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Caractérisation géométrique et stochastique de la propagation des feux / SAHILA Adel 

Public ISBD Titre : Caractérisation géométrique et stochastique de la propagation des feux Type de document : texte imprimé Auteurs : SAHILA Adel, Auteur Année de publication : 2022-2023 Accompagnement : CD Langues : Français (fre) Catégories : Physique:Physique Théorique Mots-clés : Dynamique des feux, modèle Petit Monde, fractale, multi-fractale, relaxation. Fire dynamics, Small World model, fractal, multi-fractal, relaxation. Résumé : Cette thèse est consacrée à la caractérisation géométrique et stochastique de la dynamique du feu à différentes échelles spatiales. Dans la première partie, le comportement d'une flamme de diffusion turbulente soumise aux seules forces de flottabilité a été étudié expérimentalement. L'effet du diamètre du bac cylindrique et du type de végétation (paille, arbuste, pin maritime, eucalyptus) sur les caractéristiques de combustion (hauteur de la flamme, taux de dégagement de chaleur, température de la flamme, vitesse des gaz, etc.) a été investigué. Les résultats obtenus ont montré que la masse de la végétation présente des processus de relaxation anormale durant sa combustion vive régis par l'équation de Kohlrausch-Williams-Watts. Durant la phase de croissance de la flamme, il existe une super-relaxation de la masse végétale, accompagnée par une super-diffusion des gaz émis. La phase de décroissance de la flamme est caractérisée par une relaxation anormalement lente du combustible, accompagnée par une sous-diffusion des particules de gaz émises à travers le milieu poreux. Ces régimes de relaxation ont été observés pour tous les diamètres et les types de végétation étudiés. La transition entre ces deux processus anormaux se produit alors lorsque la flamme est pleinement développée. Durant cette phase, la hauteur de la flamme et le taux de perte de masse atteignent leur maximum et varient en fonction du diamètre et de l'espèce végétale. Par ailleurs, la corrélation entre la hauteur normalisée de la flamme et le diamètre du bac est bien décrite par l'équation de Thomas pour la paille morte. La variation de la hauteur de la flamme en fonction du taux de perte de masse suit une courbe d'Hystérésis au cours du temps, impliquant l'existence d'effets mémoires de la flamme. La température de la flamme et la vitesse des gaz, mesurées à une altitude fixe, suivent les mêmes phases mais leurs maxima diffèrent d'une végétation à une autre. La seconde partie a consisté, en prime abord, à étudier analytiquement la dynamique de la géométrie d'un feu "idéal" qui se propage dans des forêts homogène (cas euclidien) et hétérogène (cas fractal). Le rapport isopérimétrique et le coefficient de Mandelbrot ont été déterminés analytiquement pour des fronts réguliers et irréguliers. Le concept du triangle de Koch a été généralisé pour un n-polygone régulier afin de modéliser le front irrégulier, déterminer ses propriétés géométriques et déduire leur lien avec celles d'un front régulier. Ensuite, la simulation d'un feu "réaliste" se propageant dans un milieu hétérogène en absence de vent a été faite à l'aide d'une variante du modèle Réseau Petit Monde. Les résultats ont montré que l'évolution temporelle de la largeur du front du feu et celle de sa dimension fractale (déterminée par la méthode « box counting ») présentent un processus de relaxation exponentiellement étirée. La diminution de la dimension fractale observée au cours du temps correspond à une transition d'un front de feu structuré induit par l'effet collectif des arbres à un front dispersé causé par leurs effets individuels. L'existence de cette relaxation étirée pour toutes les longueurs d'impact et concentrations des arbres indique la présence d'un processus de diffusion anormalement lente du feu due à l'existence d'une distribution de temps d'inflammation. L'analyse du spectre des exposants locaux a montré que le comportement fractal (auto-similaire) de la surface en feu est observé seulement dans la gamme de résolutions spatiales délimitées par le libre parcours moyen et la taille de la zone en feu, et permet de faire une étude de l'effet de compétition entre le taux de dégagement de chaleur de la flamme et la concentration des arbres sur la dynamique des feux de forêts. This thesis is devoted to the geometric and stochastic characterization of fire dynamics at different spatial scales. In the first part, the behavior of a turbulent diffusion flame subjected solely to buoyancy forces has been studied experimentally. The effect of the cylindrical container's diameter and the vegetation type (straw, shrub, Pinus Pinaster, eucalyptus) on the combustion characteristics (flame height, heat release rate, flame temperature, gas velocity, etc.) was investigated. The results obtained showed that the vegetation mass exhibits anomalous relaxation processes during its flaming combustion governed by the Kohlrausch-Williams-Watts equation. During the flame growth phase, there is a super-relaxation of the burning vegetation's mass, accompanied by a super-diffusion of the emitted gases. The flame decay phase is characterized by anomalously slow relaxation of the fuel, accompanied by sub-diffusion of the emitted gas particles through the porous fuel. These relaxation and diffusion regimes were observed for all the containers' diameters and vegetation types studied. The crossover between these two anomalous processes occurs then when the flame is fully developed. During this phase, the flame height and mass loss rate reach their maximum and vary with the basket diameter and the vegetation species. Furthermore, the correlation between the normalized flame height and the basket's diameter is well described by Thomas equation for dead straw. The variation of flame height with heat release rate in the course of time exhibits a Hysteresis loop, implying the existence of memory effects of the flame. The flame/plume temperature and gas velocity, measured at a fixed altitude, follow the same phases, but their maxima differ from one vegetation type to another. In the second part of this thesis, the dynamics of the geometry of "ideal" and "realistic" fires propagating in homogeneous (Euclidean case) and heterogeneous (fractal case) forests was studied. The isoperimetric ratio and the Mandelbrot coefficient were computed analytically for regular and irregular ideal fronts. The concept of Koch triangle has been generalized to a regular n-Koch polygon in order to model the irregular front, determine its geometric properties and deduce their link with those of a regular front. Then, the simulation of a "realistic" fire propagating in a heterogeneous medium in the absence of wind was done using a variant of the Small World Network model. The results showed that the temporal evolution of the fire front's width and that of its fractal dimension (determined by the "box counting" method) show an exponentially stretched relaxation process. The decrease of the fractal dimension observed over time corresponds to a transition from a structured fire front induced by the collective effect of the burning trees to a dispersed front caused by their individual effects. The existence of this stretched relaxation regardless of the impact lengths and trees' concentration indicates the presence of an anomalously slow fire diffusion process caused by the existence of a distribution of ignition times. The analysis of the local exponents' spectrum showed that the fractal (selfsimilar) behavior of the combustion zone is observed only for the range of spatial resolutions bounded by the mean free path and the burning area's size, and suggest the existence of a competitive effect between the flame's heat release rate and trees' concentration on forest fire dynamics. Directeur de thèse : ZEKRI Noureddine Caractérisation géométrique et stochastique de la propagation des feux [texte imprimé] / SAHILA Adel, Auteur . - 2022-2023 . -  + CD. Langues : Français (fre) Catégories : Physique:Physique Théorique Mots-clés : Dynamique des feux, modèle Petit Monde, fractale, multi-fractale, relaxation. Fire dynamics, Small World model, fractal, multi-fractal, relaxation. Résumé : Cette thèse est consacrée à la caractérisation géométrique et stochastique de la dynamique du feu à différentes échelles spatiales. Dans la première partie, le comportement d'une flamme de diffusion turbulente soumise aux seules forces de flottabilité a été étudié expérimentalement. L'effet du diamètre du bac cylindrique et du type de végétation (paille, arbuste, pin maritime, eucalyptus) sur les caractéristiques de combustion (hauteur de la flamme, taux de dégagement de chaleur, température de la flamme, vitesse des gaz, etc.) a été investigué. Les résultats obtenus ont montré que la masse de la végétation présente des processus de relaxation anormale durant sa combustion vive régis par l'équation de Kohlrausch-Williams-Watts. Durant la phase de croissance de la flamme, il existe une super-relaxation de la masse végétale, accompagnée par une super-diffusion des gaz émis. La phase de décroissance de la flamme est caractérisée par une relaxation anormalement lente du combustible, accompagnée par une sous-diffusion des particules de gaz émises à travers le milieu poreux. Ces régimes de relaxation ont été observés pour tous les diamètres et les types de végétation étudiés. La transition entre ces deux processus anormaux se produit alors lorsque la flamme est pleinement développée. Durant cette phase, la hauteur de la flamme et le taux de perte de masse atteignent leur maximum et varient en fonction du diamètre et de l'espèce végétale. Par ailleurs, la corrélation entre la hauteur normalisée de la flamme et le diamètre du bac est bien décrite par l'équation de Thomas pour la paille morte. La variation de la hauteur de la flamme en fonction du taux de perte de masse suit une courbe d'Hystérésis au cours du temps, impliquant l'existence d'effets mémoires de la flamme. La température de la flamme et la vitesse des gaz, mesurées à une altitude fixe, suivent les mêmes phases mais leurs maxima diffèrent d'une végétation à une autre. La seconde partie a consisté, en prime abord, à étudier analytiquement la dynamique de la géométrie d'un feu "idéal" qui se propage dans des forêts homogène (cas euclidien) et hétérogène (cas fractal). Le rapport isopérimétrique et le coefficient de Mandelbrot ont été déterminés analytiquement pour des fronts réguliers et irréguliers. Le concept du triangle de Koch a été généralisé pour un n-polygone régulier afin de modéliser le front irrégulier, déterminer ses propriétés géométriques et déduire leur lien avec celles d'un front régulier. Ensuite, la simulation d'un feu "réaliste" se propageant dans un milieu hétérogène en absence de vent a été faite à l'aide d'une variante du modèle Réseau Petit Monde. Les résultats ont montré que l'évolution temporelle de la largeur du front du feu et celle de sa dimension fractale (déterminée par la méthode « box counting ») présentent un processus de relaxation exponentiellement étirée. La diminution de la dimension fractale observée au cours du temps correspond à une transition d'un front de feu structuré induit par l'effet collectif des arbres à un front dispersé causé par leurs effets individuels. L'existence de cette relaxation étirée pour toutes les longueurs d'impact et concentrations des arbres indique la présence d'un processus de diffusion anormalement lente du feu due à l'existence d'une distribution de temps d'inflammation. L'analyse du spectre des exposants locaux a montré que le comportement fractal (auto-similaire) de la surface en feu est observé seulement dans la gamme de résolutions spatiales délimitées par le libre parcours moyen et la taille de la zone en feu, et permet de faire une étude de l'effet de compétition entre le taux de dégagement de chaleur de la flamme et la concentration des arbres sur la dynamique des feux de forêts. This thesis is devoted to the geometric and stochastic characterization of fire dynamics at different spatial scales. In the first part, the behavior of a turbulent diffusion flame subjected solely to buoyancy forces has been studied experimentally. The effect of the cylindrical container's diameter and the vegetation type (straw, shrub, Pinus Pinaster, eucalyptus) on the combustion characteristics (flame height, heat release rate, flame temperature, gas velocity, etc.) was investigated. The results obtained showed that the vegetation mass exhibits anomalous relaxation processes during its flaming combustion governed by the Kohlrausch-Williams-Watts equation. During the flame growth phase, there is a super-relaxation of the burning vegetation's mass, accompanied by a super-diffusion of the emitted gases. The flame decay phase is characterized by anomalously slow relaxation of the fuel, accompanied by sub-diffusion of the emitted gas particles through the porous fuel. These relaxation and diffusion regimes were observed for all the containers' diameters and vegetation types studied. The crossover between these two anomalous processes occurs then when the flame is fully developed. During this phase, the flame height and mass loss rate reach their maximum and vary with the basket diameter and the vegetation species. Furthermore, the correlation between the normalized flame height and the basket's diameter is well described by Thomas equation for dead straw. The variation of flame height with heat release rate in the course of time exhibits a Hysteresis loop, implying the existence of memory effects of the flame. The flame/plume temperature and gas velocity, measured at a fixed altitude, follow the same phases, but their maxima differ from one vegetation type to another. In the second part of this thesis, the dynamics of the geometry of "ideal" and "realistic" fires propagating in homogeneous (Euclidean case) and heterogeneous (fractal case) forests was studied. The isoperimetric ratio and the Mandelbrot coefficient were computed analytically for regular and irregular ideal fronts. The concept of Koch triangle has been generalized to a regular n-Koch polygon in order to model the irregular front, determine its geometric properties and deduce their link with those of a regular front. Then, the simulation of a "realistic" fire propagating in a heterogeneous medium in the absence of wind was done using a variant of the Small World Network model. The results showed that the temporal evolution of the fire front's width and that of its fractal dimension (determined by the "box counting" method) show an exponentially stretched relaxation process. The decrease of the fractal dimension observed over time corresponds to a transition from a structured fire front induced by the collective effect of the burning trees to a dispersed front caused by their individual effects. The existence of this stretched relaxation regardless of the impact lengths and trees' concentration indicates the presence of an anomalously slow fire diffusion process caused by the existence of a distribution of ignition times. The analysis of the local exponents' spectrum showed that the fractal (selfsimilar) behavior of the combustion zone is observed only for the range of spatial resolutions bounded by the mean free path and the burning area's size, and suggest the existence of a competitive effect between the flame's heat release rate and trees' concentration on forest fire dynamics. Directeur de thèse : ZEKRI Noureddine

Exemplaires

Code-barres	Cote	Support	Localisation	Section	Disponibilité
1993	02-05-564	Version numérique et papier	Bibliothèque USTOMB	Thèse de Doctorat	Exclu du prêt

Documents numériques

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