées

Densité des COV > 2 à 5 fois celle de l’éthane

Accumulation au cours du temps

Dégagement important de COV dans les fumées

10 000 fois émissions naturelles en été

Confinement par une couche d’air froid

Piégeage des gaz biogéniques, de pyrolyse et de combustion

Émissions zone face au vent x100

Extrapolation des résultats

Développement d’un modèle numérique avec pour buts de : • valider ce modèle à partir de nos résultats expérimentaux

→ prendre en compte la densité des gaz issus des feux de forêt → complexifier la topographie (angle critique) → ajouter par la suite un modèle de transfert thermique

Les résultats expérimentaux ainsi que la validation d’un modèle numérique ont été soumis au journal Atmospheric Environment


37

Évolution temporelle du front de l’inflammation du mélange α-pinène/benzène/air à Patm, 150 °C, pour une proportion 50%-50% et une richesse de 0,7

t = 0,5 ms t = 4,7 ms t = 8,5 ms t = 10,5 ms

50 100 150 200 250 300

50

100

150

200

250

300

50 100 150 200 250 300

50

100

150

200

250

300

50 100 150 200 250 300

50

100

150

200

250

300

Principe

Traitement d’image


38

Principe

Modèle non-linéaire reliant la vitesse étirée à l’étirement :

avec f

b

dRs

dt

L’intégration donne :

2

10 2

2 1ln

ln

2

ln

b

b

bf

Lt E C

s

LR

2 2

0 0 0ln 2b b b

b b b

s s L

s s s

(Tahtouh et al. 2009, Halter et al. 2010)


39

b

u

0 0

u bs s

Principe


40


41

Zabetakis (1999)

Littérature


42


43


44


45

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

300 400 500 600 700 800 900

Co

nce

ntr

atio

n n

orm

alis

ée

Température [°C]

H2

CH4

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

300 400 500 600 700 800 900

Co

nce

ntr

atio

n n

orm

alis

ée

Température [°C]

C2H4

C2-C3

C4

C5

eucalyptol


46


47

ACL (4) : Articles dans des revues internationales ou nationales avec comité de lecture répertoriées par le HCERES ou dans les bases de données internationales ISI Web of Knowledge, Pub Med, … • ACL 1 : Coudour B., K. Chetehouna, L. Courty, J. P. Garo, L. Lemée (2014). Combustion characteristics of two biogenic volatile

organic compounds: l-fenchone and 3-hexen-1-ol. Combustion Science & Technology, 186(10-11). • ACL 2 : Conan B., S. Aubrun, B. Coudour, K. Chetehouna, J.-P. Garo (2015). Contribution of coherent structures to momentum and

concentration fluxes over a flat vegetation canopy modelled in a wind tunnel. Atmospheric Environment 107(329-341). • ACL 3 : Coudour B., K. Chetehouna, S. Rudz, P. Gillard, J.P. Garo (2015). Investigation on minimum ignition energy of α-pinene–

benzene/air mixtures. Journal of Hazardous Materials 283(507–511). • ACL 4 : CoudourB., K. Chetehouna, F. Halter, C. Mounaïm-Rousselle, J.-P. Garo. Laminar burning speeds of α-pinene/benzene/air

mixtures involved in the combustion in forest fires. Combustion Science and Technology. ACTI (7) : Communications avec actes dans un congrès international • ACTI 1 : Coudour B., K. Chetehouna, L. Courty, J.P. Garo, C. Mounaïm-Rousselle, F. Halter, Burning speeds and Markstein lengths of

pcymene possibly involved in accelerating forest fires. 6th ECM (2013). • ACTI 2 : Coudour B., K. Chetehouna, L. Courty, J.P. Garo, L. Lemée, C. Mounaïm-Rousselle, F. Halter, Combustion characteristics of

two biogenic volatile organic compounds: l-fenchone and 3-hexen-1-ol. 24th ICDERS (2013) • ACTI 3 : Coudour B., K. Chetehouna, S. Rudz, P. Gillard, J.P. Garo, Minimum ignition energy of α-pinene–benzene/air mixtures.

ISHPMIE (2014). • ACTI 4 : Coudour B., K. Chetehouna, B. Conan, S. Aubrun, J.P. Garo, Experimental investigation of the influence of geometry on

forest emission flow using a V-shape forest model. ICFFR (2014) • ACTI 5 : Conan B., S. Aubrun, B. Coudour, K. Chetehouna, J.-P. Garo, Atmospheric instabilities above a vegetation canopy: wind

tunnel simulation of VOC concentration fluctuations. 3AF (2014). • ACTI 6 : Coudour B. , K. Chetehouna, F. Halter, C. Mounaïm-Rousselle, J.-P. Garo. Laminar burning speeds of α-pinene/benzene/air

mixtures involved in the combustion in forest fires. ICDERS (2015). • ACTI 7 : Coudour B. , K. Chetehouna, L. Lemée, J.-P. Garo, P. Bertin. Thermal degradation of α-pinene. ECCE (2015).

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