Th. doct.--Energétique--Paris--Ecole centrale, 1992. / Bibliogr. p. 267-274.

Th. univ.--Sci. petrolières--Paris 6, 1993. / Diplôme délivré en association avec l'Ecole nationale supérieure du pétrole et des moteurs. Bibliogr. p. 134-136. Résumé en français et en anglais.

University, Diss., 2006--Würzburg.

A well known problem when reasoning about concurrent systems is that of state explosion. One of the strategies that has been proposed to alleviate this problem is to make use of the symmetries which a concurrent system may exhibit to construct a symmetry-reduced model that reflects the behaviour of the system. The main contribution of this thesis is an investigation into the theoretical foundations of the method by considering symmetries in the context of category theory. It seems natural to do so since the morphisms that characterise each category may be thought of as a kind of simulation of behaviour. A new category of language systems is presented, together with several subcategories. Morphisms in this category are defined to preserve structure. The notion of a symmetry of a language system is defined and the quotient structure of the language system is given. The important question of behaviour preservation between the system and its symmetry-reduced model is generalised to the notion of morphism in the category. The conditions required on the morphism to ensure that it preserves behaviour are identified. These results are extended to the projection morphism that define the symmetry-reduced model by constructing a split morphism. Two specific behaviours, namely absence of deadlock and extensibility, are considered. The second contribution of this thesis is to establish a categorical relationship between the language system model and elementary nets. A vector language semantics for elementary nets is given. Functors between these categories are defined and the existence of an adjunction is proved.

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Dissolution of cellulose is an important but complicated step in biofuel production fromlignocellulosic materials. Steam and supercritical carbon dioxide (SC-CO2) explosion are two effective methods for dissolution of some lignocellulosic materials. Loading and explosion are the major processes of these methods. Studies of these processes were performed using grand canonical Monte Carlo and molecular dynamics simulations at different pressure/ temperature conditions on the crystalline structure of cellulose. The COMPASS force field was used for both methods.The validity of the COMPASS force field for these calculations was confirmed by comparingthe energies and structures obtained from this force field with first principles calculations.The structures that were studied are cellobiose (the repeat unit of cellulose), water–cellobiose, water-cellobiose pair and CO2-cellobiose pair systems. The first principles methods were preliminary based on B3LYP density functional theory with and without dispersion correction.A larger disruption of the cellulose crystal structure was seen during loading than that during the explosion process. This was seen by an increased separation of the cellulose chains from the centre of mass of the crystal during the initial stages of the loading, especially for chains in the outer shell of the crystalline structure. The ends of the cellulose crystal showed largerdisruption than the central core; this leads to increasing susceptibility to enzymatic attack in these end regions. There was also change from the syn to the anti torsion angle conformations during steam explosion, especially for chains in the outer cellulose shell. Increasing the temperature increased the disruption of the crystalline structure during loading and explosion. / Akademisk avhandling som för avläggande av teknologie doktorsexamen vid Chalmers tekniska högskola försvaras vid offentlig disputation den 10 oktober 2014,klockan 13.00 i KS101-salen, Kemigården 4, Göteborg.

In development projects, designers should take into consideration the possibility of a vapor cloud explosion in the siting and design of a process plant from day one. The most important decisions pertinent to the location of different process areas, separation between different areas, location of occupied buildings and overall layout may be made at the conceptual stage of the project. During the detailed design engineering stage the final calculation of gas explosion loads is an important activity. However, decisions related to the layout and location of occupied buildings at this stage could be very costly. Therefore, at the conceptual phase of the development project for a hydrocarbon facility, it would be helpful to get a picture of possible vapor cloud explosion loads to be used in studying various options. This thesis presents the analytical parameters that are used in vapor cloud explosion risk analysis. It proposes a model structure for the analysis of vapor cloud explosion risks to buildings based on exceedance methodology. This methodology was developed in a computer program which is used to support this thesis. The proposed model considers all possible gas release scenarios through the use of the Monte Carlo simulation. The risk of vapor cloud explosions can be displayed using exceedance curves. The resulting model provides a predictive tool for vapor cloud explosion problems at the early stages of development projects, particularly in siting occupied buildings in onshore hydrocarbon facilities. It can also be used as a quick analytical tool for investigating various aspects of vapor cloud explosions. This model has been applied to a case study, a debutanizer process unit. The model was used to explore the different alternatives of locating a building near the facility. The results from the model were compared to the results of other existing software to determine the model validity. The results show that the model can effectively examine the risk of vapor cloud explosions.

Dans le contexte actuel de croissance continue de la demande mondiale en combustible fossile, la sécurité de la production, du transport, ainsi que du stockage de l'énergie est un défi majeur de ce début de XXIème siècle. Les produits manipulés étant extrêmement volatils et inflammables, les éventuelles fuites qui peuvent survenir malgré les lourdes mesures de sécurité mises en place, peuvent engendrer des explosions désastreuses. Il existe donc un fort besoin d'être capable de prédire ces explosions afin de limiter les dégâts potentiels et d'assurer la sécurité des personnes et des biens. Dans cette optique, l'augmentation régulière des puissances de calcul permet à la CFD (Computational Fluid Dynamics) de se présenter comme une alternative intéressante aux expériences qui peuvent s'avérer couteuses et dangereuses. Les explosions sont des phénomènes multi-physiques qui sont principalement dirigés par la turbulence et la combustion et qui prennent place sur une très large gamme d'échelles nécessitant ainsi d'être modélisées. Aujourd'hui, des codes basés sur une approche URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes) sont généralement utilisés afin de simuler des explosions de gaz dans des configurations à échelle industrielle. Cependant, l'émergence de la LES (Large Eddy Simulation), qui a déjà montré son potentiel à donner des prédictions plus fiables que le URANS sur des configurations instationnaires complexes, ouvre de nouvelles perspectives pour le domaine de la sécurité explosion. Le but principal de cette thèse est d'évaluer l'apport des méthodes LES et de développer une méthodologie pour la prédiction des phénomènes réactifs turbulents transitoires que sont les explosions. Tout au long de cette étude, un intérêt particulier a été porté à l'approfondissement de la compréhension des phénomènes d'explosion ainsi qu'à la mise en valeur des points cruciaux de modélisation qui permettent une reproduction correcte des phénomènes considérés. Notre approche peut alors se résumer en deux temps : - Dans un premier temps nous nous sommes concentrés sur l'étude LES des déflagrations dans une chambre de combustion de petite échelle : la configuration expérimentale de l'Université de Sydney. La LES associée à un modèle de flamme épaissie a ainsi été appliquée à cette configuration à l'aide du code AVBP (développé par le CERFACS et l'IFP-EN) et a permis de mettre en place une méthodologie de calcul. Une étude de Quantification d'Incertitude (UQ) a ensuite été réalisée sur ces simulations afin d'évaluer la fiabilité de ces résultats, ce qui est primordial dans ce contexte d'étude de sécurité. - Dans un second temps, le but a été d'extrapoler les résultats obtenus sur la configuration de petite échelle à des configurations de plus grande échelle, plus représentatives des configurations industrielles réelles de plateformes pétrolières ou de dépôts de carburants qui constituent l'objectif final visé. Une campagne expérimentale a ainsi été lancée afin de construire des répliques de la configuration de Sydney à des échelles plus importantes et de les étudier numériquement grâce à la méthodologie LES mise en place sur la configuration de petite échelle. Afin de replacer notre étude dans le contexte actuel et de le relier à l'état-de-l'art en matière d'étude de risque d'explosions, d'autres calculs de ces configurations d'explosion ont été réalisés en parallèle de l'étude LES, premièrement avec un code phénoménologique développé dans le cadre de cette thèse, ainsi qu'avec le code URANS FLACS. Ceci a permis de mettre en évidence leurs limitations ainsi que l'apport de la LES pour ce type d'étude. / Within the current context of increasing global demand of fossil fuels, the safety of production, transport, and storage of energy is a major challenge of this early 20th century. The products used are highly volatile and flammable. The eventual leakages which could occur (in spite of the strong safety measures) can lead to dramatic explosions. As a consequence, we need to be able to predict these explosions in order to limit their potential damages and ensure the human and material safety. To this end, the growing of computational power makes the CFD (Computational Fluid Dynamics) an interesting alternative to experiments which can be expensive and dangerous. Gas explosions are multi-physics phenomena mainly driven by turbulence and combustion which take place over a wide range of scales and need to be modeled. Today, CFD codes based on the URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes) approach are usually used to simulate gas explosions at industrial scale. However, the emergence of LES (Large Eddy Simulation) has already shown its potential to give more accurate prediction than URANS on complex unsteady configurations. This opens new perspectives for the field of explosion safety. The main aim of this thesis is to assess the benefits of using LES for gas explosion studies and to develop a methodology to predict these unsteady turbulent reactive phenomena. All along this thesis, efforts have been made to increase our understanding of explosions and to highlight key points of modeling which enable an accurate reproduction of the considered phenomena. Our work can be summed up in two parts: - First, the focus was on the LES study of deflagrations in a small scale explosion chamber: the experimental setup of the University of Sydney. LES combined with a thickened flame approach has been applied to this configuration with the AVBP code (developed by CERFACS and IFP-EN) and enabled to set up a computation methodology. An Uncertainty Quantification (UQ) study has then been performed over these simulations in order to asses the reliability of these results, which is essential in this context of safety related studies. - Then, the aim was to extend the conclusions obtained for the small scale configurations to larger scales, more representative of real industrial cases of oil platforms or fuel storage facilities which are the final aim. An experimental campaign has consequently be launched in order to build replicas of the Sydney test-case at larger scales and to study them numerically using the LES methodology developed with the small scale configuration. In order to put our study back into the current context and to link it to the state-of-the-art of explosion risk assessment studies, several other simulations of these explosion configurations have been performed, first using a 0D phenomenological code developed in the framework of this thesis, and then using the URANS CFD code FLACS. This enabled to highlight the limitations of these approaches and the advantages of LES for this type of study.

Dans le cadre des opérations de démantèlement des centrales nucléaires UNGG (Uranium Naturel Graphite Gaz), l’occurrence de phénomènes indésirables, tels que l’inflammation et l’explosion de poudres, ne peut pas être systématiquement exclue. Plus particulièrement, le risque d’inflammation et d’explosion de poussières de graphite, pur ou mélangé avec des impuretés métalliques telles que des particules de magnésium ou de fer, nécessite d’être évalué de façon plus approfondie. Les travaux de cette thèse s’inscrivent donc dans ce contexte et ont deux objectifs principaux : l’évaluation expérimentale de l’explosivité et sa modélisation. 1. L’évaluation expérimentale de l’explosivité des poudres d'intérêt a été réalisée tant en termes de sensibilité à l’inflammation, en couche et en nuage, que de sévérité à l’explosion. En effet, les caractéristiques explosives d’une poussière ou d’un mélange sont fortement influencées par plusieurs paramètres. Ils dépendent d’une part des conditions opératoires, tels que la turbulence, la température et l'énergie d’inflammation, et d’autre part, des propriétés physico-chimiques et de la composition des matériaux. Cette étude s’est focalisée sur des poudres pures de graphite, de magnésium et de fer de taille micrométrique et sur leurs mélanges, dans un éventail de concentrations d’intérêt industriel. Nous avons constaté que l’introduction de métaux peut changer en premier lieu l’étape limitant la vitesse de combustion du graphite. Tout d’abord, les phénomènes cinétiques limitant de l’oxydation du graphite ont été distingués de ceux des métaux (respectivement, réaction hétérogène ou flamme de diffusion gazeuse). En deuxième lieu, il est apparu que la flamme peut être épaissie par la présence du rayonnement lors de la combustion du métal, alors que ce phénomène est négligeable pour le graphite pur. Enfin, la turbulence initiale du nuage de poussière peut être elle aussi modifiée par l'ajout d'une deuxième poudre en vue des caractéristiques granulométriques et de densité différentes. Une étude paramétrique a donc été réalisée afin d'évaluer l'explosibilité des mélanges considérés en prenant en compte les effets de l'humidité relative des poudres, de leur distribution granulométrique, de la puissance de la source d'ignition, de la turbulence initiale du milieu et de la composition. Pour ce faire, nous avons utilisé à la fois des appareils et des technologies conventionnelles, tels que la sphère de 20 litres, la vélocimétrie par images de particules et la thermogravimétrie, mais également des nouvelles installations dédiées à la caractérisation des écoulements turbulents transitoires lors de la dispersion des poudres dans la sphère d'explosion et à l’étude de la propagation d’une flamme en milieu semi-confiné. Il a été clairement démontré que l'ajout de poudres métalliques influence l'aptitude à enflammer le nuage de poussière. L'énergie et la température minimale d'inflammation diminuent fortement lorsque le magnésium est ajouté au graphite ; ce phénomène est moins sensible pour les particules de fer. De plus, la sévérité de l'explosion augmente avec une telle addition. Cet effet de promotion est particulièrement visible sur la cinétique de combustion. 2. La modélisation du phénomène explosif a été réalisée à l’aide de la simulation numérique afin d’estimer une vitesse de propagation de flamme laminaire et d’étudier les effets induits par des facteurs spécifiques d’intérêt industriel, tels que le diamètre des particules ou la concentration en poudre. L’intérêt d’estimer une vitesse de flamme laminaire réside dans son caractère pseudo-intrinsèque. En connaissant les caractéristiques turbulentes d’un milieu industriel complexe, ce paramètre donne la possibilité d’obtenir une vitesse de propagation de flamme turbulente propre au milieu réel et donc d’estimer les effets d’une explosion potentielle. Les résultats expérimentaux ont été utilisés afin de valider le modèle numérique développé / During the decommissioning operations of the UNGG (Natural Uranium Graphite Gas) nuclear plants, the occurrence of undesirable phenomena, such as dust ignition and explosion, cannot be systematically neglected. In particular, graphite powders, pure or mixed with metals impurities present on the sites, such as magnesium or iron, can represent a potential risk that needs to be further evaluated. This work falls within this context and has two main objectives: the experimental evaluation of the explosion severity and its modeling. 1. The experimental evaluation of the explosivity of such a powders has been carried out both in terms of ignition sensitivity, of dust layer and cloud, and explosion severity. Actually, explosive characteristics of a dust or of a mixture are strongly influenced by several parameters. They depend on the one side on the operating conditions, such as turbulence, temperature and energy of the ignition source, and on the other side, of course, on the materials physicochemical properties and composition. This study focuses on pure micronized powders of graphite, magnesium, and iron and on their mixtures, in a concentration range of industrial interest. It has been demonstrated that the introduction of metals can change, first of all, the rate limiting step of the graphite combustion. Therefore, the kinetic phenomena controlling the graphite oxidation have been distinguished from those of metals (oxygen diffusion or metal vaporization). Secondly, the flame can be thickened by the presence of the radiation during the metal combustion, while this phenomenon is negligible for pure graphite. Finally, the initial turbulence of the dust cloud can be modified by adding a second powder because of the different granulometric characteristics and density. A parametric study was conducted to evaluate the mixtures explosivity taking into account the effects of the relative humidity, the particle size distribution of the powders, the power of the ignition source, the initial turbulence and the composition of the mixture. In order to do this, we used both conventional devices and technologies, such as 20-liters explosion sphere, the particles image velocimetry and the thermogravimetry, but also new facilities dedicated to the characterization of the transient turbulent flow during the dispersion of the powders in the explosion sphere and to study the propagation of a semi-confined flame. It was clearly demonstrated that the addition of metals influences the ability to ignite the dust cloud. The minimum ignition energy and temperature greatly decrease when magnesium powder is added to graphite dust; this phenomenon is less remarkable for iron particles. In addition, the severity of the explosion increases with such an addition. This promotion effect is particularly significant on the combustion kinetics. 2. The modeling of the explosive phenomenon has been performed using numerical simulations in order to estimate a laminar flame propagation velocity and to study the effects induced by specific factors of industrial interest, such as the particle size or the powder concentration. The interest in determining a laminar flame velocity is its pseudo-intrinsic character. Once known the turbulent characteristics of a complex industrial environment, this parameter gives the opportunity to obtain a turbulent flame propagation velocity in a real environment and, therefore, to estimate the effects of a potential explosion. Experimental results were used to validate the numerical model developed during this work

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