Experimental and numerical multiscale approaches for modeling the mass source term during the thermal degradation of wood for wildfires

Autor: Gerandi, Guillaume
Přispěvatelé: Sciences pour l'environnement (SPE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Pascal Paoli (UPP), Université Pascal Paoli, Paul-Antoine Santoni, Virginie Tihay, STAR, ABES
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Génie des procédés. Université Pascal Paoli, 2020. Français. ⟨NNT : 2020CORT0003⟩
Popis: This Ph-D work was done in order to better understand the thermal degradation mechanisms of fuels for fires. The aim was to study the thermal degradation of wood plates by using a multi-scale approach.The thermal degradation of two kinds of wood: white oak (Quercus alba) and common eucalyptus (Eucalyptus globulus) was first investigated at matter scale where samples with weak weight were heated with a thermogravimetric analyzer. Results showed that the thermal degradation of these two kinds of wood could be represented by four steps. From these experimental observations, four kinetic mechanisms were developed: the constituent mechanism, the lumped mechanism, the active mechanism and the simplified mechanism. The kinetic parameters were determined by optimization using the gradient descent algorithm method. The simulations showed that all mechanisms were capable to represent the mass loss of oak and eucalyptus at the different heating rates investigated. The best performance was obtained by the lumped mechanism and the least one by the simplified mechanism. The thermal degradation of these two kinds of wood was also investigated at material scale using a cone calorimeter and thermally thin and thick wood plates. Heat flux densities varying between 18 and 28.5 kW/m² were imposed at the top of the fuel sample in order to avoid the auto-ignition of wood. Two boundary conditions were imposed at the back face of the wood plates. The wood temperature was recorded by thermocouples and an infrared camera. These experimental measurements showed that the higher the heat flux, the faster the mass loss and increase of temperature. Moreover, the char oxidation revealed a two-dimensional front that spread at the surface of the wood plates over time. The thermal degradation of the wood was finally studied numerically. By using the thermally thin wood plates and the experimental temperature field, in order to avoid the evaluation of the thermal properties, the mechanisms developed at matter scale were validated. At this scale, the performance of the different mechanisms is very close. A numerical study was performed with GPYRO in order to predict the temperature and the mass loss for the fine plates. The results were satisfying, thanks to an optimization of the thermal properties of wood and a convolution to represent the two-dimensional phenomenon. For the thermally thick wood plates, the four step kinetic mechanisms allowed to represent the mass loss during the gasification stage but did not enable to predict the whole char oxidation stage.
Ces travaux de thèse s’inscrivent dans l’amélioration de la compréhension des mécanismes de dégradation des combustibles pour l’incendie. Ils ont pour objectif d’étudier à travers une approche multi-échelle la dégradation thermique de plaques de bois.La dégradation thermique de deux types de bois : le chêne blanc (Quercus alba) et l’eucalyptus commun (Eucalyptus globulus), a tout d’abord été étudiée à l’échelle matière, où des échantillons de faibles masses ont été chauffés dans un analyseur thermogravimétrique. Les résultats ont montré que la dégradation thermique de ces deux bois pouvait se représenter en quatre étapes. A partir de ces résultats expérimentaux, quatre mécanismes réactionnels ont été développés : le mécanisme par constituants, le mécanisme global, le mécanisme actif et le mécanisme simplifié avec seulement deux étapes. Les paramètres cinétiques associés ont été déterminés par optimisation avec un algorithme du gradient descendant. La simulation a révélé que l’ensemble des mécanismes représente de manière efficace la perte de masse des deux bois aux différentes vitesses de chauffe étudiées. La meilleure performance est obtenue par le mécanisme global et la moins bonne par le mécanisme simplifié.La dégradation thermique des deux bois a également été étudiée à l’échelle matériau à l’aide d’un cône calorimètre. Différentes densités de flux variant entre 18 et 28,5 kW/m² ont été appliquées afin d’éviter l’auto-inflammation du bois. Deux conditions limites ont été imposées à la face inférieure des plaques de bois. La température des plaques de bois a été mesurée par thermocouples et par caméra infra-rouge. Les résultats expérimentaux ont révélé que plus la densité de flux augmente, plus la perte de masse est rapide et la température augmente rapidement. L’oxydation du résidu charbonneux prend dans ce cas l’allure d’un front bidimensionnel qui se propage au cours du temps.L’étude numérique menée sur les expériences réalisées à l’échelle matériau a permis de valider les mécanismes réactionnels développés à l’échelle matière, en utilisant le champ de température expérimental des plaques de bois fines. A cette échelle, la performance des mécanismes réactionnels est très proche. Une étude unidimensionnelle a été réalisée avec le code GPYRO afin de prédire la température et la perte de masse des plaques thermiquement fines. Les résultats obtenus sont très satisfaisants, grâce à une optimisation des propriétés thermiques du bois et une convolution pour représenter les phénomènes bidimensionnels. Pour les plaques thermiquement épaisses, les mécanismes à quatre étapes permettent de représenter la perte de masse durant la phase de gazéification mais ne permettent pas cependant de prédire la totalité de la phase d’oxydation du résidu charbonneux.
Databáze: OpenAIRE
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