i fire modelisation
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Fire ModelisationTRANSCRIPT
Diapositive de titre, ce premier bloc est consacré au titre© Ce
document est la propriété de l ’INERIS. Il ne peut pas être
reproduit ou exploité sans son accord - 2012
Les phénomènes dangereux et leur modélisation
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Retour d’expérience
Étude approfondie de chaque phénomène
Phénoménologie
Définition
Modélisation
Seuils d’effets réglementaires français et autres
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PHENOMENES
DANGEREUX
INCENDIE
EXPLOSION
DISPERSION ATMOSPHERIQUE
Caractérise le devenir dans le temps et dans l’espace d’un ensemble de particules (gaz, liquide, solide, aérosols) rejetées dans l’atmosphère
Réaction de combustion non maitrisée dans le temps et dans l’espace
Déplacement à grande vitesse d’une onde de surpression
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Incendie
Explosion
Feu torche...
Flash fire,
Boil over,
Evaporation de nappe liquide, fumées d’incendie...
Incendie : - Le feu de nappe est le phénomène de base pour comprendre l’incendie.
- Flash over (similaire au back draft en termes d’effets)
Explosion : - le VCE est le phénomène de « base » pour comprendre les explosions de « nuages » de gaz, de vapeurs ou des poussières…
- le Roll Over concerne les stockage de GNL (gaz naturel liquéfié)
Dispersion : indépendamment des caractéristiques propres du fluide, les paramètres les plus importants pour définir la typologie d’un rejet sont :
- Le débit massique de fuite pour un rejet continu ou la quantité totale rejetée pour un rejet instantané => c’est la masse de polluant libéré qui produit le danger.
- La vitesse du rejet => Plus la vitesse de rejet est grande, plus vite le polluant est dilué dans l’air
- La section principale de fuite => plus cette section est faible, plus l’air peut diluer facilement le rejet
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Types de phénomènes
Incendie : - Le feu de nappe est le phénomène de base pour comprendre l’incendie.
- Flash over (similaire au back draft en termes d’effets)
Explosion : - le VCE est le phénomène de « base » pour comprendre les explosions de « nuages » de gaz, de vapeurs ou des poussières…
- le Roll Over concerne les stockage de GNL (gaz naturel liquéfié)
Dispersion : indépendamment des caractéristiques propres du fluide, les paramètres les plus importants pour définir la typologie d’un rejet sont :
- Le débit massique de fuite pour un rejet continu ou la quantité totale rejetée pour un rejet instantané => c’est la masse de polluant libéré qui produit le danger.
- La vitesse du rejet => Plus la vitesse de rejet est grande, plus vite le polluant est dilué dans l’air
- La section principale de fuite => plus cette section est faible, plus l’air peut diluer facilement le rejet
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Quand modéliser ?
Lors de la conception d’une installation source et/ou cible
Pour une installation existante
Démontrer la maîtrise des risques
Répondre à des questions précises dans un contexte précis
Soutenir l’action des secours
Mieux modéliser
H hypothèses à faire, D données fixées
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Modélisation de la « propagation » de cette source dans l’environnement
Modéliser « l’effet » du phénomène pour le comparer aux seuils d’effets physiques sur les « cibles »
Modélisation en deux étapes :
Succession de modèles et/ou corrélations
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Déroulement du scénario
Sensibilité du contexte
Grandeur(s) physique(s) en fonction de « l ’espace » (et du temps)
Modélisation
Analyse des risques = « cœur de l ’étude des dangers » dont le principal objectif est de « démontrer » comment les risques sont maîtrisés dans le site.
hiérarchisation des scénarios avec couple (intensité / probabilité)
choix des scénarios à modéliser en 3 étapes :
- 1 : cinétique
- 3 : Criticité max (ie : couple intensité / probabilité)
Mais dans les edd, on affiche une distance de sécurité qui correspond à des seuils d ’effets réglementaires => courbe d ’évolution d ’une grandeur physique en fonction de la distance d ’éloignement
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Escarbilles enflammées (brandons)
Saint Herblain
Arrêter au boil over si pas d ’autre transparent sur le sujet
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Feu d’entrepôt
Feu torche
Boil over
Phénoménologie et Principe de modélisation
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Feu d’entrepôt
Feu torche
Boil over
Phénoménologie et Principe de modélisation
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COMBUSTION
ENERGIE
COMBUSTIBLE
COMBURANT
Incendie = Combustion (ou feu) non maîtrisée : Réaction en milieu gazeux aux abords de la surface des combustibles
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COMBUSTION
ENERGIE
COMBUSTIBLE
COMBURANT
Incendie = Combustion (ou feu) non maîtrisée : Réaction en milieu gazeux aux abords de la surface des combustibles
Produits cellulosiques : Papiers, cartons, bois…
Plastiques et mousses : PE, PP, PVC, ABS, gomme, PU…
Liquides : carburants, solvants, alcools, cétones, …
Gaz et vapeurs : GPL, gaz naturel, acéthylène, hydrogène …
Poussières, poudres, copeaux : céréales, sucre, bois, aluminuium, fer, plastiques…
COMBUSTIBLE
Les plastiques sont des solides dont une bonne partie a la propriété d’être liquéfiable.
Les solides à l’état divisé ont un front de flammes très faible.
Flux rayonnés (!! Effets d ’échelle !!) :
- cellulosiques, majorité des liquides 30 kW/m²
- Plastiques : 40 kW/m²
Débit massique surfacique = « vitesse » de combustion :
- entre 10 g/m²/s et 100 g/m²/s (soufre = 5 g/m²/s !)
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COMBUSTION
ENERGIE
COMBUSTIBLE
COMBURANT
Incendie = Combustion (ou feu) non maîtrisée : Réaction en milieu gazeux aux abords de la surface des combustibles
Oxygène de l’air
Oxygène contenu dans les combustibles dès la fabrication
Oxygène contenu dans les combustibles suite à l’utilisation ou au stockage des combustibles : fer à l’état divisé qui s’oxyde en présence d’eau…
COMBURANT
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COMBUSTION
ENERGIE
COMBUSTIBLE
COMBURANT
Incendie = Combustion (ou feu) non maîtrisée : Réaction en milieu gazeux aux abords de la surface des combustibles
Flamme nue : fumeur, autre incendie, travaux…
Etincelle : défaillance électrique, décharge électrostatique, choc mécanique, travaux…
Surface chaude : friction mécanique, chauffage radiant, pot d’échappement, défaillance électrique, travaux…
Rayonnement thermique : chauffage radiant, soleil
Rayonnement électromagnétique : antennes relais, portable
ENERGIE
Dans normes ATEX : 14 sources d ’inflammation répertoriées
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Énergie d’activation
Phénomène auto-entretenu
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Feu d’entrepôt
Feu torche
Boil over
Phénoménologie et Principe de modélisation
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Pollution des sols et des eaux
Conduction : Propagation de la chaleur dans les solides (concerne surtout les effets dominos, des effets localisés à proximité du feu)
Convection : en milieu ouvert, ces effets sont principalement localisés au niveau de la flamme (on considère généralement une hauteur équivalente à deux fois la hauteur des flamme).
Rayonnement : Le rayonnement thermique est un rayonnement électromagnétique dans une gamme de fréquence variant de l’IR à l ’UV.
Les photons se propagent en ligne droite à l’infini ou presque (%HR). C’est ce mode de propagation thermique qui est susceptible de toucher les tiers. Dans les feux de grande surface (supérieurs à 10 mètres de diamètre), la part rayonnée ne représente que quelques % de la puissance totale d’un incendie.
Pollution des eaux : produits stockés et additifs des eaux d’extinction
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Effets sur l’homme
1,5 kW/m² est l’ordre de grandeur de la puissance rayonnée par le soleil au zénith.
Des essais réalisés par l’INERIS ont permis de constater que dans le zone soumise à un rayonnement de 8 kW/m², un carton vide peut s’enflammer.
(kW/m2)
5
25
8-10
22
2
Douleurs
22
3
Cloques
36
Propagation probable d'un incendie en dépôt pétrolier, même avec refroidissement des réservoirs
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Même effet pour différentes valeurs de flux thermique reçu et de durée d’exposition
Effets sur l’homme
5
25
8-10
22
2
Douleurs
22
3
Cloques
36
Propagation probable d'un incendie en dépôt pétrolier, même avec refroidissement des réservoirs
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Même effet pour différentes valeurs de flux thermique reçu et de durée d’exposition
Effets sur l’homme
5
25
8-10
22
2
Douleurs
22
3
Cloques
36
Propagation probable d'un incendie en dépôt pétrolier, même avec refroidissement des réservoirs
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Ed
Ec
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Approche des flux thermiques
Approche des doses thermiques
E pratiquement indépendant du temps
Exemples : feu de nappe, feu torche, incendies de stockage si cible pas en mesure de s’éloigner
t = 2 min
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Feu d’entrepôt
Feu torche
Boil over
Phénoménologie et Principe de modélisation
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Seuils réglementaires français
Sur l ’homme
3 kW/m² ou 600 [(kW/m²)4/³].s : seuil des effets irréversibles
5 kW/m² ou 1000 [(kW/m²)4/³].s : seuil des premiers effets létaux
8 kW/m² ou 1800 [(kW/m²)4/³].s : seuil des effets létaux significatifs
Sur les structures
5 kW/m² : seuil des destructions de vitres significatives
8 kW/m² : seuil des effets dominos et de dégâts graves sur les structures
16 kW/m² : seuil des dégâts très graves sur les structures (hors béton)
20 kW/m² : seuil de tenue du béton pendant plusieurs heures
200 kW/m² : seuil de ruine du béton en quelques dizaines de minutes
Le seuil à 8 kW/m² est le seuil à partir duquel l ’arrêté indique qu ’une étude plus détaillée des effets dominos peut être faite
Attention seul le rayonnement est modélisé => on peut en général modéliser jusqu ’à 8 kW/m²
En première approche : effet domino = hauteur de flamme
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Quelques ordres de grandeur
Le seuil à 8 kW/m² est le seuil à partir duquel l ’arrêté indique qu ’une étude plus détaillée des effets dominos peut être faite
Attention seul le rayonnement est modélisé => on peut en général modéliser jusqu ’à 8 kW/m²
En première approche : effet domino = hauteur de flamme
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Feu d’entrepôt
Feu torche
Boil over
Phénoménologie et Principe de modélisation
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Feu de nappe
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Emprise de la flamme au sol (Sinc)
Hauteur de la flamme (Hfl)
Emittance ou flux surfacique rayonné (0)
Modèle de la source ponctuelle
Modèle de la flamme solide
Helsinki (05/2006)
Étape 1 : Géométrie de la flamme
f0
Hfl
Sinc
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Surface de la flaque répandue au sol
Généralement surface de la cuvette de rétention
Cuvette de rétention ?
Cas par cas:
Sinc
Déterminer l’emprise au sol d’un incendie nécessite souvent de se référer à l’analyse des risques : par exemple, si un incendie est causé par une explosion, il est nécessaire de se demander si les murs de la rétention vont tenir…
La surface impliquée d’un incendie (ramenée au diamètre équivalent) est le paramètre de base pour déterminer les effets d’un incendie.
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Hfl
Déterminer l’emprise au sol d’un incendie nécessite souvent de se référer à l’analyse des risques : par exemple, si un incendie est causé par une explosion, il est nécessaire de se demander si les murs de la rétention vont tenir…
La surface impliquée d’un incendie (ramenée au diamètre équivalent) est le paramètre de base pour déterminer les effets d’un incendie.
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Essais sur des buchers de bois de diamètre < 2 m
3 < H/D < 10
Essais sur des grands feux de GNL
1 < H/D < 3
Vitesse de combustion, m’’ Diamètre, Deq Chaleur de combustion, ΔHc
Donnés disponibles dans la littérature (gaz, liquide, solide)
0,5<H/D<150
Cf. OMEGA 2
Pour les feux de GNL, Moorhouse semble le plus naturel.
Pour les autres feux, la corrélation de Thomas est la plus utilisée.
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f0 = fmax.e(-K.Deq) + ffumées.(1 - e(-K.Deq))
Emittance
f0
m ’ ’
fmax
ffumées
Pouvoir émissif lié aux fumées (= 20 kW/m²)
S flammes : surface totale des flammes. Si l’emprise du feu au sol est rectangulaire, S flammes correspondra à la somme des 6 surfaces rectangulaires qui composeront le parrallépipède de flammes.
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Babrauskas, "Estimating large pool fire burning rates", Fire technology 19, 1983.
Exemples de chaleurs et de vitesses de combustion
Nature du combustible
combustion
(kg/m
2
.s)
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Gaz de Pétrole Liquéfié 50-60 kW/m²
Kérosène 35 kW/m²
Exemples de valeurs mesurées pour Φ0 (résultats expérimentaux)
50-60 kW/m² correspond au rayonnement des flammes issues d’un feu d’une flaque de GPL (butane ou propane).
En cas d’incendie de générateurs d’aérosols, 100 kW/m² est la valeur à retenir.
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Emprise de la flamme au sol (Sinc)
Hauteur de la flamme (Hfl)
Puissance rayonnée ou flux surfacique rayonné (0)
Modèle de la source ponctuelle
Modèle de la flamme solide
Helsinki (05/2006)
Étape 1 : Géométrie de la flamme
f0
Hfl
Sinc
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(d* > 4Deq)
*d: distance de la source à la cible
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Propagation des effets thermiques (2)
Modèle de la source ponctuelle
Flux radiatif reçu par la cible (kW/m²)
Puissance rayonnée (kW)
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a : Coefficient d’atténuation atmosphérique, [-]
Corrélation de Brzustowski Sommer : a = 0,79 (100/x)1/16 (30,5/HR)1/16
Corrélation de Lannoy: …
Modèle de la flamme solide
Propagation des effets thermiques (3)
fr = f0. a . F
L’atténuation du rayonnement par l’humidité atmosphérique est relativement faible : 15 % sur la distance correspondant aux 3 kW/m² pour un mur de flamme de 80 m sur 45 m.
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Sans écran thermique
Avec écran thermique
F
F
L’atténuation du rayonnement par l’humidité atmosphérique est relativement faible : 15 % sur la distance correspondant aux 3 kW/m² pour un mur de flamme de 80 m sur 45 m.
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L’incendie d’une cuvette de rétention pleine de kérosène est étudié.
Plusieurs tailles et formes de cuvettes sont envisagées:
Cuvette circulaire de diamètre: 20 m
Cuvette rectangulaire de dimensions : 80 m x 20 m
Cuvette rectangulaire de dimensions : 30 m x 20 m
Pour chacun des cas:
Question 1: Calculer le diamètre équivalent
Question 2: Calculer la hauteur de flamme en utilisant la corrélation de Thomas
Données:
g : accélération de la pesanteur (= 9,81 m/s²)
ρa : Masse volumique de l’air (=1,2 kg/m3)
Exercice 1
Tank
Bund
Kerosene
target
Breach
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de manière physique
en appliquant l’équation de Mudan et Croce
Question 4: Estimer à l’aide du modèle ponctuel la distance entre la cible et le bord du feu de cuvette pour un flux reçu de 3 kW/m²
Données
Cos θ = 1
Exercice 1 (suite)
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Télécharger la feuille de calcul Excel sur le site http://www.ineris.fr/aida/consultation_document/7333
Question 1: Donner les distances d’effets pour un feu de cuvette rectangulaire d’hydrocarbure de dimensions 50 m x 30 m .
Question 2: Donner les distances d’effets pour un feu de bac d’éthanol de diamètre 40 m et pour une hauteur de bac de 20 m
Question 3: Trouver les dimensions maximales de la cuvette circulaire de telles sortes que les distances d’effets à partir du bord du bac au SEI liées au feu d’hydrocarbure n’excèdent pas 50 m. La hauteur de la cuvette est de 2 m
Données: La hauteur de la cible est toujours fixées à 1,5 m de hauteur.
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Film
Essais INERIS
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Feu d’entrepôt
Feu torche
Boil over
Phénoménologie et Principe de modélisation
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Feu d’entrepôt
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Limites: Flashover non considéré
Définition: un flashover est un embrasement généralisé éclair d’un local semi-ouvert
Notions délicates à considérer
Surface au sol impliquée (Feu pleinement développé, surface d’une cellule…)
Nature des combustibles (Variété, variabilité, conditionnement, mode de stockage, saisons…)
Vitesse de combustion, pouvoir émissif (pondération, majoration…)
Hauteur de flamme (Corrélation et/ou écrêtage puis vérification énergétique…)
Démarche antérieure
Quand dans un stockage un produit qui brûle vite est présent à hauteur d’un dizaine de %, il faut s’attendre à ce qu’un moment de l’incendie, les flammes seront l’image de la combustion de ce produit : la vitesse de combustion doit donc plutôt être maximisée de non moyenné en fonction des différents produit.
Pour le pouvoir émissif, un stockage aléatoire permet d’envisager une moyenne pondérée par le masse.
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Dimensions :
Parois : 2 en béton, 1 acier et 1 bois
Métrologie : Fluxmètres, radiomètres, Thermocouples, Caméras, Anémomètre.
Dimensions :
Métrologie : 150-200 thermocouples, 34 fluxmètres, 9 caméras vidéo externes, 8 webcams internes, 2 caméras infrarouges externes
Nouvelle démarche
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Méthode développée à partir des essais FLUMILOG réalisés fin 2008,
Outil informatique accessible en ligne à l’heure actuelle à l’adresse suivante : www.ineris.fr/flumilog
- Interface de l’outil téléchargeable
- Descriptif de la méthode téléchargeable
- Outil réglementaire obligatoire pour les entrepôts en France
Méthode Flumilog (1)
Caractéristiques générales
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- L, l, H (hauteur variable), formes quelconques (5, 6 faces…)
1. Définition des caractéristiques de la cellule
2. Définition des caractéristiques de la toiture
3. Définition des caractéristiques de la structure
- Matériau, durée de résistance au feu des poutres et des pannes
- % de surface utile occupée par les exutoires ou nombre et taille des exutoires
- Type de parois, résistance au feu de la paroi
4. Définition des caractéristiques du stockage
5. Définition des caractéristiques des palettes
- Nombre de niveaux, taux d’occupation, mode de stockage, nombre de racks, déports
- A importer d’une base de données, ou représentatives d’une rubrique de la
réglementation, expérimentale ou à créer
Méthode Flumilog (2)
Données d’entrée
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Courbe de puissance
Méthode Flumilog (3)
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Calculs tridimensionnels
Développement d’un feu dans un entrepôt stockant des produits courants
Poutres
Poteaux
Palettes
Modélisations réalisées à l’aide du code de calcul FDS (Fluid Dynamics Simulation) développé par le NIST
Code téléchargeable gratuitement sur le site du NIST
http://www.fire.nist.gov/
FILMS
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Feu d’entrepôt
Feu torche
Boil over
Phénoménologie et Principe de modélisation
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Feu torche
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Zone de décollement
Combustible
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TAI température d’auto-inflammation
Blow-off
Enveloppe de décollement
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Modélisation
SHELL (Chamberlain, Cook, Johnson)
Modèles Intégraux
Remarques:
FILM
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Exercice
Question 1: Calculer la longueur de flamme d’un jet enflammé issu d’une fuite de propane de 30 kg/s au moyen de la méthode de l’API RP 521
Données: ΔHcpropane= 45 MJ/kg
Question 2: Utiliser la méthode de la source ponctuelle pour calculer les distances d’effets aux seuils de 3, 5 et 8 kW/m²
Données:
Cosθ = 1
ηR = 0.3
Le seuil à 8 kW/m² est le seuil à partir duquel l ’arrêté indique qu ’une étude plus détaillée des effets dominos peut être faite
Attention seul le rayonnement est modélisé => on peut en général modéliser jusqu ’à 8 kW/m²
En première approche : effet domino = hauteur de flamme
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Feu d’entrepôt
Feu torche
Boil over
Phénoménologie et Principe de modélisation
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Boil Over
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TACOA, 1982 : 200 morts, 500 blessés, 50 M$ de dégâts
MILFORD HAVEN, 1983 : 6 blessés, 11 M$ de dégâts
THESSALONIQUE, 1986 : 8 blessés, 10 bacs détruits
Phénomène de moussage : vaporisation d'un fond d'eau liquide
pour des réservoirs atmosphériques de certains hydrocarbures en feu
Retour d’expérience
Boil Over « couche mince » : mis au jour en 2007
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Pénétration de l'eau de pluie au travers des évents
Condensation sur les parois internes du réservoir
Introduction d’eaux d'extinction
Hydrocarbure à plage d’ébullition
suffisamment large: DTébul > 60°C
Produit « pur »
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Combustion des coupes légères en surface
Accumulation des coupes lourdes et
chaudes vers le bas du réservoir
Vitesse de descente de l’onde de chaleur
supérieure au taux de régression du foyer
Formation d’une onde de chaleur
Migration des coupes légères vers le haut
Boil Over « classique »: Phénoménologie
Onde de chaleur
Onde de chaleur
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Tébul > 120°C
Effet piston si :
Hydrocarbure suffisamment
Étanchéité => viscosité suffisante
à 393°K (120°C) soit > 0,73 cSt
Boil Over « classique »: Phénoménologie
Coupes lourdes
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Mouvement
convectif
de la profondeur
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L’hydrocarbure a une certaine teneur en eau
Pénétration de l'eau de pluie au travers des évents
Condensation sur les parois internes du réservoir
Introduction d’eaux d'extinction
Produit « pur »
Produit « pur » (T>100°C)
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Pas de formation d’onde de chaleur
Absence de migrations
Vaporisation de la couche d’eau
Descente de la couche d’hydrocarbures en feu (T > 100°C)
Mise en contact de la couche
d’hydrocarbures avec la couche d’eau
Produit « pur »
Produit « pur » (T > 100°C)
Produit « pur » (T>100°C)
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Seuils d’effets : doses thermiques (réglementation française)
600 (kW/m²)4/3.s : seuil des brûlures significatives
1000 (kW/m²)4/3.s : seuil des premiers effets létaux
1800 (kW/m²)4/3.s : seuil des effets létaux significatifs
Effets physiques
BO classique: Rayonnement thermique d’une boule de feu
BO couche mince: Rayonnement thermique d’une couche d’hydrocarbure en feu
Dans les deux cas: Projections d'hydrocarbures en feu, extension de l’incendie
FILMS
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Mémo non technique
d = 5,86.m1/3 Éloignement des habitations et routes
d = 8,23.m1/3 Éloignement des ERP et des voies à grande circulation
Avec m = 10% de la masse initialement présente dans le bac
Distances d’effets (Omega 13)
Modélisation
MLIQ = Masse d’hydrocarbure contenu dans le bac au début de l’incendie
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Exercice
Télécharger la feuille de calcul Excel sur le site http://www.ineris.fr/aida/consultation_document/7261
Question 1: Donner les distances d’effets liées à un BO couche mince issu d’un bac de gazole de :
20 m de diamètre
40 m de diamètre
Données d’entrée: hauteur du bac: 10 m, Hauteur initiale de produit: 7 m
Question 2: Donner les distances d’effets liées à un BO classique issu d’un bac de brut léger de 20 m de diamètre et de 10 m de hauteur. Le taux de remplissage est de 80%
Données d’entrée: masse volumique du brut léger: 700 kg/m3
Le seuil à 8 kW/m² est le seuil à partir duquel l ’arrêté indique qu ’une étude plus détaillée des effets dominos peut être faite
Attention seul le rayonnement est modélisé => on peut en général modéliser jusqu ’à 8 kW/m²
En première approche : effet domino = hauteur de flamme
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SEI = 3 kW/m²
SEL = 5 kW/m²
SELS = 8 kW/m²
5
25
adaptée (pompiers)
22
2
Douleurs
22
3
Cloques
36
l
L
P
totalité de la flamme
B
W1
j
données d'entréevaleursunitésdonnées d'entréevaleursunités
Diamètre du bac20mHauteur du bac6m
Résultats donnés à partir du bord du bacvaleursunitésRésultatsvaleursunités
Distance aux effets irréversibles40mTemps de déclenchement du BO29h
Distance aux premiers effets létaux30m
Distance aux effets létaux significatifs20m
Résultats donnés à partir du centre du bacvaleursunités
Distance aux effets irréversibles50m
CALCUL
Les phénomènes dangereux et leur modélisation
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Retour d’expérience
Étude approfondie de chaque phénomène
Phénoménologie
Définition
Modélisation
Seuils d’effets réglementaires français et autres
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PHENOMENES
DANGEREUX
INCENDIE
EXPLOSION
DISPERSION ATMOSPHERIQUE
Caractérise le devenir dans le temps et dans l’espace d’un ensemble de particules (gaz, liquide, solide, aérosols) rejetées dans l’atmosphère
Réaction de combustion non maitrisée dans le temps et dans l’espace
Déplacement à grande vitesse d’une onde de surpression
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Incendie
Explosion
Feu torche...
Flash fire,
Boil over,
Evaporation de nappe liquide, fumées d’incendie...
Incendie : - Le feu de nappe est le phénomène de base pour comprendre l’incendie.
- Flash over (similaire au back draft en termes d’effets)
Explosion : - le VCE est le phénomène de « base » pour comprendre les explosions de « nuages » de gaz, de vapeurs ou des poussières…
- le Roll Over concerne les stockage de GNL (gaz naturel liquéfié)
Dispersion : indépendamment des caractéristiques propres du fluide, les paramètres les plus importants pour définir la typologie d’un rejet sont :
- Le débit massique de fuite pour un rejet continu ou la quantité totale rejetée pour un rejet instantané => c’est la masse de polluant libéré qui produit le danger.
- La vitesse du rejet => Plus la vitesse de rejet est grande, plus vite le polluant est dilué dans l’air
- La section principale de fuite => plus cette section est faible, plus l’air peut diluer facilement le rejet
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64
40
7
Types de phénomènes
Incendie : - Le feu de nappe est le phénomène de base pour comprendre l’incendie.
- Flash over (similaire au back draft en termes d’effets)
Explosion : - le VCE est le phénomène de « base » pour comprendre les explosions de « nuages » de gaz, de vapeurs ou des poussières…
- le Roll Over concerne les stockage de GNL (gaz naturel liquéfié)
Dispersion : indépendamment des caractéristiques propres du fluide, les paramètres les plus importants pour définir la typologie d’un rejet sont :
- Le débit massique de fuite pour un rejet continu ou la quantité totale rejetée pour un rejet instantané => c’est la masse de polluant libéré qui produit le danger.
- La vitesse du rejet => Plus la vitesse de rejet est grande, plus vite le polluant est dilué dans l’air
- La section principale de fuite => plus cette section est faible, plus l’air peut diluer facilement le rejet
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Quand modéliser ?
Lors de la conception d’une installation source et/ou cible
Pour une installation existante
Démontrer la maîtrise des risques
Répondre à des questions précises dans un contexte précis
Soutenir l’action des secours
Mieux modéliser
H hypothèses à faire, D données fixées
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Modélisation de la « propagation » de cette source dans l’environnement
Modéliser « l’effet » du phénomène pour le comparer aux seuils d’effets physiques sur les « cibles »
Modélisation en deux étapes :
Succession de modèles et/ou corrélations
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Déroulement du scénario
Sensibilité du contexte
Grandeur(s) physique(s) en fonction de « l ’espace » (et du temps)
Modélisation
Analyse des risques = « cœur de l ’étude des dangers » dont le principal objectif est de « démontrer » comment les risques sont maîtrisés dans le site.
hiérarchisation des scénarios avec couple (intensité / probabilité)
choix des scénarios à modéliser en 3 étapes :
- 1 : cinétique
- 3 : Criticité max (ie : couple intensité / probabilité)
Mais dans les edd, on affiche une distance de sécurité qui correspond à des seuils d ’effets réglementaires => courbe d ’évolution d ’une grandeur physique en fonction de la distance d ’éloignement
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Escarbilles enflammées (brandons)
Saint Herblain
Arrêter au boil over si pas d ’autre transparent sur le sujet
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Feu d’entrepôt
Feu torche
Boil over
Phénoménologie et Principe de modélisation
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Feu d’entrepôt
Feu torche
Boil over
Phénoménologie et Principe de modélisation
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COMBUSTION
ENERGIE
COMBUSTIBLE
COMBURANT
Incendie = Combustion (ou feu) non maîtrisée : Réaction en milieu gazeux aux abords de la surface des combustibles
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COMBUSTION
ENERGIE
COMBUSTIBLE
COMBURANT
Incendie = Combustion (ou feu) non maîtrisée : Réaction en milieu gazeux aux abords de la surface des combustibles
Produits cellulosiques : Papiers, cartons, bois…
Plastiques et mousses : PE, PP, PVC, ABS, gomme, PU…
Liquides : carburants, solvants, alcools, cétones, …
Gaz et vapeurs : GPL, gaz naturel, acéthylène, hydrogène …
Poussières, poudres, copeaux : céréales, sucre, bois, aluminuium, fer, plastiques…
COMBUSTIBLE
Les plastiques sont des solides dont une bonne partie a la propriété d’être liquéfiable.
Les solides à l’état divisé ont un front de flammes très faible.
Flux rayonnés (!! Effets d ’échelle !!) :
- cellulosiques, majorité des liquides 30 kW/m²
- Plastiques : 40 kW/m²
Débit massique surfacique = « vitesse » de combustion :
- entre 10 g/m²/s et 100 g/m²/s (soufre = 5 g/m²/s !)
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COMBUSTION
ENERGIE
COMBUSTIBLE
COMBURANT
Incendie = Combustion (ou feu) non maîtrisée : Réaction en milieu gazeux aux abords de la surface des combustibles
Oxygène de l’air
Oxygène contenu dans les combustibles dès la fabrication
Oxygène contenu dans les combustibles suite à l’utilisation ou au stockage des combustibles : fer à l’état divisé qui s’oxyde en présence d’eau…
COMBURANT
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COMBUSTION
ENERGIE
COMBUSTIBLE
COMBURANT
Incendie = Combustion (ou feu) non maîtrisée : Réaction en milieu gazeux aux abords de la surface des combustibles
Flamme nue : fumeur, autre incendie, travaux…
Etincelle : défaillance électrique, décharge électrostatique, choc mécanique, travaux…
Surface chaude : friction mécanique, chauffage radiant, pot d’échappement, défaillance électrique, travaux…
Rayonnement thermique : chauffage radiant, soleil
Rayonnement électromagnétique : antennes relais, portable
ENERGIE
Dans normes ATEX : 14 sources d ’inflammation répertoriées
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Énergie d’activation
Phénomène auto-entretenu
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Feu d’entrepôt
Feu torche
Boil over
Phénoménologie et Principe de modélisation
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Pollution des sols et des eaux
Conduction : Propagation de la chaleur dans les solides (concerne surtout les effets dominos, des effets localisés à proximité du feu)
Convection : en milieu ouvert, ces effets sont principalement localisés au niveau de la flamme (on considère généralement une hauteur équivalente à deux fois la hauteur des flamme).
Rayonnement : Le rayonnement thermique est un rayonnement électromagnétique dans une gamme de fréquence variant de l’IR à l ’UV.
Les photons se propagent en ligne droite à l’infini ou presque (%HR). C’est ce mode de propagation thermique qui est susceptible de toucher les tiers. Dans les feux de grande surface (supérieurs à 10 mètres de diamètre), la part rayonnée ne représente que quelques % de la puissance totale d’un incendie.
Pollution des eaux : produits stockés et additifs des eaux d’extinction
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Effets sur l’homme
1,5 kW/m² est l’ordre de grandeur de la puissance rayonnée par le soleil au zénith.
Des essais réalisés par l’INERIS ont permis de constater que dans le zone soumise à un rayonnement de 8 kW/m², un carton vide peut s’enflammer.
(kW/m2)
5
25
8-10
22
2
Douleurs
22
3
Cloques
36
Propagation probable d'un incendie en dépôt pétrolier, même avec refroidissement des réservoirs
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Même effet pour différentes valeurs de flux thermique reçu et de durée d’exposition
Effets sur l’homme
5
25
8-10
22
2
Douleurs
22
3
Cloques
36
Propagation probable d'un incendie en dépôt pétrolier, même avec refroidissement des réservoirs
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Même effet pour différentes valeurs de flux thermique reçu et de durée d’exposition
Effets sur l’homme
5
25
8-10
22
2
Douleurs
22
3
Cloques
36
Propagation probable d'un incendie en dépôt pétrolier, même avec refroidissement des réservoirs
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Ed
Ec
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Approche des flux thermiques
Approche des doses thermiques
E pratiquement indépendant du temps
Exemples : feu de nappe, feu torche, incendies de stockage si cible pas en mesure de s’éloigner
t = 2 min
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Feu d’entrepôt
Feu torche
Boil over
Phénoménologie et Principe de modélisation
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Seuils réglementaires français
Sur l ’homme
3 kW/m² ou 600 [(kW/m²)4/³].s : seuil des effets irréversibles
5 kW/m² ou 1000 [(kW/m²)4/³].s : seuil des premiers effets létaux
8 kW/m² ou 1800 [(kW/m²)4/³].s : seuil des effets létaux significatifs
Sur les structures
5 kW/m² : seuil des destructions de vitres significatives
8 kW/m² : seuil des effets dominos et de dégâts graves sur les structures
16 kW/m² : seuil des dégâts très graves sur les structures (hors béton)
20 kW/m² : seuil de tenue du béton pendant plusieurs heures
200 kW/m² : seuil de ruine du béton en quelques dizaines de minutes
Le seuil à 8 kW/m² est le seuil à partir duquel l ’arrêté indique qu ’une étude plus détaillée des effets dominos peut être faite
Attention seul le rayonnement est modélisé => on peut en général modéliser jusqu ’à 8 kW/m²
En première approche : effet domino = hauteur de flamme
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Quelques ordres de grandeur
Le seuil à 8 kW/m² est le seuil à partir duquel l ’arrêté indique qu ’une étude plus détaillée des effets dominos peut être faite
Attention seul le rayonnement est modélisé => on peut en général modéliser jusqu ’à 8 kW/m²
En première approche : effet domino = hauteur de flamme
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Feu d’entrepôt
Feu torche
Boil over
Phénoménologie et Principe de modélisation
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Feu de nappe
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Emprise de la flamme au sol (Sinc)
Hauteur de la flamme (Hfl)
Emittance ou flux surfacique rayonné (0)
Modèle de la source ponctuelle
Modèle de la flamme solide
Helsinki (05/2006)
Étape 1 : Géométrie de la flamme
f0
Hfl
Sinc
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Surface de la flaque répandue au sol
Généralement surface de la cuvette de rétention
Cuvette de rétention ?
Cas par cas:
Sinc
Déterminer l’emprise au sol d’un incendie nécessite souvent de se référer à l’analyse des risques : par exemple, si un incendie est causé par une explosion, il est nécessaire de se demander si les murs de la rétention vont tenir…
La surface impliquée d’un incendie (ramenée au diamètre équivalent) est le paramètre de base pour déterminer les effets d’un incendie.
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Hfl
Déterminer l’emprise au sol d’un incendie nécessite souvent de se référer à l’analyse des risques : par exemple, si un incendie est causé par une explosion, il est nécessaire de se demander si les murs de la rétention vont tenir…
La surface impliquée d’un incendie (ramenée au diamètre équivalent) est le paramètre de base pour déterminer les effets d’un incendie.
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Essais sur des buchers de bois de diamètre < 2 m
3 < H/D < 10
Essais sur des grands feux de GNL
1 < H/D < 3
Vitesse de combustion, m’’ Diamètre, Deq Chaleur de combustion, ΔHc
Donnés disponibles dans la littérature (gaz, liquide, solide)
0,5<H/D<150
Cf. OMEGA 2
Pour les feux de GNL, Moorhouse semble le plus naturel.
Pour les autres feux, la corrélation de Thomas est la plus utilisée.
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f0 = fmax.e(-K.Deq) + ffumées.(1 - e(-K.Deq))
Emittance
f0
m ’ ’
fmax
ffumées
Pouvoir émissif lié aux fumées (= 20 kW/m²)
S flammes : surface totale des flammes. Si l’emprise du feu au sol est rectangulaire, S flammes correspondra à la somme des 6 surfaces rectangulaires qui composeront le parrallépipède de flammes.
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Babrauskas, "Estimating large pool fire burning rates", Fire technology 19, 1983.
Exemples de chaleurs et de vitesses de combustion
Nature du combustible
combustion
(kg/m
2
.s)
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Gaz de Pétrole Liquéfié 50-60 kW/m²
Kérosène 35 kW/m²
Exemples de valeurs mesurées pour Φ0 (résultats expérimentaux)
50-60 kW/m² correspond au rayonnement des flammes issues d’un feu d’une flaque de GPL (butane ou propane).
En cas d’incendie de générateurs d’aérosols, 100 kW/m² est la valeur à retenir.
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Emprise de la flamme au sol (Sinc)
Hauteur de la flamme (Hfl)
Puissance rayonnée ou flux surfacique rayonné (0)
Modèle de la source ponctuelle
Modèle de la flamme solide
Helsinki (05/2006)
Étape 1 : Géométrie de la flamme
f0
Hfl
Sinc
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(d* > 4Deq)
*d: distance de la source à la cible
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Propagation des effets thermiques (2)
Modèle de la source ponctuelle
Flux radiatif reçu par la cible (kW/m²)
Puissance rayonnée (kW)
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a : Coefficient d’atténuation atmosphérique, [-]
Corrélation de Brzustowski Sommer : a = 0,79 (100/x)1/16 (30,5/HR)1/16
Corrélation de Lannoy: …
Modèle de la flamme solide
Propagation des effets thermiques (3)
fr = f0. a . F
L’atténuation du rayonnement par l’humidité atmosphérique est relativement faible : 15 % sur la distance correspondant aux 3 kW/m² pour un mur de flamme de 80 m sur 45 m.
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Sans écran thermique
Avec écran thermique
F
F
L’atténuation du rayonnement par l’humidité atmosphérique est relativement faible : 15 % sur la distance correspondant aux 3 kW/m² pour un mur de flamme de 80 m sur 45 m.
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L’incendie d’une cuvette de rétention pleine de kérosène est étudié.
Plusieurs tailles et formes de cuvettes sont envisagées:
Cuvette circulaire de diamètre: 20 m
Cuvette rectangulaire de dimensions : 80 m x 20 m
Cuvette rectangulaire de dimensions : 30 m x 20 m
Pour chacun des cas:
Question 1: Calculer le diamètre équivalent
Question 2: Calculer la hauteur de flamme en utilisant la corrélation de Thomas
Données:
g : accélération de la pesanteur (= 9,81 m/s²)
ρa : Masse volumique de l’air (=1,2 kg/m3)
Exercice 1
Tank
Bund
Kerosene
target
Breach
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de manière physique
en appliquant l’équation de Mudan et Croce
Question 4: Estimer à l’aide du modèle ponctuel la distance entre la cible et le bord du feu de cuvette pour un flux reçu de 3 kW/m²
Données
Cos θ = 1
Exercice 1 (suite)
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Question 1: Donner les distances d’effets pour un feu de cuvette rectangulaire d’hydrocarbure de dimensions 50 m x 30 m .
Question 2: Donner les distances d’effets pour un feu de bac d’éthanol de diamètre 40 m et pour une hauteur de bac de 20 m
Question 3: Trouver les dimensions maximales de la cuvette circulaire de telles sortes que les distances d’effets à partir du bord du bac au SEI liées au feu d’hydrocarbure n’excèdent pas 50 m. La hauteur de la cuvette est de 2 m
Données: La hauteur de la cible est toujours fixées à 1,5 m de hauteur.
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Film
Essais INERIS
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Feu d’entrepôt
Feu torche
Boil over
Phénoménologie et Principe de modélisation
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Feu d’entrepôt
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Limites: Flashover non considéré
Définition: un flashover est un embrasement généralisé éclair d’un local semi-ouvert
Notions délicates à considérer
Surface au sol impliquée (Feu pleinement développé, surface d’une cellule…)
Nature des combustibles (Variété, variabilité, conditionnement, mode de stockage, saisons…)
Vitesse de combustion, pouvoir émissif (pondération, majoration…)
Hauteur de flamme (Corrélation et/ou écrêtage puis vérification énergétique…)
Démarche antérieure
Quand dans un stockage un produit qui brûle vite est présent à hauteur d’un dizaine de %, il faut s’attendre à ce qu’un moment de l’incendie, les flammes seront l’image de la combustion de ce produit : la vitesse de combustion doit donc plutôt être maximisée de non moyenné en fonction des différents produit.
Pour le pouvoir émissif, un stockage aléatoire permet d’envisager une moyenne pondérée par le masse.
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Dimensions :
Parois : 2 en béton, 1 acier et 1 bois
Métrologie : Fluxmètres, radiomètres, Thermocouples, Caméras, Anémomètre.
Dimensions :
Métrologie : 150-200 thermocouples, 34 fluxmètres, 9 caméras vidéo externes, 8 webcams internes, 2 caméras infrarouges externes
Nouvelle démarche
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Méthode développée à partir des essais FLUMILOG réalisés fin 2008,
Outil informatique accessible en ligne à l’heure actuelle à l’adresse suivante : www.ineris.fr/flumilog
- Interface de l’outil téléchargeable
- Descriptif de la méthode téléchargeable
- Outil réglementaire obligatoire pour les entrepôts en France
Méthode Flumilog (1)
Caractéristiques générales
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- L, l, H (hauteur variable), formes quelconques (5, 6 faces…)
1. Définition des caractéristiques de la cellule
2. Définition des caractéristiques de la toiture
3. Définition des caractéristiques de la structure
- Matériau, durée de résistance au feu des poutres et des pannes
- % de surface utile occupée par les exutoires ou nombre et taille des exutoires
- Type de parois, résistance au feu de la paroi
4. Définition des caractéristiques du stockage
5. Définition des caractéristiques des palettes
- Nombre de niveaux, taux d’occupation, mode de stockage, nombre de racks, déports
- A importer d’une base de données, ou représentatives d’une rubrique de la
réglementation, expérimentale ou à créer
Méthode Flumilog (2)
Données d’entrée
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Courbe de puissance
Méthode Flumilog (3)
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Calculs tridimensionnels
Développement d’un feu dans un entrepôt stockant des produits courants
Poutres
Poteaux
Palettes
Modélisations réalisées à l’aide du code de calcul FDS (Fluid Dynamics Simulation) développé par le NIST
Code téléchargeable gratuitement sur le site du NIST
http://www.fire.nist.gov/
FILMS
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Feu d’entrepôt
Feu torche
Boil over
Phénoménologie et Principe de modélisation
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Feu torche
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Zone de décollement
Combustible
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TAI température d’auto-inflammation
Blow-off
Enveloppe de décollement
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Modélisation
SHELL (Chamberlain, Cook, Johnson)
Modèles Intégraux
Remarques:
FILM
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Exercice
Question 1: Calculer la longueur de flamme d’un jet enflammé issu d’une fuite de propane de 30 kg/s au moyen de la méthode de l’API RP 521
Données: ΔHcpropane= 45 MJ/kg
Question 2: Utiliser la méthode de la source ponctuelle pour calculer les distances d’effets aux seuils de 3, 5 et 8 kW/m²
Données:
Cosθ = 1
ηR = 0.3
Le seuil à 8 kW/m² est le seuil à partir duquel l ’arrêté indique qu ’une étude plus détaillée des effets dominos peut être faite
Attention seul le rayonnement est modélisé => on peut en général modéliser jusqu ’à 8 kW/m²
En première approche : effet domino = hauteur de flamme
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Feu d’entrepôt
Feu torche
Boil over
Phénoménologie et Principe de modélisation
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Boil Over
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TACOA, 1982 : 200 morts, 500 blessés, 50 M$ de dégâts
MILFORD HAVEN, 1983 : 6 blessés, 11 M$ de dégâts
THESSALONIQUE, 1986 : 8 blessés, 10 bacs détruits
Phénomène de moussage : vaporisation d'un fond d'eau liquide
pour des réservoirs atmosphériques de certains hydrocarbures en feu
Retour d’expérience
Boil Over « couche mince » : mis au jour en 2007
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Pénétration de l'eau de pluie au travers des évents
Condensation sur les parois internes du réservoir
Introduction d’eaux d'extinction
Hydrocarbure à plage d’ébullition
suffisamment large: DTébul > 60°C
Produit « pur »
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Combustion des coupes légères en surface
Accumulation des coupes lourdes et
chaudes vers le bas du réservoir
Vitesse de descente de l’onde de chaleur
supérieure au taux de régression du foyer
Formation d’une onde de chaleur
Migration des coupes légères vers le haut
Boil Over « classique »: Phénoménologie
Onde de chaleur
Onde de chaleur
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Tébul > 120°C
Effet piston si :
Hydrocarbure suffisamment
Étanchéité => viscosité suffisante
à 393°K (120°C) soit > 0,73 cSt
Boil Over « classique »: Phénoménologie
Coupes lourdes
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Mouvement
convectif
de la profondeur
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L’hydrocarbure a une certaine teneur en eau
Pénétration de l'eau de pluie au travers des évents
Condensation sur les parois internes du réservoir
Introduction d’eaux d'extinction
Produit « pur »
Produit « pur » (T>100°C)
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Pas de formation d’onde de chaleur
Absence de migrations
Vaporisation de la couche d’eau
Descente de la couche d’hydrocarbures en feu (T > 100°C)
Mise en contact de la couche
d’hydrocarbures avec la couche d’eau
Produit « pur »
Produit « pur » (T > 100°C)
Produit « pur » (T>100°C)
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Seuils d’effets : doses thermiques (réglementation française)
600 (kW/m²)4/3.s : seuil des brûlures significatives
1000 (kW/m²)4/3.s : seuil des premiers effets létaux
1800 (kW/m²)4/3.s : seuil des effets létaux significatifs
Effets physiques
BO classique: Rayonnement thermique d’une boule de feu
BO couche mince: Rayonnement thermique d’une couche d’hydrocarbure en feu
Dans les deux cas: Projections d'hydrocarbures en feu, extension de l’incendie
FILMS
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Mémo non technique
d = 5,86.m1/3 Éloignement des habitations et routes
d = 8,23.m1/3 Éloignement des ERP et des voies à grande circulation
Avec m = 10% de la masse initialement présente dans le bac
Distances d’effets (Omega 13)
Modélisation
MLIQ = Masse d’hydrocarbure contenu dans le bac au début de l’incendie
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Exercice
Télécharger la feuille de calcul Excel sur le site http://www.ineris.fr/aida/consultation_document/7261
Question 1: Donner les distances d’effets liées à un BO couche mince issu d’un bac de gazole de :
20 m de diamètre
40 m de diamètre
Données d’entrée: hauteur du bac: 10 m, Hauteur initiale de produit: 7 m
Question 2: Donner les distances d’effets liées à un BO classique issu d’un bac de brut léger de 20 m de diamètre et de 10 m de hauteur. Le taux de remplissage est de 80%
Données d’entrée: masse volumique du brut léger: 700 kg/m3
Le seuil à 8 kW/m² est le seuil à partir duquel l ’arrêté indique qu ’une étude plus détaillée des effets dominos peut être faite
Attention seul le rayonnement est modélisé => on peut en général modéliser jusqu ’à 8 kW/m²
En première approche : effet domino = hauteur de flamme
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SEI = 3 kW/m²
SEL = 5 kW/m²
SELS = 8 kW/m²
5
25
adaptée (pompiers)
22
2
Douleurs
22
3
Cloques
36
l
L
P
totalité de la flamme
B
W1
j
données d'entréevaleursunitésdonnées d'entréevaleursunités
Diamètre du bac20mHauteur du bac6m
Résultats donnés à partir du bord du bacvaleursunitésRésultatsvaleursunités
Distance aux effets irréversibles40mTemps de déclenchement du BO29h
Distance aux premiers effets létaux30m
Distance aux effets létaux significatifs20m
Résultats donnés à partir du centre du bacvaleursunités
Distance aux effets irréversibles50m
CALCUL