Combustion lente en milieux poreux représentatif de matériaux isolants

Contexte et enjeux

Face à l'urgence climatique, la réglementation énergétique et environnementale (RE2020) s'inscrit dans la trajectoire de la Stratégie Nationale Bas Carbone (SNBC), fixant ainsi des objectifs ambitieux pour réduire l'empreinte carbone et la consommation énergétique dans le secteur de la construction. En intégrant un indicateur de stockage du carbone dans l'analyse de cycle de vie des produits, la RE2020 encourage l'utilisation de matériaux biosourcés pour isoler notamment l’enveloppe des bâtiments.

La généralisation de l'utilisation de ces matériaux soulève toutefois des préoccupations majeures en matière de sécurité incendie. En raison de leur nature poreuse et réactive, ces matériaux peuvent être sujets à des phénomènes de combustion lente (smoldering) lorsqu'ils sont exposés à un stress thermique de faible intensité. Des réactions hétérogènes se produisent au niveau de la matrice solide et se propagent lentement au sein du matériau. Tant que l'apport en oxygène est suffisant et que les pertes de chaleur sont minimisées, l’exothermicité des réactions chimiques suffit à entretenir à la propagation sans nécessité de source de chaleur externe. Cependant, un déséquilibre local dans le bilan énergétique peut entraîner un emballement thermique, pouvant potentiellement conduire à une inflammation et à un incendie, ou au contraire à une extinction. À ce jour, une prédiction détaillée de ce type de feu représente un défi scientifique pour la communauté scientifique en raison des processus multiphysiques et multiphasiques impliqués. De nombreuses questions subsistent également sur la propension des produits de construction à initier, propager et déclencher un emballement thermique dans des conditions d’utilisation réelles. Comprendre ce risque est essentiel pour anticiper et réduire leur incidence et, par conséquent, le risque d'incendie dans les bâtiments.

Objectifs et résultats attendus

Les travaux de thèse doivent permettre d’améliorer notre compréhension des mécanismes sous-jacents à la combustion lente au sein de matériaux isolants biosourcés. Le sujet proposé ici s’articule autour de deux grands enjeux :

• Modéliser/représenter le système et investiguer les conditions amenant à des propagations en milieu confiné et possiblement sous ventilé
• Déterminer et comprendre la réactivité de ces matériaux soumis à des flux thermiques variables

Le sujet de la propagation de fronts de réaction in situ n’est pas nouveau et a été historiquement étudié que ce soit analytiquement par Aldushin et al. (1976), numériquement en formulation macroscopique par Ohlemiller (1985), ou à l’échelle de la structure microscopique des matériaux par Debenest et al. (2005).

Néanmoins, la compréhension de la propagation de fronts de réactions couvant dans des matériaux isolants reste un enjeu majeur sociétal. En particulier, les effets de l’humidité sur la réaction de dégradation sont un enjeu majeur, ceci étant relativement peu investigué dans la littérature voir Lapene et al. (2009)

Méthodologie de recherche

La description du calendrier est prévisionnelle et dépendra forcément des problèmes rencontrés. Il comporte 3 parties sur l’analyse numérique, la réactivité et la mise en place d’une expérimentation modèle.

Année 1 :

• Etat de l’art (réactivité/modèle) et mise en place d’un modèle de combustion lente en reprenant un modèle pré existant ( i.e. Pan et al. (2022)).
• Mise en place de réseau de neurone. Analyse de sensibilité à la réactivité, densité, propriétés de transport au sein du milieu poreux
• Rédaction d’un article bilan

Année 2 :

• Etude de la réactivité de milieux par des méthodes ATG/DSC en voie sèche et humide
• Mise en place de modèle de dynamique moléculaire utilisant un champ de forces réactifs (REAXFF) pour apporter une analyse théorique  détaillée des mécanismes de décomposition thermique.
• Proposition de schéma réactifs complexifiés
• Rédaction d’un article synthèse

Année 3 :

• Mise en place d’expériences modèles échelle 1 pour analyse de la propagation de front de réactions et suivi chimique (microsampling Martins et al. 2009) thermique et analyse des propriétés de transport post mortem
• Consolidation du modèle numérique et confrontation à l’expérience référence
• Rédaction du mémoire de thèse/article final

Contexte et enjeux

Dans un contexte d’urgence climatique, la réglementation énergétique et environnementale (RE2020) marque une étape décisive vers une construction plus durable. En cohérence avec la Stratégie Nationale Bas Carbone (SNBC), elle impose des exigences renforcées pour réduire l’empreinte carbone des bâtiments et optimiser leur performance énergétique. Parmi les leviers privilégiés, l’intégration de matériaux biosourcés s’impose comme une solution prometteuse, notamment pour l’isolation thermique de l’enveloppe des bâtiments. En favorisant l’usage de ressources renouvelables et en valorisant leur capacité de stockage du carbone, la RE2020 contribue ainsi à une transition écologique du secteur du bâtiment.

Cependant, cette évolution soulève toutefois des préoccupations majeures en matière de sécurité incendie. En raison de leur nature organique et poreuse, les matériaux biosourcés peuvent être sujets à des phénomènes de combustion lente (smoldering) lorsqu'ils sont exposés à un stress thermique de faible intensité. Des réactions hétérogènes se produisent au niveau de la matrice solide et se propagent lentement au sein du matériau. Tant que l'apport en oxygène est suffisant et que les pertes de chaleur sont minimisées, l’exothermicité des réactions chimiques suffit à entretenir à la propagation sans nécessité de source de chaleur externe. Cependant, un déséquilibre local dans le bilan énergétique peut entraîner un emballement thermique, pouvant potentiellement conduire à une inflammation et à un incendie, ou au contraire à une extinction. À ce jour, une prédiction détaillée de ce type de feu représente un défi scientifique pour la communauté scientifique en raison des processus multiphysiques et multiphasiques impliqués. De nombreuses questions subsistent également sur la propension des produits de construction à initier, propager et déclencher un emballement thermique dans des conditions d’utilisation réelles. Comprendre ce risque est essentiel pour anticiper et réduire leur incidence et, par conséquent, le risque d'incendie dans les bâtiments.

Objectifs et résultats attendus

Les travaux de thèse proposés visent à approfondir notre compréhension des mécanismes de combustion lente dans les matériaux isolants biosourcés. Ce phénomène, bien que largement étudié dans d’autres contextes, demeure un enjeu critique pour la sécurité incendie des bâtiments, notamment en raison des incertitudes persistantes sur les conditions favorisant sa propagation en milieu confiné et sous-ventilé. Le sujet proposé ici s’articule autour de deux grands enjeux :

• Modéliser/représenter le système et investiguer les conditions amenant à des propagations en milieu confiné et possiblement sous ventilé
• Déterminer et comprendre la réactivité de ces matériaux

La problématique des fronts de réaction couvants a été historiquement étudiée sous divers angles : analytiquement par Aldushin et al. (1976), numériquement à l’échelle macroscopique par Ohlemiller (1985), et à l’échelle microscopique des matériaux par Debenest et al. (2005). Toutefois, l’application de ces approches aux matériaux isolants biosourcés reste un défi scientifique majeur. L’exploration approfondie des effets de l’humidité sur la dégradation thermique constitue une avancée nécessaire pour mieux appréhender ces phénomènes. Ce travail contribuera ainsi à améliorer la sécurité des bâtiments en fournissant des outils de prédiction et de prévention des risques liés à la combustion lente des isolants biosourcés.

Méthodologie de recherche

Ce projet de thèse vise à améliorer la compréhension des mécanismes sous-jacents à la combustion lente dans les matériaux isolants biosourcés, en combinant approches numérique, expérimentale et théorique. Il s’articulera autour de 5 étapes :

1. État de l’art et bases théoriques

2. Développement et amélioration des modèles numériques

• Un modèle existant, tel que celui proposé par Pan et al. (2022), sera repris et amélioré en intégrant un réseau de neurones, afin de mieux prédire la propagation de la combustion lente en fonction des conditions environnementales et des propriétés des matériaux.
• Un modèle de dynamique moléculaire utilisant le champ de forces réactif REAXFF sera développé pour analyser les mécanismes de dégradation thermique des matériaux et l’influence des facteurs clés, notamment l’humidité.

3. Étude expérimentale de la réactivité et de la propagation des fronts de combustion

• Des expériences seront réalisées pour évaluer l’influence de l’humidité sur la dégradation thermique des matériaux, un aspect encore peu étudié mais crucial pour la compréhension du phénomène.
• Une installation expérimentale sera mise en place pour observer et analyser la propagation des fronts de combustion en conditions contrôlées. Cette étude comprendra un suivi chimique (microsampling selon la méthodologie de Martins et al. (2009)), thermique et une analyse post-mortem des propriétés de transport des matériaux après combustion.

4. Confrontation des modèles et validation expérimentale

5. Synthèse et valorisation des résultats

Références :

Aldushin, A. & Merzhanov, A. & Seplyarskii, Boris. (1976). Theory of Filtration Combustion of Metals. Combustion Explosion and Shock Waves - COMBUST EXPL SHOCK WAVES-ENGL. 12. 285-294. 10.1007/BF00789009.

Ohlemiller, T. J. (1985). Modeling of smoldering combustion propagation. Progress in energy and combustion science, 11(4), 277-310.

Debenest, G., Mourzenko, V. V., & Thovert, J. F. (2005). Smouldering in fixed beds of oil shale grains: governing parameters and global regimes. Combustion Theory and Modelling, 9(2), 301-321.

Pan, R., Debenest, G., & Zanoni, M. A. (2022). Numerical study of plastic waste pyrolysis driven by char smoldering. Process Safety and Environmental Protection

Martins M., Salvador S., Thovert J-F, Debenest G. (2010) Co-current combustion of oil shale – Part 1: Characterization of the solid and gaseous products. Fuel, 89. pp. 144-151. ISSN 0016-2361

Lapene A., Castanier L., Debenest G., Quintard M., Kamp A., Corre B. (2009) Effects of Steam on Heavy Oil Combustion SPE Reserv. Eval. Eng. . ISSN 1094-6470

Profil recherché : Ecole d’ingénieur ou titulaire d’un master en physique/mécanique des milieux poreux, thermique/Energétique ou mécanique des fluides.

Aptitudes :

• Volonté de développer des compétences numériques et expérimentales,
• Rigueur, capacité d’initiative, esprit d’analyse et de synthèse.
• Autonomie

Expertises : Solide connaissances en mécanique des fluides, physique des matériaux poreux et transfert thermique, calcul scientifique. La connaissance des outils de CFD serait un plus.

Langues : Français/ Anglais/Français

Laboratoire d’accueil

• Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE)
• Institut de mécanique des fluides de Toulouse (IMFT UMR 5502-CNRS-TOULOUSE INP UT3)

Lieu de travail LNE (Laboratoire national de métrologie et d’essais) – Saint Quentin en Yvelines 78

Expertises : Solide connaissances en mécanique des fluides, physique des matériaux poreux et transfert thermique, calcul scientifique. La connaissance des outils de CFD serait un plus.

Langues : Français/ Anglais/Français