Experimental and numerical study of plant fire behaviour

Depuis plusieurs années, des aménagements forestiers sont mis en place pour limiter la propagation des feux de forêts et ainsi réduire leurs impacts. La technique le plus utilisée consiste à diminuer la charge de combustible afin d'affaiblir la puissance des incendies et de ralentir leur propagation. Les coupures de combustibles ainsi réalisées peuvent également servir de support aux moyens de lutte. Cependant, ces aménagements sont réalisés à dires d'experts sans fondements scientifiques. Cette thèse a pour objectif principal d’améliorer nos connaissances fondamentales sur la dynamique de combustion d’arbustes naturels et isolés tout en apportant une base de validation aux modèles physique-détaillé. Pour cela, quatre études ont été menées. Le ciste a tout d’abord été caractérisé des points de vue structurel et de se sa réaction au feu (flammability). Les données de caractérisation ont ensuite servi d’intrant au code de calcul WFDS. Dans un premier temps ce code a été validé pour la propagation de feux de litières composées d’un seul type de particules à partir d’expériences précédemment réalisées. Dans un second temps, le code WFDS a été testé pour la combustion de cistes composés de plusieurs types de particules. Ces tests ont été complétés par une analyse de sensibilité portant sur les paramètres liés aux termes sources de masse. Les données récoltées lors de la caractérisation ont mis en évidence la faible variation de la composition des cistes de dimensions voisines. Ceci nous a permis de mettre au point un modèle numérique pour les gabarits de ciste étudiés. Une modification de la structure des cistes a également été observée durant la saison estivale. La majorité des feuilles présentes dans le houppier sont tombées au sol pour former une litière de combustible sec. De plus, les fleurs, contenant des graines, qui ont fait leur apparition plus tôt dans l’année sont sèches. La réaction au feu des cistes a été étudiées expérimentalement suivant les quatre critères définis dans la littérature (ignitability, sustainability, combustibility et consumability). Les expériences nous ont permis de comprendre l’influence de la position d’allumage et de la teneur en eau sur la réaction au feu. Un allumage en partie haute du houppier associé une faible présence de combustible au voisinage de l’allumage entraine des feux de sustainability forte et de combustibility et consummability faible ou modérée (flammability faible et modérée). Un allumage en partie haute, en présence de quantité importante de combustible au voisinage, provoque des réactions au feu fortes. La réaction au feu est rapide et de puissances modérée (flammability forte et rapide), si la quantité d’eau présente dans les branches est importante. Elle est lente et très puissante si la teneur en eau est faible, ce qui entraine une consommation des grosses branches (flammability forte et consommatrice). La teneur en eau dans les feuilles a également un impact important sur le temps d’allumage (ignitability). De plus, nous avons observé un changement de dynamique de combustion pour les cistes en été. La faible présence de feuilles entraine des réactions au feu faibles. Cependant, en s’enflammant les fleurs tombent au sol et transmettent la combustion aux feuilles présentes sur leurs passages tout en constituant une source d’allumage pour la litière sous l’arbuste. Le test du code de calcul WFDS a ensuite été réalisé pour un feu de litière d’aiguille de pin. Les puissances et vitesses de propagations en régime établi concordent avec celles observées expérimentalement. On note toutefois une extinction trop rapide dans les prévisions du modèle. Finalement, des simulations de combustion ont été réalisées pour un ciste type. Nous avons d’abord dimensionné la zone d’allumage pour un ciste sec. Puis nous avons simulé la combustion de cistes humides. Nous avons noté une bonne capacité du code WFDS à représenter les paramètres liés aux critères de réaction au feu étudiés.For several years, forest management are conducted to limit the spread of wildland fires and thus to reduce their impacts. The common technique consists in a reduction of the fuel load to reduce the fire intensity and its rate of spread. Theses fuel break can be used during firefighting activities. However, the management of vegetation areas is still done without a sound scientific knowledge of the combustion dynamics of vegetative fuel. The main objective of this thesis work is to improve our fundamental knowledge on the combustion dynamics of natural and isolated shrubs while providing a validation basis for physics-based models. Thus, four studies have been carried out. The rockrose (cistus monspeliensis) was first characterized according to its structure and the flammability criterion. The characterization data was then used as input for the calculation code WFDS. As a first step, this code was validated for the fire spread of litters composed of a single type of particles based on experimental results obtained from a previous study. As a second step, WFDS was tested for the combustion of rockroses, composed of particles with different sizes. In addition, a sensitivity analysis of the parameters related to the source term of mass was conducted. The data collected during the characterization highlight the small variation of the composition of rockroses with similar dimensions. This allowed us to develop a numerical model for a typical cistus of size similar to those studied. A significant variation in the structure of the cistus was also observed during the summer period. Most of the leaves have fallen to form a litter of dead fuel under the shrub. In addition, flowers containing seeds, that appeared earlier in the year, are dry. The rockrose flammability has been experimentally studied according to the four criteria defined in the literature (ignitability, sustainability, combustibility and consumability). The experiments allowed us a better understanding of the ignition position. Moisture content was observed to significantly influence the combustion processes. An ignition in the upper part of the crown with a low surrounding quantity of fuel leads to a long sustainability and weak or moderate combustibility and consumability (low and moderate flammability). Conversely, an ignition in the upper part of the shrub, with a large amount of fuel in its vicinity, causes high flammability. The reaction to fire is fast with a moderate intensity (high and fast flammability) if the moisture content of the particles is high. It is slow with a high intensity if it the moisture content is low, which leads to a high consumption of the thick twigs (high and consumer flammability). The moisture content of the leaves also has a significant effect on the ignition time (ignitability). The obvious change in the shrub properties, with the presence of flowers, observed for the rockrose in summer, led to a change in combustion dynamics. The weaker quantity of leaves in summer, compared to other seasons, leads to a low flammability. However, the flaming flowers, which fall during the combustion, not only ignite the leaves on their path but can also be a potential source of ignition for the litter under the shrub. Preliminary tests of WFDS were first performed for a fuel bed of pine needles, in order to assess its performance under more easy simulation case. The predicted intensity and steady rate of spread state agree with those observed experimentally but the model failed to represent accordingly the extinction phase that was too fast. Finally, simulations of the combustion of a typical cistus were performed. The dimension of the ignition zone was first characterized for a dry cistus. Then simulations of the combustion of cistus with fuel moisture content, were done. This revealed a good ability of WFDS to represent the parameters related to the flammability criteria