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Contre les incendies, la science en renfort

Contre les incendies, la science en renfort

17.12.2018, par
L’incendie de Carnoux-en-Provence, dans les Bouches-du Rhône, en août 2017, a ravagé 240 hectares de forêt.
La lutte contre les incendies doit faire face à de nouveaux défis : feux de forêt de plus en plus intenses, urbanisation accrue, utilisation de nouveaux matériaux de construction… Pour aider les pompiers, les scientifiques sont sur tous les fronts : théorie, modélisation numérique, tests expérimentaux. Découvrez leurs travaux à l’occasion de l’exposition Feu, à la Cité des sciences et de l’industrie.

Durant des siècles, la lutte contre le feu a été associée à l’image de chaînes de villageois se relayant pour porter des seaux. Depuis longtemps, la lutte contre les incendies n’a  plus grand chose à voir avec cette image d’Épinal. En effet, depuis quelques années, elle s’est particulièrement complexifiée et les soldats du feux sont confrontés à de nouvelles problématiques : les feux de forêt, attisés par le réchaufement climatique qui assèche la végétation, s’accentuent tandis que les projets architecturaux de plus en plus compliqués et l’utilisation de nouveaux matériaux augmentent les risques, le tout dans un contexte où la demande de sécurité n’a jamais été aussi grande. « Nous assistons à une densification et à une diversification des risques », confirme Fabian Testa, au bureau Études et prospective de la Brigade de sapeurs-pompiers de Paris (BSPP). Le Lieutenant-colonel ajoute : « En tant qu’unité militaire, la BSPP a toujours travaillé en lien étroit avec le corps des ingénieurs. De ce fait elle possède une forte tradition d’innovation. »

Mais désormais, les professionnels du feu peuvent également compter sur l’apport de la science fondamentale. En moins de deux décennies, les progrès réalisés sur la compréhension du phénomène « incendie » sont en train de se muer en outils de prévention, de prévision et de lutte, au plus près des problématiques de terrain. En témoignent les activités du Groupement de recherche (GDR) Feux, du CNRS. Regroupant neuf laboratoires à travers la France, il travaille main dans la main avec les industriels et les opérationnels.

Simplifier sans trahir

Fondamentalement, un incendie est un phénomène d’une grande complexité. « Un combustible qui, sous l’effet de la chaleur se dégrade et, au contact de l’oxygène de l’air, s’enflamme en libérant suies et gaz brûlants, le tout s’autoalimentant pour produire instabilités, turbulences, transferts de chaleur et autres phénomènes », résume Paul-Antoine Santoni, responsable du GDR Feux, et directeur du Laboratoire sciences pour l’environnement (SPE)1. Pour le décrire, une seule solution : recourir aux lois de la chimie couplées à celles de la mécanique des fluides et de la thermodynamique, et ce à toutes les échelles spatiales. Impossible de le faire de façon réaliste, jusqu’à un passé récent.

Augmentation de la puissance des ordinateurs aidant, la donne a changé. En couplant théorie, modélisation numérique et tests expérimentaux, il est désormais possible de décrire plus finement les processus en jeu dans le développement d’un incendie, dans des situations aussi variées qu’en forêt, dans un tunnel, dans un habitat ou à bord d’un avion ou d’un navire.
 

En couplant théorie, modélisation numérique et tests expérimentaux, il est désormais possible de décrire plus finement les processus en jeu dans le développement d’un incendie.

En France, où plusieurs milliers d’hectares partent en fumée chaque année, le cas des feux de forêt est en bonne place parmi les préoccupations des scientifiques. Pour les modéliser, plusieurs stratégies sont possibles. À petite échelle, typiquement quelques mètres, il est possible de directement résoudre sur un ordinateur les équations fondamentales de la physique et de la chimie. « On peut alors décrire finement la sollicitation thermique reçue par une habitation en bordure de forêt en cas d’incendie et ainsi faire des préconisations en matière d’aménagement et de modalités constructives », explique Paul-Antoine Santoni.

Au-delà, tout l’art de la modélisation consiste à simplifier la description des phénomènes tout en en conservant une complexité suffisante. Typiquement, les spécialistes décrivent alors une forêt tel un réseau de sites combustibles caractérisés par un ensemble de paramètres : couvert végétal, topographie, météo… à quoi s’ajoute une description simplifiée des principaux mécanismes de transfert de chaleur d’un site à l’autre, ce qui permet de calculer in fine la probabilité de propagation d’un incendie sur le réseau.

Prédire la propagation du feu et des fumées

Ainsi, dans le cadre du projet TechForFire, porté par la société Noveltis, les chercheurs de l’Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI)2 et leurs collaborateurs ont développé un tel modèle. « À terme, notre ambition est de simuler en temps réel la propagation d’un incendie pour l’aide à la décision des opérationnels, explique Bernard Porterie, à l’IUSTI. Par ailleurs, notre outil donne déjà de très bons résultats pour la prévention, par exemple en indiquant les meilleures zones à débroussailler dans un paysage. »

Dans le cadre du projet l’ANR FIreCaster, les scientifiques du SPE développent, en collaboration avec le Centre national de recherches météorologiques3, un modèle comparable. « Notre atout consiste à ne résoudre les équations qu’au niveau du front de flamme», détaille Jean-Baptiste Filippi, du SPE. Résultat : la possibilité de prédire rapidement la propagation d’un feu sur plusieurs milliers d’hectares. Le physicien poursuit : « Actuellement, nous travaillons à la prise en compte des effets couplés du feu et des variables atmosphériques sur les résultats de notre modèle. » Avec, par exemple, à la clé, la production de cartes détaillées des contours d’un incendie utilisées en 2017 par les pompiers corses. Ou bien, à terme, la possibilité d’améliorer la pertinence des indices de risque d’incendie.

Simulation de la propagation de l’incendie de Cervione, en Haute-Corse, du 2 janvier 2018. Les flèches bleues représentent le vent, la zone brulée apparaît en gris, la zone de forte turbulence due à la flamme, en rouge.
Simulation de la propagation de l’incendie de Cervione, en Haute-Corse, du 2 janvier 2018. Les flèches bleues représentent le vent, la zone brulée apparaît en gris, la zone de forte turbulence due à la flamme, en rouge.

Par ailleurs, Toussaint Barboni, également du SPE, réfléchit à la possibilité d’inclure dans ce type de simulation la propagation des fumées. « Typiquement, à l’échelle d’une commune, l’idée serait alors de pouvoir prévenir la population ou les pompiers des risques d’intoxication lors d’un incendie. On peut aussi imaginer des applications pour l’aménagement du territoire », détaille le chimiste.

 

À l’échelle d’une commune, l’idée serait de pouvoir prévenir la population ou les pompiers des risques d’intoxication lors d’un incendie.

La modélisation des incendies concerne également ce que les spécialistes appellent des feux compartimentés : habitations, bâtiments publics, tunnels, industries, navires… Comme le souligne le lieutenant-colonel Fabian Testa, « un outil d’aide à la décision pour les opérationnels utilisable en milieu urbain semble aujourd’hui hors de portée, dans la mesure où il nécessiterait d’incorporer une carte 3D détaillée de l’environnement à couvrir. Or, songez qu’à Paris, on n’a même pas ça pour le métro»

Il n’empêche, dans le cas d’environnements « simplifiés », on n’en est plus très loin : par exemple à bord d’un navire, composé de compartiments dont la configuration et la manière dont ils communiquent sont parfaitement connues.

Ainsi, dans le modèle développé à l’IUSTI, les équations de la physique du feu sont implémentées au sein d’un compartiment. À plus grande échelle, la propagation de l’incendie est ensuite déterminée de manière probabiliste au sein du réseau formé par les compartiments. « Lancé en 2012 avec la DGA, le projet Mariner a pour objectif de fournir un outil numérique en temps réel permettant d’anticiper la progression d’un feu à bord d’un navire », précise Bernard Porterie.

 

Simulation de la propagation d’un incendie dans un navire dans le cadre du projet Mariner. De gauche à droite, état du navire après 1 heure, 2, 3 et 4 heures de feu. En jaune, les locaux enflammés avant embrasement généralisé, en rouge, les locaux où le feu est pleinement développé et en noir, les locaux où le feu est éteint.
Simulation de la propagation d’un incendie dans un navire dans le cadre du projet Mariner. De gauche à droite, état du navire après 1 heure, 2, 3 et 4 heures de feu. En jaune, les locaux enflammés avant embrasement généralisé, en rouge, les locaux où le feu est pleinement développé et en noir, les locaux où le feu est éteint.

Expérimenter pour valider à grande échelle

L’essor de la modélisation des incendies ne doit pas faire oublier la place prépondérante de l’expérience qui permet de tester les prédictions des codes numériques et/ou de les paramétrer. Dans le cas des feux de forêt, les scientifiques comparent ainsi les prédictions de leurs modèles avec les données d’incendies référencés, ou bien en réalisant des campagnes de brûlages dirigés. « Pour les feux compartimentés, l’IUSTI possède de son côté une plateforme d’essais incluant deux caissons de 27 m3 dans lesquels les physiciens ont par exemple validé les résultats de leur modèle au niveau d’un compartiment de navire », ajoute Yannick Pizzo, responsable de cet équipement. De fait, souvent, la précision requiert des tests et des expériences à échelle quasi réelle. Comme l’explique, Bernard Porterie, « pour des raisons de physique fondamentale, en matière de propagation de flammes, il est très difficile d’extrapoler à grande échelle les résultats que l’on obtiendrait à petite échelle. »
 

L’expérimentation est une étape indispensable pour valider les modèles. Ici la plateforme de l’IUSTI équipée avec un feu dans l’un des deux deux caissons de 27 mètres cubes.
L’expérimentation est une étape indispensable pour valider les modèles. Ici la plateforme de l’IUSTI équipée avec un feu dans l’un des deux deux caissons de 27 mètres cubes.

À cet égard, on peut par exemple citer les travaux d’Anthony Collin, au Laboratoire d’énergétique et de mécanique théorique et appliquée (Lemta)4, en collaboration avec le Laboratoire central de la préfecture de police (LCPP), il a récemment mis le feu à d’immenses cuves de combustible liquide de trois mètres de diamètre dans le but de caractériser les propriétés radiatives d’une flamme. Comme l’explique Anthony Collin, « celles-ci dépendent de sa température et de sa concentration en suies. Dans les modèles, on utilise une loi empirique pour les représenter, mais il était nécessaire de la préciser. » Et d’ajouter : « De très nombreux paramètres utilisés dans les codes numériques nécessiteraient une étude expérimentale poussée. »
 

Afin de préciser les propriétés radiatives d’une flamme, qui dépendent de sa température et de sa concentration en suie, du combustible liquide a été enflammé dans d’immenses cuves de 3 mètres de diamètre.
Afin de préciser les propriétés radiatives d’une flamme, qui dépendent de sa température et de sa concentration en suie, du combustible liquide a été enflammé dans d’immenses cuves de 3 mètres de diamètre.

 

Identifier les lois fondamentales

Si la science des incendies a des finalités applicatives évidentes, elle questionne néanmoins les phénomènes aux frontières de la connaissance : « Nos travaux sont in fine valorisés dans des applications concrètes mais, au quotidien, ces dernières nécessitent de répondre d’abord à des questions fondamentales », confirme Olivier Vauquelin, à l’IUSTI.
 

Pour des raisons de physique fondamentale, en matière de propagation de flammes, il est très difficile d’extrapoler à grande échelle les résultats que l’on obtiendrait à petite échelle.

Par exemple, adresser la problématique des feux compartimentés signifie préciser les processus à l’œuvre dans un feu dit « sous-ventilé ». « Contrairement à un feu en milieu ouvert, un feu compartimenté peut consommer rapidement l’oxygène disponible, explique Alexis Coppalle, au Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Coria)5. Mais du fait de l’inertie, il ne s’éteindra pas forcément et il continuera à émettre des vapeurs combustibles qui, dans certaines conditions, peuvent se renflammer et conférer à ces incendies un caractère explosif. » Bernard Porterie ajoute : « On assiste alors à des régimes de combustion très atypiques, présentant des instabilités et des phénomènes soudains dont la description est à la limite de nos connaissances actuelles. »

Autre exemple avec les travaux menés par les scientifiques sur la propagation des fumées, dont l’enjeu applicatif concerne par exemple la ventilation des grands ouvrages en cas d’incendie. Or, comme l’explique Olivier Vauquelin, « cette question nécessite d’abord de bien comprendre l’équilibre d’une masse de fumées chaudes surnageant au-dessus d’une masse d’air plus froide, qui peut être mis à mal par le contact avec une paroi en hauteur ou bien la turbulence engendrée par un courant d’air. » Autrement dit, sans une compréhension fine de la physique sous-jacente, un système de ventilation mal conçu peut vite contribuer à brasser la fumée plutôt qu’à l’extraire.

Impossible d’échapper aux lois fondamentales de la physique pour détecter les fumées et comprendre leur propagation ! Sans cela, on peut vite brasser de la fumée plutôt que l’extraire, comme le montre cette simulation : en entraînant de l’air plus lourd en partie basse, le panache peut devenir plus lourd que son environnement à une certaine altitude et se développer sous la forme d’un écoulement radial, type parapluie.
Impossible d’échapper aux lois fondamentales de la physique pour détecter les fumées et comprendre leur propagation ! Sans cela, on peut vite brasser de la fumée plutôt que l’extraire, comme le montre cette simulation : en entraînant de l’air plus lourd en partie basse, le panache peut devenir plus lourd que son environnement à une certaine altitude et se développer sous la forme d’un écoulement radial, type parapluie.

L’expertise reconnue des chercheurs les a par exemple conduits à collaborer avec les sociétés d’ingénierie en charge de redessiner le système d’aération du tunnel du Mont-Blanc, testé à l’IUSTI sur une maquette au 1/20e. Et il est possible que leurs travaux sur le développement des panaches volcaniques nourrissent la réflexion sur la détection et l’extraction des fumées dans les grands volumes.
 

Une maquette permet d’étudier la propagation de fumées d’incendie dans un tunnel. Résultat : l’inclinaison de la pente augmente le mélange des fumées avec l’air ambiant et peut réduire la vitesse de propagation des fumées d’incendie par rapport au cas sans pente.
Une maquette permet d’étudier la propagation de fumées d’incendie dans un tunnel. Résultat : l’inclinaison de la pente augmente le mélange des fumées avec l’air ambiant et peut réduire la vitesse de propagation des fumées d’incendie par rapport au cas sans pente.

Tenir compte des nouveaux matériaux

Une chose est sûre, la prise en compte de l’évolution de l’architecture et des standards d’aménagement constitue un des aspects importants des travaux des scientifiques contre les incendies. « En quelques décennies, tout a changé, lâche Alexis Coppalle. La charge de combustible à l’intérieur des habitations a considérablement augmenté, de même que sa nature a très largement évolué du bois vers le plastique. À quoi s’ajoutent des évolutions notables sur la manière d’isoler les bâtiments. »

Thomas Rogaume, à l’Institut Pprime6, détaille : « Désormais de nombreux bâtiments sont isolés par l’extérieur. Or si la pose de l’isolation est mal gérée, on peut par exemple observer un effet “cheminée” entre le matériau isolant et le bâtiment en cas d’incendie. C’est ce qui a notamment conduit au drame de la Tour Grenfell, à Londres, en juin 2017. »
 

Désormais de nombreux bâtiments sont isolés par l’extérieur. Si la pose de l’isolation est mal gérée, on peut par exemple observer un effet “cheminée” entre le matériau isolant et le bâtiment en cas d’incendie.

Pour tester les solutions proposées par les industriels, l’Institut Pprime possède une plateforme expérimentale et numérique baptisée Hestia qui permet de tester les matériaux et les structures du millimètre au mètre et du milligramme au kilogramme. « Dans une démarche multi-échelle, il s’agit de déterminer les propriétés et les données nécessaires au développement et à la validation des modèles, en ajoutant de la complexité à échelle croissante, précise le scientifique. On commence par observer la décomposition thermique d’une particule de matière, puis on caractérise le comportement au feu d’un échantillon un peu plus gros avant d’étudier la propagation d’une flamme sur un élément structurel. »

La plateforme expérimentale de l’Institut Pprime permet d’observer le comportement des matériaux face au feu à différentes échelles : de la particule de matière à une structure importante.
La plateforme expérimentale de l’Institut Pprime permet d’observer le comportement des matériaux face au feu à différentes échelles : de la particule de matière à une structure importante.

Dans le cadre d’une collaboration avec l’Institut technologique forêt cellulose bois-construction ameublement (FCBA), cette démarche a par exemple permis de dimensionner des modèles numériques pour l’optimisation de la conception de façades en bois en vue des tests réglementaires à échelle 1 (test LEPIR II)7.

Concevoir des matériaux résistants et protecteurs

De son côté, le Coria, dans le cadre du projet Surface, piloté par l’Office national d'études et de recherches aérospatiales (Onera) et impliquant des industriels, de même que dans le cadre de collaborations avec le laboratoire Groupe de physique des matériaux (GPM)8, développe des tests thermomécaniques pour analyser la réaction au feu des composites aéronautiques. « Sa grande originalité est de permettre des sollicitations thermiques et mécaniques conjointes, plus proches des conditions du réel », précise Alexis Coppalle. Objectif à terme : permettre aux industriels de développer des outils de modélisation pour optimiser ces matériaux.

Sans oublier que cette optimisation commence dès le laboratoire, où les spécialistes des matériaux conçoivent désormais des bijoux d’orfèvrerie chimique. « Nous collaborons avec des industriels pour des solutions compatibles avec le cadre réglementaire, en même temps que nous proposons de nouveaux concepts », résume Serge Bourbigot, à l’Unité Matériaux et Transformations (Umet)9. Pour ce faire, trois stratégies sont possibles. Premièrement, « incorporer dans la formulation d’un matériau un composé qui, chauffé, libère des molécules d’eau dans des réactions endothermiques agissant comme des puits de chaleur », explique Sophie Duquesne, du même laboratoire. Deuxièmement : « Des molécules qui empoisonnent la flamme en bloquant les réactions chimiques productrices de chaleur », poursuit Serge Bourbigot. Troisièmement, « Une formulation qui, face au feu, réagit en formant une mousse solide en surface qui opère tel un écran thermique », ajoute sa collègue.
 

L’enjeu était un matériau qui résiste le plus possible au feu, mais qui, une fois enflammé forme une croûte protectrice », précise le chimiste.

Parfois, la solution proposée consiste en un mix. Comme pour ce matériau conçu en collaboration avec une société aéronautique combinant les deux dernières stratégies. « L’enjeu était un matériau qui résiste le plus possible au feu, mais qui, une fois enflammé forme une croûte protectrice », précise le chimiste.

Au-delà des formulations, l’apport des scientifiques est aussi une méthode de travail au service des industriels, comme l’illustre le projet Deroca.

« Il s’agissait de mettre au point une formulation pour de la câblerie, explique Sophie Duquesne. Pour que cette étape de développement soit compatible avec les contraintes industrielles, nous avons mis en œuvre un banc d’essai à petite échelle permettant d’adresser l’ensemble des problématiques : mécanique, résistance au feu et économique. Autrement dit qui soit représentatif des tests normatifs à grande échelle. » Et la scientifique d’ajouter : « La stratégie de développement est au cœur du succès. »

D’un mot, au-delà des progrès scientifiques à l’origine des succès de la science au service des incendies, s’ajoute la prise en compte des besoins réels à l’origine de synergies nouvelles entre scientifiques, industriels et opérationnels. « Par ailleurs, les outils juridiques et financiers mis en place permettent de mieux rapprocher l’homme de science de l’homme de l’art et d’entreprendre des projets communs ou simplement de formaliser des échanges quant à nos attentes » ajoute le lieutenant-colonel Testa.

Illustration avec ce projet impliquant plusieurs partenaires dont le Lemta sur l’efficacité des lances à eau. Précisément, jusqu’à il y a peu, les normes imposaient un débit minimal de 500 litres par minute. Or comme l’explique Fabian Testa, « le temps nécessaire pour mettre en place un tel débit pouvait devenir une contrainte pour la sécurité des personnels. » D’où une importante campagne de mesures aboutissant à l’élaboration d’indicateurs plus complexes (capacité du jet à établir un écran radiatif de protection, à refroidir un plafond de fumées…), mais plus proches des besoins de terrain.

De même, les travaux sur l’analyse de la composition des fumées d’incendies de forêt menés par Toussaint Barboni, notamment en instrumentant des pompiers lors d’opérations de brûlage, ont permis d’édicter une liste de sept recommandations pour la conduite de cette activité.

« La science des incendies est riche et englobe de très nombreuses disciplines jusqu’à l’automatique, la communication, la détection ou encore l’imagerie. », conclut Anthony Collin. « Les besoins et les domaines de collaborations sont vastes », ajoute Fabian Testa. Décidément bien loin de l’image des villageois portant des seaux ! ♦

  
A voir : Feu, exposition à la Cité des sciences et de l'industrie, à Paris, jusqu'au 6 janvier 2019
 
A lire aussi sur CNRS le journal : Dans les secrets de la combustion
 

Notes
  • 1. Unité CNRS/Université Corse Pasquale Paoli.
  • 2. Unité CNRS/Institut Carnot/Polytech’ Marseille/Aix Marseille Université.
  • 3. Unité CNRS/Météo-France.
  • 4. Unité CNRS/Institut Carnot/Université de Lorraine.
  • 5. Unité CNRS/Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie/Université de Rouen Normandie.
  • 6. Unité CNRS/Institut supérieur de l’aéronautique et de l’Espace – École nationale supérieure de mécanique et d’aérotechnique.
  • 7. Pour Local Expérimental, « Incendie réel à deux niveaux ».
  • 8. Unité CNRS/Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie/Université de Rouen Normandie/Normandie Université.
  • 9. Unité CNRS/Chimie Lille/Inra Science & Impact/ Institut Chevreul/Université de Lille.
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Auteur

Mathieu Grousson

Né en 1974, Mathieu Grousson est journaliste scientifique. Diplômé de l’École supérieure de journalisme de Lille, il est également docteur en physique.

 

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