Soutenance de thèse de Alain COIMBRA

Le contexte de ce projet de recherche est la sécurité incendie dans les véhicules spatiaux habités. La configuration étudiée est une flamme se propageant sur un fil électrique isolé dans un écoulement d’oxydant opposé. Cette configuration est particulièrement intéressante dans la mesure où la surchauffe de fils électriques par des surtensions a été identifiée comme étant la principale cause d'initiation d'un incendie et de sa croissance dans les véhicules spatiaux. Cela a motivé un grand nombre d'études expérimentales sur la propagation de la flamme en microgravité sur des fils électriques minces (diamètre ~ 1 mm) constitués d'un noyau métallique recouvert d'un revêtement polymère potentiellement inflammable. Ce projet de recherche s'inscrit dans une collaboration entre Aix-Marseille Université (AMU) et Sorbonne Université (SU). La Sorbonne Université a mis au point un dispositif expérimental original permettant de mesurer les caractéristiques de propagation, la structure de la flamme et la production de suie à partir de diagnostics optiques. Depuis 2014, des expériences ont été menées en vol parabolique pour évaluer l'impact des paramètres ambients (pression, concentration en oxygène dans l'oxydant, épaisseur du revêtement, matériau du noyau métallique,…) sur la propagation et l'extinction de la flamme. Un effort numérique a également été fait pour faciliter l'interprétation des données expérimentales. Cet outil numérique calcule la structure de la flamme et la production de suie, mais n'est pas totalement prédictif car il nécessite de donner en entrée le débit de pyrolyse et la vitesse de propagation. L'objectif de cette recherche est d'étendre le modèle numérique afin de le rendre complètement prédictif. Cela nécessitera un effort de modélisation important sur la dégradation thermique du polyéthylène basse densité (PEBD) utilisé dans les expériences en tant que revêtement de polymère et sur le problème de transfert de masse et de chaleur conjugué à l'interface phase solide-gaz. Une difficulté majeure consistera à modéliser la déformation de la phase viscoélastique à mesure que le PE se dégrade.

The context of this research project is fire safety in manned space vehicle. The investigated configuration is a flame spreading over an insulated electrical wire in an opposed flow. This configuration is of particular interest since unexpected overheating of wires by electrical current overshoots has been identified as a primary cause of fire initiation and growth in space vehicles. This has motivated a vast amount of experimental studies considering flame spread in microgravity over thin electrical wires (diameter ~ 1 mm), made of a metallic core coated by a potentially flammable polymer coating. This research project is a part of a collaboration between Aix-Marseille Université (AMU) and Sorbonne Université (SU). An original experimental setup was developed at Sorbonne Université allowing to document spread characteristics, flame structure, and soot production based on optical diagnostics. Since 2014, experiments have been conducted in parabolic flights to assess the impact of environmental parameters (pressure, oxygen concentration in the oxidizer, coating thickness, metallic core material,…) on flame spread and flame extinction. A numerical effort was also made to give insights into the interpretation of the experimental data. This numerical tool computes flame structure and soot production but is not fully predictive since it requires the experimental pyrolysis rate and spread rate as input data. The objective of this research is to extend the numerical model in order to make it fully predictive. This will require an important modeling effort on the thermal degradation of the low density polyethylene (LDPE) used in the experiments as polymer coating and on the conjugated heat and mass transfer problem at the gas-condensed phase interface. A major difficulty will be to model the deformation of the visco-elastic phase as the PE degrades.