Les risques importants d'inflammation de "nuages de poussières" en milieu industriel ainsi que l'entrée en vigueur de nouvelles normes (telles que les directives ATEX) font qu'il est aujourd'hui essentiel, pour les exploitants, de quantifier le danger représenté par leurs activités. Cette étude traite le cas des poussières d'aluminium et plus particulièrement l'influence de leur état d'oxydation sur les seuils d'amorçage par arc électrique. Un dispositif d'inflammation comprenant un système original de génération d'arc électrique à puissance constante a été mis au point spécifiquement pour ce travail. Une méthode statistique de traitement a été adaptée et utilisée afin d'évaluer des énergies d'inflammation conduisant à une probabilité d'amorçage de 50%. Une procédure d'oxydation contrôlée des poudres d'aluminium, ainsi que leur caractérisation physico chimique, est présentée. La croissance des seuils d'inflammation avec le taux d'oxydation des produits testés a ainsi pu être mise en évidence. Dans un second temps, des mesures de vitesse apparente de flamme ainsi que des relevés de pression dans les premiers instants de l'explosion ont été réalisés. Ces mesures expérimentales seront confrontées aux résultats obtenus à l'aide d'un modèle numérique permettant de relier l'évolution de la pression dans la chambre à la vitesse de propagation de la flamme.

Depuis plusieurs années déjà, nombre d’applications industrielles impliquant des nanomatériaux ont vu le jour mais les connaissances relatives aux dangers de ces nouveaux matériaux sont actuellement assez restreintes. Le développement de ces nouveaux produits ne pouvant se poursuivre sans une évaluation approfondie des risques pour l’environnement et au poste de travail, les dangers relatifs aux nanoparticules doivent être évalués. La toxicité potentielle de ces nouveaux matériaux est souvent mise en avant. Néanmoins, les risques d’incendie et d’explosion ne doivent pas être négligés. Centrées essentiellement sur les poudres de taille micrométrique, les données de la littérature ne permettent pas, en effet, à l’heure actuelle, d’évaluer la probabilité et la gravité d’une explosion de nanopoudres. Dans ce contexte, la sensibilité à l’inflammation et la sévérité d’explosion de nanomatériaux pulvérulents typiques ont été évaluées ainsi que la validité des appareillages et procédures standards, habituellement utilisés lors d’une telle démarche. Enfin, la méthodologie adoptée afin d’évaluer les risques d’inflammation et d’explosion d’une installation de production de nanopoudres et de sécuriser au mieux la santé des travailleurs exposés aux nanoparticules est illustrée aux travers de deux exemples. Cette démarche pourra servir de base à de futures analyses de risques concernant les produits nanostructurés, exercice qui va devenir indispensable et de plus en plus fréquent au vu du contexte économique et réglementaire / In the industrial and research fields, nanomaterials provides a growing interest and many industrial applications have already been developed in the last years. However, knowledge about the hazards related to these new materials is currently limited. As safe nanomaterial production cannot be permitted without a deeper evaluation of environmental and occupational hazards, hazards related to nanoparticles have to be evaluated. One often thinks about the potential toxicity of nanoparticles. However, dust fire and explosion should not be neglected when the dusts are combustible, which may often be the case. So far, literature studies concerning the evaluation of explosion and flammability risks of powders were essentially carried out on micron-sized materials and do not enable in fact to evaluate fire and explosion risk probabilities and gravities of nanopowders. The main goal of this work is to study explosion and ignition risks related to nanopowders. In particular, the evaluation of the explosion sensitivity and severity of typical nanomaterials has been studied as well as the validity of the existing analytical and methodological tools designed to evaluate dust ignition and explosion hazards. This work also deals with the methodology applied to a plant and to a laboratory in order to define the best safety barriers which were positioned to ensure the best occupational safety level to all workers and evaluate in a good way the ignition and explosion risks related to the use and production of fluffy nanomaterials. This work will certainly help risk engineers concerned about the handling and the production of combustible nanopowders.

Les explosions de mélanges de gaz inflammables/solides combustibles ne sont pas bien comprises en raison de la complexité des transferts thermiques, des mécanismes de cinétiques et des interactions entre la turbulence /combustion. L'objectif principal de ce travail est d'étudier la sévérité des explosions des nanoparticules de carbone noir/méthane afin de comprendre l'influence de l'insertion des nanoparticules sur les explosions de gaz. Des tests ont été effectués sur ces mélanges dans un tube de propagation de la flamme et dans une sphère d'explosion standard de 20 L. L'influence de la turbulence initiale et de la taille de particule élémentaire du noir de carbone a également été étudiée. Il semble que l'insertion de nanoparticules de noir de carbone augmente d'environ 10% la sévérité de l’explosion pour les mélanges pauvres en méthane. Par conséquent, il semble que les nanoparticules ont un impact sur la sévérité de l'explosion même pour les systèmes à basse turbulence, contrairement aux systèmes impliquant des poudres de taille micrométrique qui nécessitent une dispersion à des niveaux élevés de turbulence. L'augmentation de la vitesse maximale de montée en pression est plus élevée pour des poudres avec un petit diamètre de particule, notamment en raison des phénomènes de fragmentation. En outre, un modèle numérique de propagation de front de flamme associé à un mélange gaz/noir de carbone a été développé pour examiner l'influence du noir de carbone sur la propagation de la flamme. Les résultats du modèle numérique suggèrent que la contribution de la chaleur radiative favorise l'accélération de la flamme. Ces résultats sont en accord avec les résultats expérimentaux de sévérité de l'explosion pour certains mélanges hybrides / Flammable gas/solid hybrid mixture explosions are not well understood because of the interaction of the thermal transfer process, the combustion kinetics mechanisms and the interactions between turbulence and combustion. The main objective on this work is to study the explosion severity and flame burning velocities of carbon black nanoparticles/methane to better understand the influence of added nanopowders in gas explosions. Tests have been performed in a flame propagation tube and in the standard 20 L explosion sphere. The influence of carbon black particles on the explosions severity and in the front flame propagation has been appreciated by comparing the results obtained for pure gas mixtures. It appeared that the carbon black nanoparticles insertion increases around 10% the explosion severity for lean methane mixtures. Therefore, it seems that nanoparticles has an impact on the severity of the explosion even for quiescent systems, contrary to systems involving micro-sized powders that requires a dispersion at high turbulence levels. The increment on the maximum rate of pressure rise is higher for powders with lower elementary particle diameter, which is notably due to the fragmentation phenomena. A flame propagation numerical model associated to a gas/carbon black mixture has been developed to examine the influence of carbon blacks on the flame propagation. The results of the numerical model suggest that the radiative heat contribution promotes the flame acceleration. This result is consistent with the experimental increase on the explosion severity for some hybrid mixtures

’explosion est un phénomène redouté dans les installations industrielles. Le risque d’explosions impliquant des poussières combustibles est présent dans un grand nombre d’industries d’activités différentes, compte tenu de la grande diversité de poussières combustibles : les poussières organiques (farine, charbon, sucre…) mais aussi les poussières métalliques (aluminium, magnésium…). En effet, toutes ces poussières combustibles si elles sont suffisamment fines, et si elles sont en suspension dans l’air, peuvent provoquer des explosions. Les industriels doivent donc quantifier et maîtriser ce risque au sein de leurs différentes installations. Dans le cas des explosions de gaz, l’état actuel des connaissances permet une compréhension et une modélisation précise du phénomène. Cependant, l’état des connaissances est plus limité dans le cas des explosions de poussières, notamment à cause de la plus grande difficulté à étudier ces dernières expérimentalement. Des modèles, basés sur les explosions de gaz, existent néanmoins dans le cas des explosions de poussières. Ces derniers semblent cohérents dans le cas d’explosions de poussières organiques mais inadaptés au cas des poussières métalliques.Ces travaux de thèse s’intéressent à l’étude expérimentale de la propagation de la flamme lors d’une explosion de poussières d’aluminium. Afin de modéliser une propagation éventuelle de flamme lors d’une explosion, une première approche expérimentale est nécessaire. Pour cette étude expérimentale des prototypes ont été spécialement conçus, puis améliorés, au cours des différents tests réalisés. La description de ces travaux est divisée en deux parties.Dans un premier temps, la mise en suspension de la poudre est étudiée. En effet, afin de pouvoir étudier ce phénomène d’explosion, un système de mise en suspension de la poudre a été élaboré. Une première partie de l’étude permet donc de s’assurer que la suspension obtenue est homogène en termes de concentration. Par la suite, le niveau de turbulence obtenue dans l’enceinte après la fin de la mise en suspension de la poudre est étudié. En effet, ce paramètre influe grandement sur la propagation de la flamme, augmentant ainsi les conséquences de l’explosion.Par la suite, la propagation de la flamme est étudiée. Pour cela, la suspension précédemment obtenue est enflammée à l’aide d’un arc électrique. Le phénomène est étudié au travers de la visualisation de la propagation de la flamme et par l’évolution de la pression dans le prototype. Deux principales méthodes optiques, l’une basée sur la visualisation de la lumière émise par la flamme et l’autre sur la visualisation de variations d’indice de réfraction (liées à des variations de température), sont utilisées. A partir de ces dernières la vitesse de propagation de la flamme dans le référentiel du laboratoire est étudiée. Cependant, cette vitesse dépend fortement du prototype utilisé pour son étude. Ainsi, une méthode est utilisée afin d’en déduire la vitesse de combustion, correspondant à la vitesse de consommation des réactifs par la flamme. Des limites potentielles de cette méthode sont par la suite exposées, et une nouvelle méthode de détermination de cette vitesse est alors proposée. / Explosions are one of the most feared events in the industry. Risk of explosions with combustible dusts can occur in a large variety of industry of different fields, because of the large amount of combustible dusts: organic dusts (flour, carbon, sugar…) but also metallic dusts (aluminum, magnesium…). All of these combustible dusts, if they are fine enough, and if they are dispersed in the air, can cause explosions. Companies have to quantify this risk present in their plant. Concerning gas explosions, the current state of knowledge allows an understanding and a precise modelling of the phenomenon. However, the state of knowledge about dust explosions is more limited, especially because of the difficulty to study the explosions experimentally. Some models, based on gas explosions, exist for the case of dust explosion. These models seem coherent in the case of organic dust explosions but less adapted for metallic dust.This PhD work focus on the experimental study of flame propagation during an aluminum dust explosion. To model an eventual propagation of the flame during the explosion, an experimental approach is required. For this experimental study, specific prototypes have been elaborated, and then improved, during the different tests. This work is mainly separated in two parts.In a first part the dispersion of the dust is studied. Indeed, to study the explosion phenomenon, a system has been elaborated to disperse the dust. A first part of study allows checking that the dispersion is well homogeneous in terms of concentration. Then, the turbulence level inside the prototype after the end of the dispersion is studied. Indeed, this parameters influence a lot the flame propagation, increasing the consequences of the explosion.Then, the flame propagation is studied. The dust dispersion, previously studied, is ignited by an electric spark. The phenomenon is studied thanks to visualization of the flame propagation and by the evolution of the pressure inside the prototype. Two main optical techniques, one based on the light emitted by the flame, the other one linked to refractive index variations (due to temperature variations) are used. Thanks to these methods, the propagation velocity in the laboratory referential is studied. However, this velocity depends mainly on the prototype used for his determination. A method is used to determine the burning velocity (consumption rate of the reactants by the flame front). Some potential limits of this method are then exposed, and a new method of determination of this burning velocity is proposed.

Les caractéristiques d’un nuage de poussières avant l’activation de la source d’inflammation ont une grande influence sur la sensibilité et la sévérité de son explosion. Pour cette raison, le procédé de dispersion d’une poussière combustible qui se développe à l’intérieur des chambres d’explosion standardisés telles que le tube de Hartmann modifié et la sphère 20 L a été décrit par deux approches complémentaires. Dans un premier temps, une caractérisation expérimentale de l’évolution du nuage de poussière a identifié les niveaux de turbulence de l’écoulement de gaz, ainsi que les principales variations de la distribution de la taille des particules combustibles. Ces résultats ont été complétés par l’identification des niveaux de ségrégation de la poudre dispersée à l’intérieur des chambres d’explosion. Par la suite, une série de simulations CFD basée sur une approche Euler-Lagrange a été développée pour prédire le comportement du nuage. Cette étude a été réalisée grâce à la caractérisation des principaux mécanismes d’interaction tels que le transfert de quantité de mouvement (couplage bidirectionnel) et le phénomène de fragmentation des poudres. Deux types de particules microniques ont été spécifiquement étudiés : une poussière métallique, l’aluminium et un composé organique, l’amidon de blé. Ces résultats ont démontré qu’il est possible de définir ab initio, par simulation numérique, les conditions de tests les plus pertinentes (les plus réalistes ou les plus pénalisantes) en vue de la quantification de ces risques majeurs / The pre-ignition stage of an explosibility test determines the ignitability of a dust cloud as well as the main characteristics of the flame propagation. For this reason, the dispersion process of a combustible dust that develops inside the explosion chambers of the modified Hartmann tube and the 20 L sphere has been described by two complementary approaches. Initially, an experimental characterization of the evolution of the dust cloud identified the evolution of the turbulence levels of the gas flow along with the main variations of the particle size distribution of the combustible dust. These results were complemented by the identification of the segregation levels of the dispersed powder inside the explosion chambers. Thereafter, a set of CFD simulations based on the Euler-Lagrange formulation was developed to predict the behavior of the combustible dust cloud. This study was accomplished through the characterization of the main interaction mechanisms such as the momentum exchange (two-way coupling) and the dust fragmentation phenomenon. In this manner, the research work constituted for this thesis allowed determining the most appropriate conditions to ignite a dust cloud formed by a metallic (Aluminum micro-Al 42) or organic powders (wheat starch) in a case study. Thus, this research work presents a methodology that can be extended for the analyses of combustible dusts and the further development of the standard test methods