Reconstruction of temporal evolution of the heat release rate by an optimization method
Reconstruction de l'évolution temporelle de la puissance thermique dégagée par un foyer d'incendie par une méthode d'optimisation
Résumé
This thesis falls in the field of fire sciences and finds its applications in fire safety engineering and in fire investigation. In these two fields of application, using numerical simulation is more and more a common task. To carry out these simulations, the prescription of the source term of the fire (i.e. what burned) is a crucial element. Here, we propose a method which allows a source term(temporal evolution of the heat release rate and spatial extension) to be characterized from indirect physicalmeasurements that are simple to perform, such as for example temperature
measurements at given points in the nearby vicinity of the fire.
This method involves algorithms commonly used in optimization problems and is based on the use of a CFD code (Fire Dynamics Simulator). The idea is to adjust at different times in the simulation an input data, in this case the heat release rate of the fire, in order to minimize the difference, at a later time, between the simulated quantities and the same quantities measured experimentally.
In order to validate our approach, real scale experiments were carried out, involving a gas burner (whose heat release rate evolution over time is imposed). The method was then used to characterize fire of increasing complexity : pool fire, wood pallets fire, and vehicle fire.
Beyond the initial objective of numerically reconstructing the temporal evolution of a fire source in its real environment, this method turns out to be also an interesting alternative to experimental techniques, such as the real-scale calorimeter, usually used to characterize the heat release rate emitted by a fire.
Cette thèse s’inscrit dans le domaine des sciences du feu et trouve ses applications dans l’Ingénierie de la Sécurité Incendie (ISI) et de l’expertise post-incendie. Dans ces deux domaines d’application, le recours à la simulation numérique est de plus en plus courant. Pour réaliser ces simulations, la prescription du terme source de l’incendie (i.e. ce qui a brûlé) constitue un élément crucial.
Nous proposons ici une méthode permettant de caractériser un terme source (évolution temporelle du dégagement de chaleur et extension spatiale) à partir de mesures physiques indirectes simples à réaliser, telles que par exemple celles de la température en certains points de l’environnement proche du foyer. Elle fait appel aux algorithmes couramment employés dans les problèmes d’optimisation et s’appuie sur l’utilisation d’un code CFD (Fire Dynamics Simulator). L’idée est d’ajuster à différents instants dans le code de calcul une donnée d’entrée, en l’occurrence
la puissance du foyer, afin de minimiser l’écart, à un instant ultérieur, entre les grandeurs simulées et les mêmes grandeurs mesurées expérimentalement.
Pour valider notre approche, des expériences ont été réalisées à l’échelle réelle, impliquant des foyers étalons (i.e. dont l’évolution temporelle de la puissance est imposée). La méthode a ensuite été employée pour caractériser des foyers de complexité croissante : feu de bacs d’hydrocarbure en milieu ouvert, feu de palettes de bois, et feu de voiture.
Au-delà de l’objectif initial visant à reconstruire numériquement l’évolution temporelle d’un terme source dans son environnement réel, cette méthode se présente également comme une alternative intéressante aux techniques expérimentales, telles que la hotte calorimétrique, habituellement utilisées pour caractériser la puissance émise par un foyer.
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