Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse s’inscrivent dans le projet ANR BARPPRO réalisé dans le cadre de la réglementation française des PPRT pour les sites industriels classés SEVESO. L’objet est de proposer un outil pour le dimensionnement des barrières physiques de protection face à une déflagration de gaz. Une étude paramétrique à petite échelle est menée pour étudier l’effet protecteur d’une barrière physique. Un dispositif d’accélération de flamme a été conçu pour générer une vitesse de flamme sonique. Cela a permis de réaliser à petite échelle l’étude de l’impact de l’obstruction sur la vitesse de flamme et sur les paramètres de l’onde de pression. Ces résultats ont été confrontés aux modèles de la littérature. L’onde de pression incidente ainsi générée sert de donnée d’entrée et de référence dans l’étude de la barrière. Plusieurs paramètres de l’onde de pression sont étudiés : le temps d’arrivée, la surpression maximale et l’impulsion positive. L’influence de la hauteur du mur et de sa position par rapport à la source d’amorçage est traitée pour deux formes de barrière (droite et cylindrique) et pour deux mélanges hydrogène/air (stoechiométrique et de richesse 0.65). / This thesis is a part ANR BARPPRO project in the framework of the French regulation PPRTs for industrial Seveso sites. The goal of the present work is to provide a tool for the sizing of protective physical barriers against a gas explosion. A parametric study at small scale is conducted to investigate the protective effect of a physical barrier. For that purpose, a cylindrical device was developed to accelerate the flame gradually until reaching sonic flame speeds by increasing the obstruction inside the device. This has also led to the realization of a small-scale study about the impact of the obstruction on the flame speed and on the pressure wave’s characteristics. These results are compared with those obtained with models from the literature. The pressure wave generated by the acceleration device is used as input and reference in the barriers’ parametrical study. Several parameters of the pressure wave are considered: the arrival time, the maximum overpressure and the positive pulse. The influence of the wall height and position relative to the ignition source is processed for two barrier’s shapes (straight and cylindrical) and two hydrogen / air mixtures (stoichiometric and with an equivalence ratio of 0.65).

Cette étude s’inscrit dans le cadre de l’évaluation du risque d’accélération de flamme en situation accidentelle. La méthodologie développée dans le cadre de l’évaluation du risque hydrogène dans l’industrie nucléaire a permis de proposer un critère permettant d’évaluer le risque d’accélération des flammes de prémélange hydrogène/air/diluants, sur la base des propriétés du mélange. L’objectif de cette étude est l’acquisition de données fondamentales relatives aux mélanges gaz naturel/air et gaz de synthèse/air puis l’extension de la méthodologie appliquée aux mélanges hydrogène/air à ces mélanges. Ainsi, trois mélanges gazeux ont été choisis et ont fait l’objet de cette étude. Il s’agit du G27 (82%CH4/18%N2), du G222 (77%CH4/23%H2), et du H2/CO (50%H2/50%CO). Au cours de ce travail les limites d’inflammabilités des mélanges ont été déterminées pour une température initiale de 300 K et une pression de 1 et 2 bars. Les vitesses fondamentales de flamme et les longueurs de Markstein ont été mesurées à différentes températures initiales (300, 330 et 360 K) et à deux pressions initiales (1 et 2 bar) pour chacun des mélanges. Une modélisation cinétique de la vitesse de flamme a été réalisée et a permis l’évaluation de l’énergie d’activation globale sur la base du modèle cinétique présentant le meilleur accord avec l’expérience. La propension des mélanges a s’accélérer fortement en présence d’obstacles a ensuite été caractérisée au cours de l’étude de l’accélération de flamme. Cette étude de l’accélération de flamme a permis de mettre en évidence que différents critères d’accélération s’appliquent selon que la flamme soit stable ou pas. Un critère permettant de prédire l’accélération de flamme a été proposée dans les deux cas. / The context of the current study is the assessment of the occurrence of flame acceleration in accidental situations. The methodology developed for the assessment of hydrogen hazard in the nuclear industry led to the definition of a criterion for the prediction of the acceleration potential of a hydrogen/air/dilutant mixture based on its properties. This study aims to extend this methodology to gaseous mixtures that can be encountered in the classical industry. Therefore, three mixtures were chosen: the first two are representatives of a natural gas/air mixture: G27 (82%CH4/18%N2) and G222 (77%CH4/23%H2). The third one is a H2/CO (50%H2/50%CO) mixture and represents the Syngas. During this work, flammability limits were measured at 300 K and two initial pressures (1 and 2 bar) for each mixture. Fundamental flame speeds and Markstein lengths were also measured at three initial temperatures (300, 330, 360 K) and 2 initial pressures (1 and 2 bar) for each mixtures. A kinetic modeling was performed based on three detailed kinetic models and allowed the calculation of the global activation energy on the basis of the kinetic model which showed the best agreement with the experimental data. The acceleration potential for each mixture in presence of obstacles has then been investigated. It was found that different criteria were to be applied depending on whether the flame is stable or not. A predicting criterion was proposed in both case.

Le risque d’explosion des mélanges H2/air revêt toujours une importance cruciale pour la gestion des accidents graves dans les centrales nucléaires. Des critères expérimentaux ont été proposés dans les années 2000 par Dorofeev et al. afin de déterminer les conditions nécessaires à l’accélération de flamme et à la TDD. Ce travail de thèse a l’objectif de mieux comprendre les mécanismes d’accélération des flammes de prémélange H2/air et de fournir une solide base de données expérimentales pour la validation des codes utilisés pour les études de sûreté. Les expériences ont été menées dans un tube muni d’obstacles (taux de blocage entre 0.3 et 0.6) avec un diamètre interne de 12 cm et une longueur d’environ 5 m. Les effets de la pression initiale et de la dilution en azote sur des mélanges pauvres en H2 ont été étudiés. Les résultats montrent que la pression favorise l’accélération seulement pour les mélanges les plus réactifs et que la surpression induite par la combustion est directement proportionnelle à la pression initiale. Les interactions flamme-choc ainsi que les instabilités thermo-diffusives jouent un rôle important sur la propagation de flamme. Une nouvelle technique a été développée dans le but d’obtenir une représentation plus fine du profil de vitesse de flamme. Des mesures d’absorption IR résolues dans le temps ont été effectuées en dopant le mélange avec un alcane. Le profil de vitesse a été obtenu en mesurant la variation d’extension du gaz frais pendant l’avancement de la flamme. Enfin, des analyses préliminaires ont été menées pour la conception d’un nouveau dispositif expérimental pour l’étude des effets de la combustion sur des structures en acier inox. / Flame acceleration and explosion of hydrogen/air mixtures remain key issues for severe accident management in nuclear power plants. Empirical criteria were developed in the early 2000s by Dorofeev and colleagues providing effective tools to discern possible FA or DDT scenarios. The objectives of the present work are to better understand the mechanisms of acceleration for premixed H2/air flames and to provide a solid base of experimental data for the validation of the codes used for safety analyses. The experiments were performed in an obstacles-laden tube (blockage ratio between 0.3 and 0.6) with 120 mm internal diameter and about 5 m length. The effects of the initial pressure and the nitrogen dilution on lean H2 mixtures have been studied. The results show that pressure promote flame acceleration only for highly reactive mixtures. Moreover, the overpressure induced by the combustion is directly proportional to the initial pressure. Besides, flame-shock interactions and thermo-diffusive instabilities play an important role in flame acceleration. A new technique to track the flame position along the tube has been developed in order to obtain a finer representation of the flame velocity profile. The method consists in performing time-resolved IR absorption measurements by doping the mixture with an alkane. The velocity profile is then derivedby measuring the variation of the extension in depth of the unburnt gas along the tube axis. Finally, analyses on the effects of combustion generated loads on stainless steel structures were performed in order to provide preliminary results for the design of a new experimental device.