Effect of under-oxygenation on the combustion parameters

L’apport d’oxygène joue un rôle prépondérant dans le développement d’un incendie en milieu confiné. La quantité d’oxygène disponible pour la combustion va dépendre de son appauvrissement dû au feu mais aussi de l’apport d’air par le système de ventilation et / ou les ouvertures. Une baisse du niveau d’oxygène du mélange oxydant va conduire à une diminution du flux de chaleur provenant de la flamme vers la surface du combustible, ce qui, en retour, va entraîner une diminution du débit de pyrolyse. La présente étude expérimentale a un double objectif : comprendre les effets d’une atmosphère appauvrie en oxygène sur la combustion de matériaux solides et liquides et fournir des données nécessaires à la validation des outils de simulation numérique d’un incendie. Les essais expérimentaux ont été menés dans le calorimètre à atmosphère contrôlée CADUCEE de l’IRSN. Le poly méthacrylate de méthyle (PMMA) et l’heptane ont été utilisés comme combustibles, et pour chacun d’eux, différentes tailles de foyer ont été considérées. Les données collectées dans cette étude ont été comparées avec celles de la littérature pour divers matériaux et différentes échelles, révélant un bon accord. En supposant l’équilibre chimique, le calcul de la richesse du milieu réactionnel, à partir de la concentration de CO2 dans les fumées extraites, donne une richesse proche de l’unité, ce qui révèle une combustion incomplète faiblement réductrice. En fait, la flamme, et donc le débit de pyrolyse, s’adaptent à la concentration d’oxygène dans le mélange oxydant pour rester proche de la stœchiométrie.Oxygen supply has a leading role in fire growth in confined spaces. The oxygen quantity available for combustion depends on the oxygen consumption by the fire and on the air supply from the mechanical ventilation system or openings. A decrease of oxygen concentration of the oxidant flow will lead to a decrease of the heat flux feedback from the flame to the fuel surface, which in turn will lead to a decrease in mass loss rate. The present experimental study has a dual objective: understand the effects of an under-oxygenated atmosphere on the combustion of solids and liquids and collect data for model validation. The Controlled Atmosphere Device for Unburnt and Carbon Emission Evaluation (CADUCEE) of IRSN has been used to conduct experiments at oxygen concentrations ranging from the limiting oxygen concentration for extinction to 21%vol. Fuels used are polymethylmethacrylate (PMMA) and heptane at different scales. A good agreement with literature data for various fuels and scales is found. Assuming chemical equilibrium, it is also found that the global equivalence ratio, deduced from the concentration of CO2 in the extracted gases, is close to unity, which reveals a weakly reductive incomplete combustion. This suggests that the flame, and thus the mass loss rate, adapt themselves to the available concentration of oxygen in the oxidant flow, to stay close to stoichiometry