Simulation du rayonnement des flammes par méthode de monte carlo // simulation of radiation from flames using monte carlo method

Topic description

Les incendies de grande ampleur, comme les méga-feux de végétation en Amérique du Nord ou l'incendie de la cathédrale Notre-Dame, illustrent les enjeux majeurs liés à la compréhension et à la prévision de la propagation du feu. L'un des verrous scientifiques critiques identifiés dans la simulation des incendies est le rayonnement thermique émis par les flammes, qui contribue fortement au préchauffage des surfaces combustibles et à la propagation du feu à distance. Toutefois, la modélisation précise de ce phénomène reste aujourd'hui très coûteuse en temps de calcul et constitue un obstacle majeur à l'amélioration des simulateurs existants.

Cette thèse vise à lever ce verrou en développant un modèle numérique de référence du rayonnement des flammes, basé sur une méthode de Monte Carlo formulée en espace de chemins. Cette approche consiste à simuler la trajectoire de photons au sein d'un milieu semi-transparent, anisotherme et hétérogène (gaz de combustion, suies), afin d'estimer la distribution du rayonnement avec une grande précision. Le modèle inclura un traitement spectral détaillé de type 'line-by-line', permettant de prendre en compte les propriétés optiques variables des gaz et particules en fonction de la longueur d'onde.

En parallèle, des réseaux de neurones seront développés pour approximer les champs de rayonnement obtenus, afin de réduire les temps de calcul sans perte significative de précision. Le modèle sera ensuite couplé au code Fire Dynamics Simulator (FDS), logiciel de référence en simulation de feux, pour produire des visualisations réalistes de flammes et permettre des comparaisons directes avec des images expérimentales (visible et infrarouge). Ces comparaisons permettront d'évaluer la fidélité du modèle, notamment sur les structures turbulentes et dynamiques des flammes.

La thèse s'inscrit dans le cadre du projet RAYFLAM financé par l'INRIA (Quadrant), et sera réalisée au sein de l'équipe Feux du LEMTA (Université de Lorraine / CNRS). Le travail comportera aussi une phase de valorisation avec mise en libre accès du code développé, des publications scientifiques, ainsi que des collaborations avec des laboratoires partenaires en France, aux États-Unis (NIST), et en Finlande (Université d'Aalto).

Ce projet apportera une avancée significative dans la modélisation du rayonnement des flammes, à la croisée de la physique, du calcul scientifique, de l'intelligence artificielle et de la simulation d'incendies, avec des applications directes à la sécurité incendie, à la prévention des risques naturels, et à la recherche en combustion.
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Large-scale fires, such as vegetation megafires in North America or the Notre-Dame Cathedral fire, highlight the urgent need for better understanding and prediction of fire spread. One of the critical scientific challenges in fire simulation is accurately modeling thermal radiation emitted by flames, which plays a key role in preheating combustible surfaces and enabling heat transfer over distance. However, precise radiation modeling remains computationally expensive and is a major bottleneck in improving current fire simulators.

This PhD project aims to address this challenge by developing a reference numerical model for flame radiation, based on a path-space Monte Carlo method. This approach simulates photon trajectories through a semi-transparent, anisothermal, and heterogeneous medium (including combustion gases and soot) to estimate the radiative energy distribution with high accuracy. A line-by-line spectral treatment will be integrated to account for the wavelength-dependent optical properties of participating media.

In parallel, neural networks will be designed to approximate the resulting radiation fields, enabling significant reductions in computation time without compromising accuracy. The developed radiation module will be coupled with the Fire Dynamics Simulator (FDS) — a widely used open-source fire modeling tool — to generate realistic visual representations of flames. These 'digital twins' will be compared with experimental infrared and visible imagery of real flames to assess the model's fidelity, especially in terms of radiative behavior, flame dynamics, and turbulent structures.

The thesis is part of the RAYFLAM project funded by INRIA (Quadrant program) and will be conducted within the Fire team at LEMTA (University of Lorraine / CNRS). The project also includes a strong dissemination component: open-source release of the radiation module, scientific publications, and collaboration with international partners, notably NIST (USA) and Aalto University (Finland).

This work will contribute significantly to the modeling of flame radiation, at the intersection of physics, high-performance computing, artificial intelligence, and fire science — with direct applications in fire safety, wildfire prevention, and combustion research.
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Début de la thèse : 01/12/

Funding category

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Financement d'un établissement public Français