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Tuyère Diphasique à Jet de Brouillard (TDJB)

Application à la lutte contre les incendies

Jean-Paul THIBAULT

LEGI UMR 5519, GrenobleCf Doctorat : Thibaut BOURRILHON

GDR Feux, juin 2016, Paris

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Historique et contexte

Début du projet au LEGI 1998 sous l’impulsion:

J. Sterlini TechnomesureM. Amiet DGA/DSP

L. Slama Technomesure

Partenaires Contractuels DGA:1998-2003

Etude financée par la Mission Innovation

Essais financés par la SPN

Contrat Jeune-chercheur DGA-CNRS

Collaboration Siemens-Legi: 2004-2009

Etude de faisabilité

Collaboration (Doctorat CIFRE)

Industrialisation des tuyères

Essais sur feux

Evaluation du refroidissement sur procédés métallurgiques

Industrialisation & commercialisation des tuyères

DGA-Rapid INSERE HT:2012-2015

Innovation dans la sécurité des réseaux haute tension navals / Interaction arc électrique – jet de brouillard

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Etat de l’art

Utilisation des tuyères diphasiques:

Transfert d’énergie et de quantité de mouvement

Applications: conversion d’énergie MHD

propulsion navale

Systèmes commerciaux de génération de Brouillard d’eau:

Atomisation au travers d’un micro-orifice (Brouillard diffusé)

Atomisation assistée moteur fusée (Fort titre massique gazeux)

Tuyère diphasique à Jet de Brouillard: Innovation

Atomisation effervescente (Titre massique gazeux faible)

Production d’un jet de brouillard transporté

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Brisure / atomisation d’un litre (1kg) d’eau forme:

1 sphère D = 12,4 cm S = 121 cm2

2 milliards µ-gouttes D = 100 µm (0,5 µg) S= 15 m2

Intérêt = Evaporation rapide des µ-gouttes

***

Pb : Transport des µ-gouttes (traceurs passifs)

par les gaz environnants

Systèmes classiques à brouillard diffusé

le transport du brouillard / convection naturelle

Csq. : Les µ−gouttes s’évaporent « partout »

***

NB: Grosses gouttes (particules inertielles) taux d’évaporation faible

Problématique : Brouillard d’eau

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- Monofluide : Eau filtrée + micro-orifice

- Haute (env. 100 bar) brouillard,: portée (env. 1m)

- Moyenne pression (env. 30 bar) brouillard diffusé

- Bifluide : atomisation assistée

- deux fluides eau + gaz (moyenne pression) introduits séparément dans une double buse (fraction en masse de gaz assez élevée et portée assez faible)

-NB : La brisure, ou atomisation, est obtenue au prix d’une forte dissipation d’énergie cinétique

Production brouillard d’eau classique

6

Concept : TDJB

Détente directe d’un écoulement diphasique

Atomisation effervescente

Jet liquide Jet de brouillard

Tuyère

Émulseur

Jet de brouillard

Alimentation gaz

Alimentation liquide

Tuyère

Émulseur

Jet de brouillard

Alimentation gaz

Alimentation liquide

Phénomènes physiques complexes

Technologie simple: - basse pression - pas de micro-orifice

Génération d’un brouillard transporté

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Phénoménologie

Vitesse ~ 1 m.s-1

Taux de vide ~ 40%-85%

Pression ~ 1 bar

Vitesse ~ 50-150 m.s-1

Taux de vide ~ 99%

EntréePhase dispersée: liquide

Sortie

Configurations d’écoulement variées

Grad P ~ 60 bar.m-1

Grad V ~ 1000 m.s-1/m

Titre massique en gaz:0.5% - 10

lg

g

mmm

X!!

!

+=

Pression ~ 5 à 8 bar

8

Phénoménologie 2/2

9

Production continue d’un jet de brouillard projeté

=>portée jusqu’à 10 m

Atomisation effervescente basse pression

Jet diphasique:

Le gaz porteur « transporte » les µ-gouttes de liquide (jet dense = grande inertie)

Conséquence = mode d’action sur le foyer change!

Les µ-gouttes atteignent le foyer rapidement (faible taux de vaporisation pendant le transport)

Dans zone chaude (i.e. flamme)

=> Évaporation locale : Refroidist rapide + Production vapeur

Protection / extinction à distance

Innovation : Jet de Brouillard d’Eau par TDJB

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Caractérisation du jet produit par TDJB

• ṁl xVlim àQuantitédemouvementdujet(équivalenteàuneforce)• ṁl xV2

lim à Puissancecinétiquedujet

Vitesse limite (Vlim) à Indicateur de la vitesse du jet

• (1-β)à Tauxvolumiquedeliquidedanslejet• (1-β)xṁlàPotentielvolumiquederefroidissement

Taux de vide (β) à Indicateur de la proportion en volume de gaz dans le jet

• Indicateur du volume (masse) de fluide / unité de surface d’échange

Diamètre caractéristique des gouttelettes (diamètre de Sauter d32)

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Pôles d’activités

Banc d’essai & Mesures

Conception & Essais sur feu

Modélisation & simulation

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Ecoulement interne à la tuyère

Modélisation:

Modèle homogène (1D)

Aide au pré-dimensionnement

1er calcul des points de fonctionnement

Modèle dispersé (1D)

Dimensionnement complet des tuyères

Prédiction-optimisation de performances

Aide à l’analyse des mesures

Expérience

Point de fonctionnement des tuyères

Vitesse de sortie du jet

Granulométrie de sortie

Vliq = Vgaz

Vliq ≠ Vgaz

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Ecoulement interne à la tuyère : modèle homogène

Diamètre au col

Titre massique fixe

Carte des points de fonctionnement prédits par le modèle homogène

Nappe des points de fonctionnement

Géométrie donnée

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Simulation typique : modèle dispersé (2-fluide)

x

TempératureenKelvin

Vitessedugazetduliquideenmétreparseconde

Tauxdevide

Pressionenbar

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

290

291

292

293

294

295

296

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7 Pression

Taux de vide

Vitesse

duGaz

Vitesse du L

iquide

Température

•Détente quasi-isotherme•Accélération différentielle •Ecoulement dominé par les effets de compressibilité•Présence d’un col

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x

Vitessedugazetduliquideenmétreparseconde

Rayonde

Sauterenmétre

Glissement

Pressionenbar

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

0.0E+00

5.0E-04

1.0E-03

1.5E-03

2.0E-03

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7 Pression

Glissement

Vitesse d

u Gaz

Vitesse

du Liquide

Zone 1

Zone 2

Zone 3

Rayon

deSauter

Accélération différentielle - Atomisation - Entraînement

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x0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1 Mesure de forceÞVitesse du jet

Sonde optiqueÞ Configuration écoulement

Mesure de PressionÞ Conditions génératrices

GranulométrieÞCartographie

Rayon de Sauter

Confrontation modèle / expérience 1

17

Confrontation modèle / expérience 1

Sonde optique=> Mesure du taux de vide

Chariot de recul

Force de recul

Jet

( ) jetgl VmmF !! +=

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Confrontation modèle / expérience 2

Cartographie des points de fonctionnement obtenue par le modèle disperséCarte de fonctionnement obtenue par mesure

Granulométrie / diffraction laser à 1 m en aval de la section de sortie

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Pression amont: 6.8 barDébit liquide: 45 l/minTitre massique: 3%

PressionVitesse du GazVitesse du liquideTaille de la phase dispersée

x en mètre

Pressionenbar

Vitesseduliquideetdugazm/s

Taillecaracteristiquedelaphasedisperséeenmètre

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.071

2

3

4

5

6

7

8

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

10-5

10-4

10-3

Pression amont: 6.8 barDébit liquide: 45 l/minTitre massique: 3%

PressionVitesse du GazVitesse du liquideTaille de la phase dispersée

x en mètre

Pressionenbar

Vitesseduliquideetdugazenm/s

Taillecaractéristiquedelaphasedisperséeenmètre

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.071

2

3

4

5

6

7

8

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

10-5

10-4

10-3

PressionVitesse du GazVitesse du liquideTaille de la phase dispersée

Pression amont: 7.6 barDébit liquide: 45 l/minTitre massique: 3 %

Economie énergétique pompage eau: 14 %compression gaz: 7 %

Augmentation de la surface d’échange: 60 %

Diminution de la taille caractéristique: rapport 1.6

Tuyère première génération Tuyère deuxième génération: optimisée

Augmentation de l’énergie cinétique: 180 %

Optimisation des géométries

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Applications

&

Industrialisation

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Feu de pneus :Illustration du potentiel applicatif

Lance traditionnelle: 1min40 - 250l/min – ~ 420 litres

TDJB: 25 sec – 40l/min – ~ 17 litres

13 sec - 40 l/min – ~ 9 litres

Gain temps d’extinction ~ 4 - 7.5

Gain consommable ~ 25 - 50

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SinorixTM H2O Jet : Concept (FIXAO)

Challenge applicatif et industriel

Alimenter les TDJB:

ðd’une part avec une proportion en masse de gaz et une pression d’alimentation contrôlées.

ðd’autre part avec un mélange diphasique effervescent distribué en réseau monotube.

Buse comportant 3 tuyères

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*Tuyère diphasique à jet de brouillard

Brevet conjoint Siemens-LEGI(Laboratoire CNRS)

Trophée de l’Innovation 2010Lutte contre le feu

Buses FIXAO utilisant 3 TDJB*

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FIXAO

OU

SinorixTM H2O Jet: Le Principe

Réservoirs Azote 80 l Nitrogen 300 bars

Containers d’eau 300 l

Point mélange

Tuyauterie mono-tubeBuses directionnelles

Buses volumétriques

N2 H2O

N2 + H2O

Restricteurs

Système CDT

PN 25

PN 25

PN 25

10 à 15 bars

5 à 8 bars

BUCEFAO

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Bilan

• Dépôt d’un Brevet Siemens-Legi protégeant les tuyères diphasiques à jet de brouillard

• SIEMENS BT commercialise des solutions à base de multi-TDJB : applications variées

• Protection à distance de risque identifié de forte puissance (fort pouvoir de vaporisation)

• Autres essais confidentiels : refroidissement à haut flux de métaux base aluminium• Quantification du flux de chaleur extrait et du taux de vaporisation

• DGA-rapid INSERE HT (Innovation dans la sécurité des réseaux haute tension navals)• Interaction d’un jet de brouillard et d’arc électrique• Le jet présente des tensions de claquage idem air humide• Extinction d’arc par refroidissement + soufflage