XXIIIe Congrès mondial de la Route

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SIMULATION NUMÉRIQUE D’INCENDIES
POUR LES TUNNELS ROUTIERS
NUMERICAL FIRE SIMULATION
FOR ROAD TUNNELS
Centre d’Études des Tunnels – Pôle Ventilation et Environnement
Contact : Antoine Mos – 04 72 14 34 04
Tunnel Study Centre – Ventilation and Environment Group
Contact : Antoine Mos - +33 4 72 14 34 04
Jeudi 20 septembre 2007
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Les incendies et le désenfumage en tunnel / Fires and smoke control in tunnels
Des événements rares mais marquants

Quelques incendies de PL en tunnel chaque année sur le réseau français

Un impact très fort des grandes catastrophes sur le grand public : Mont Blanc, Tauern, Gothard, etc.
Une menace pour les personnes

Le principal danger : les fumées opaques et toxiques

Autres dangers : les effondrements de structure, les chutes d’objets, la chaleur
Rare but striking events

A few HGV fires in tunnels on the French network every year
Very strong impact of catastrophic fires on the public : Mont Blanc,
Tauern, St. Gotthard…
A threat to people

The main danger is the opaque and toxic smoke

Other dangers: structural collapse, fall of objects, heat
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Pourquoi la simulation numérique ? / The point of numerical simulation

Les fumées sont le principal danger pour les usagers. Il faut donc pouvoir prédire leur mouvement
pour évaluer le niveau de sécurité de l’ouvrage.

Les paramètres sont nombreux et les phénomènes physiques complexes.

L’expérimentation est coûteuse et difficile, surtout en vraie grandeur :
Mesures
difficiles à réaliser.
Conditions
Problème
difficilement contrôlables.
de la représentativité du foyer.

La simulation numérique est donc une alternative intéressante.

Smoke is the main danger for the tunnel users. Its motion has to be predicted to assess the safety
level of the tunnel.

The parameters are numerous and complex physical phenomena are involved.

Experiments and on-site tests are costly and difficult:
Difficult
measurements
Influence
of external conditions
Representativity

of the fire
Numerical simulation is therefore an interesting alternative.
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La simulation numérique en mécanique des fluides
Numerical simulation in fluid mechanics

Les équations fondamentales (Navier-Stokes) sont résolues de façon approchée sur un maillage 3D.

Des phénomènes complexes sont à prendre en compte par des sous-modèles :
Turbulence
Transferts
Chimie,
thermiques convectifs et radiatifs
etc.

Les calculs sont très lourds et coûteux : on peut chercher à réduire la dimension du problème dans certains cas.

The fundamental (Navier-Stokes) equations are solved
numerically (approximate solution) on a three-dimensional
computational grid.

Complex phenomena must be taken into account by sub-models:
Turbulence
Heat
transfer by convection and radiation
Chemistry,

etc.
The required computational effort is very large;
the dimension of the problem may be reduced in certain cases.
Exemple de maillage / Computational grid
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Les modèles utilisés pour les incendies en tunnel : la modélisation 1D
The models used for tunnel fires: 1-D modelling

Une hypothèse de base : les variables sont homogènes sur une section du tunnel.

Moyen simple et efficace (le seul réellement opérationnel) pour étudier des scénarios multiples ou
faire des études paramétriques détaillées.

Conséquences de l’hypothèse 1D : des informations réduites et une mauvaise représentation de
certains phénomènes dynamiques (propagation de front).

Les résultats sont à interpréter avec précaution.

A basic assumption: all physical variables are constant over a given cross-section of the tunnel

Simple and efficient means of studying multiple scenarios or performing detailed parametric
studies.

Consequences of the 1-D hypothesis: less detailed information (than with 3-D models) and bad
representation of some dynamic phenomena such as front propagation.

The results have to be interpreted carefully.
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Les modèles utilisés pour les incendies en tunnel : la simulation 3D
The models used for tunnel fires: 3-D simulation

Modèles 3D généralistes ou spécialisés.

General-purpose or specialised 3-D models.

On peut obtenir un très grand nombre
d’informations.

Various and detailed information can be
obtained.

Nécessité d’expertise en mécanique des
fluides, turbulence, méthodes numériques.

Need of user expertise in fluid dynamics,
turbulence, numerical methods.

Temps de calcul : jusqu’à plusieurs
semaines sur des machines parallèles.

CPU times up to several weeks on parallel
machines.
Résultat de simulation :
concentration en CO
pendant un incendie de
PL /
Simulation result: CO
concentration during a
HGV fire
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Les efforts de recherche / Research work

Le Cetu développe depuis une quinzaine d’années des actions de recherche sur le désenfumage
comprenant notamment l’amélioration des méthodes de simulation numérique :
Développement
Utilisation
de modèles 1D,
des codes généralistes de simulation 3D,
Recherche
de nouveaux principes de modélisation
intermédiaire pour l’ingénierie.

For over 15 years, Cetu have been carrying out
research on smoke control in tunnels,including
the improvement of numerical simulation methods:
Development
Use
of 1-D models,
of general-purpose 3-D simulation codes,
Search
for new principles of intermediate models
with the engineering application in mind.
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Développement de modèles 1D / Development of 1-D models

CAMATT : un outil d’ingénierie simple
d’emploi pour diverses études
Études
de dangers
Dimensionnement
ventilation
Évaluation

de systèmes de
de stratégies de désenfumage
CAMATT: an easy-to-use engineering tool for
various studies
Danger
studies
Design
of ventilation systems
Assessment
of smoke control strategies
Interface utilisateur de CAMATT / CAMATT’s user interface
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Utilisation de modèles 3D / Use of 3-D models

Élaboration d’une doctrine sur l’utilisation des codes de calcul industriels :
Modélisation
de la turbulence,
Modélisation
des transferts thermiques,
Modélisation
des foyers, etc.

Collaborations universitaires sur ce sujet (thèses au Cetu avec l’université Lyon I) depuis 1997

Recommendations for the use of industrial codes:
Turbulence
Heat
Fire

modelling,
transfer modelling,
source modelling…
Academic research on this topic (PhDs at Cetu co-supervised by Lyon University) since 1997
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Modèles intermédiaires / Intermediate models

Besoin de modèles transitoires simplifiés
prenant en compte la stratification des fumées

Thèse de 2002 à 2005 : phénoménologie,
élaboration de deux types de modèles
simplifiés

Pas d’outil opérationnel pour l’instant mais
d’importantes avancées dans la
compréhension des phénomènes (p. ex.
propagation des fronts de fumée)

Need of simplified transient models taking
smoke stratification into account

PhD thesis, 2002–2005: phenomenology,
development of two types of simplified models

No operational tool at this time, but important
advances have been made in the
understanding of the physics (e.g. smoke front
propagation)
Prédiction de la vitesse du front de fumée : comparaison modèles
simples / expérience.
Prediction of the smoke front speed: simple models vs experiment.
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Modélisations avancées : la simulation des grandes échelles
Advanced modeling: large eddy simulation

Principe : simuler les plus grosses structures turbulentes pour mieux représenter le mélange et
donc la déstratification des fumées.

Validation de l’utilisation du code FDS dans le cas des tunnels (code gratuit largement utilisé dans
la communauté de la sécurité incendie).

Principle: simulate the largest turbulent eddies for a better prediction of mixing and smoke
destratification.

Validation of the use of the code FDS for tunnels. This open-source code is now widely used by the
fire safety community.
Simulation FDS d’un
feu de bac /
FDS simulation of a
pool fire
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Simulation transitoire d’un feu de bac avec FDS
Transient simulation of a pool fire using FDS
10 s
20 s
35 s
55 s
100 s
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Exemple d’étude : reconstitution de l’incendie du 4 juin 2005 au tunnel du Fréjus
Example study: reconstruction of the fire of June 4th, 2005 in the Frejus tunnel

Feu de PL de grande ampleur (chargement de pneus), 2 morts

Mission du Cetu : assister le Bureau d’Enquêtes sur les Accidents de Transports Terrestres :
Évaluation
Étude
des conditions dans le tunnel pendant l’incendie, évaluation de la puissance du foyer
de scénarios de ventilation alternatifs
Étude
de l’influence des paramètres externes
(aide à la production de recommandations)

Large HGV fire (HGV loaded with tires), 2 fatalities

Cetu’s mission: assistance to the Inquiry Bureau
for Ground Transportation Accidents:
Assessment
of the conditions in the tunnel during
the fire, assessment of the heat release rate
Study
of alternative ventilation scenarios
Study
of the influence of external parameters
(basis for producing recommendations)
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Exemple d’étude : mise à niveau du désenfumage du tunnel du Fréjus
Example study: upgrade of the smoke control system of the Frejus tunnel

Système actuel : extraction avec 10 petites trappes, sur 1200 m de tunnel environ. Projet : extraction
sur 4/5 grandes trappes, sur moins de 600 m (réglementation française)

Problèmes : la robustesse du système concernant le contrôle du courant d’air et la stratification des
fumées ; l’efficacité de l’extraction et la longueur réelle enfumée.

Étude 3D commandée par le concessionnaire (SFTRF) à la société AGEFLUID. Définition du cahier
des charges et suivi de l’étude par le Cetu.

Existing system: extraction of smoke using 10 small dampers, on 1200 m approx. Project: extract
the smoke using 4 or 5 large dampers, on less than 600 m to follow the applicable French
regulations.

Problems: robustness of the system for longitudinal flow control and smoke stratification;
efficiency of the extraction and actual length of the smoke layer.

3-D study carried out by the company AGEFLUID for the operator of the tunnel (SFTRF).
Specifications and follow-up of the study by Cetu.
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Désenfumage du tunnel du Fréjus : résultats
Smoke control in the Frejus tunnel: results

Comparaison du système actuel et du système projeté pour 2 scénarios : courant d’air faible,
courant d’air fort

Comparison between the existing and future systems on 2 scenarios: weak and strong longitudinal
air flow
Crédit images : SFTRF / AGEFLUID
Images courtesy of SFTRF / AGEFLUID