Simulation des grandes échelles pour les flammes de diffusion purement pilotées par la force de flottabilité

This study reports the development of a LES-based numerical model dedicated to the simulation of well-ventilated and under-ventilated purely buoyant fire plumes. A new second-order low-Mach number variable-density flow solver was developed and verified in order to describe accurately the strong unsteady processes related to the purely buoyant nature of the flow. State-of-the art subgrid-scale turbulence, combustion and radiation models were specifically developed, including the non-adiabatic SLF (steady laminar flamelet) and FPV (flamelet/progress variable models). The RCFSK was considered as reference radiative property model whereas the performance of simpler models, including non-grey and grey versions of the weighted-sum-of-grey gases was assessed. The numerical model was exhaustively validated by simulating several well-documented non-reactive and reactive buoyant fire plumes. It was found capable to reproduce with high fidelity the dynamic and radiative structures of non-luminous fire plumes in both ventilated and under-ventilated configurations without adjusting any model parameters. In particular, the FPV allows addressing oxygen-diluted oxidizer conditions close to extinction. Several specific modelling issues were also investigated during the course of this work. The importance of resolving the laminar instabilities, which form periodically at the base of purely buoyant fire plumes and grow to generate energy containing structures that govern the mixing process, was demonstrated. The formation and growth of these instabilities are significantly affected by the burner geometry that has to be scrupulously consistent with the experiments to achieve an accurate description of the fire plume dynamics. The grey version of the weighted-sum-of-grey gases models have to be avoided whereas the non-grey versions can be a reasonable alternative for non-sooting pool fires. Finally, neglecting subgrid-scale turbulence-radiation interaction affects significantly the predictions of the fire plume structure and radiative heat flux even for lab-scale pool fires.Cette étude rapporte le développement d'un modèle numérique basé sur les simulations à grandes échelles en vue de simuler des panaches de feu bien-ventilés et sous-ventilés et entièrement contrôlés par les forces de flottabilité. Un nouvel algorithme de résolution pour les d'écoulements à densité variable à faible nombre de Mach, précis au second ordre en temps et espace, a été développé et vérifié afin de décrire avec précision les processus instationnaires forts liés à la nature purement contrôlée par les forces de flottabilité des écoulements. Des modèles de sous-maille à l’état de l’art pour la turbulence, la combustion et le rayonnement ont été développés, incluant les modèles non-adiabatiques SLF (steady laminar flamelet) et FPV (flamelet/progress variable). Le RCFSK a été considéré comme référence pour la modélisation des propriétés radiatives des gaz et la performance de modèles plus simples, tels que des versions non-grises et grises du modèle à somme pondérée des gaz gris, a été évaluée. Le modèle numérique a été intensivement validé en simulant plusieurs panaches de feu non-réactifs et réactifs. Le modèle s'est avéré capable de reproduire avec une grande fidélité les structures dynamiques et radiatives de ces panaches dans des configurations ventilées et sous-ventilées sans ajuster aucun des paramètres du modèle. En particulier, le modèle FPV permet de traiter des conditions d'oxydant dilué en oxygène proches de l'extinction. Plusieurs problèmes de modélisation spécifiques ont également été étudiés au cours de ce travail. L'importance de capturer directement les instabilités laminaires thermo-convectives, qui se forment périodiquement à la base des panaches de feux et croissent pour générer les larges tourbillons régissant le processus de mélange, a été démontrée. La formation et la croissance de ces instabilités sont significativement affectées par la géométrie du brûleur qui doit être scrupuleusement cohérente avec les expériences pour obtenir une description précise de la dynamique du panache de feu. Les versions grises des modèles à somme pondérée de gaz gris doivent être évitées tandis que les versions non-grises de ce modèle peuvent être une alternative raisonnable pour la simulation de feux de nappe sans suie. Finalement, les interactions rayonnement-turbulence de sous maille ont un effet non-négligeable sur la structure de flamme et les pertes radiatives et ce, même pour des feux de nappe à l’échelle du laboratoire