Un modèle pionnier de propagation des incendies qui conjugue rapidité et précision
Publié par Redbran le 15/08/2019 à 08:00
Source: © Union européenne, [2019] / CORDIS

©RAD-FIRE
Il est rare que les ingénieurs prennent la peine de modéliser les incendies du fait de la complexité et du coût que cela représente. Un système récemment mis au point devrait leur faciliter la tâche.

Les incendies ont toujours fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les relations...) de préoccupations majeures en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace...) de sécurité, et c'est encore le cas aujourd'hui en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité...). Bien que la tendance montre une nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces de canards reconnaissablent à leurs calottes. Le terme est un emprunt au grec ancien...) réduction des occurrences en Europe, quelques dizaines de milliers de maisons ou d'immeubles prennent encore feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.) chaque année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.), provoquant en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble...) 4 000 morts et représentant plus de 100 milliards d'euros de coûts sur une base annuelle.

Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui...), faute de pouvoir réaliser des expériences onéreuses et complexes, les ingénieurs en sécurité incendie doivent se contenter de modéliser le comportement des feux. Or, une telle modélisation est une véritable gageure d'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des...).

Le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...) RAD-FIRE a entrepris, grâce au financement de l'UE et au soutien du programme Marie Curie (Maria Sk?odowska-Curie (née à Varsovie le 7 novembre 1867 et décédée à Sancellemoz le 4 juillet 1934), connue en France sous le nom de Marie Curie, est une physicienne polonaise naturalisée française[1].), d'offrir aux ingénieurs des modèles précis et efficaces du comportement des feux. Cette innovation résout les problèmes auxquels étaient confrontées les formes de modélisation des feux auparavant.

Pour établir un modèle de comportement d'un incendie, il faut recourir à un domaine de la modélisation informatique appelé mécanique des fluides (La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides c'est-à-dire des liquides et des gaz lorsque ceux-ci subissent des forces ou des contraintes. Elle est actuellement étendue à des...) numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et...) (MFN), qui permet de simuler une matrice d'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) en prenant en compte les interactions de nombreuses variables complexes. Un des éléments clés dans le cas des feux, c'est le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes...), c'est-à-dire la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) qui se propage directement depuis sa source plutôt que de suivre la conduction ou les courants aériens.

Les défis de la modélisation

"La modélisation des rayonnements thermiques en code MFN pour la simulation des incendies a toujours constitué un véritable défi pour les spécialistes de la modélisation et les scientifiques en matière d'incendie", explique Siaka Dembele, coordinateur du projet et professeur agrégé. "Des modèles simples qui estiment la fraction du rayonnement de la chaleur sont relativement faciles à réaliser sur un ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits...), mais, comme ils sont simplifiés, les résultats qu'ils fournissent restent peu précis." Les prédictions reposant sur ces modèles basiques ne sont donc pas très fiables.

Inversement, les techniques informatiques intégrant le modèle des ordonnées discrètes ou la méthode des volumes finis, bien que plus avancées et plus précises, sont également extrêmement exigeantes en matière de capacité informatique. Ces méthodes requièrent des temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de calcul longs donc très onéreux, voire impraticables pour des ingénieurs qui doivent exécuter rapidement plusieurs simulations.

Simple mais précis

"Ce qui manque au code MFN actuel pour la sécurité incendie", ajoute le professeur Dembele, "c'est une solution intermédiaire crédible". Or, c'est exactement ce qu'a trouvé le projet RAD-FIRE. "Notre nouveau modèle conserve la rigueur et la précision des techniques avancées, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en permettant de réduire le temps de calcul." Ce qui en fait une solution pratique pour les ingénieurs, à la fois fiable et suffisamment précise.

Une des clés de cette évolution, c'est le calcul des propriétés radiatives des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre :...) de combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.) (principalement la vapeur () d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), le dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la formule brute est : CO2. C'est...) et le monoxyde de carbone). L'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) dégagée par la chaleur est avant tout transférée en tant que rayonnement infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.); comme le fait la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...), les ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) infrarouges arrivent à des longueurs d'ondes multiples, on peut comparer le phénomène aux couleurs dans le spectre visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.) qui se diffractent et forment un arc-en-ciel (Un arc-en-ciel est un phénomène optique et météorologique qui rend visible le spectre continu de la lumière du ciel quand le soleil...). Les gaz chauds émettent de l'énergie en raies d'émission et ils absorbent de l'énergie en raies d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est détruit lors de ce...). La combustion peut ainsi produire des milliers de raies spectrales d'émission et d'absorption. Les approches actuelles les plus avancées en matière de rayonnements gazeux modélisent chaque raie séparément, ce qui explique le long temps de calcul nécessaire. Les chercheurs de RAD-FIRE ont simplifié les calculs de spectre en les effectuant sur quelques larges bandes de raies similaires plutôt que sur des milliers de raies distinctes.

Le deuxième élément de cette modélisation améliorée repose sur la simplification des calculs clés. L'équipe a mis au point une méthode qui intègre deux approximations pour calculer le transfert de chaleur (Un transfert de chaleur qu'il convient d'appeler transfert thermique ou transfert par chaleur est un transit d'énergie sous forme microscopie désordonnée.) par rayonnement provoqué par un feu, réduisant les résultats des calculs à un algorithme beaucoup plus simple que celui utilisé dans les méthodes précédentes. Les chercheurs ont estimé qu'il était suffisant pour déterminer les caractéristiques des flammes.

Les nouveaux modèles de RAD-FIRE réduisent ainsi drastiquement le temps de calcul, jusqu'à 100 fois dans certains cas. Toutefois, la précision de cette nouvelle méthode reste comparable à celle de l'ancienne.

Découragés par le temps de calcul et le coût considérables des méthodes actuelles de simulation des incendies, les ingénieurs avaient renoncé à y recourir. Désormais, grâce au nouvel algorithme de compromis mis au point par RAD-FIRE, les ingénieurs seront en mesure de modéliser les feux de manière précise et économique, ce qui permettra de disposer de prédictions plus fiables et donc de mieux sécuriser les bâtiments.

Pour plus d'information voir: projet RAD-FIRE
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