Theoretical and experimental contributions on natural ventilation in the general non-Boussinesq case : application to smoke management in buildings

Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit portent sur le mécanisme de remplissage et de vidange simultanés d’un local ventilé naturellement, pouvant éventuellement être rencontré dans des situations d’incendie. L’objectif de ce travail et d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques dominants ce mécanisme, notamment, une fois que le régime stationnaire est établi à partir d’études théoriques et expérimentales. Le travail est divisé en deux parties. Dans la première partie, nous reformulons dans un premier temps le modèle théorique de Linden et al. (1990) dans le cadre de l’approximation de Boussinesq basé sur la modélisation du panache turbulent proposé par Morton et al. (1956). Ce modèle est par la suite étendue au cadre général non-Boussineq. Dans un second temps, nous proposons un nouveau modèle basé sur les solutions exactes du panache turbulent à partir des travaux de Michaux & Vauquelin (2008). Une campagne d’essais densimétriques réalisée à échelle réduite permet ensuite d’éprouver et valider ces modèles. Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous abordons la problématique de remplissage et de vidange dans le cadre plus spécifique de l'ingénieur de la sécurité incendie (ISI) appliquée au désenfumage. Nous commençons par présenter quelques modèles de flammes panache. Ensuite, ces modèles de flammes panache sont implémenté dans un modèle de remplissage vidange et comparés aux modèles présentés dans la première partie du manuscrit. La dernière partie porte sur une campagne d'essais thermiques à l'échelle du laboratoire. Le premier modèle théorique présenté dans la première partie est confronté aux différents résultats expérimentaux.Research works presented in this thesis deals with the filling and simultaneous emptying of a naturally ventilated room subject to a continuous source of buoyancy, for example, the problem of natural ventilation of a room containing a fire. The aim of this work is to improve from a theoretical and experimental point of view the understanding of the dominant physical phenomena of this mechanism, especially once the stationary state is reached. This work is divided into two parts. In the first "academic" part, we revisit the theoretical model developed by Linden et al. (1990) under the Boussinesq approximation, based on Morton et al. (1956) turbulent plume assumption. This model is then extended in the general non-Boussinesq case and a parametric study highlights the influence of the governing parameters on which it depends. Secondly, we propose a new model based on the exact turbulent plume solutions proposed by Michaux & Vauquelin (2008). Laboratory experiments were also conducted using a light gas air-helium mixture in order to test and validate these models. In the second part of this work, we address the problem of filling and simultaneous emptying in the more specific context of fire safety engineering applied to smoke management. We begin by presenting some engineering relations for fire plumes, which we implement in a filling emptying model. A comparison is then made between these models and those presented in the first part of the manuscript. The last part deals with a fire test campaign at the laboratory scale and on full-scale. The first theoretical model presented in the first part is confronted with different experimental results