Application de la stéréo PIV pour la mesures des écoulements bidirectionnels de fumée d'incendie traversant une trémie horizontale

International audienceL’écoulement des fumées à un passage d’une ouverture horizontale reliant deux compartiments superposés est étudié expérimentalement. Dans cette étude la technique de stéréo PIV est appliquée pour l’écoulement en convection mixte et en convection naturelle. Cet échange est gouverné à la fois par les effets de flottabilité dûs à une différence de température du fluide contenu dans les deux compartiments, et les effets d’une ventilation mécanique appliqué dans le compartiment inférieur. Une telle configuration entraîne un échange uni- ou bi-directionnel à travers l’orifice. Dans les expériences, la flottabilité est induite dans le compartiment inférieur grâce à une résistance électrique. Les résultats en convection naturelle montrent une forte similitude avec les résultats en convection mixte dans le régime bi-directionel

Experimental study of the mixed convection flow through a horizontal orifice linking two compartments

Afin de répondre à des problématiques bâtimentaires et des enjeux de sécurité incendie, cette thèse aborde l’écoulement de convection mixte à travers un orifice horizontal reliant deux compartiments. L’objectif est d’améliorer la connaissance et la modélisation de l’échange de gaz de masse volumique variable à travers l’orifice. Une étude expérimentale à échelle réduite couplée à une approche théorique est proposée. L'étude est d'abord focalisée sur l’influence du rapport géométrique L/D de l’orifice sur la variation de débit échangé pour un régime de convection naturelle. Les mesures non intrusives de ces débits, par suivit de l'interface entre deux liquides non miscibles lors d'une première approche densimétrique, ainsi que par Stéréo PIV en sortie d'orifice dans une approche thermique, permettent de décrire le processus d'échange bidirectionnel et de conforter les corrélations existantes.Des expériences en régime de convection mixte visent ensuite à caractériser l’influence d’une ventilation mécanique (en soufflage et en extraction) sur les débits échangés. La confrontation des corrélations existantes avec les points expérimentaux montre des écarts importants. Une modification de la corrélation de Cooper 89 est proposée et permet d'en accroître la précision. En parallèle, une approche théorique issue des équations de Navier Stokes simplifiées et sous l’approximation de Boussinesq permet de discuter la construction des corrélations existantes. L'ajustement de coefficients de pertes de charge à partir des points expérimentaux permet de proposer un modèle plus performant que ceux disponibles dans la littérature.To answer to building issues and fire safety challenges, this thesis deals with the mixed convection flow through a horizontal orifice linking two compartments. The aim is to improve the understanding and modeling of the exchange of variable density gas through the opening. A small scale experimental study and a theoretical approach are proposed.The study is first focussed on the impact of the geometrical ratio L/D of the opening on the exchanged flow rate variation for free convection regime. Non-intrusive measurements of these flow rates, via the tracking of the interface between two non miscible liquids in an isothermal approach, and thanks to the SPIV in a thermal approach, permit to describe the bidirectional exchange process and to consolidate existing correlations.Experiments in mixed convection regime aim to study the impact of mechanical ventilation (in blowing and extracting mode) on the exchanged flow rates. The comparison between existing correlations and experimental data shows large differences. A change making the coorelation of Cooper 89 more accurate is proposed. A theoretical approach from the simplified Navier Stokes equations and with the Boussinesq approximation permits to discuss the construction of existing correlations. From this theory, a model more accurate than those available in the literature is proposed thanks to an adjustment of discharge coefficients from experimental data

Theoretical model of continuous inertial gravity currents including a jump condition

International audienceThis paper examines the theoretical modeling of a steady horizontal gravity currentinvolving miscible fluids. The main objective is to determine the longitudinal evolution of the current characteristic quantities: its mean velocity U, its height h, its mean density ρ, and the local Richardson number Ri = gρh/ρU2, which characterizes the flow regime.The theory developed by Ellison and Turner [J. Fluid Mech. 6, 423 (1959)] for Boussinesqgravity currents is first extended to the general non-Boussinesq case. In this theoreticalapproach, the differential equations derived from the conservation equations reveal amathematical singularity which no longer allows them to be solved when the current passes from a supercritical to a subcritical regime, i.e., when the Richardson number reaches unity. To circumvent this problem, we propose to introduce a jump condition into the model which leads to a sudden transition from a supercritical to a subcritical regime when needed. The jump location is set to satisfy the boundary condition at the exit. Numerical simulations are carried out using a large-eddy simulation code in order to obtain reference results. These results are first used to select a suitable entrainment model among those proposed in the literature. The simulations are then compared with the theoretical model. In the case of a supercritical current without regime change, the agreement between simulation and theory is good. In the case of a supercritical current turning subcritical before the exit, the discontinuity imposed in the model by the jump is clearly abrupt in comparison with the physical reality, but it allows us to reproduce the nonmonotonic evolution of the velocity, height, and Richardson number of the current and to obtain an acceptable estimation of these quantities

Modèle théorique de courant de gravité issu d’un rejet continu sur un plan inclinable dans un milieu ouvert

National audienceIn this study, we are interested in the theoretical modelling of a gravity current on a tiltable plane. Thistype of flow is formed when a fluid moves, mainly longitudinally, in a surrounding fluid of differentdensity (Ungarish [16]). To model the dynamics of this type of flow, we consider a gravity flow from acontinuous discharge of a light fluid of controlled velocity and density.The gravity flow reaches a steady state after an initial development stage during which the gravity flowpropagates along the wall to its end. In this stationary regime, the objective is to establish a theoreticalmodel and to determine the longitudinal evolution of the characteristic quantities (velocity, density andthickness) and the associated Richardson number (corresponding to the buoyancy/inertia ratio) of thegravity current along the entire length of the tiltable plane.In a first step, we have extended the theoretical model of Ellison and Turner [7], based on balance equations (mass, momentum and energy), developed in the Boussinesq case (i.e. when the relative differencebetween the density of the current and the one of the ambient air is not relevant) to the general nonBoussinesq framework. This new model enables to theoretically estimate the variation of the main threequantities of the current (velocity, height and density). In the case of an initially inertial flow (Ri 1) and a more accurate transcriptionof the dynamics of the gravity current.Secondly, to compare this theoretical approach with reference gravity flows, we have carried out LargeEddy Simulations with the CALIF3S-Isis software. These simulations confirmed the transition betweenthe inertial and subcritical regimes. They also highlight the influence of the slope angle on the behaviourof the flow. Indeed, in the case of an initially inertial flow becoming subcritical, the increase of the slopeangle reduces the amplitude of the jump until it disappears for a defined theoretical angle. For steeperslopes, we observe a change in the behaviour of the flow from the injection.The slope angle thus plays a preponderant role in this type of configuration and its role, analogous tothe entrainment in the governing equations, increases the mixing between the current and the ambientfluid. Although this model is simple with an abrupt transition, it can reproduce with an acceptable levelof accuracy the evolution of the velocity, density and thickness of the layerDans cette étude, nous nous intéressons à la modélisation théorique d’un courant de gravité sur un planinclinable. Ce type d’écoulement, communément rencontré dans des situations naturelles ou accidentelles (écoulement de fumée issue d’un incendie, rejets de polluants, etc.), se forme lorsqu’un fluide sedéplace, principalement de manière longitudinale, dans un fluide environnant de masse volumique différente (Ungarish [16]). Afin de modéliser la dynamique de ce type d’écoulement, nous considérons uncourant de gravité issu d’un rejet continu d’un fluide léger (mélange air/hélium) de vitesse et de massevolumique contrôlées. Après une phase initiale de développement au cours de laquelle le courant degravité se propage le long de la paroi jusqu’à son extrémité, le courant de gravité atteint alors un régime stationnaire.Dans le cadre du régime stationnaire, l’objectif est d’établir un modèle théorique et de déterminer l’évolution longitudinale des grandeurs caractéristiques (vitesse, masse volumique et épaisseur) et du nombrede Richardson associé (correspondant au rapport flottabilité / inertie) du courant de gravité sur toutela longueur du plan inclinable.Dans un premier temps, nous avons étendu le modèle théorique d’Ellison et Turner [7], basé sur deséquations bilans (masse, quantité de mouvement et énergie) dans un volume élémentaire du courant degravité dans le cadre Boussinesq (i.e. écart relatif faible entre la masse volumique du courant et celle del’air ambiant), au cadre général non-Boussinesq. Ce nouveau modèle, composé d’équations différentielles couplées, nous permet d’estimer théoriquement la variation des trois quantités d’intérêt (vitesse,hauteur et masse volumique) à l’aide d’une résolution numérique. Dans le cas d’un courant initialementinertiel (Ri 1) et une retranscription plus fidèle de la dynamique du courant de gravité étudié.Dans un second temps, afin de confronter cette approche théorique à des courants de gravité de référence, nous avons réalisé des simulations aux grandes échelles avec le logiciel CALIF3S-Isis quiconfirment l’existence de la transition entre régimes inertiel et sous-critique ainsi que l’influence del’angle d’inclinaison du plan sur le comportement de l’écoulement. En effet, dans le cas d’un courantinitialement inertiel devenant sous-critique, l’augmentation de l’angle d’inclinaison réduit l’amplitudedu saut jusqu’à la disparition de ce dernier pour un angle théorique défini. Pour des angles encore plusimportants, il est également possible d’observer un changement de comportement de l’écoulement dèsl’injection. En effet, l’écoulement initialement inertiel, devient de plus en plus inertiel dès l’injectioncontrairement aux cas évoqués précédemment.L’angle d’inclinaison joue donc un rôle prépondérant dans ce type de configuration et son rôle, analogue à l’entraînement dans les équations du modèle, permet d’augmenter le mélange entre le courantet le fluide ambiant. Bien que ce modèle soit simple et que la transition soit brutale, ce dernier permetde reproduire, avec un niveau de précision acceptable, l’évolution de la vitesse, de la masse volumiqueet de l’épaisseur de la couche

Modèle théorique de courant de gravité issu d’un rejet continu sur un plan inclinable dans un milieu ouvert

National audienceIn this study, we are interested in the theoretical modelling of a gravity current on a tiltable plane. Thistype of flow is formed when a fluid moves, mainly longitudinally, in a surrounding fluid of differentdensity (Ungarish [16]). To model the dynamics of this type of flow, we consider a gravity flow from acontinuous discharge of a light fluid of controlled velocity and density.The gravity flow reaches a steady state after an initial development stage during which the gravity flowpropagates along the wall to its end. In this stationary regime, the objective is to establish a theoreticalmodel and to determine the longitudinal evolution of the characteristic quantities (velocity, density andthickness) and the associated Richardson number (corresponding to the buoyancy/inertia ratio) of thegravity current along the entire length of the tiltable plane.In a first step, we have extended the theoretical model of Ellison and Turner [7], based on balance equations (mass, momentum and energy), developed in the Boussinesq case (i.e. when the relative differencebetween the density of the current and the one of the ambient air is not relevant) to the general nonBoussinesq framework. This new model enables to theoretically estimate the variation of the main threequantities of the current (velocity, height and density). In the case of an initially inertial flow (Ri 1) and a more accurate transcriptionof the dynamics of the gravity current.Secondly, to compare this theoretical approach with reference gravity flows, we have carried out LargeEddy Simulations with the CALIF3S-Isis software. These simulations confirmed the transition betweenthe inertial and subcritical regimes. They also highlight the influence of the slope angle on the behaviourof the flow. Indeed, in the case of an initially inertial flow becoming subcritical, the increase of the slopeangle reduces the amplitude of the jump until it disappears for a defined theoretical angle. For steeperslopes, we observe a change in the behaviour of the flow from the injection.The slope angle thus plays a preponderant role in this type of configuration and its role, analogous tothe entrainment in the governing equations, increases the mixing between the current and the ambientfluid. Although this model is simple with an abrupt transition, it can reproduce with an acceptable levelof accuracy the evolution of the velocity, density and thickness of the layerDans cette étude, nous nous intéressons à la modélisation théorique d’un courant de gravité sur un planinclinable. Ce type d’écoulement, communément rencontré dans des situations naturelles ou accidentelles (écoulement de fumée issue d’un incendie, rejets de polluants, etc.), se forme lorsqu’un fluide sedéplace, principalement de manière longitudinale, dans un fluide environnant de masse volumique différente (Ungarish [16]). Afin de modéliser la dynamique de ce type d’écoulement, nous considérons uncourant de gravité issu d’un rejet continu d’un fluide léger (mélange air/hélium) de vitesse et de massevolumique contrôlées. Après une phase initiale de développement au cours de laquelle le courant degravité se propage le long de la paroi jusqu’à son extrémité, le courant de gravité atteint alors un régime stationnaire.Dans le cadre du régime stationnaire, l’objectif est d’établir un modèle théorique et de déterminer l’évolution longitudinale des grandeurs caractéristiques (vitesse, masse volumique et épaisseur) et du nombrede Richardson associé (correspondant au rapport flottabilité / inertie) du courant de gravité sur toutela longueur du plan inclinable.Dans un premier temps, nous avons étendu le modèle théorique d’Ellison et Turner [7], basé sur deséquations bilans (masse, quantité de mouvement et énergie) dans un volume élémentaire du courant degravité dans le cadre Boussinesq (i.e. écart relatif faible entre la masse volumique du courant et celle del’air ambiant), au cadre général non-Boussinesq. Ce nouveau modèle, composé d’équations différentielles couplées, nous permet d’estimer théoriquement la variation des trois quantités d’intérêt (vitesse,hauteur et masse volumique) à l’aide d’une résolution numérique. Dans le cas d’un courant initialementinertiel (Ri 1) et une retranscription plus fidèle de la dynamique du courant de gravité étudié.Dans un second temps, afin de confronter cette approche théorique à des courants de gravité de référence, nous avons réalisé des simulations aux grandes échelles avec le logiciel CALIF3S-Isis quiconfirment l’existence de la transition entre régimes inertiel et sous-critique ainsi que l’influence del’angle d’inclinaison du plan sur le comportement de l’écoulement. En effet, dans le cas d’un courantinitialement inertiel devenant sous-critique, l’augmentation de l’angle d’inclinaison réduit l’amplitudedu saut jusqu’à la disparition de ce dernier pour un angle théorique défini. Pour des angles encore plusimportants, il est également possible d’observer un changement de comportement de l’écoulement dèsl’injection. En effet, l’écoulement initialement inertiel, devient de plus en plus inertiel dès l’injectioncontrairement aux cas évoqués précédemment.L’angle d’inclinaison joue donc un rôle prépondérant dans ce type de configuration et son rôle, analogue à l’entraînement dans les équations du modèle, permet d’augmenter le mélange entre le courantet le fluide ambiant. Bien que ce modèle soit simple et que la transition soit brutale, ce dernier permetde reproduire, avec un niveau de précision acceptable, l’évolution de la vitesse, de la masse volumiqueet de l’épaisseur de la couche

Burning rate of elevated pool fire in a well-ventilated compartment: Effects of radiative heat fluxes

International audienceElevated pool fires are potentially exposed to the feedback of radiative heat fluxes from the ceiling that can modify the mass loss rate. In this regard, an experimental study was carried-out in a reduced-scale enclosure with a pool fire brought increasingly closer to the ceiling of the compartment. The objective is to study the effect on the mass loss rate of the increase in radiative heat fluxes without any air vitiation effect. The device is equipped with a mechanical ventilation system to allow the flame to develop in a well-oxygenated environment. The fire sources used are circular pans with diameters between 0.09 and 0.175 m, filled with dodecane. Results show that, as long as the flame does not impinge on the ceiling, the mass loss rate remains quasi-constant. On the other hand, when the flame impinges on the ceiling, the mass loss rate increases drastically and can be multiplied by a factor 2–3 compared to the reference value when the pool fire is located on the ground. Scaling parameters, showing the generic aspect of the results, are finally proposed considering a dimensionless elevation h*. It allows to gather all experimental data on the same curve for all the fire sources tested

Stereoscopic Particle Image Velocimetry Investigation of the Bidirectional Natural Convection Flow Through a Horizontal Vent

International audienceAn experimental study investigates the natural convection flow through a horizontal ceiling vent of a fire compartment. This flow is governed by the buoyancy forces and the friction forces, and is bidirectional. The orifice used is of circular cross section and is characterized by the aspect ratio L/D of its thickness L over its diameter D. The reduced scale apparatus consist of two superimposed compartments of for the lower and for the upper. These two rooms are connected by a 0.038 m length circular orifice with different diameters available ( mm]). For the study of natural convection, only the lower compartment is used; the upper compartment is left at atmospheric conditions by removing all its walls. The temperature gradient (C between the bottom and the top of the orifice) is generated by a 2 kW electrical resistor located in the lower compartment. This electrical resistor makes it possible to generate, without mass inlet, a plume with no soot and to reach a thermal steady state in the ``fire room''. The optical stereoscopic particle image velocimetry measurement technique provides the velocity field through the opening for different diameters. This technique, based on the finding of the displacement of a set of particles between two consecutive snapshots of a seeded fluid, makes it possible to obtain all three components of the velocity vector field by non-intrusive measurement. The use of this technique is a novelty for such vent flows and allows accessing information not only on the variation of the flow rate but also on the distribution of the fluids moving upward and downward through the orifice. Despite an unsteady dynamic regime, the analysis of averaged fields shows a geometrical organization of the bidirectional flow through the orifice, with a central area occupied by the hot fluid flowing upward and a peripheral zone where the cold fluid flows downward. The flow section occupancy ratio reverses with the extrema of flow velocities, for L/D approximate to 0.41

Experimental study of the indoor flow behaviour transitions in a naturally ventilated single-zone building opposing wind and buoyancy

Indoor flow behaviour can strongly impact safety in the case of a fire event. Indeed, when air inlet and outlet are correctly placed, stratification allows a fresh air layer to be maintained in the room that can be favourable for the egress. However, in the case of a naturally ventilated building, the presence of the wind will interact with the indoor flow pattern. Hence, fire smoke extraction in naturally ventilated buildings can strongly be influenced by the wind. Indeed, when wind opposed buoyancy, a change in the ratio between buoyancy forces and wind forces can impact the internal flow pattern resulting in a mixed ventilation mode, which is unfavourable for egress, in the case of a fire event. Flow pattern inside a room and their transitions are then a safety purpose. In this paper, natural ventilation of a singular room with two asymmetrical and opposed openings was studied experimentally when wind opposes buoyancy. The buoyant source was generated by an injection of an air/he mix. Varying wind and injection conditions, the ventilation regimes change as well as the indoor flow dynamic. Three ventilation regimes are experimentally observed depending on the balance between J and Fr :buoyancy-driven, bidirectional and wind-driven. From dimensional analysis, we shown that the ventilation regimes can be described via the Froude number, based on the injection flow rate Fr, and the momentum flux ratio J. in the literature, transitions between these regimes is still difficult to estimate as far as it depends on the assumption made on the initial indoor flow pattern (layered or fully mixed). Hence, an experimental investigation on the transition from each extreme regime (buoyancy-driven or wind-driven) to the bi-directional one, has been conducted. The transitions are found to follow a power low in the form Fr ∝ J3/4.A discussion on the inner flow pattern for this bi-directional regime is also proposed and a focus on how the knowledge of the behaviour of the inflowing flow contributes to improve the modelling is made