Simulation aéro-thermo-mécanique des effets du feu sur les parois d'un milieu confiné : application à l'étude des thermo-altérations de la grotte Chauvet-Pont d'Arc

Abstract

En 1994, la découverte de la grotte Chauvet-Pont d'Arc (Ardèche, France) révéla des marquesthermiques, d'origine anthropique, uniques au monde. Elles sont les témoins de feux préhistoriqueseffectués dans la partie profonde de la cavité. La datation par thermoluminescence des chauffes estcohérente avec la première période de fréquentation humaine il y a entre 37 000 et 33 500 ans. Lesarchéologues ont identifié deux types de thermo-altérations : des changements de couleur et desécaillages. Les changements de couleur résultent de réactions chimiques s'opérant à hautetempérature dans le calcaire, rendant la roche rouge ou grise. Des essais ex situ ont montré que lacouleur rouge survient après une chauffe de 10 minutes à 250oC tandis qu'une température minimumde 350oC est nécessaire pour la couleur grise. Le phénomène d'écaillage provient de fortes contraintesmécaniques dans la roche causées par la dilatation thermique et des processus thermo-hydriques. Deplus, des particules de suie recouvrent encore une partie des parois dans les zones altérées. À partirde ces indices, l'objectif de la thèse est de caractériser les feux de la Galerie des Mégacéros qui sesitue dans la partie profonde de la grotte. L'estimation des quantités de bois, du nombre de feux etde la capacité à alimenter les foyers pourrait aider les archéologues à faire des hypothèses sur lafonction de ces feux.Pour des raisons de conservation, seule la simulation peut reproduire des feux dans la géométrie de lagrotte sans nécessiter sa reconstitution. Cette étude consiste à construire une modélisation numériquede feux confinés et des impacts thermiques résultants. Un couplage fluide-structure est donc développéà partir de deux logiciels open source : OpenFOAM et Cast3m. Le premier effectue la simulation descénarios de feux grâce au module FireFOAM. Le second réalise les calculs thermo-mécaniques dansle massif. Afin d'étendre le champ d'application initial de FireFOAM, des modèles numériques ontété implémentés dans le code. Ceux-ci concernent le dépôt de suie, l'évaluation des risques, lacorrection des mesures par thermocouple et une condition limite en température. De plus, quelquesexigences de modélisation améliorant la qualité des résultats sont détaillées dans le manuscrit. Lemodèle ainsi développé est validé sur des feux expérimentaux exécutés dans une ancienne carrière decalcaire dont les dimensions sont proches de celles de la Galerie des Mégacéros. Du pin sylvestre, quicorrespond à l'essence dont sont issus les échantillons de charbon analysés de la grotte, est utilisécomme combustible. La combustion aboutit à des thermo-altérations analogues à celles observéesdans la grotte Chauvet-Pont d'Arc. Des écaillages et des changements de couleur se sont produits auplafond et aux parois de la carrière. La comparaison avec la simulation est effectuée à partir desmesures de températures, de vitesses ainsi que de concentrations de gaz et de particules.Le modèle numérique est ensuite appliqué à la simulation de feux dans la géométrie de la Galerie desMégacéros. Toutes les zones altérées de cette galerie sont traitées et les scénarios qui ont pu se produiresont précisés. Ces travaux fournissent ainsi une vue d'ensemble de la localisation et de l'intensité desfeux dans cette partie de la grotte. De plus, l'adéquation avec les conditions de vie est indiquée pourles feux les plus puissants. Ces informations pourraient aider les archéologues dans la compréhensiondes fonctions de ces feux.