Détermination expérimentale par

SPIV du coefficient de porte pour un

écoulement de fumée d’incendie

GDR - FEUX

KOCHED Amine

IRSN- PSN/RES/SA2I/LEF

Bât. 346 - 327C

Plan

� Définition

� Bibliographie

� Mesure de débit par SPIV

� Convection naturelle

� Convection mixte

� Conclusions

� Perspectives

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

Définition

� Coefficient de porte = coefficient de l’écoulement = CD

� Coefficient correcteur du débit théorique à travers une ouverture :tenir compte des effets visqueux et de la contraction locale de lasection de l’écoulement.

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

Th

TL

Tamb

Vue de dessus-Porte-

Profil théorique

Profil réel

hN

Théorique

référenceD

m

mC .

.

=xy

z

Définition

� Coefficient de porte = coefficient de l’écoulement = CD

� Coefficient correcteur du débit théorique à travers une ouverture :tenir compte des effets visqueux et de la contraction locale de lasection de l’écoulement.

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

Théorique

RéférenceD

m

mC

.

.

=

Référencem.

Calculé numériquement ou mesuré

Calculé à partir de l’approche Bernoulli

Théoriquem.

Définition

� déterminé par intégration d’un profil de vitesse théorique

Théorème de Bernoulli:

L’écoulement à la porte est engendré par la variation de pression entre l’intérieur et l’extérieur de l’enceinte

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

Théoriquem.

Hypothèses : - Fluide parfait

- Fluide au repos loin de l’ouverture

cteTTTRMP =⇒=⇒= .353

... ρρ

ρ

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) s

z

h ga

z

h

sga PdzzTzT

TgPdzzzgzP

NN

∆+

−=∆+−=∆ ∫∫ ∞∞

00

11ρρρ

∫ ∆+∆=∆

=z

h

soN

Pdzgzz

zPzU ρ

ρρ )(

2

)(

)(2)(

dzzUzWCmNh

din ∫=0

)()(ρ&

dzzUzWCmH

h

dout

N

∫= )()(ρ&

Définition

� déterminé expérimentalement / numériquement : Intégration d’un profil/champ de vitesse mesuré/calculé à la porte

� Mesures expérimentales : Locales - Sondes bidirectionnelles, Tube de Pitot, LDV, fils chauds

- Incertitude lié à la calibration- Ne tient pas compte du caractère 3D de l’écoulement et de l’effet de la turbulence (zone de mélange)

� La référence nécessite une correction !

�Mesures expérimentales : champs de vitesse (Stéréo-PIV)- Description 2D/3D de l’écoulement à la porte

- Bonne résolution spatiale

- Mesure non intrusive indépendante de la variation de pression et de température

- Apporter une correction sur les techniques de mesures utilisées usuellement en incendie (SBD)

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

référencem.

Bibliographie

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

- Rouse (1946) ( )221 BbC

CC

C

CD

−=

- Ecoulement à travers un orifice (Idel’cick, 1986)

HD

l

g

v

H ×+×+=∆= λζεζγ

ζ ϕ ''342.0

2

Re02

00

- Faible dépendance de la dynamique- Forte dépendance de la géométrie de l’ouverture

- Pour les dimensions de la porte considéré dans cette étude

� CD ≈ 0,65 ± 0,01 (valeur fixe)

�Ecoulement à travers un orifice

Bibliographie

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

- Prahl et Emmons. (1975) � CD= f (Re) et pour Re > 104 CD= 0,6 ± 0,1(kérosène/eau)

- Van der Maas et al. (1989) ; Hill et al. (1986) � CD = 0.75

�Essais densimétrique : s’affranchir de la variation de densité

- Pelletret (1990) ; Allard et Utsumi (1992) � CD ≈ 0.8

Bibliographie

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

- Mahajan et Hill (1986) � 0.3 à 0.45 pour 0.5<∆T<15

- Wilson et Kiel (1990) � CD = (0.4 + 0.0045∆T) avec 0.5<∆T<40

- Fritzsche et Lilienblum (1968) � CD = (0.475 + 0.0043∆T) avec 0.5<∆T<45Possible influence des niveaux la turbulence de l’écoulement environnant

�Thermique de l’habitat : ∆T faibles

- Salliou et al (2012) � CD variable de 0,2-0,9

Bibliographie

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

- Bryant (2011) � C = 0.69 ± 0,03

Dimensions de porte : 0.79m × 1.96mDimensions du local : 2.4m × 3.6m × 2.4mPuissances de feux : [34kW ; 320kW]

- Steckler et al. (1984) � CDin = 0.68 et CDout = 0.73 (CDmoy=0,7)

Dimensions de porte : 0.74m × 1.83mDimensions du local : 2.8m × 2.8m × 2.13mPuissances de feux : [31.6kW ; 158kW]

� Incendie

�CD varient de 0.2 à 0.8 � Que choisir pour les applications incendie ?

� Mesures SPIV pas assez exploitées dans ce sens !

Bibliographie

�Quels intérêts à déterminer précisément le CD ?

- Communauté Incendie :� Estimation précise des débits d’air frais qui alimente la flamme

� Sûreté : corrélation du flash-over aux valeurs CD (Beard, 2001, FSJ)

� Proposer une correction des mesures par SBD

� Alimenter les codes à zones : SYLVIA

- Communauté thermique des bâtiments :� Les débits des fluides à travers les ouvertures sont corrélés au CD : réduire la

consommation énergétique des systèmes de ventilation

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

Mesure de débit par SPIV

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

� Enceinte :- Dimensions : 1.3m × 1m × 0.8m

- Porte : 0.645m × 0.26m

� Source: brûleur à gaz

- HRR = 7.8kW, 10.6kW, 15.5kW, 21.7kW

� Mesures : - Température (TC) : intérieur et à la porte

- Vitesse (SPIV) : ∆xi = 4mm, fSPIV = 2Hz, N = 800

� Ventilation : Soufflage et Admission

- QVENT = [94m3/h ; 250m3/h]

� Dispositif expérimental

Mesure de débit par SPIV

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1m

dot_

vent (k

g/s)

mdot_SPIV (kg/s)

Extraction Soufflage

ε ≈ 5%

W (mm)

H (

mm

)

-100 -50 0 50 1000

100

200

300

400

500

600

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

� Validation des mesures SPIV : mesures à froid (sans feu)

Incertitudes de mesures SPIV dans le plan de la porte ≤ 10%

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

�Calcul des débits analytiques entrant/sortant

Entrée de calcul : profils de temp° mesurés de part et d’autre de la porte

Tamb= 25°C

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 100 200 300 400

z (

mm

)

T(°C)

7.8kW 10.6kW 15.5kW 21.7kW

H

Profils analytiques de vitesse au centre de la porte

Convection naturelle

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

�Calcul des débits massiques expérimentaux entrant/sortant

y/L

z/H

-0.5 0 0.50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

y/L

z/H

-0.5 0 0.50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

y/L

z/H

-0.5 0 0.50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

y/L

z/H

-0.5 0 0.50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

7.8kW 10.6kW 15.5kW 21.7kW

Convection naturelle

0

100

200

300

400

500

600

700

0 100 200 300 400

z (m

m)

T (°C)

7,8kW 10,6kW 15,5kW 21,7kW

Champs de vitesse (U) à la porte Profils de température au centre de la porte

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

�Calcul des débits massiques expérimentaux entrant/sortant

Théorique SPIV CD

in (kg/s) out (kg/s) in (kg/s) out (kg/s) in

7.8kW 0,0623 0,0622 0,0304 0,0283 0,49

10.6kW 0,0695 0,0694 0,0376 0,0255 0,54

15.5kW 0,0773 0,0772 0,0416 0,0254 0,54

21.7kW 0,0821 0,0820 0,0491 0,0317 0,60

0,54 ± 5%

Théorique

SPIV

Théorique

référenceD

m

m

m

mC

.

.

.

.

==

Convection naturelle

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

� Influence de ∆∆∆∆Ps (Admission et Extraction)

Th

TL

Tamb

∆∆∆∆Ps

∆∆∆∆P

hNo

∆∆∆∆Pref

∆∆∆∆Ps

hN

xy

z

Convection mixte

∫ ∫

∆+∆=N

oN

h z

h

sinininD dzPdzgzwmC0

'

'

)(2 ρρ& ∫ ∫

∆+∆=H

h

z

h

soutoutoutD

NoN

dzPdzgzwmC

'

')(2 ρρ&

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

Détermination des valeurs de ∆Ps : � Essais à froid en variant QADM et QEXT

EXT ∆∆∆∆Ps ADM ∆Ps

m3/h Pa m3/h Pa

-101 -0,04 94 0,03

-159 -0,10 145 0,08

-209 -0,17 188 0,14

-248 -0,24 236 0,22

avec CD = 0,65 (Idel’cik, 1986)

Convection mixte

� Influence de ∆∆∆∆Ps (Admission et Extraction)

)(

)(2)(

z

zPzU

ρ∆

=

2

2

=∆ ∞

wHC

qP

D

Vs

ρ

Convection mixte

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

�Calculs des débits

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

-2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5

U (m/s)

Qext 1

Qext 2

Qext 3

Qext 4

CV-Nat

Qadm 1

Qadm 2

Qadm 3

Qadm 4

y (mm)

z (m

m)

-100 -50 0 50 1000

100

200

300

400

500

600

CV Nat. EXT248 m3/h

ADM236 m3/h

HRR = 21,7kW

y (mm)

-100 -50 0 50 1000

100

200

300

400

500

600

y (mm)

z (m

m)

-100 -50 0 50 1000

100

200

300

400

500

600

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

Variation d profil analytique de vitesse à la porte en fonction de

∆Ps

Influence de ∆Ps sur les champs de vitesse mesurées à la porte

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

�Détermination du CD

Convection mixte

CDEXT ≥ CDADM

CD CV MX ≤ CV CV Nat

Débits analytiques surestimés en CVMX (hypothèses non respectées pour

l’application de l’approche Bernoulli)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

5 10 15 20 25

CD

HRR (kW)

20Hz-ADM

20Hz-EXT

50Hz-ADM

50Hz-EXT

CV-Nat

Littérature (1984,2011)

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

� CD variable pour Lc fixé dans cette étude

� Convection naturelle :

� CD =f (HRR)

� CD inférieur à 0.68 : [0.48;0.6] � différence > 30% sur Qin

� Convection mixte :

� CDin = f (∆Ps , HRR)

� Limite de Bernoulli pour l’estimation du débit théorique

Conclusion

GDR Feux - 11 et 12 Avril - Institut P' Poitiers

�Etude de sensibilité : recours aux codes à champs (ISIS)

� Etablir une corrélation généralisée du CD en fonction

du nombre de Richardson

�Effet d’échelle : essais à grande échelle

RCT - ISO9705 en convection mixte

Perspective

2

...

U

LTgRi c∆

=β

MERCI DE VOTRE ATTENTION

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