Sujet
Résumé Francais : L’objectif principal de cette thèse
est d’étudier le comportement d’un feu de forêt et son interaction avec
une habitation située dans une interface forêt/habitat (WUI). Ce travail
de recherche appliqué est motivé par l’augmentation constante des
unités d’habitation implantées dans les WUI et l’extension (causée par
le réchauffement global) des régions potentiellement affectées par le
risque feu de forêt. De plus, la plus part des informations disponibles
concernant les feux d’habitation ont été obtenues en situation de
confinement dans des conditions très éloignées de celles caractérisant
un feu de forêt.
Ce problème multi-échelle très complexe, associant différents phénomènes
non linéaires, tels que la turbulence, la combustion, le rayonnement,
peut être modélisé à partir d’une formulation multi-phasique, pour
laquelle le système couplé formés par la strate de végétation et
l’atmosphère ambiant est représenté comme un milieu poreux peu dense
immergé dans une phase gazeuse. L’évolution dans le temps des variables
décrivant l’état de ce système (vecteurs vitesse, température,
composition chimique de l’atmosphère…) est calculée à partir de la
résolution d’équations de conservation (masse, quantité de mouvement,
énergie …) incluant des termes supplémentaires représentant les
interactions multiples entre les phase solides (la végétation) et la
phase gazeuse (l’atmosphère).
Les travaux de simulation s’appuieront sur des développements initiés
depuis deux ans, basés sur un code CFD open source modulaire (Openfoam),
constitué de bibliothèques C++, qui peuvent être appliqués à une large
gamme de problèmes en ingénierie mécanique (turbulence, combustion,
écoulement atmosphérique, transfert de chaleur …). Ce choix est motivé
par l’intérêt de travailler avec un outil partagé par une large
communauté (mondiale) d’utilisateurs, la nécessité d’utiliser un code
optimisé et les méthodes réservées au Calcul Haute Performance (HPC)
pour réaliser des simulations 3D efficaces. Les simulations numériques
seront réalisées sur les machines parallèles du centre ce calcul de
l’AMU (Equip@Meso). L’étude se focalisera sur différents facteurs
caractérisant les feux de forêt (vitesse de propagation, intensité),
certains effets 3D, l’effet de certains paramètres extérieurs (vent,
pente, structure et état de la végétation) et affectant la dynamique du
front d’incendie. La deuxième partie de l’étude sera dédiée à
l’évaluation de la charge thermique (flux de chaleur, température) et
les conséquences en termes de dégradations (contraintes thermiques,
pyrolyse, inflammation …) induits par l’arrivée d’un feu sur une
habitation situé dans une interface forêt/habitat. Un partie sera donc
consacré aux conditions marginales d'ignition observées en WU, suite à
ces sollicitations thermiques. Parmi les paramètres étudiés, on peut
citer la distance séparant le bâtiment de la limite avec la végétation
naturelle (lisière), l’état (hauteur, charge, teneur en eau ...) de la
végétation résiduelle ou ornementale située entre l’habitation et la
lisière. Les résultats numériques pourront être comparés avec des
données expérimentales de la littérature et celles collectées en
laboratoire et sur le terrain, dans le cadre d’un programme ANR. Ce
sujet bénéficiera du support d’un réseau de recherche national
(principalement à Avignon, Corté, Nancy et Rouen) et international
(principalement au Royaume Unis, aux Etats-Unis, en Russie, en
Australie, au Portugal et en Espagne), constitué depuis de nombreuses
années à l’occasion de programmes européens et internationaux. Cette
thèse sera l’occasion d’acquérir une bonne expérience, pour commencer
une carrière académique (à l’Université ou dans un organisme de
recherche comme le CNRS, l’INRA, l’IRSTEA) mais également dans les
structures (organismes publics, bureaux d’études) spécialisées dans le
domaine de l’ingénierie, la modélisation CFD et l’ingénierie de la
sécurité incendie (CSTB, EFECTIS, INERIS …).
Résumé Anglais : The main objective of this
subject will be to study the behaviour of a wildfire and its interaction
with a building located in the wildland-urban interface (WUI). This
applied research work is motivated by the increase of housing units
located in the WUI and the increase (caused by global warming) of
regions potentially affected by wildfires. In addition, most of
informations concerning fires in buildings have been obtained in
confined conditions very far from those observed in wildfires.
This highly complex and multi-scale physical problem, associating
various non linear phenomena, such as the turbulence, the combustion,
the radiation, can be modelized in using a multiphase formulation, in
which the coupled system formed by the vegetation layer and the
surrounding atmosphere is represented as a sparse porous medium immersed
in a gaseous phase. The time evolution of the variables describing the
state of this system (velocity vectors, temperature, chemical
composition …) are computed from the resolution of balance equations
(mass, momentum, energy …), including additional terms representing the
interaction between the solid phases (the vegetation) and the gaseous
phase (the atmosphere).
The research team in charge of this thesis subject proposal, has
accumulated a long experience in forest fires modelling during previous
European projects. Since two years, we have began in developing a new
physical model, based on a open source CFD tool (Openfoam), which is
constituted of a set of C++ modules, which can be applied in a wide
range of applications in mechanical engineering problems (turbulence,
combustion, atmospheric flow, heat transfers …). This choice is
motivated by the interest in working using a tool shared by a large
community of world wide users, the necessity of using an optimized code
and High Performance Computing (HPC) methods (such as massively parallel
computers) to perform efficient 3D CFD simulations.
The numerical simulations will be done on the parallel machines of the
AMU computer center (Equip@Meso). The study will be focused on various
factors characterizing the behaviour of wildfires such as the
propagation (rate of spread, intensity), the 3D behaviours, the effects
of some external parameters (wind, slope, structure and state of the
vegetation layer) affecting the dynamics of the fire front.
A second part of the study will be dedicated to the evaluation of the
thermal load (heat flux, temperature) and the consequences in terms of
degradation (thermal stress, pyrolysis, ignition …) induced by the
arrival of a fire front toward a housing unit located in a WUI. Thus, a
study on the associated marginal conditions of ignition, due to these
thermal loads, will be conducted. One of the parameters analyzed in this
study will be the distance separating the housing unit to the wildland
vegetation, the state (height, fuel load, moisture content …) of the
residual or ornamental vegetation located between the house and the
wildland vegetation.
The results of numerical simulations could be compared with experimental
data from the literature and collected in the laboratory and on the
field, in the frame of an ANR program (FIREWUI, ANR-call 2014).
This subject will beneficiate of national (mainly in Avignon, Corté,
Nancy, Rouen) and international (mainly in UK, USA, Russia, Australia,
Portugal and Spain) networks of collaborations, constituted since a long
time through various European projects and international programs, both
in wildland fires and structures fires researches.
In this sense, this thesis will constitute a very good experience, both
to begin an academic career (at the University and in National Research
organisms such as CNRS, INRA, IRSTEA) but also in public or private
engineering companies specialized in CFD modelling and fire safety
engineering (CSTB, EFECTIS, INERIS…).
Débouchés : R&D
