CE MEMOIRE PRESENTE DEUX APPROCHES POUR MODELISER LA PROPAGATION D'UN FEU AU TRAVERS D'UNE LITIERE DE PINUS PINASTER. DANS LA PREMIERE PARTIE, NOUS REMPLACONS LA LITIERE PAR UN SOLIDE HOMOGENE EQUIVALENT. CETTE HYPOTHESE NOUS PERMET DE PROPOSER UN MODELE BIDIMENSIONNEL INSTATIONNAIRE AVEC UNE VARIABLE D'ETAT. NOUS DONNONS ENSUITE UNE METHODE POUR IDENTIFIER LES PARAMETRES DU MODELE A PARTIR DE LA DYNAMIQUE DU SYSTEME. APRES AVOIR FORMULE LE PROBLEME MATHEMATIQUE EN SPECIFIANT DES CONDITIONS AUX LIMITES, NOUS ABORDONS SA RESOLUTION NUMERIQUE PAR PLUSIEURS METHODES. NOUS EXPOSONS NOTAMMENT UN ALGORITHME POUR LA CREATION D'UN DOMAINE DE CALCUL EVOLUTIF. ENFIN, NOUS TESTONS LE MODELE POUR PLUSIEURS CONFIGURATIONS DE FEUX DE LITIERE: ALLUMAGE EN LIGNE, ALLUMAGE PONCTUEL AVEC ET SANS PENTE. LES CARACTERISTIQUES DE LA PROPAGATION (FRONT DE FEU, VITESSE DE PROPAGATION ET CHAMP DE TEMPERATURE) RELEVEES LORS DES EXPERIENCES SONT REPRODUITES. CEPENDANT, CE MODELE NE PREND PAS EN COMPTE LES TRANSFERTS DE CHALEUR CONVECTIFS. DANS UNE SECONDE PARTIE, AFIN DE CORRIGER CETTE FAIBLESSE, NOUS COPLONS LE MODELE PRESENTE DANS LA PREMIERE PARTIE A UN MODELE DE FLAMME DE DIFFUSION TURBULENTE. NOUS OBTENONS UN MODELE INSTATIONNAIRE NOUS PERMETTANT DE CALCULER LA FLAMME. NOUS POUVONS AINSI DETERMINER LES FLUX DE CHALEUR RECUS PAR LA LITIERE INERTE (RAYONNEMENT PROVENANT DE LA FLAMME ET FLUX CONVECTIF). NOUS FORMULONS LE PROBLEME MATHEMATIQUE EN SPECIFIANT LES CONDITIONS AUX LIMITES PUIS NOUS LE RESOLVONS PAR LA METHODE SIMPLEC. AFIN DE TESTER LE CODE DE CALCUL NOUS ETUDIONS D'ABORD UNE FLAMME STATIONNAIRE TURBULENTE DE PROPANE. NOUS SIMULONS ENSUITE LA PROPAGATION DU FEU DANS UNE LITIERE POUR PLUSIEURS CONFIGURATIONS (ALLUMAGE EN LIGNE AVEC ET SANS PENTE). LES RESULTATS DE LA SIMULATION SONT EN ACCORD AVEC LES DONNEES EXPERIMENTALES POUR L'ANGLE D'INCLINAISON, LA HAUTEUR ET LA PROFONDEUR DE LA FLAMME AINSI QUE LA VITESSE DE PROPAGATION

Ce travail porte sur la modélisation de la transition feu de surface-feu de cime. Pour cela, nous avons développé un modèle semi-physique de transition. Ce modèle est basé sur le modèle de propagation d'un feu de litière développé à l'Université de Corse ; ce modèle ne prenant en compte les échanges vers une strate supérieure de combustible nous avons décidé d'utiliser une méthode d'amélioration basée sur la réduction de modèle complet, en particulier celui de l'IUSTI de Marseille. Cette réduction a fait apparaître un terme d'échange entre la colonne chaude convective et le combustible de la strate supérieure, et a permis l'amélioration de notre modèle par l'ajout d'un terme supplémentaire représentant ces échanges. Afin d'évaluer ce terme, nous avons mis en place une campagne de mesure à l'échelle du laboratoire. Etant les premiers à effectuer ce genre d'expériences à l'Université de Corse, nous avons dû tout d'abord mettre au point un protocole afin d'accéder aux données caractéristiques du feu : température, vitesse de propagation. Les mesures de température ont été réalisées à l'aide de thermocouples, dans la zone de combustion et de panache. Nous avons développé une méthode originale de compensation numérique de température dans la zone de flamme, car les thermocouples utilisés ne donnent pas une bonne représentation des fluctuations de température. Cette compensation a permis de restituer la dynamique des phénomènes, et ainsi, à l'aide du calcul du temps de transit entre deux capteurs, de calculer la vitesse ascensionnelle des gaz de combustion. Une autre série d'expériences réalisée sur la transition a permis de calculer le terme d'échange afin d'effectuer des simulations de notre modèle. Les résultats obtenus sont encourageants, ils représentent bien les étapes et les tendances de la transition d'un feu de surface vers un feu de cime.

PARTIE 1 CE TRAVAIL PRESENTE UNE NOUVELLE APPROCHE DE LA MODELISATION DE LA PROPAGATION D'UN FEU, BASEE SUR L'INTERACTION ENTRE LE COMBUSTIBLE ET LA DYNAMIQUE DES GAZ ENVIRONNANTS. LE COMBUSTIBLE EST CONSIDERE COMME UN MILIEU MULTIPHASIQUE, CONSTITUE D'UNE PHASE GAZEUSE ET DE PLUSIEURS PHASES SOLIDES. UNE FORMULATION, BASEE SUR DES MOYENNES SPATIALES PONDEREES EST DEVELOPPEE ET CONDUIT A L'ETABLISSEMENT DE SYSTEMES D'EQUATIONS MULTIPHASIQUES, REACTIFS ET RADIATIFS. ON EFFECTUE DES SIMULATIONS NUMERIQUES MONODIMENSIONNELLES D'UN FEU A CO ET CONTRE-COURANT, DANS UN MILIEU HETEROGENE COMPOSE DE PARTICULES COMBUSTIBLES FIXES. ON PRESENTE ENSUITE UN MODELE QUASI-BIDIMENSIONNEL DEDUIT DIRECTEMENT DES EQUATIONS GENERALES ET RESOLU POUR SIMULER LA PROPAGATION D'UN FEU DANS DES LITIERES DE PIN MARITIME ET DE PIN D'ALEP, EN FONCTION DE LA PENTE ET DE LA CHARGE DU LIT DE COMBUSTIBLE. LES RESULTATS OBTENUS SONT COMPARES A DES RESULTATS EXPERIMENTAUX. PARTIE 2 UNE ETUDE NUMERIQUE D'UN ECOULEMENT DE PROPERGOL INDUIT PAR UN FEU DE PROPERGOL SOLIDE EN CAVITE EST PRESENTE. LA CAVITE POSSEDE UNE OUVERTE EN PLAFOND, OBTUREE PAR UN OPERCULE QUI SE ROMPT DES QUE LA PRESSION DEPASSE UN SEUIL LIMITE. LES CONDITIONS LIMITES PARTICULIERES QUI SONT LA ZONE DE COMBUSTION ET LA SECTION DE SORTIE AU NIVEAU DE L'OPERCULE SONT TRAITEES RESPECTIVEMENT PAR UN DEMI PROBLEME ET PAR UN PROBLEME DE RIEMANN. L'EVOLUTION DANS LE TEMPS DE LA TEMPERATURE ET DE LA PRESSION MOYENNE DU GAZ AINSI QUE DE LA DISPARITION D'OXYGENE EST EXAMINEE POUR DEUX CAS D'OUVERTURE DE L'OPERCULE.

LE BUT DE L'EQUIPE FEUX DE FORET DE L'UNIVERSITE DE CORSE EST DE PROPOSER UN SIMULATEUR DE FEUX QUI PUISSE SERVIR D'OUTIL D'AIDE A LA DECISION POUR LA LUTTE CONTRE LES INCENDIES. POUR CE FAIRE, NOUS AVONS DEFINI UN MODELE SIMPLE, QUALIFIE DE SEMI-PHYSIQUE CAR IL TRAITE LE PROBLEME DE LA PROPAGATION DES FEUX SOUS UN ANGLE PLUS PHYSIQUE QUE LES MODELE SEMI-EMPIRIQUES MAIS SES PARAMETRES SONT IDENTIFIES DE MANIERE DYNAMIQUE. CE MODELE A PERMIS DE PREDIRE LE DEVELOPPEMENT DE FEUX DE LITIERES D'AIGUILLES DE PIN EN LABORATOIRE, A LA FOIS POUR DES PENTES FORTES ET DES VENTS FAIBLES. DANS CE TRAVAIL, NOUS AVONS CHERCHE A LE FAIRE EVOLUER POUR QU'IL REPRESENTE LA PROPAGATION DE FEUX SOUMIS A DES VENTS FORTS. AFIN DE METTRE EN PLACE UNE METHODE GENERALE D'AMELIORATION DU MODELE, NOUS NOUS SOMMES INSPIRES DU MODELE MULTIPHASIQUE DE L'IUSTI DE MARSEILLE CAR IL EXPRIME DE MANIERE DETAILLEE L'ENSEMBLE DES PHENOMENES PHYSIQUES JOUANT DANS LA PROPAGATION. NOTRE DEMARCHE A CONSISTE A REDUIRE LE MODELE MULTIPHASIQUE AFIN DE LUI DONNER UNE EXPRESSION PROCHE DE CELLE DE NOTRE MODELE SEMI-PHYSIQUE, CETTE EXPRESSION DEVANT NOUS PERMETTRE, PAR COMPARAISON, D'AMELIORER LA FORMULATION DE NOTRE MODELE EN INCLUANT DES PHENOMENES PHYSIQUES NEGLIGES JUSQU'ALORS. LA METHODE A ENSUITE ETE APPLIQUEE A LA PRISE EN COMPTE DES EFFETS DE VENT, CE QUI NOUS A CONDUIT A AJOUTER UN TERME DE CONVENTION DANS L'EQUATION D'ENERGIE DU MODELE ET A DEFINIR UN ECOULEMENT SIMPLIFIE PAR L'AJOUT DE DEUX EQUATIONS SUPPLEMENTAIRES. LES RESULTATS OBTENUS AVEC CE NOUVEAU MODELE SONT ENCOURAGEANTS CAR ILS PERMETTENT UNE AMELIORATION NOTABLE DE LA PREDICTION DES VITESSES DE PROPAGATION DU FEU, AINSI QUE LA PRISE EN COMPTE D'EFFETS NEGLIGES JUSQU'A PRESENT, COMME L'ASPIRATION DES GAZ FRAIS PAR LA ZONE DE COMBUSTION. ENFIN, UN APPORT IMPORTANT DE CE TRAVAIL RESIDE DANS LE FAIT QUE LA METHODE D'AMELIORATION DE MODELE PROPOSEE POURRA AUSSI S'APPLIQUER A D'AUTRES MODELES DEVOLUS AUX SIMULATEURS DE FEUX DE FORET.

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.

Physical modelling of forest fire behaviour started about 10 years ago, with models solving Navier-Stokes equations, mass and energy balance for both the lower atmosphere and the fuel. The fuel is defined as a porous media, described through its physical characteristics and spatial structure. This work determines the spatial scale relevant for fuel description. It also entails to understand the effects of fuel heterogeneity on fire behaviour, as well as on radiative and convective transfers and the incident wind. These outputs improve the understanding of the effects of fuel structure on fuel-breaks, in order to improve their design. The fire behaviour model used and improved during this phd work is FIRETEC, developed at the Los Alamos National Laboratory (New Mexico, USA).

TROIS GROUPES D'EXPERIENCES DE PROPAGATION CONDUITES AU LABORATOIRE SUR DES DISPOSITIFS D'ECHELLES DIFFERENTES DANS DES LITIERES D'AIGUILLES DE PIN D'ALEP (PINUS HALEPENSIS) ET DE PIN MARITIME (PINUS PINASTER), DE CHARGES VARIABLES, ONT PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE DEUX SITUATIONS EXPERIMENTALES CONTRASTEES SELON L'INCLINAISON DU SUPPORT DE COMBUSTION. LES FEUX DESCENDANTS OU A PLAT, ISSUS D'UN ALLUMAGE EN LIGNE, PRESENTENT UNE PROPAGATION STATIONNAIRE ET UNIDIMENSIONNELLE ET L'AVANCEMENT DU FRONT DE FEU N'EST PAS INFLUENCE DES LORS QUE LA LONGUEUR INITIALE DU FRONT EXCEDE UNE VALEUR DE L'ORDRE DU METRE. EN REVANCHE, QUELLE QUE SOIT L'ECHELLE DU DISPOSITIF, LES FEUX ASCENDANTS PRESENTENT SYSTEMATIQUEMENT UN FRONT DE FEU QUI, ISSU D'UN ALLUMAGE EN LIGNE, SE DEFORME AU COURS DE LA DUREE D'OBSERVATION POUR CONDUIRE A UN CONTOUR EN FORME DE POINTE. DANS CE CAS, SELON L'ECHELLE DU DISPOSITIF, IL N'EST PAS TOUJOURS POSSIBLE D'ATTEINDRE UN REGIME DE PROPAGATION STATIONNAIRE ET UNIDIMENSIONNEL ET DE TROUVER UNE LIMITE A L'ACCROISSEMENT DE LA VITESSE AVEC LA LONGUEUR INITIALE DU FRONT DE FEU. LE SEUIL SEPARANT CES DEUX TYPES DE SITUATIONS EST PEU DEPENDANT DES AUTRES MODALITES ETUDIEES ET SE SITUE AUTOUR DE +10 DE PENTE. UNE ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE DES MODELES DE PROPAGATION EXISTANTS PERMET D'EN DEGAGER LES HYPOTHESES, EN TERMES DE MECANISMES ET DE DIMENSIONS, ET DE MESURER LES DIFFICULTES ATTENDUES POUR LA REALISATION DE LEUR TEST. CES MODELES SONT TOUS FONDES SUR LA RESOLUTION DE L'EQUATION DE CONSERVATION DE L'ENERGIE DU MATERIAU SOLIDE APPLIQUEE AU DOMAINE DE PRECHAUFFAGE, SITUE EN AVANT DU FRONT DE FEU, ET SE DONNENT LES PARAMETRES DECRIVANT LA ZONE DE COMBUSTION ET LA FLAMME, SOURCES DE CHALEUR. LES FAITS EXPERIMENTAUX OBSERVES EN PENTE ASCENDANTE S'OPPOSENT AUX HYPOTHESES DE DIMENSION COMMUNES A TOUS CES MODELES. L'ANALYSE CONDUIT A SELECTIONNER DEUX VERSIONS D'UN MODELE SEMI-EMPIRIQUE DE PROPAGATION (MODELE DE ROTHERMEL, 1972) ET DEUX VERSIONS D'UN MODELE PHYSIQUE R ADIATIF (MODELE D'ALBINI, 1986) DONT LES PREDICTIONS SONT CONFRONTEES AUX RESULTATS EXPERIMENTAUX RECUEILLIS AU LABORATOIRE. DE LEUR ANALYSE A PRIORI ET DE CETTE CONFRONTATION, IL RESSORT D'UNE PART QUE LES MODELES SEMI-EMPIRIQUES POSSEDENT UN CONTENU PHYSIQUE TRES INSUFFISANT POUR QU'ON PUISSE ETENDRE LEURS PREDICTIONS AU-DELA DU STRICT DOMAINE DE VALIDITE DES EXPERIENCES QUI ONT PERMIS LEUR ELABORATION, D'AUTRE PART QUE LE CONTENU PHYSIQUE DES MODELES RADIATIFS NE SUFFIT PAS A RENDRE COMPTE DE CERTAINS EFFETS DES FACTEURS DE PROPAGATION. AFIN DE LES AMELIORER, IL EST PROPOSE D'INTRODUIRE DANS LES MODELES PHYSIQUES RADIATIFS CERTAINS PROCESSUS SE DEROULANT DANS LA PHASE GAZEUSE. IL S'AGIT DE PRENDRE EN COMPTE DES ASPECTS JUGES ESSENTIELS POUR MIEUX COMPRENDRE LES EFFETS DES FACTEURS DE PROPAGATION, ASPECTS QUI SE MANIFESTENT NOTAMMENT PAR L'OBSERVATION DES VENTS INDUITS PAR LE FEU. LES DIFFICULTES DE L'INTEGRATION DE CES PROCESSUS SONT ILLUSTREES A TRAVERS LA PRESENTATION D'UNE DEMARCHE MECANISTE DONT LES POSSIBILITES, MAIS AUSSI LES LIMITES ACTUELLES, SONT MISES EN EVIDENCE. UN MODELE PHYSIQUE ET CINETIQUE, RADIATIF ET CONVECTIF, EST ALORS ELABORE. SA FORMULATION S'APPUIE SUR LA DEMARCHE MECANISTE. CE MODELE RESULTE DU COUPLAGE D'UN MODELE RADIATIF ET CONVECTIF QUI DECRIT LES PROCESSUS SE DEROULANT DANS LE DOMAINE DE PRECHAUFFAGE A L'AIDE DES EQUATIONS DE CONSERVATION DE L'ENERGIE DE LA PHASE SOLIDE ET DE LA PHASE GAZEUSE, ET D'UN MODELE D'ECOULEMENT INDUIT QUI DECRIT LES PROCESSUS SE DEROULANT DANS LA ZONE DE COMBUSTION A L'AIDE DES EQUATIONS DE CONSERVATION DE LA MASSE ET DE LA QUANTITE DE MOUVEMENT DE LA PHASE GAZEUSE. LES POSSIBILITES DE PREDICTIONS OFFERTES PAR LE MODELE SONT EXAMINEES AU REGARD DES RESULTATS EXPERIMENTAUX. CECI MONTRE A LA FOIS LES AMELIORATIONS PORTEES NOTAMMENT PAR COMPARAISON AUX PREDICTIONS DES MODELES RADIATIFS ET SOULEVE LE PROBLEME DU FRONT DE FEU, CONSIDERE COMME UNE BARRIERE AUX ECOULEMENTS. LA NECESSITE DE CONFERER, DANS UNE ETAPE ULTERIEURE, UNE PART EMPIRIQUE AU MODELE OBTENU CONDUIT A ENVISAGER LA REALISATION DE NOUVELLES EXPERIENCES MIEUX INSTRUMENTEES ET MET EN EVIDENCE LA CONTRIBUTION DE LA DEMARCHE MECANISTE QU'ON PEUT ATTENDRE A CET EGARD.