Modélisation et simulations numériques de la propagation de feux de forêts

268 Pages·2013·17.36 MB·French

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École doctorale PR0rv!iEMA
Institut National C S.
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Polytechnique de Lorraine
MODÉLISATION ET SIMULATIONS
NUMÉRIQUES DE LA PROPAGATION
DE FEUX DE FORÊTS
THÈSE
présentée et soutenue publiquement le 5 novembre 1998
pour l'obtention du
Doctorat de l'Institut National Polytechnique de Lorraine
(spécialité Mécanique et Énergétique)
par
Jonathan MARGERIT
(Ingénieur ENSEM)
Composition du jury
Président: J.P. BRANCHER (Professeur, E'iSr·:.\,f-LF.\IT:\. Nancy)
Rapporteurs : P. JOULAIN (Directeur de recherche, F:.\J.S.l\L\, Futuroscope)
M. QUINTAHD (Directeur de recherche. 1.i\I.F.T., Toulouse)
Examinateurs: X. VIEGAS (Professeu r, Dept. Eng. 1\' ecan ica, 'oi III bra, Portugal)
C. PICARD (Lieutenant Colonel,Cr.nEi\, Gardanne)
P. PERRE (Professeur, r:\ic:nEF. Nancy)
P. BALABANIS (Docteur, De XII, Belgique)
O. StRO-CUILLAUME (Directeur de recherche, LE,\'1TA-C'iBS, Nancy)
Laboratoire d'Énergétique et de Mécanique Théorique et Appliquée - UMR 7563

Relnerciements
Le travail présenté dans ce mémoire a été réalisé au sein du Laboratoire d'Énergétique
et de Mécanique Théorique et Appliquée (L.E.M.T.A) de l'Institut National Polytechnique
de Lorraine.
Je voudrais ici adresser ma profonde gratitude à Monsieur O. SÉRO-GUILLAUME.
Directeur de Recherche CNRS au LEMTA. Il m'a fait découvrir le domaine des feux
de forêts. Ses nombreux conseils et encouragements, son expérience et son implication
constante dans mon travail m'ont été d'une aide inestimable pour réaliser ce manuscrit.
J'adresse mes respectueux remerciements à Monsieur J.P. BRANCHER, Professeur à
l'Institut National Polytechnique de Lorraine, de l'honneur qu'il m'a fait en acceptant de
présider mon jury de thèse.
Je remercie également Messieurs P. JOULAIN, Directeur de recherche au L.C.D. , et
M. QUINTARD, Directeur de recherche à l' I.M.F.T. de Toulouse qui m'ont fait le privilège
de rapporter mon travail. Qu'ils sachent que je leur en suis extrêmement reconnaissant.
J'adresse mes plus vifs remerciements à Messieurs X. VIEGAS, Professeur au Depar
tamento de Engenharia de Mecanica de Coimbra , P. PERRE, Professeur à l' ENGREF
de Nancy, et P. BALABANIS, Docteur de la Commission de l'Union Européenne à la
DG XII en Belgique, pour avoir bien voulu participer à mon jury et pour s'être intéressé
à mon travail.
J'exprime ma reconnaissance à Monsieur C. PICARD, Lieutenant Colonel au CEREN
à Gardanne, pour l'intérêt constant qu'il a porté à mon travail ainsi que pour l'expérience
des feux qu'il m'a apportée.
J'exprime ma reconnaissance à Monsieur D. MARGERIT, Docteur de l'INPL, pour
la relecture de ce manuscrit et pour les critiques qu'il a pu en faire.
Je remercie tous mes camarades chercheurs du Laboratoire, et tout particulièrement
mon collègue A. CHEIKHI pour son encouragement et l'aide qu'il m'a apportée.
Je tiens à remercier aussi Mesdames C. DENIS et M-H. ZOBERMAN pour leur effi
cacité, leur disponibilité et leur gentillesse.

Je dédie cette thèse
à mes parents
à mes frères,
à Danaë.
iii

Table des matières
Table des figures XllI
Liste des tableaux XVll
Introduction générale XIX
Bibliographie XXVll
Chapitre 1
Description d'une forêt et des mécanismes de propagation du feu 1
1.1 Géométrie de la forêt et de la propagation du feu
1.1.1 Stratification de la forêt ..... 1
1.1.2 Différents types de feux de forêts 3
1.1.3 Géométrie d'un feu de surface .. 4
1.1.4 Hétérogénéité verticale et horizontale 5
1.1.5 L'échelle gigascopique ....... . 7
l.2 L'espèce végétale et les différentes échelles d'observation de celle-ci. 9
1.2.1 Les trois échelles de description de la phase particule végétale 9
1.2.2 L'échelle macroscopique 11
l.2.3 L'échelle mésoscopique . 12
1.2.4 L'échelle microscopique. 13
1.3 Mécanismes de la propagation . 14
1.3.1 Description des transferts d'énergies à l'échelle macroscopique 14
1.3.2 Mécanisme global de combustion à l'échelle macroscopique: triangle
du feu ................................. . 16
l.3.3 Les mécanismes à l'échelle mésoscopique: combustion dans la zone
en feu .. . . . . . . . .. .......... . . . . . . . . . .. 16
v
Table des matières
1.3.4 Les mécanismes à l'échelle microscopique: vaporisation et pyrolyse. 17
1.3.5 Les types de transferts de chaleur . . . . . . . . . . . 20
1.3.6 Les non uniformité du vent d'origine météorologique. 21
1.4 Grandeurs évoluant lors d'un feu de forêt 21
1..5 Paramètres de la propagation '" 22
1 ..5 .1 Les paramètres structuraux 22
1.5.2 Les paramètres météorologiques 23
1.5.:3 La topographie ........ . 23
1.6 Les modèles existants et les méthodes de modélisation. 23
1.6.1 Classification des modèles selon les phénomènes physiques 23
1.6.2 Classification des modèles selon les échelles physiques 23
1.6.3 Démarche de modélisation choisie 24
Bibliographie 27
Chapitre 2
Méthode des enveloppes, formulation variationnelle et lien avec un bilan
thermique 2D
2.1 Propagation du front du feu dans une forêt uniforme 31
2.2 Propagation d'un front de feu dans une forêt non uniforme avec vent local 32
2.2.1 Objet d'étude et notations ................. . 32
2.2.2 Méthode de modélisation de la dynamique du front du feu 34
2.2.3 Recherche de l'équation d'évolution 35
2.2.4 Modèle d'évolution elliptique. 37
Forme intrinsèque. . . 37
2.2.6 Vitesse de propagation 38
2.3 Formulation variationnelle de la méthode d'enveloppe 39
2.3.1 Modèle d'évolution . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.2 Fonction indicatrice pour une forêt non uniforme 41
2.3.3 Trajectoire des rayons des perturbations 43
2.3.4 Equation cartésienne du front d'onde .. 44
2.3.5 Expression de la transformation de Legendre 45
2.3.6 Vitesse de propagation 47
2.3.7 Les limites du modèle. 48
2.4 Champs thermiques bidimensionnels associés à la propagation du feu 48
VI
2.4.1 Champ thermique hyperbolique . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.2 Champ thermique vérifiant une équation de réaction diffusion 53
Bibliographie 57
Chapitre 3
Système d'équations macroscopiques de la propagation des feux de forêts
3.1 Système d'équations macroscopiques de feux de forêt 60
3.1.1 Les différentes phases macroscopiques . . . . . 60
3.1.2 Equations macroscopiques dans l'air ambiant et dans le sous-sol 62
3.1.3 Phase particule végétale . . . 64
3.1.4 Equation du transfert radiatif 70
3.1.5 Conditions de saut entre la strate végétale et l'air ambiant 72
3.1.6 Discussion à propos du système de feux de forêts 73
3.2 Equations à l'échelle mésoscopique pour la phase particule végétale 73
3.2.1 Les deux phases constituant la phase particule végétale 73
3.2.2 Présentation des équations mésoscopiques 74
3.2.3 Espèces constitutives et nomenclature. 75
3.2.4 Phase gaz ... 76
3.2.5 Phase végétale 77
3.2.6 Expressions des flux et des équations d'état mésoscopiques 78
3.2.7 Conditions de saut entre phase végétale et phase gaz ... 78
3.3 Méthode de prise de moyenne et obtentions d'équations de bilan macros co-
piques 80
3.3.1 Méthode de prise de moyenne 80
3.3.2 Equations bilans du constituant poreux p . 83
3.4 Fermeture thermodynamique (le second principe) 86
3.4.1 Obtention de la relation de Gibbs 86
3.4.2 Génération d'entropie ....... . 87
3.4.3 Lien entre les forces et les flux macroscopiques 88
3.4.4 Loi de Brinkman et loi de Darcy. 89
3.4.5 Lois d'état et cinétique chimiques 90
3.4.6 Discussion sur la dérivation précédente des équations macroscopiques 90
3.5 Conditions de saut entre la strate végétale et l'air ambiant 91
3.6 Rayonnement dans un milieu semi-transparent ...... . 92
Vil