Thèse Explorer le Couplage Convectif Atmosphère-Mégafeu avec l'Hélium à Basse Température H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Le changement climatique favorise l'apparition de mégafeux, où la chaleur intense alimente une convection naturelle qui influence en retour la propagation du feu. Comprendre ce couplage feu-atmosphère est essentiel pour appréhender la dynamique des incendies à grande échelle. Cependant, reproduire cette convection extrême en laboratoire reste un défi en raison de sa forte intensité turbulente.

Ce projet propose de surmonter cet obstacle en exploitant l'hélium à très basse température (<10 K), un fluide capable de produire des intensités de convection record en laboratoire. De plus, les propriétés des matériaux à basse température, comme leur très faible chaleur spécifique par rapport à l'hélium, permettent un contrôle précis des conditions thermiques aux limites, offrant un cadre expérimental unique.

La thèse consiste à développer et valider le premier dispositif expérimental permettant d'étudier, en conditions de laboratoire, les mécanismes hydrodynamiques fondamentaux qui apparaissent lorsqu'un fluide en convection très intense (nombre de Rayleigh pouvant atteindre 1e15) interagit dynamiquement avec une source de chaleur surfacique inhomogène et instationnaire.

L'allongement des périodes de sécheresse et l'augmentation de la mortalité de la végétation, mal adaptée aux nouvelles conditions climatiques, ont entraîné une hausse de la fréquence des incendies de grande ampleur, parfois qualifiés de mégafeux [Bowman, Tedim]. Ces feux modifient localement la circulation des vents, ce qui influence à son tour la propagation et la dynamique des incendies, des mécanismes encore activement étudiés [Filippi2009, Bakhshaii].

Un facteur clé de cette dynamique est la convection naturelle, qui opère à des échelles allant de la flamme individuelle à des échelles kilométriques. Ce projet s'intéresse spécifiquement aux écoulements globalement dominés par des panaches, où le transfert de chaleur par convection domine sur le transfert advectif, tout en permettant localement des transferts induits par le vent.

Les expériences en laboratoire, en soufflerie ou à l'échelle de parcelles, ainsi que les expériences de convection naturelle utilisant de l'air atmosphérique, ne permettent pas de reproduire les conditions de convection naturelle à grande échelle. En effet, l'intensité de la force de convection évolue avec le cube de la hauteur de l'écoulement, une relation quantifiée par le nombre de Rayleigh (Ra), rendant difficile l'obtention de très haut Ra en laboratoire.

Une revue récente recense des expériences de convection atteignant des nombres de Rayleigh (Ra) très élevés entre deux plaques horizontales en conditions de laboratoire. Seules huit expériences ont atteint au moins Ra 1e14 [Lohse 2024]. Ces expériences utilisent principalement l'hélium cryogénique comme fluide de travail. Ses propriétés par rapport à l'air atmosphérique rendent la convection dans une couche d'air de hauteur h équivalente à celle dans une cellule d'hélium de hauteur h/200. L'originalité de l'installation proposée réside dans l'utilisation de l'hélium cryogénique pour tirer parti de cet avantage d'échelle et produire une convection très intense en conditions de laboratoire.

Valider une approche expérimentale innovante utilisant l'hélium cryogénique pour étudier les mécanismes hydrodynamiques fondamentaux de la convection dominée par les panaches (plume-dominated convection) dans les feux intenses et les tempêtes de feu. Cette installation sera la première à reproduire en laboratoire des régimes convectifs dont l'intensité peut s'approcher de celle observée dans les incendies de grande échelle (nombres de Rayleigh et Reynolds jusqu'à 1e15 et 1e7) donc en mesure d'entretenir une couche limite turbulente.

La méthode reposant sur plusieurs astuces expérimentales, elle n'est être détaillée ici.

Précisons seulement qu'une étape intermédiaire sera introduite dans la progression du travail afin de garantir à l'étudiant des résultats scientifiques de première importance (donc publiable) à une échéance de 2 ans, avant l'achèvement de la plateforme.