Soutenance de thèse de Nicolas FRANGIEH

La suppression des feux de forêt nécessite une bonne connaissance des mécanismes physiques régissant le comportement du feu (ignition, croissance initiale, propagation). En tant qu’outil complémentaire à la recherche expérimentale, la modélisation des feux de forêt est considérée comme une approche intéressante pour progresser sur la connaissance des différents processus rencontrés dans les feux de forêt. "FireStar3D" est un modèle CFD 3D développé au cours de la dernière décennie pour prédire le comportement des feux de forêt. Cet outil 3D a été développé en étroite collaboration entre l'Université Aix-Marseille, l'Université Libanaise et l'Université de Toulon. Il consiste à résoudre les équations de conservation du système couplé constitué de la végétation et du milieu gazeux environnant, tout en prenant en compte les différents processus physico-chimiques rencontrés dans un feu. Ce travail de recherche est dédié à l’étude numérique du comportement des feux se propageant librement à travers un couvert végétal homogène (depuis l’ignition jusqu’à la propagation), à l'aide du modèle "FireStar3D". Différentes configurations sont abordées dans cette thèse : les feux de litière réalisés à l’échelle du laboratoire en milieu confiné (dans le tunnel à feu du laboratoire de Missoula), et à plus grande échelle, les feux de prairie où deux types de ligne d’allumage ont été considérés (ligne de longueur finie et quasi-infinie). Les simulations ont été réalisées à l'aide de deux modèles de turbulence : le modèle k- des équations de transport moyennées (approche RANS) et la simulation numérique des grandes structures (LES). La comparaison avec les données expérimentales concerne principalement la vitesse de propagation du feu, l'intensité du feu, la fréquence des fluctuations des flammes et la longueur d'onde caractérisant la structuration en crête et en creux du front de flammes dans la direction transversale. Les résultats numériques ont mis en évidence la compétition entre les forces de flottaison et les forces d'inertie du vent dans la détermination du comportement du feu, ainsi que la similarité dynamique du front de flammes (intensité et structuration 3D) à petite et grande échelles. Cette thèse a été également menée dans le cadre du développement et de la validation du modèle "FireStar3D". Le niveau de détails dans le modèle physique, les propriétés de la méthode numérique utilisée et le bon accord obtenu avec les données expérimentales et numériques rapportées dans la littérature, ont permis à "FireStar3D" de se positionner favorablement au niveau international, parmi les outils numériques les plus couramment utilisés pour étudier le comportement des feux de forêt.

Wildland fire suppression requires a good knowledge of the physical mechanisms governing fire behavior (ignition, initial development, spread). As a complementary tool to experimental investigation, wildfire modeling is considered to be a good approach to learn more about the different processes occurring in wildfires. "FireStar3D" is a 3D CFD model that has been developed over the last decade for the prediction of wildfires behavior. This physics-based 3D code has been developed in close collaboration between Aix-Marseille University, the Lebanese University, and Toulon University; it consists in solving the conservation equations of the coupled system consisting of the vegetation and the surrounding gaseous medium, while accounting for the different physico-chemical processes taking place in a wildfire. This research work aims to numerically study the behavior of a fire front propagating through a homogeneous solid-fuel layer, using "FireStar3D" model. Laboratory fire experiments have been reproduced numerically and grassland fires have been simulated with finite and quasi-infinite firelines. The simulations were carried out using both Reynolds-averaged Navier–Stokes equations approach (RANS) and Large Eddy Simulation approach (LES). The comparison with the experimental data concerned mainly the Rate of Spread (ROS) of fire, the fireline intensity, the frequency of flames fluctuation, and the wavelength characterizing the crest-and-trough structure of the fire front along the transverse direction. The numerical results highlighted the competition between buoyancy forces and the wind inertial forces in governing the fire behavior, as well as the similarity of fire-front dynamics (intensity and 3D structuration) at small and large scales. This research work was also carried out in the context of developing and validating "FireStar3D" model. The level of details in the physical modeling, the properties of the used numerical method, and the good agreement obtained with the experimental and numerical data reported in the literature, all-together place "FireStar3D" in a good position at an international level among other numerical tools used to study the behavior of wildfires.