A smoke explosion is generally considered as a deflagration of the accumulated unburned fuel inside a closed compartment. However, the term smoke explosion has been widely misused for decades with a great deal of confusion, and very little research has been done towards this topic. The purpose of this research is to study the smoke explosion phenomenon in much more detail through the development of a fire scenario under various experimental conditions including ventilation size, fuel elevation and fuel mass, so that a more comprehensive understanding of this phenomenon can be achieved. A total of twenty experiments are carried out including both exploratory and final experiments. Thirteen experiments result in smoke explosions, among which there are five experiments result in more than one smoke explosion. A phenomenon referred as smoldering decay is observed in all experiments with smoke explosions, making it one of the precursors of the smoke explosion phenomenon. The smoldering decay is often indicated by an exponential decay of the temperature and is caused by the low oxygen concentration within the compartment. Based on the analysis, it is found that the vent size must be at least 50 mm in diameter in order for smoke explosions to occur. The fuel elevation has no influence on the occurrence of the smoke explosion. However when the fuel is placed near the ceiling, the temperature, the mass flow rate and the heat release rate are all lowered significantly. The size of the fuel also has no significant influence except for the duration of the experiment. The concentration of CO is scattered in the range of 1.9% and 4.3% when explosions occur. Hence, the accumulation of CO is considered not to be the direct cause for the smoke explosion. The triggering factor for smoke explosions is believed to be the flammable limit formed by the mixture of hydrocarbon and CO. The pressure difference caused by the explosion inside the compartment has to be at least 27 Pa for it to be considered as a smoke explosion.

Lors du déclenchement d’un incendie en milieu clos, la quantité d’oxygène du local décroît, entrainant une combustion incomplète. Des gaz chauds imbrûlés peuvent alors s’accumuler dans le local ou dans les gaines de ventilation et un accident thermique peut survenir suite à un apport d’air frais. Ce travail, réalisé pour AREVA, vise à quantifier et d’analyser ce risque, afin de pouvoir le prédire et le prévenir. Tout d’abord, une étude bibliographique a été réalisée afin de définir les paramètres d’auto-inflammation à partir du modèle de Frank-Kamenetskii. Celui-ci permet, après un bilan d’énergie, l’établissement d’un paramètre critique, δC, d’auto-inflammation du mélange. δC réunit la géométrie, la température (et la température ambiante) et la composition du mélange à l’auto-inflammation.Puis, la dégradation thermique du Polyéthylène Haute Densité en fonction de la densité surfacique de flux incident à la surface du matériau et de la sous-ventilation a été caractérisée (cinétique de dégradation, productions gazeuses). Le Cône Calorimètre à Atmosphère Contrôlée a été employé.Ce travail expérimental a permis d’obtenir plusieurs mélanges gazeux suivant les conditions. La dernière partie de l’étude a permis, à partir de δC, de poser le volume de mélange via le rayon comme critère d’auto-inflammabilité des mélanges. En imposant une température, en faisant varier la fraction volumique de chaque gaz combustible entre sa LII et LSI le risque d’accident thermique a été défini. / After the beginning of a fire in a closed room, the oxygen rate in the atmosphere decreases. This implies an incomplete combustion and unburnt gases production. These ones may accumulate in the room or in ventilation pipes, and, after mixing with fresh air, auto-ignite. This could trigger a thermal accident such as backdraft. This present work, conducted for AREVA, aims to analyse this hazard and provide some methods to predict and prevent it. First, a bibliographical research, was carried on to define a mixture’s auto-ignition parameters. This study was based on Frank-Kamenetskii’s model: after establishing the energetics balance between the heat produced by combustion, and the one consumed by conduction, an auto-ignition critical parameter, δC, was defined. It reunites the system’s geometry, temperature (or the room temperature) and composition.Then, the High Density Polythene degradation in a Controlled Atmosphere Cone Calorimeter was studied. The effect on the material’s degradation of under-ventilation and of the energy brought has been tested through the oxygen concentration in the atmosphere and the incident heat flux.During this work many different gas mixtures were analyzed. On the ground of δC formula, the final step was to set the volume, through the radius (characteristic size of the system), as an auto-ignition parameter. Making the concentration of each combustible varying between the LFL and UFL and imposing the temperature allowed to predict this hazard.

Un des objectifs a consisté à développer une étude systématique des caractéristiques d'allumage, depropagation et de combustion massique de combustibles liquides. La ré-inflammation des fumées riches estplus spécialement pris en compte. La recherche porte essentiellement sur les propriétés des feux dans uneenceinte avec ventilation contrôlée, sous ventilée. Les facteurs dominants à la ré-inflammation des fuméesriches est la quantité minimale d'hydrocarbures totaux et la température. Grâce à la Simulation Numériquedes Grandes Echelles, nous sommes allés à un niveau de détail permettant de prendre en compte l'influencede la ventilation sur la propagation de la flamme en milieu confiné. Les modèles numériques permet deprévoir les aspects aussi bien chimiques de la combustion (pyrolyse du combustible liquide, réaction dans laflamme), que thermodynamiques (transfert de chaleur et de masse flamme-liquide). L'enjeu est de concevoirun modèle de feu encore plus général, capable de traiter aussi les feux à grande échelle. Ce type de modèleest consacré à la mise en équations du problème et à la faisabilité d'une simulation numérique complexe.Les résultats obtenus sur les feux sur-ventilés sont en accord avec les résultats expérimentaux. Outre lesdifficultés théoriques de ce type de problème, il faut ajouter les difficultés pratiques liées à la durée trèsimportante des simulations sur ordinateur, et le coût de calcul élevé. / One of the objectives was to characterize systematically the ignition, the spread and the combustion of liquidf uel . Furthermore, the injlammation caused by rich smoke is especially taken into account. The researchfocuses on the properties of fire in an under-ventilated chamber with ventilation controlled The dominantfactors of rich smokes injlammation are the minimum amount of total hydrocarbons and the temperature.With the LES (Large Eddy Simulation) approach, the injluence of ventilation on jlame propagation inconfined areas is taken into account. Numerical models permit to predict the chemical aspects of combustion(liquid fuel 's pyrolysis, reaction in the jlame) and the thermodynamic (heat transfer and mass transferbetween the jlame and the liquid fuel). The challenge is to develop a model for more general fire which canalso handle large-scale fires. This type of model is devoted LO the setting of the equations of the problem andthe feasibility ofa complex numerical simulation. The results of the ventilated fires are in agreement with theexperimental results. ln addition 10 the theoretical difficulties of this type of problem, the practicaldifficull ies in the very long duration of computer simulations and the hig'" calculation 's cost must be added

Un des objectifs a consisté à développer une étude systématique des caractéristiques d'allumage, depropagation et de combustion massique de combustibles liquides. La ré-inflammation des fumées riches estplus spécialement pris en compte. La recherche porte essentiellement sur les propriétés des feux dans uneenceinte avec ventilation contrôlée, sous ventilée. Les facteurs dominants à la ré-inflammation des fuméesriches est la quantité minimale d'hydrocarbures totaux et la température. Grâce à la Simulation Numériquedes Grandes Echelles, nous sommes allés à un niveau de détail permettant de prendre en compte l'influencede la ventilation sur la propagation de la flamme en milieu confiné. Les modèles numériques permet deprévoir les aspects aussi bien chimiques de la combustion (pyrolyse du combustible liquide, réaction dans laflamme), que thermodynamiques (transfert de chaleur et de masse flamme-liquide). L'enjeu est de concevoirun modèle de feu encore plus général, capable de traiter aussi les feux à grande échelle. Ce type de modèleest consacré à la mise en équations du problème et à la faisabilité d'une simulation numérique complexe.Les résultats obtenus sur les feux sur-ventilés sont en accord avec les résultats expérimentaux. Outre lesdifficultés théoriques de ce type de problème, il faut ajouter les difficultés pratiques liées à la durée trèsimportante des simulations sur ordinateur, et le coût de calcul élevé.

Los incendios en recintos confinados son un tipo de emergencia que involucra a bomberos cuyas vidas a veces se ponen en peligro. En cualquier incendio confinado, el equipo de emergencia puede encontrar dos tipos de ambientes de combustión, ventilados o infra-ventilados. El comportamiento cambiante de este escenario depende de múltiples factores como el tamaño del recinto, la ventilación o el combustible involucrado, entre otros. Sin embargo, la dificultad de manejar este tipo de situaciones junto con el potencial error humano sigue siendo un desafío sin resolver para los bomberos en la actualidad. En ocasiones si se dan las condiciones adecuadas, pueden aparecer los fenómenos, extremadamente peligrosos, que son estudio de este trabajo (flashover y backdraft). Por lo tanto, existe una gran demanda de nuevas técnicas y tecnologías para abordar este tipo de emergencias que amenazan la vida y puede causar graves daños estructurales. A lo anterior hay que añadir que la incorporación de cámaras térmicas en los servicios de extinción de incendios y salvamentos, supone un gran avance que puede ayudar a prevenir estos tipos de fenómenos en tiempo real utilizando técnicas de inteligencia artificial.