Lorsqu'un incendie se déclare dans un tunnel à ventilation longitudinale, la question de base est la suivante : la fumée restera-t-elle en aval du sens d'évacuation, ou remontera-t-elle à contre-courant ? La couche qui remonte s'appelle le backlayering, et la plus faible vitesse longitudinale qui l'empêche est la vitesse critique.
De quoi dépend la vitesse critique
La vitesse critique n'est pas un nombre fixe ; c'est une fonction du débit calorifique (HRR), de la section du tunnel et de la pente. Les travaux de Wu et Bakar établissent la relation entre débit calorifique adimensionnel et vitesse critique adimensionnelle à partir d'essais à échelle réelle et à échelle réduite, et proposent des formules semi-empiriques fondées sur la similitude de Froude [1].
Le détail critique est celui-ci : la relation est non linéaire et sature. À faible HRR, la vitesse critique croît avec le dégagement de chaleur, mais au-delà d'un certain seuil elle devient quasi constante. L'hypothèse « feu double, vitesse double » est donc fausse et conduit à surdimensionner le choix des ventilateurs.
La NFPA 502 définit vitesse critique et vitesse de confinement pour les tunnels routiers ; l'objectif est une couche de fumée stable et stratifiée avec, en dessous, un environnement tenable [2].
Trop de vitesse est aussi une erreur
Dépasser nettement la vitesse critique est nuisible : la couche de fumée se mélange, la stratification se rompt, et visibilité et température en aval du foyer se dégradent rapidement. Cela alimente également le feu. L'objectif d'une conception de ventilation n'est pas la vitesse maximale mais une vitesse maîtrisée juste au-dessus de la critique.
Décisions de modélisation
Le problème est instationnaire. La courbe de croissance du feu, l'avancée du front de fumée, l'ordre de démarrage des ventilateurs — tout est fonction du temps. Le stationnaire ne donne que l'état final, non ce qui se passe pendant l'évacuation. Voir la note sur stationnaire et instationnaire.
La flottabilité domine. Ce qui maintient la couche de fumée en hauteur est l'écart de masse volumique ; c'est un problème de convection naturelle, et l'approximation de Boussinesq y est invalide — l'écart de température est de plusieurs centaines de degrés, et la masse volumique doit être résolue comme véritable fonction de la température.
Le rayonnement ne peut être négligé. Aux températures d'incendie, le rayonnement est le mécanisme dominant, et la fumée est un milieu participant. Voir la note sur le rayonnement.
Les ventilateurs à jet se modélisent comme une poussée. Résoudre les aubes est inutile ; le ventilateur est représenté par un volume délivrant une poussée et une vitesse de sortie définies. Ce qui compte, c'est la distance du ventilateur à la voûte et l'espacement entre ventilateurs — des ventilateurs trop rapprochés perturbent mutuellement leurs jets, et la poussée totale ressort inférieure à la somme des poussées individuelles.
La masse volumique de la fumée varie avec la température. Le choix du ventilateur doit se faire pour la condition chaude ; voir la note sur le point de fonctionnement des ventilateurs.
Références
- Wu, Y. & Bakar, M. Z. A. (2000). Control of smoke flow in tunnel fires using longitudinal ventilation systems — a study of the critical velocity. Fire Safety Journal, 35(4), 363–390. DOI: 10.1016/S0379-7112(00)00031-X
- National Fire Protection Association. NFPA 502 — Standard for Road Tunnels, Bridges, and Other Limited Access Highways. NFPA, Quincy, MA.