Ce travail est consacré à l’étude des interactions entre dispositifs de désenfumage naturel et systèmes d’extinction (sprinkleur). Deux campagnes expérimentales à grande échelle utilisant conjointement sprinkleur et désenfumage naturel ont été menées dans des halls d’essais du CNPP. Au total, 98 essais instrumentés ont été réalisés en faisant varier le type et la position du foyer et les temps d’activation respectifs des deux dispositifs de sécurité. Les données recueillies incluent principalement des hauteurs libres de fumées, des champs de température et des temps de déclenchement automatique des sprinkleurs. L’ensemble de ces résultats permet la constitution d’une base de données pour la création de cas de validation en utilisant le logiciel FDS (Fire Dynamics Simulator). Des simulations utilisant les données d’entrée relatives aux différents essais sont réalisées et les résultats numériques sont confrontés aux mesures. Le bon accord entre ces résultats permet d’utiliser FDS pour effectuer des bilans de masse et d’énergie pour les différents scénarios étudiés. En utilisant les connaissances accumulées au cours de ces campagnes, des simulations de scénarios incendie dans deux bâtiments existants ont été réalisées. Pour chaque géométrie, différents temps de déclenchement du désenfumage sont testés et les résultats (niveaux de température, temps et nombre de déclenchements de sprinkleurs, transfert de chaleur et de masse) sont comparés / This work is devoted to the study of interactions between smoke and heat exhaust ventilation systems (SHEAVS) and automatic fire sprinklers. Two real scales experimentation campaigns involving sprinklers and SHEAVS have been carried out in fire test facilities at CNPP (France). A total of 98 instrumented tests have been conducted with various fuel type, experimental configuration and activation time of both systems. Collected datas include smoke free layer height, temperature field and automatic sprinkler activation time. These results are used to build a database in order to create a validation case for the software Fire Dynamics Simulator (FDS). Numerical simulations of several tests are conducted using experimental data as input parameters. Results are then confronted to measurements. A good agreement between these results allows us to use FDS in order to realize mass and energy balances for various scenarios. Using knowledge acquired during both campaigns, numerical simulations of fire scenarios in two actual facilities have been conducted. For both configuration, various SHEAVS activation time have been tested and results (temperature levels, time and number of activated sprinklers, heat and mass transfer) have been confronted

Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit portent sur le mécanisme de remplissage et de vidange simultanés d’un local ventilé naturellement, pouvant éventuellement être rencontré dans des situations d’incendie. L’objectif de ce travail et d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques dominants ce mécanisme, notamment, une fois que le régime stationnaire est établi à partir d’études théoriques et expérimentales. Le travail est divisé en deux parties. Dans la première partie, nous reformulons dans un premier temps le modèle théorique de Linden et al. (1990) dans le cadre de l’approximation de Boussinesq basé sur la modélisation du panache turbulent proposé par Morton et al. (1956). Ce modèle est par la suite étendue au cadre général non-Boussineq. Dans un second temps, nous proposons un nouveau modèle basé sur les solutions exactes du panache turbulent à partir des travaux de Michaux & Vauquelin (2008). Une campagne d’essais densimétriques réalisée à échelle réduite permet ensuite d’éprouver et valider ces modèles. Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous abordons la problématique de remplissage et de vidange dans le cadre plus spécifique de l'ingénieur de la sécurité incendie (ISI) appliquée au désenfumage. Nous commençons par présenter quelques modèles de flammes panache. Ensuite, ces modèles de flammes panache sont implémenté dans un modèle de remplissage vidange et comparés aux modèles présentés dans la première partie du manuscrit. La dernière partie porte sur une campagne d'essais thermiques à l'échelle du laboratoire. Le premier modèle théorique présenté dans la première partie est confronté aux différents résultats expérimentaux. / Research works presented in this thesis deals with the filling and simultaneous emptying of a naturally ventilated room subject to a continuous source of buoyancy, for example, the problem of natural ventilation of a room containing a fire. The aim of this work is to improve from a theoretical and experimental point of view the understanding of the dominant physical phenomena of this mechanism, especially once the stationary state is reached. This work is divided into two parts. In the first "academic" part, we revisit the theoretical model developed by Linden et al. (1990) under the Boussinesq approximation, based on Morton et al. (1956) turbulent plume assumption. This model is then extended in the general non-Boussinesq case and a parametric study highlights the influence of the governing parameters on which it depends. Secondly, we propose a new model based on the exact turbulent plume solutions proposed by Michaux & Vauquelin (2008). Laboratory experiments were also conducted using a light gas air-helium mixture in order to test and validate these models. In the second part of this work, we address the problem of filling and simultaneous emptying in the more specific context of fire safety engineering applied to smoke management. We begin by presenting some engineering relations for fire plumes, which we implement in a filling emptying model. A comparison is then made between these models and those presented in the first part of the manuscript. The last part deals with a fire test campaign at the laboratory scale and on full-scale. The first theoretical model presented in the first part is confronted with different experimental results.

Ces travaux de thèse, répondent à la problématique liée à la sécurité incendie des bâtiments ventilés naturellement, et notamment au comportement des fumées chaudes lorsqu’elles interagissent avec le vent. Le premier chapitre concerne la mise en exergue de la problématique bâtimentaire, au travers de la présentation des moteurs de la ventilation naturelle, d’une analyse règlementaire croisée sécurité incendie / confort thermique, et de multiples retours d’expériences. La nécessité d’étudier les régimes d’écoulement interne lorsque le vent interagit avec la fumée est mise en évidence. Ainsi, dans le second chapitre, les verrous scientifiques, associés à l’identification des régimes d’écoulement en convection mixte, sont soulevés à l’aide d’une analyse de la littérature. Dans le troisième chapitre, nous nous intéressons à la caractérisation des régimes d’écoulement internes lorsque le vent oppose le tirage thermique dans un volume contenant une source constante générant les forces de flottabilité. Une expérimentation densimétrique, air/hélium, à échelle réduite est proposée. Trois régimes d’écoulement internes stables sont mis en évidence. Les transitions entre ces régimes sont caractérisées par une loi puissance, mettant en jeu le nombre de Froude, relatif à la source générant les forces de flottabilité, et le rapport entre la pression dynamique de la source et celle du vent. Dans le quatrième chapitre, ces régimes sont également identifiés, expérimentalement et numériquement, lors de la vidange de fluide léger lorsque le vent oppose le tirage thermique. Une relation entre le nombre de Richardson et un temps de vidange caractéristique est identifiée. L’étude numérique nous permet d’analyser des dynamiques particulières de vidange de manière quantitative. Dans la dernière partie, les lois de transitions entre régimes d’écoulement permettent d’introduire un indicateur de sécurité dépendant des conditions de vent. Une méthode d’analyse, qui considère à la fois la sécurité et le confort, est alors proposée pour éviter les conflits mis en avant dans les retours d’expériences du chapitre 1. / This thesis work presents deals with the issue of fire safety consideration in naturally ventilated buildings. The particular case of the interaction between the wind and hot smoke movement is pinpointed. In the first chapter, basics of natural ventilation mechanisms are shown. Then, the analysis of building’s regulations, relating to fire safety and thermal comfort, allows to highlight potential conflicts and normative gaps. Theses gaps and conflicts are illustrated through real buildings feedbacks. The challenge of indoor flow pattern studies for safety purpose is hence underline. In the second chapter, scientific’s barriers in relation with the transitions between existing flow pattern, when wind and buoyancy are opposed, are identified thought a literature review. A scaled experiment is proposed in the third chapter, using density difference between air and helium, to identify internal flow pattern when wind opposes buoyancy. Three stable internal flow patterns are identified. A power law characterizing the transitions between identified flow pattern, involving source Froude number and dynamic pressure ratio between source jet and wind, is found. In the fourth chapter, the identified flow pattern are observed when the tested volume is emptied, and a relation between the initial Richardson number Ri and the characteristic emptied time θ is found. Furthermore, specific behaviour of internal flow, when the volume is emptied, is quantitatively study thanks to a numerical model. In the last part of this thesis, transitions law between internal flow patterns allows to introduce a new wind dependent fire safety index. A methodology is then proposed to both analyse fire safety and thermal comfort in building. The presented method gives the opportunity to avoid conception conflicts underlined in the first chapter of the present work.