La compréhension des écoulements de fumées issus d’un foyer d’incendie au sein d’une station souterraine de métropolitain, en présence d’accès passagers et d’une ventilation mécanique forcée,constitue l’objectif principal de ce présent mémoire. Deux maquettes basées sur le nombre de Froude (Fr) et sur le rapport de quantité de mouvement (r) sont mises en place. La première, préexistante,représente une station complète à échelle 1/30e et l’incendie y est simulé par un brûleur air-butane. Cependant, l’analyse y est limitée à une approche globale et le manque d’information sur le développement des écoulements internes est préjudiciable. Une seconde maquette adonc été développée, version simplifiée de la précédente, permettant d’étudier finement (vitesse,température) la confrontation entre un jet chaud vertical et un écoulement froid traversier. Cette approche expérimentale est complétée par des simulations numériques LES permettant d’accéder aux champs 3D. Les études réalisées ont mis en évidence 4 paramètres influents couplés : la différence de hauteur station-tunnel (H/H0), le débit de ventilation, le nombre et la position des accès et le réseau hydraulique du tunnel amont. Quelle que soit la configuration, un débit d’extraction« critique » peut-être mis en place pour contrer la contamination thermique des accès, définissant ainsi un facteur r « critique ». De plus, les écoulements dans les accès et dans la station sont dépendants de leur nombre et de leur position : suivant les configurations, deux ou trois régimes sont obtenus. Enfin, la représentativité du réseau présente une forte influence sur les écoulements internes. / Smoke spreading in an underground subway station is analyzed and studied by taking into account parameters such as passenger accesses and forced ventilation systems. Two sub-scale models are considered to arise such analysis ; based on the Froude number (Fr) or momentum ratio(r). The first experiment based on Froude number conservation is conducted on a 1/30e scale modelof a realistic subway station with fire provided from an air-butane burner. Due to restricted access to local temperature and velocity measurements, a second model was entirely developed during the course of this work ; the main issue is to study momentum ratio and thermal spreading. Numerical studies were in parallel carried out from an house-code LES turbulent model.Four main parameters were thus identified : tunnel/station height ratio (H/H0), ventilation massflowrate, number and position of accesses and hydraulic network in which the subway station islocated. « Critical » flowrate can be imposed in order to avoid thermal speading within the passenger accesses and consequently a critical factor was defined. The air/smoke flow is strongly linked to the number and position of accesses and also of the geometrical configuration. Two or three regimes can be identified. Finally internal flows in the accesses and in the station are also strongly influenced by the pressure drop of the hydraulic network.

Les technologies de mélange de sol en profondeur (« deep mixing ») pour le soutènement des excavations sont de plus en plus utilisées dans le monde. Le mélange de sol en profondeur devient une alternative plus économique aux systèmes traditionnels de soutènement pour les travaux d'excavation, pour la conception des fondations superficielles, l'analyse de la stabilité des talus et de la liquéfaction des sols. Ceci nécessite un développement plus poussé des modèles décrivant le comportement mécanique des sols ainsi améliorés, comme base pour accroitre la sécurité et diminuer les coûts économiques. Cette thèse est basée sur l'étude en laboratoire des caractéristiques de résistance au cisaillement d’un sable siliceux modifié avec du ciment de Portland, seul ou en combinaison avec des liants à réactions lentes (pouzzolaniques) comme des fumées de silice et de la chaux. Les effets de la cimentation sur la résistance, la rigidité et le comportement contractant-dilatant du sable cimenté sont étudiés au cours d’essais de compression simple, de traction, de cisaillement direct et de compression triaxiale drainée pour des éprouvettes maturées jusqu'à 180 jours. Plus précisément, les modes de rupture, les paramètres de résistance au cisaillement pour le sable lâche et dense, le module de cisaillement et les réponses volumétriques, l'état critique des sols cimentés sont décrits. En outre, cette étude vise à développer une formulation « Ready Mix », où le type de liant utilisé et le rapport eau/ciment ou eau/liant jouent un rôle fondamental dans l'évaluation de la résistance visée pour une utilisation en « deep mixing » de sols granulaires de type SM (resp SP) dans la classification LPC (resp USCS). Le comportement contrainte-déformation des sables cimentés est non linéaire avec une alternance contractance-dilatance. Une augmentation de l'angle de résistance au cisaillement et de la cohésion avec l'augmentation de la teneur en ciment a été observée de façon uniforme. Pour le sable sans ciment, la résistance au pic correspond au taux maximum d'expansion volumétrique, alors que pour le sable cimenté elle représente une condition où la sommation de toutes les composantes prend son intensité maximale. Finalement, la corrélation entre la résistance à la compression simple et l'indice lié à la réaction pouzzolaniques de la chaux et de la fumée de silice a été discutée. / The use of deep soil mixing technology for excavation support is growing worldwide. As soil deep mixing becomes a more economical alternative to traditional support systems for excavation, shallow foundation design and analysis of slope stability and liquefaction of soil, the amelioration of models describing the mechanical behavior of improved soil is required, as a basis for cost-effectiveness and a safer design. This work features a laboratory study of shear strength of a loose silica sand modified with Portland cement only or in combination with high curing time binders (due to pozzolanic reactions) such as lime and silica fume. The effects of cementation on the stress–strain behavior, stiffness and strength of treated sand are investigated through unconfined compression tests, tensile strength tests, direct shear tests and drained triaxial compression tests, for curing times up to 180 days. More precisely, failure modes, shear strength parameters for loose and dense sand, volumetric responses and critical state of cemented sand are described. In addition, this study attempts to develop a « ready mix » design procedure, where the type of binder, water/cement or water/ binder ratios play a major part in the assessment of the targeted strength in deep soil mixing applications for loose granular soils (SP in the unified classification). The results show that the stress–strain behavior of cemented sands is nonlinear with contractive–dilative stages. The stress-strain response is strongly influenced by effective confining pressure and cement content. For uncemented sand, the peak strength occurs for a maximum rate of volumetric expansion, whereas for cemented sand it represents a condition where the summation of all components the maximum intensity become. Finally, the correlation of unconfined compression strength with the index of pozzolanic reaction of lime and silica fume is discussed.

La qualité de l'air en milieu urbain fait désormais partie des préoccupations des autorités responsables des grandes agglomérations. Les décideurs ont besoin d'outils permettant la surveillance de la pollution atmosphérique. Actuellement, il est impossible de connaître précisément la distribution spatiale des polluants. Les associations en charge de la qualité de l'air sont donc très intéressées par tous les moyens susceptibles d'affiner cette connaissance. La télédétection est un de ces moyens, aussi nous nous sommes attachés, au cours de cette thèse, à apporter des éléments de réponse utiles aux praticiens. L'analyse d'images-radar à synthèse d'ouverture (RSO), de l'agglomération nantaise, nous a permis de définir les facteurs influençant la perception de l'environnement urbain dans les images-radar. De cette analyse a découlé une étude pour cartographier la rugosité aérodynamique sur toute la ville. Ce paramètre, caractérisant la morphologie locale, est nécessaire à la modélisation de la dispersion des polluants au-dessus des villes. Nous avons utilisé pour cette cartographie des images-radar seules ou employées conjointement à l'imagerie optique. Une autre étude a été menée visant à obtenir une méthode innovante, faisant usage des données optiques en infrarouge thermique, pour cartographier la distribution spatiale du champ de concentration des particules en suspension (fumées noires). Des facteurs pouvant influencer les interactions entre les polluants et les autres bandes spectrales, du visible et de l'infrarouge, ont été étudiés. Dans un souci d'opérationnalité, que ce soit avec l'imagerie radar ou optique, les résultats des nouvelles méthodes ont été comparés avec ceux obtenus avec des méthodes conventionnelles.

Les contextes climatique et énergétique mondiaux encouragent les pays de l'Union Européenne à améliorer leurs impacts environnementaux. Un des objectifs consiste à diminuer les émissions de CO2 en développant les énergies renouvelables. En France, la filière bois énergie représente la première source d'énergie renouvelable avec une production s'élevant à 10 MTep par an. Toutefois, il est indispensable de ne pas se limiter aux émissions de CO2 pour déterminer l'impact global d'une source d'énergie. En effet, la combustion de bois dans les appareils de chauffage domestique tels que les poêles, les inserts, les foyers ouverts, est à l'origine d'une part non négligeable de certains polluants atmosphériques tels que le CO, les COV, les HAP et les particules fines. L'objectif de ce projet est de réaliser un système efficace de dépollution capable de traiter l'ensemble des polluants à la sortie de ces appareils de chauffage. Des technologies sont déjà disponibles pour la dépollution des fumées issues de différentes sources de combustion, néanmoins nous devons intégrer les problématiques liées au fonctionnement de ces appareils ainsi que des critères de coût, de fonctionnalité et de développement durable définis dans un cahier des charges réalisé avec le partenaire industriel. Le travail réalisé nous à permis de concevoir et de tester un système complet capable de traiter tant les composants gazeux à l'aide d'un catalyseur à base de fer imprégné sur de la cérine, que les particules grâce à un lit filtrant régénéré par microondes. Le système décrit dans ce manuscrit présente une réduction faible des émissions, mais a permis de mettre en lumière les contraintes et les espoirs d'un futur système de traitement efficient. / The global energy and climate contexts encourage EU countries to improve their environmental impacts. One goal is to reduce CO2 emissions by developing the use of renewable energies. In France, wood is the first renewable energy source with an equivalent of 10 Mtoe produced each year. However, it is essential to study the global environment impact of on this energy source including CO2 emissions but also the different pollutants emitted. Indeed, the combustion of wood in small home heating units as stoves, open and closed fireplaces, is responsible for a significant part of typical air pollutants such as CO, VOCs, PAHs and fine particles. The objective of this project is to develop an effective system able to treat both pollutants emittedfrom those heaters. Few technologies are already available for smoke after treatment. However, we must incorporate in our study constraints related to the operation of these wood heating devices as well as criteria of cost, functionality and sustainability defined in the specifications set with the industrial partner of this project. The result of the work performed in this project was the conception of a complete prototype tested for emissions reduction. The system is composed of ceria impregnated iron catalyst for gaseous compounds oxidation and a microwave regenerated bed filter for particles elimination. The tests performed on the prototype showed weak emissions abatement. Nevertheless, this project highlighted constraints and hopes for a future efficient after treatment system.

Les techniques de dépoussiérage les plus efficaces et largement utilisées pour séparer des particules ultrafines d’un fluide porteur sont les médias fibreux. Le principal problème est le colmatage du filtre qui induit une augmentation de la perte de charge dans le temps et nécessite donc un nettoyage régulier des médias (ou son remplacement). La séparation des particules ultrafines par voie liquide au moyen d’une colonne à bulles a été envisagée. L’influence des différentes conditions opératoires telles que la hauteur du liquide de piégeage, le débit de filtration, la taille des bulles et la présence d’un garnissage, sur la collecte des particules a été étudiée. Malgré des rendements de collecte inférieurs à ceux des filtres à fibres, les résultats expérimentaux montrent que les colonnes à bulles présentent des performances d’autant plus importantes que le niveau du liquide est élevé et que les orifices de bullage sont petits. Par ailleurs, si l’étude de l’influence de la vitesse de gaz à l’orifice sur l’efficacité de collecte des nanoparticules ne montre pas une tendance bien définie, la présence d’un garnissage dans le liquide de collecte permet d’augmenter significativement le temps de séjour des bulles dans la colonne et donc l’efficacité de collecte / The most effective and widely used dust separation techniques to separate ultrafine particles of a carrier fluid are fibrous media. The main problem is the clogging of the filter that induces a pressure drop increase over time and thus requires a regular cleaning of the media (or its replacement). In this context, the idea is to test bubble columns, which operate at a constant pressure drop, as an alternative to fibrous filters. This study proposes to investigate the influence of different operating conditions such as the liquid level, the air flow rate, the bubble size and the presence of beads, on the collection of ultrafine particles. Despite collection efficiencies lower than those of fibrous filters, experimental results show that bubble columns present high collection efficiency when the liquid level is high and bubbling orifices have low diameters. Besides, if gas velocity does not show an important influence on the collection e_ciency, the presence of beads in the liquid increases the residence time of the bubbles in the column and thus the collection efficiency

Le procédé de captage du CO2 en post-combustion par absorption chimique est aujourd'hui la technologie la plus mature en vue d'une réduction des émissions de CO2 issues de procédés industriels. Les deux principales limitations de la technologie sont la pénalité énergétique engendrée par le procédé, et la formation de produits de dégradation potentiellement toxiques pour l'Homme et l'environnement. Dans le cadre de ce projet de thèse, trois solvants innovants ont été présélectionnés pour leurs bonnes propriétés thermodynamiques de captage : les mélanges 1-méthylpipérazine / pipérazine (1MPZ /PZ), diméthylaminoéthanol / pipérazine (DMEA/PZ) et méthyldiéthanolamine/monoéthanolamine (MDEA/MEA). Ces trois solvants ont été étudiés en termes de stabilité chimique dans des conditions représentatives des conditions industrielles du captage de CO2 en post-combustion sur un dispositif expérimental construit par EDF R&D Chatou. Des méthodes analytiques complémentaires impliquant les chromatographies liquide et gazeuse ont été développées dans l'objectif de suivre les teneurs en amines constituantes du solvant au cours du temps, et d'identifier et quantifier les potentiels produits de dégradation formés aussi bien dans la phase liquide du solvant que dans les fumées traitées émises. Au vu des résultats obtenus au cours de ce projet, le solvant MDEA/MEA semble offrir le meilleur compromis en termes de stabilité chimique et de besoins énergétiques requis pour le procédé. Ce solvant présente des taux de dégradation inférieurs aux mélanges 1MPZ/PZ et DMEA/PZ, et permettrait une réduction de l'énergie au rebouilleur de l'ordre de 10 % par rapport à la MEA 30 %, solvant modèle au procédé. / Post-combustion CO2 capture using amine solvents is nowadays the most promising technology to limit the CO2 emissions from already existing power plants. The two main limitations of the process are the high energy penalty and the irreversible degradation of amines involving the formation of degradation products potentially toxic for human and the environment. Within the scope of this project, three innovative solvents were selected for their good thermodynamic properties for CO2 capture: the blends 1-methylpiperazine / piperazine (1MPZ/PZ), dimethylaminoethanol / piperazine (DMEA/PZ) and methyldiethanolamine/monoethanolamine (MDEA/MEA). The three blends were degraded in conditions representative of industrial conditions for post-combustion CO2 capture on a lab scale pilot plant constructed by EDF R&D. Complementary analytical methods involving gas and liquid chromatography were developed in order to monitor the stability of the constituent amines, and to identify and quantify potential degradation products formed. These methods permitted the characterization of both the liquid phase of the solvent and the gaseous phase corresponding to the treated flue gas. Results obtained during this project showed that the blend MDEA/MEA would offer the best compromise in terms of chemical stability and energy needed for the process. This solvent presents degradation rates lower than the blends 1MPZ/PZ and DMEA/PZ and would enable a reduction of the reboiler heat duty in the range of 10% when compared to MEA 30% the benchmark solvent of the process.

Chaque année en France, les feux de compartiments donnent lieu à plus de 88 000 interventions impliquant plus de 15 000 personnes dont plusieurs centaines de décès et de blessés graves. Aujourd’hui, lors de ces feux, les prises de décision et les délais d’intervention des équipes de secours sont principalement basés sur des décisions humaines, fruits de l'expérience. Une connaissance parfaite de la situation, de son évolution dans le temps et des dangers qui peuvent apparaître est impossible. C’est en partie la cause majeure des mauvais chiffres répertoriés ci-dessus. En effet, les processus physicochimiques qui régissent les feux de compartiments et les situations collatérales extrêmement réactives et dangereuses sont complexes. La transition entre un feu localisé et un feu généralisé peut prendre plusieurs formes. L'un des vecteurs les plus importants dans la propagation de la combustion pour les feux de compartiments sont les fumées, du fait de leur température élevée (souvent supérieure à 600°C) et des quantités importantes d’énergie, sous forme de chaleur, qu'elles contiennent. Malgré leur extrême dangerosité, les fumées restent importantes à étudier car elles véhiculent de précieuses informations, notamment sur l’apparition de phénomènes thermiques redoutés par les pompiers. Afin de mener cette étude, une cellule expérimentale composé de deux containers maritimes a été installée sur le site de formation incendie des sapeurs-pompiers de Seine-Maritime. Cette plateforme va permettre, grâce à un brûleur alimenté en propane, de produire des fumées chaudes dans uneconfiguration dite « feu réel ». Elles seront analysées en partie grâce à une technique de mesure non intrusive, la PIV. Les mesures par PIV grands champs seront comparées à des simulations LES de l’expérience (FDS). La double compétence (numérique / expérimentale) est essentielle dans ce type d’étude où les données expérimentales souffrent d’un manque de résolution (spatiale et temporelle) mais pour autant représentent des informations nécessaires à la validation des codes. / Each year in France, compartment fires result in more than 88,000 interventions involving more than 15,000 people, including several hundred deaths and serious injuries. Today, during fire compartments, the decision-making of the rescue teams is mainly based on human decisions, as a result of the accumulated experience. However, a perfect knowledge of the situation, its evolution over time and the dangers that may appear is impossible. Therefore, studying the fumes is of major interest. Indeed, smoke remains important to study because it conveys valuable information, especially on the appearance of thermal phenomena feared by firemen. In order to carry out this study, an experimental cell made up of two maritime containers was installed on the site of the Seine-Maritime fire brigade fire training. This platform will produce hot smokes in a configuration called "real fire" thanks to a propane burner. In this study, the smoke dynamics in a large scale experimental setup is analyzed using a non-intrusive measurement technique such as PIV (Particle Image Velocity). All the performed measurements are compared with LES (Large Eddy Simulation) simulations of the experiment using Fire Dynamics Simulator (FDS). The double expertise (numerical / experimental) is essential in this type of study where the experimental data suffer from a lack of resolution (spatial and temporal) but nevertheless represents an important source of information necessary for the validation of the codes.

Ce travail de thèse est consacré à l’évaluation et l’amélioration des modèles à zones, utilisés dans l’ingénierie de la sécurité incendie pour simuler la propagation des fumées dans un bâtiment en situation d’incendie. Il a pour ambition d’améliorer la compréhension des écoulements des fumées dans un bâtiment. Le mémoire de thèse est divisé en deux parties. La première est essentiellement consacrée à l’état de l’art et à une évaluation de la capacité du code CFAST, code à zones largement utilisé dans l’ingénierie de la sécurité incendie, à simuler les écoulements de fumées dans un bâtiment. Le code à zones CFAST est confronté aux résultats d’une campagne expérimentale à échelle réelle réalisée dans un bâtiment d’habitation de type R+3. La seconde partie du manuscrit, plus académique, consiste à étudier les écoulements de fumée dans un bâtiment. Dans un premier temps, deux phénomènes sont étudiés : le phénomène de remplissage d’un local par des fumées d’incendie, et le phénomène de remplissage / vidange simultanés d’un local ventilé naturellement. Des modèles à zones permettant de décrire ces phénomènes sont présentés. Deux campagnes expérimentales ont été menées à échelle réduite sur des maquettes thermiques de locaux, afin d’étudier les deux phénomènes et d’évaluer et améliorer les modèles à zones. De plus, des simulations numériques complémentaires avec le code à champs FDS (Fire Dynamics Simulator) sont réalisées pour étendre le domaine d’étude du phénomène de remplissage. Enfin, des améliorations du modèle à zones sont proposées. Après l’étude des phénomènes liés aux écoulements de fumée dans un local unique, les écoulements de fumées dans une configuration multi-compartiments, constituée de deux locaux reliés par une cage d’escalier, sont étudiés expérimentalement à l’échelle du laboratoire / This work is devoted to the evaluation and improvement of zone models, used in fire safety engineering to simulate the smoke propagation in a building in a fire situation. It aims at improving the understanding of the smoke flow in a building. The PhD work is divided into two parts. The first part is essentially devoted to a bibliographical survey and an evaluation of the ability of a zone code CFAST, widely used in fire safety engineering, to simulate smoke flows in a building. Numerical results with CFAST are compared with the data of a real-scale experimental campaign carried out on a three-storey residential building. The second part, more academic, consists of studying the smoke flows in a building. Two phenomena are first studied, namely the smoke filling of a room, and the simultaneous filling and emptying of a naturally ventilated room. Zone models describing these phenomena are presented. Two experimental campaigns are conducted on reduced scale room models, in order to study the two phenomena and to evaluate and improve the zone models. Furthermore, numerical simulations with the CFD code FDS (Fire Dynamics Simulator) are performed to extend the study field of the smoke filling. Finally, improvements to the zone model are proposed. After studying the phenomena related to smoke flows in a single room, the smoke flows in a multi-compartment configuration, consisting of two rooms connected by a stairwell, are experimentally studied at the laboratory scale

Cette étude comporte deux parties, la première concerne l'analyse des arômes et des flavonoïdes sur deux fruits insulaires et la deuxième est consacrée à l'étude du risque encouru par le personnel intervenant lors d'un feu de forêt. Ces deux thèmes correspondent à une attente au niveau des différents protagonistes et s'inscrivent dans le cadre de différents projets auquel le laboratoire est associé. La première partie concerne l'analyse des composés volatils et des flavonoïdes d'un hybride du genre Citrus ainsi que des baies du myrte commun. En Corse, la production annuelle des clémentines est importante, elle constitue le premier produit d'exportation ; les baies du myrte sont utilisées dans l'élaboration des liqueurs et des vins. Ces deux fruits constituent une dynamique économique importante dans l'île. Les arômes sont des substances responsables des propriétés organoleptiques d'une denrée alimentaire. Nous avons identifiés 44 composés volatils dans les jus de clémentine, de mandarine et des hybrides. Les molécules les plus abondantes sont les monoterpènes hydrocarbonés dont principalement le limonène et le -terpinène. Les flavonoïdes sont des substances à fort potentiel antioxydant, nous avons déterminé deux flavones polyméthoxylées et trois flavanones glycosides. Les baies du myrte sont caractérisées par 36 composés volatils avec majoritairement de l'-pinène, de l'eucalyptol, du cis hex-3-èn-1-ol et par 14 composés phénoliques parmi lesquels, la myricétine et ses dérivés glycosides sont les plus abondants. La deuxième partie présente une autre préoccupation de l'île durant la saison estivale, il s'agit des feux de forêt. Chaque année, des milliers d'hectares de forêt brûlent en Europe et plus précisément dans le bassin méditerranéen. L'observation des phénomènes d'embrasement généralisé a été reportée mais le mécanisme reste mal défini. Le but de ce travail est de connaître les molécules terpéniques émises par cinq végétaux représentatifs du couvert végétal Corse à savoir le pin laricio et le pin maritime, le ciste de Montpellier, la bruyère arborescente et l'arbousier. Il s'agit dans un premier de temps de valider la possibilité d'une inflammation subite d'une poche de gaz de composés organiques volatils biogéniques (COVb). Les analyses réalisées montrent que l'-pinène est le composé majoritaire dans les pins, ce sont les diterpènes qui sont les plus émis par le ciste de Montpellier. Ensuite, nous nous sommes intéressés aux émissions de polluants dues aux feux de végétation et à leur pouvoir toxique sur le personnel intervenant. Pour cela, nous analysons les molécules présentes dans les fumées et nous dosons les BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes) puis nous les comparons aux valeurs limites d'exposition (VLE). Nous avons démontré que la concentration en benzène est supérieure à la VLE, les pompiers seraient donc exposés à un environnement toxique.

La sélectivité des hydrates vis-à-vis du CO2, fait à l'heure actuelle l'objet de travaux visant à mettre au point un procédé de captage du CO2 des fumées de combustion. Cette valorisation des hydrates fait partie des procédés de captage dits de "3ème génération", qui dans un contexte de transition énergétique, viennent apporter des solutions aux inconvénients associés aux procédés de 1ère génération (amines). L'objectif de ce travail de thèse est de proposer une étude des équilibres thermodynamiques associés à ce type de procédé. Le volet expérimental porte sur la mesure des conditions d'équilibre d'hydrates mixtes de CO2/N2 en présence de promoteurs (Tetrahydrofurane, Bromure de tetrabutyl et Fluorure de tetrabutyl ). Les données produites ainsi que les données de la littérature ont permis la validation du modèle développé. Le modèle proposé est construit autour de l'équation CPA (Cubic Plus Association) pour la modélisation des phases fluides et de l'approche de van der Waals et Platteeuw pour traiter la phase hydrate.