Universit di Corsica Pasquale Paoli Comprendre les mcanismes

Università di Corsica Pasquale Paoli Comprendre les mécanismes de propagation des feux de forêt pour mieux les prévoir Albert SIMEONI Equipe de Recherche « Feux de forêt » Université de Corse SPE – UMR CNRS 6134

Plan de l’exposé 1) Contexte scientifique 3) Mécanismes gouvernant la propagation des feux - Mécanismes de base - Mécanismes environnementaux 4) Approches de modélisation 5) De la connaissance au comportement 6) Conclusion 2

Contexte scientifique Le problème des incendies est un problème mondial qui touche les 5 continents. Les recherches sur la compréhension des mécanismes qui gouvernent la propagation des feux de forêt ont commencé il y a environ 50 ans aux USA et en URSS. Les laboratoires européens s’y consacrent depuis une dizaine d’années. L’université de Corse et l’université de Provence y travaillent depuis dix ans et sont les pionniers en France. 3

Contexte scientifique Les travaux de recherche visent à comprendre les mécanismes intervenant dans les feux pour pouvoir prédire leur propagation. Ces mécanismes sont d’une grande complexité. De ce fait, personne actuellement dans le monde ne dispose d’un véritable simulateur de feu. L’objectif principal de notre équipe est de réaliser un tel simulateur. 4

Mécanismes gouvernant les feux Mécanismes de base Rayonnement Convection 5

Mécanismes de base Rayonnement 1) Une particule reçoit de l’énergie par - rayonnement - convection Évaporation 2) Sa température augmente et elle se déshydrate Convection 6

Mécanismes de base 3) Après déshydratation, Rayonnement - sa température continue d’augmenter, - la particule séchée se décompose en gaz de pyrolyse. Gaz Convection 7

Mécanismes de base 4) A une température seuil Gaz de pyrolyse + O 2 Oxygène Flamme le feu s’est propagé 5) La particule se dégrade en - charbon d’abord - cendres enfin 8

Résumé des mécanismes de base Comprendre et décrire la propagation du feu comprendre • le rayonnement et la convection, • la déshydratation et la pyrolyse, • la combustion (flamme et braise). Rayonnement, convection Oxygène Feu Combustible 9

Mécanismes environnementaux Décrire la propagation d’un feu nécessite en plus de connaître 1) La nature du combustible Une description du feu une description du combustible - connaître et situer les combustibles plus inflammables - pour un même combustible, certaines structures participent plus à la dynamique de la propagation que d’autres connaître la distribution spatiale du combustible ses propriétés chimiques et géométriques 10

Mécanismes environnementaux 2) Les effets majeurs du vent Vent faible Flamme droite Vent fort Flamme penchée 11

Mécanismes environnementaux 2) Les effets majeurs du vent - inclinaison des flammes vers le combustible imbrûlé augmentation des transferts d’énergie accélération de la déshydratation, de la pyrolyse arrivée de comburant (air frais) Rayonnement, convection 12

Mécanismes environnementaux 3) Les effets majeurs du terrain - Essentiellement des effets de pente, on retrouve quasiment les phénomènes décrits pour le vent - la flamme se penche dans la direction de la pente… Aspiration d’air Flamme inclinée Gaz chauds Combustible imbrûlé 13

Mécanismes environnementaux Effets majeurs du terrain 14

Résumé des mécanismes environnementaux Comprendre et décrire la propagation du feu c’est : • décrire la végétation, • comprendre et décrire les effets du vent, • comprendre et décrire les effets du terrain. 15

Objectifs de la communauté scientifique Développer un simulateur de feu deux pistes - modèles complexes qui tentent de tout décrire. inconvénient : impossible de fonctionner à l’échelle du terrain et temps de simulation très longs avantage : description fine du comportement du feu - modèles approchés où seuls les mécanismes majeurs de la propagation sont décrits. inconvénient : moins précis que les modèles complexes avantage : on peut le mettre en oeuvre 16

Approches de modélisation Deux but ü Mieux comprendre le phénomène feu ü Prédire son comportement Modèles existants ü Modèles statistiques et empiriques ü Modèles physiques • Modèles de comportement • Modèles de connaissance 17

Approches de modélisation Les modèles de connaissance Phase solide Combustible Phase gazeuse Volume élémentaire 18

Approches de modélisation Les modèles de connaissance Phase gazeuse Phase solide • Convection • Turbulence • Mélange gazeux • Combustion • Rayonnement • Suies • Transferts de chaleur • Séchage • Pyrolyse • Combustion • Rayonnement Transferts Masse Chaleur Quantité de mouvement 19

Approches de modélisation Un modèle de connaissance multiphasique Ø Pour chaque phase Exemple - bilan de masse : • Bilan de masse • Bilan des espèces chimiques • Bilan de quantité de mouvement • Bilan d’énergie Ø Relations d’interface Ø Sous-modèles Exemple - condition d’interface pour la masse : Exemple - lois de type Arrhénius Ø R. T. E. 20

Approches de modélisation Un modèle de connaissance multiphasique Ø Equation d’énergie de la phase gazeuse Ø Equation d’énergie de la phase solide Ø Equation d’interface pour l’énergie 21

Approches de modélisation Les modèles de connaissance Pour décrire et comprendre de manière détaillée le phénomène feux de forêt, il est nécessaire de connaître : • Les processus de transfert de chaleur • La concentration en suies dans les flammes • La combustion (dans les phases gazeuse et solide) • Les forces de traînée dans la couche végétale • La perte de masse du végétal (cinétique chimique) 22

Approches de modélisation Les modèles de connaissance 23

Approches de modélisation Les modèles de comportement Une seule phase équivalente ü Bilan d’énergie ü Bilan de masse ü Vitesse verticale (quantité de mouvement) ü Equation d’état des gaz ü Sous-modèles • Flamme simplifiée • Perte de masse simplifiée 24

Approches de modélisation Les modèles de comportement pertes Zone brûlée Dégagement de chaleur Zone en feu Rayonnement Milieu équivalent au végétal Rayonnement Zone imbrûlée Convection Rayonnement 25

Approches de modélisation Les modèles de comportement ü Echelle du terrain Description macroscopique • Périmètre du feu (2 D suivant la forme du terrain) • Vitesse de propagation • Température ü Intégration dans un simulateur Modèle robuste et simple • Simulations sous le temps réel • Prédictions d’une précision relativement bonne ü Outils de prévention Modèles plus détaillés • Description plus fine • Pas de limites au temps de simulation 26

Approches de modélisation Un modèle de comportement semi-physique 27

Approches de modélisation Un modèle de comportement semi-physique 28

Approches de modélisation Un modèle de comportement semi-physique 29

De la connaissance au comportement Approche de simplification Modèles de connaissance Informations physiques Réduction Modèles de comportement Précision Outil de simulation Interface de simulation Validation Expériences 30

De la connaissance au comportement Approche de simplification Phase gazeuse • Convection • Turbulence • Mélange • Combustion • Rayonnement • Suies Phase solide • Transferts de chaleur • Séchage • Pyrolyse • Combustion • Rayonnement MECANISMES DETERMINANTS 31

De la connaissance au comportement Approche de simplification Modèles multiphasiques Modèles physiques Simplifiés z z y y d x x 32

De la connaissance au comportement Approche de simplification Nous obtenons des valeurs estimées des paramètres du modèle : • Convection • Rayonnement dans la couche végétale • Forces de traînée • Masse thermique du milieu équivalent au végétal Mais comme le modèle est “simplifié”, il contient encore une certaine dose d’empirisme et nécessite encore le calage de certains paramètres grâce à des expériences dédiées 33

De la connaissance au comportement Quelques résultats 34

De la connaissance au comportement Quelques résultats 35

De la connaissance au comportement Quelques résultats Pente = 10° , Vent = 2 m/s 36

Conclusion • Les mécanismes de la propagation sont nombreux et complexes. • Une bonne description du feu passe par une bonne compréhension de son comportement. • Les modèles comportementaux nécessitent le développement de modèles de connaissance. 37