Aller au contenu principal

SPARK

Présentation

Les travaux menés au sein de cette plateforme s’inscrivent dans la stratégie globale du LSR et se focalisent sur l’aléa, qui est la composante du risque qui caractérise physiquement le phénomène dangereux, et selon deux champs applicatifs : 

  • Risques naturels : les événements naturels tels que les feux de forêts
  • Risques technologiques : les accidents technologiques majeurs en lien avec la transformation, le stockage et le transport de produits chimiques : incendie, explosion, dispersion atmosphérique et aquatique 

Les travaux réalisés dans cet axe proposent une approche dont la vocation est double : finalisée, puisque visant à étudier à l’échelle laboratoire ou à grande échelle les phénomènes et leurs impacts sur l’environnement ; et fondamentale, puisque visant à étudier les mécanismes physiques ou chimiques mis en jeu. Ces recherches intègrent les aspects de modélisation, que ce soit par des approches classiques telles que la simulation numérique ou analytique, mais aussi par des approches moins classiques basées sur des modélisations statistiques combinées à des réseaux de neurones et automates cellulaires. Les nouvelles connaissances et leur mise en œuvre devront permettre de proposer des outils opérationnels adaptés aux contraintes de l’urgence (rapidité des calculs, précision et fiabilité des résultats) ainsi qu’aux environnements complexes (sites industriels).

Activités : expertise des risques industriels : explosions (gaz, poussières, BLEVE), incendie (matériaux, hydrocarbures, boilover), fuites de gaz ou de liquide, dispersion atmosphérique, blow-out, pollution accidentelle des eaux.

Objectifs : comprendre et modéliser les phénomènes accidentels liés aux risques industriels ; étudier et proposer des solutions technologiques afin de prévenir et réduire les conséquences des phénomènes dangereux.

Nos équipements et instruments

  • Tube d’explosion de poussières 
  • Tube à choc
  • Soufflerie aérodynamique 
  • Colonne d’eau pressurisée
  • Tube d’essais BLEVE
  • Panneau radiant
  • Caméras rapides Phantom V711, V2512 et Photron SA3

  • Caméra thermique rapide FLIR SC4000 et de détection de gaz FLIR GASFIND

  • Particle Dynamics Analyzer Dantec : granulométrie de gouttes et vitesse 2D 

  • Système complet PIV (Particle Image Velocimetry)

  • Chaîne d’acquisition rapide HBM et capteurs PCB pour mesurer les ondes de surpession aérienne

  • Fluxmètres thermiques radiatifs et totaux Captec

  • Scanner laser 3D FARO

  • Réseaux de capteurs PID et analyseurs FID pour les nuages de gaz

  • Panneau radiant électrique

Offre et domaines d’application

Recherche collaborative, dans les domaines : 

  • Énergie 

  • Pétrochimie 

  • Chimie 

  • Matériaux 

  • Industrie nucléaire 

  • Industrie pharmaceutique 

  • Sécurité civile

Savoir-faire et expertise scientifique

Essais multi-échelles (laboratoire, halle d’essais et terrain extérieur).

Nos réalisations récentes

L’explosion de poussières est un phénomène redouté dans les installations industrielles dans lesquelles des matières pulvérulentes peuvent être mises en suspension. Dans le cadre du démantèlement nucléaire ou du programme ITER, des poussières (essentiellement des particules de graphite ou de composés métalliques) peuvent être mises en suspension et être la source d’une explosion. L’intensité d’une explosion de poussières est directement liée à la propagation de la flamme dans le milieu réactionnel. Les paramètres essentiels de ce phénomène sont liés à la nature et la concentration de particules, mais aussi de la turbulence initiale. Dans le cas de métaux, les mécanismes de propagation sont extrêmement complexes.

spark-Poussières étudiée et mise en suspension, mesure de turbulence par PIV et PDA
Poussières étudiée et mise en suspension, mesure de turbulence par PIV et PDA

L’objectif principal de ce projet est de comprendre les mécanismes de propagation de la flamme dans le cas d’explosion de poussières d’aluminium et de mesurer la turbulence et la vitesse de propagation de la flamme. De nombreuses techniques optiques ont été mises en œuvre (PIV, TR-PIV, ombroscopie, strioscopie) dont certaines délicates à mettre en œuvre (emploi de filtres optiques et de lasers pulsés synchronisés).

SPARK-Détermination et mesure de la vitesse de combustion par ombrocopie et strioscopie
Détermination et mesure de la vitesse de combustion par ombrocopie et strioscopie

La modification du climat peut accentuer le risque de sécheresse, et par suite l’aléa de feu de forêt. Par ailleurs le risque de feu de forêt est également accentué par la croissance de l’urbanisation et la multiplication de l’habitat en contact avec le domaine forestier. 

Le GPL est un combustible qui peut être utilisé dans l’habitat pour la cuisine, le chauffage et l’eau sanitaire. Dans ce cas, le GPL est stocké à proximité des habitations dans des réservoirs sous pression de 1 à 2m3 de contenance. 

Il peut alors se poser la question du risque feux de forêt par rapport à cette cible technologique. Que se passe-t-il si un incendie de forêt survient dans les limites urbanisées avec présence de réservoirs de GPL ? Les pompiers ignorent la présence des réservoirs de GPL et peuvent être mis en danger par ce risque.

Modélisation du flux thermique impactant un réservoir de GPL lors d’un feu de foret
Modélisation du flux thermique impactant un réservoir de GPL lors d’un feu de foret
Essais expérimentaux avec un réservoir GPL rempli à 15%
Essais expérimentaux avec un réservoir GPL rempli à 15%

Le comportement thermo-hydraulique du réservoir de propane a été modélisé en collaboration avec l’université de Bologne. Il s’agissait de modéliser finement l’ensemble des phénomènes impliqués (transferts de chaleur, ébullition, convection, évaporation, condensation dans le réservoir).

Modélisation du comportement thermo-hydraulique du réservoir de propane
Modélisation du comportement thermo-hydraulique du réservoir de propane
Modélisation du comportement thermo-hydraulique du réservoir de propane

 

 

 

L’eau est un fluide caloporteur très largement utilisé dans le secteur nucléaire mais aussi dans d’autres secteurs industriels (raffineries par exemple). Dans une centrale nucléaire, l’eau est utilisée dans les circuits primaires et secondaires à des températures et pression très élevées, typiquement 300°C et une centaine de bars. Si une fuite survient accidentellement sur l’un des deux circuits, la pression va chuter rapidement et l’eau va se retrouver en état de surchauffe. Il peut être redouté un changement de phase explosif (BLEVE) avec des effets importants en termes de surpression aérienne.

Ce travail de recherche avait pour vocation de comprendre ce qui peut arriver dans un scénario d’eau portée à haute température et rapidement dépressurisée. Peu de données expérimentales étant disponibles, des essais ont donc été réalisés en concevant un prototype massif permettant de porter de  l’eau à 300°C en conditions de saturation, de provoquer une dépressurisation par rupture d’un disque calibré et de mesurer les conditions thermodynamiques (P,T) de l’eau pendant la rupture. Des mesures de surpression aériennes et des vidéos rapides à haute cadence ont été synchronisées afin de collecter toutes les données nécessaires à comprendre le phénomène observé.

SPARK - Prototype EXPLORE et vidéo rapide
Prototype EXPLORE et vidéo rapide.

Les feux de gaz et d’hydrocarbures représentent le scénario le plus fréquent dans l’industrie pétrolière. La combustion de ces espèces sous forme liquide, liquéfiée sous pression ou sous forme gazeuse peut survenir à la suite d’une fuite accidentelle, et peut prendre la forme d’un feu de nappe ou de jet enflammé.

SPARK-Essais de feu torche impactant un équipement
SPARK-Essais de feu torche impactant un équipement

Ce projet de recherche visait à étudier la mitigation de feux par des agents chimiques, selon un mécanisme d’inhibition ou de masquage par effet d’écran.

Dans le cas d’un stockage contenant un liquide à température et pression ambiante, la perte de confinement conduit à une fuite du liquide au sol. Des cuvettes de rétention sont généralement mises en œuvre afin de confiner l’épandage du liquide. Dans le cas d’un liquide volatil, une évaporation importante peut survenir et être la source d’un nuage de vapeur pouvant être toxique ou inflammable. Une analyse bibliographique a montré que la modélisation de l’évaporation en configuration de cuvette n’était pas prise en compte dans ce cadre du risque industriel. Les travaux ont montré l’influence importante du bord de cuvette sur l’hydrodynamique d’évaporation ; cet aspect induit une décroissance de l’évaporation par rapport à une évaporation en surface dégagée. 

Un focus a également été fait sur l’aspect thermique de l’évaporation. Ce phénomène étant endothermique, des gradients de température horizontaux et verticaux apparaissent et des instabilités de Rayleigh-Bénard-Marangoni apparaissent. Ces phénomènes thermiques ne sont pas pris en compte dans les modèles actuels. Les résultats ont permis d’accéder à la stratification de température dans le liquide. L’impact de ces phénomènes a été quantifié et une étude de sensibilité des modèles existants par rapport aux écarts dus à ces points a été réalisée.

SPARK-Etude de l’évaporation d’un liquide contenu dans une cuvette de rétention-1
SPARK-Etude de l’évaporation d’un liquide contenu dans une cuvette de rétention-2
Etude de l’évaporation d’un liquide contenu dans une cuvette de rétention-2

Le cas d’une agression par une explosion se fait par le biais de trois vecteurs : une onde de surpression aérienne, un flux thermique et des fragments.  Les fragments proviennent généralement de la source de l’explosion ou de solides présent sur site et propulsés par l’explosion. Le cas de l’agression d’un stockage par un seul de ces trois vecteurs a été étudié dans la littérature. Mais aucune publication ne relatait l’étude de deux ou trois vecteurs considérés dans le même scénario. Ces travaux consistaient à étudier la combinaison d’un fragment (et donc formation d’un jet de liquide) en interaction avec une onde de surpression aérienne, soit deux vecteurs d’agression couplés. L’étude a été réalisée à l’aide du tube à choc de la plateforme SPARK.

SPARK - Fragmentation d’un liquide par une onde de surpression aérienne
Fragmentation d’un liquide par une onde de surpression aérienne

Deux informations essentielles étaient recherchées : le mécanisme de fragmentation et la taille ultime des gouttes après fragmentation. Plusieurs techniques optiques ont été employées afin de comprendre le phénomène: ombroscopie, TR-PIV, anémométrie laser doppler, holographie.

Le BLEVE est une explosion physique pouvant survenir lorsqu’un stockage de gaz liquéfié sous pression est soumis à un flux thermique. L’augmentation de température de paroi et des fluides conduit à une rupture du confinement lorsque le gaz liquéfié est en état de surchauffe. Celui-ci peut alors changer de phase brutalement et provoquer de graves effets en termes de surpression aérienne et de fragments. 

Plusieurs modèles de prédiction de conséquences existent en champ lointain : ils sont basés sur une approche macroscopique considérant l’énergie mécanique pouvant être libérée par la phase gazeuse et la phase liquide, convertie en équivalent TNT avec emploi des abaques liés. 

Cependant, ces approches simples ne sont pas adaptées au champ proche (typiquement 50m). Des travaux ont donc été entrepris afin d’étudier le phénomène de BLEVE en champ proche.

SPARK - BLEVE de propane : installation expérimentale
BLEVE de propane : installation expérimentale

Plusieurs campagnes expérimentales ont été réalisées afin de comprendre la physique complexe survenant lors d’un BLEVE. Contrairement au camp lointain, le champ proche nécessite de comprendre de quelle manière les multiples ondes de surpression aériennes sont créées par la détente du ciel vapeur et le changement de phase explosif du liquide. Parallèlement à cela, la dynamique de changement de phase et la vitesse à laquelle le fluide est libéré pilote la force exercée par le réservoir au sol.

Dans le scénario d’une fuite de propane, le scénario le plus redouté est la formation d’un nuage de gaz et son inflammation retardée. Plus l’inflammation sera retardée, plus la taille du nuage sera importante et plus son explosion aura d’effets dramatiques. Il est apparu que peu de connaissances étaient disponibles sur les effets de géométrie du nuage sur la dynamique d’explosion. En effet, l’hypothèse la plus souvent utilisée est celle d’un nuage hémisphérique avec une inflammation en périphérie du nuage. Il a donc été entrepris un travail de recherche focalisant sur l’influence de la forme du nuage de gaz sur la dynamique de combustion (déflagration ; détonation ; transition déflagration-détonation) et sur la propagation de l’onde de surpression aérienne.

SPARK - Explosion d’un nuage oxygène-propane
Explosion d’un nuage oxygène-propane

Dans le transport de propane, le scénario dominant conduisant à un BLEVE est le cas d’un réservoir pris dans un incendie (feu de gasoil par exemple). Ce scénario est très propice car d’une part le propane liquide est chauffé au-delà de sa température limite de surchauffe, d’autre part car la paroi métallique du réservoir chauffe fortement et sa résistance décroit. Lorsque l’accroissement de pression provoqué par la chauffe du liquide dépasse la résistance du métal diminuée par la chauffe des parois, le réservoir cède et on peut observer un BLEVE.

Les réservoirs peuvent être protégés par une soupape. Cette soupape permet de contrôler la pression par ouverture lorsque la pression dépasse sa pression nominale. Un autre effet de la soupape est le refroidissement du liquide. En effet, l’ouverture de soupape provoque une baisse de pression et par suite une ébullition du liquide afin de compenser la baisse de pression. Cette ébullition est endothermique et permet d’évacuer de l’énergie grâce à la soupape.

Certains fabricants affirment que le BLEVE peut être évité par l’introduction d’un garnissage en aluminium dans le réservoir. L’effet annoncé est que la chaleur de la paroi est transférée au liquide par un pont thermique. La soupape permet alors indirectement d’évacuer la chaleur de la paroi et de conserver celui-ci à une température suffisamment basse pour être sûre.

Ce travail avait pour objectif de tester et modéliser l’influence d’un garnissage en aluminium dans différents scénarios d’agression thermique.

SPARK - Essais d’agression de réservoirs de propane par un feu torche - essais EXCO, Sicile - 1
SPARK - Essais d’agression de réservoirs de propane par un feu torche - essais EXCO, Sicile - 2
Essais d’agression de réservoirs de propane par un feu torche - essais EXCO, Sicile
SPARK - Essais d’agression de réservoirs de propane par un feu de nappe - essais TECHNOKONTROL, Espagne
Essais d’agression de réservoirs de propane par un feu de nappe - essais TECHNOKONTROL, Espagne

Le boil-over est un accident industriel majeur concernant les stockages atmosphériques d’hydrocarbures liquides. Ce phénomène accidentel est décrit par l’INERIS comme « …un phénomène de moussage brutal impliquant des réservoirs atmosphériques et résultant de la transformation en vapeur, d'eau liquide (fond d'eau, eau libre, émulsion) contenue dans un réservoir en feu ». Ainsi, lors du passage brutal de l’eau liquide à l’état gazeux, les projections de combustible enflammé peuvent générer une boule de feu d’envergure importante (jusqu’à plusieurs fois le diamètre du réservoir). L'objectif de ces travaux consiste à étudier la propension de charges diesel, biodiesel et produits HVO (Hydrotreated Vegetable Oil) à générer un phénomène de boilover classique en cas de feu de bac par une instrumentation permettant de mesurer précisément l’évolution de la température au cœur de l’hydrocarbure durant sa combustion.

SPARK - Essais expérimentaux de feux de bac d’hydrocarbures
Essais expérimentaux de feux de bac d’hydrocarbures

Face à une demande toujours croissante en gaz et pétrole, les exploitations en milieu océanique profond ont augmenté de manière radicale et la plupart des industriels du secteur ambitionnent d'étendre les forages vers les zones abyssales. L'extraction dans ces régions profondes comporte des risques industriels avérés pour le personnel et le matériel en cas de rupture de tête de puits ou de risers qui peuvent causer une perte de flottabilité des installations liée à la remontée du gaz ; un environnement pollué par les rejets de pétrole, une zone toxique liée au nuage de gaz qui se propage à la surface de l'océan ; un incendie voire un risque d’explosion. Il est donc primordial d'évaluer quand, comment, où et combien de gaz remonte à la surface de l'océan. Ces travaux de recherche consiste donc à identifier des phénomènes physiques durant ces accidents et à modéliser leur comportement physique dans la colonne d’eau (regroupement des bulles de gaz ou de gouttes de pétrole lors de leur remontée dans la colonne d’eau, solubilisation des produits,  vitesse de remontée quantité de produit à la surface, dispersion du nuage gazeux en cas d’évaporation,…). Cette recherche a pour objectif in fine de développer un modèle physique de comportant des fuites de pétrole et de gaz dans l’environnement marin et atmosphérique afin de mettre en place des scénarios en fonction des caractéristiques de l'évènement.

SPARK - Illustration d’un accident Blowout - plateforme ACTINIA
Illustration d’un accident Blowout - plateforme ACTINIA