Dust and hybrid mixture explosions continue to occur in industrial processes that handle fine powders and flammable gases. Considerable research is therefore conducted throughout the world with the objective of both preventing the occurrence and mitigating the consequences of such events. In the current work, research has been undertaken to help advance the field of dust explosion prevention and mitigation from an emphasis on hazards to a focus on risk. Employing the principles of quantitative risk assessment (QRA) of dust and hybrid mixture explosions, a methodological framework for the management of these risks has been developed. The Quantitative Risk Management Framework (QRMF) is based on hazard identification via credible accident scenarios for dust explosions, followed by probabilistic Fault Tree Analysis (using Relex – Reliability Excellence – software) and consequence severity analysis, represented by maximum explosion pressure, (using DESC – Dust Explosion Simulation Code – software). Identification of risk reduction measures in the framework is accomplished in a hierarchical manner by considering inherent safety measures, passive and active engineered devices, and procedural measures. Dust explosion tests to determine icing and granulated sugar dust explosibility characteristics have been achieved in a 20-L Siwek chamber, and, accordingly, DESC fuel files were built and DESC has validated. Three industrial case studies are presented to show how the QRMF could has been helpful in reducing dust and hybrid mixture explosion risk at the Imperial Sugar refinery, the Semabla grain storage silo, and a hypothetical 400-m3 polyethylene storage silo. DESC simulations and Probit equation for structural damage provide the destructive percentage of each pressure zone in the simulations, followed by probabilistic FTA that were achieved for the first two case studies, before and after applying the framework. Detailed individual and societal risks calculations were made and F-N curves plotted for the two processes. The polyethylene silo case study is presented to show how inherent safety measures can be helpful in reducing dust and hybrid mixture explosion risk. The framework showed significant risk reduction to the point where the residual risks are acceptable for both processes. Finally, assessment results are compared and improvements measured. / The research main objective is: to manage the risks of any expected dust or hybrid mixture explosion in industrial complexes (large-scale).

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

La sensibilité et la sévérité d'explosion des différents mélanges gaz/vapeur-poussière ont été étudiées grâce à des dispositifs standards (sphère de 20 L, tube de Hartmann). Les spécificités des explosions de mélanges hybrides gaz/poussière ont été mises en évidence. En fait, même pour des concentrations de gaz inférieures à la limite inférieure d'explosivité (LIE), la probabilité d'inflammation et la gravité d'explosion peuvent être considérablement augmentées, ce qui permettra notamment de conduire à de grands changements dans la détermination des zones ATEX. Il a été, par exemple, démontré que ces mélanges peuvent être explosifs même lorsque la concentration en poudre et la concentration en vapeur sont respectivement en dessous de la concentration minimale explosive et de la LIE. En outre, des effets de synergie ont été observés et la vitesse de montée en pression de mélanges hybrides peut être supérieure à celles des gaz purs. Les origines de ces spécificités ne doivent pas être recherchées dans la modification d'un paramètre unique, mais peuvent probablement être attribuées aux effets combinés sur l'hydrodynamique (propagation de la flamme), le transfert thermique et la cinétique de combustion. Des expériences ont été menées afin de souligner l'importance de chaque contribution. Basé sur des schémas cinétiques classiques à coeur rétrécissant prenant en compte des diverses contraintes lors d'une réaction non-catalytique de gaz/solide et sur des modèles de combustion homogène pour les gaz, un modèle a été développé pour représenter l'évolution temporelle de la pression d'explosion pour ces mélanges / The explosion sensitivity and severity of various gas/vapor-dust mixtures have been studied thanks to specifically modified apparatuses based on a 20 L sphere and a Hartmann tube. The specificities of gas/dust hybrid mixtures explosions have been highlighted. In fact, even for gas concentrations lower than the lower explosivity limit (LEL), the ignition probability and the explosion severity can be greatly increased, which will notably lead to great changes in the Ex zones determination. For instance, it has been shown that such mixtures can be explosive when both the dust and gas concentrations are below their respective minimum explosive concentration and LEL. Moreover, synergistic effects have been observed and the rate of pressure rise of hybrid mixtures can be greater than those of the pure gases themselves. The origins of these specificities should not be sought in the modification of a single parameter, but could probably be attributed to combined impacts on hydrodynamics (flame propagation), thermal transfer and combustion kinetics. Experiments have been carried out in order to underline the significance of each contribution. Based on classical shrinking core models taking into account the various limitations during a non-catalytic gas/solid reaction and on homogeneous combustion for gases, a model has been developed to represent the time evolution of the explosion pressure for such mixtures

Prédire la propagation de la flamme lors d'une explosion de mélanges hybrides poudre/gaz dans des géométries complexes est un défi qui mobilise de multiples ressources. Une approche consiste à déterminer expérimentalement les caractéristiques inhérentes des mélanges poussière-air, comme la vitesse de flamme laminaire, et de les utiliser comme entrées dans les logiciels de Mécanique des Fluides Numérique (CFD). Néanmoins, la caractérisation expérimentale de la vitesse de combustion de suspensions turbulentes de poussières dans l’air est délicate de par notamment la variabilité des propriétés des poudres (taille des particules, humidité...), l'impossibilité de générer un nuage de poussière sans turbulence et l'impact de la poudre sur le rayonnement de la flamme. L’objectif de ce travail était de développer une approche permettant d’évaluer les propriétés fondamentales de propagation des flammes, à partir d'expériences en système fermé et des courbes d'évolution pression-temps, mais surtout grâce à l'analyse de la vitesse de flamme en fonction de son étirement et des instabilités hydrodynamiques. Dans une première étape, la turbulence du nuage de poussière avant inflammation a été étudiée. L'impact de la phase de pyrolyse sur l'explosion de poudres organiques a été aussi souligné expérimentalement et à l’aide d’un modèle de pyrolyse flash. Ensuite, le comportement de mélanges hybrides composés de gaz de pyrolyse et poudres organiques a été analysé, démontrant leurs particularités. Enfin, les interactions turbulence/combustion lors la propagation de la flamme ont été étudiés afin d'en extraire une vitesse de flamme ‘pseudo’ laminaire de la poussière ou des mélanges hybrides / Predicting the flame propagation during a dust/gas hybrid mixture explosion in complex geometries is a challenge that mobilizes numerous resources. One approach consists on experimentally determining the inherent characteristics of dust-air mixtures, like the laminar flame speed, and using them as input for Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation programs. Nevertheless, the experimental characterization of the burning rates of turbulent dust clouds in air still delicate due to the variability of the properties of powders (particle size distribution, moisture…), the physical impossibility to generate a quiescent dust cloud and the impact of powder on the flame radiation among others. The ultimate goal of this work was to develop an approach to assess fundamental flame propagation properties, from closed vessel experiments and pressure-time evolution curves, but specially from the analysis of flame velocity as a function of its stretching and of the hydrodynamic instabilities. In a first step, the turbulence of the initial dust cloud has been studied. The impact of the pyrolysis phase on organic dusts explosion has also been highlighted both experimentally and by means of model for flash pyrolysis. Furthermore, the explosive behaviour of gas-dusts hybrid mixtures composed of pyrolysis gases and organic dusts has been analysed. Finally, the turbulence/combustion interactions during flame propagation have been studied in order to extract the “pseudo” laminar flame velocity of dusts clouds or hybrid mixtures

Cette thèse se concentre sur trois aspects très différents de l'éducation mais qui affectent chacun la qualité de son offre. Dans le premier chapitre, nous étudions le comportement stratégique adopté à la fois par l'université et par les professeurs, afin pour les uns d'attirer les meilleurs universitaires et pour les autres d'accéder aux meilleures positions, en faisant un compromis entre salaires élevés, sécurité de l'emploi et possibilités de mobilité ascendante. Dans un deuxième chapitre, nous étudions comment la répartition des revenus dans les districts scolaires affecte la qualité des écoles publiques, par la voie des votes locaux et de la fiscalité. En effet, un district scolaire avec une polarisation de revenu plus élevée conduit à un vote pour une faible taxation et donc de plus basses dépenses pour l'école publique impliquant une moins bonne qualité de cette dernière. Enfin, dans un dernier chapitre, nous montrons que les attentes des garçons et des filles concernant leurs futures carrières ainsi que les antécédents scolaires sont façonnés par des stéréotypes de genre. Par exemple, le stéréotype selon lequel les hommes sont meilleurs en mathématiques crée un stéréotype négatif sur les aptitudes des filles en mathématiques. Les stéréotypes représentent l'explication principale dans les différences entre les garçons et les filles en matière de confiance en soi et ont des conséquences importantes sur les chemins qu'ils suivent tout au long de leur vie. / This thesis focuses on three very different aspects of education but which all affect in their way the quality of its provision.In the first chapter, we investigate the strategic behavior adopted by both the university and the professors, in order, for the first to attract the best academics, and for the second to access the best positions making a trade-off between high salaries, job security and upward mobility possibilities. We question the efficiency of such system in attracting, but also in keeping, the best academics. In a second chapter, we investigate how the income distribution of school districts affects the quality of public schools through the channel of local votes and taxation. In fact, an income polarized school district (more poor and rich at the expense of the middle class) leads to a vote for low taxation and thus low expenditure toward public school and a poorest quality of school. The mechanism being that the richest households send their children to private schools and thus are not concerned by public school quality while poorest households can not afford a too high taxation.Finally, in a last chapter we show how boys' and girls' career expectations and educational background are shaped by gender stereotypes. For instance, the stereotype that men are better at mathematics creates a negative stereotype on girls aptitudes in mathematics. Stereotypes represent the main explanation in boys and girls differences in self-confidence, and have important consequences on the paths they take throughout their lives.