Modélisation eulérienne d'écoulements multiphasiques en présence d'ondes de chocs, de détonations et d'interfaces matérielles. Application aux matériaux énergétiques nanostructurés

Modelling of multiphase eularian flows with shock waves, detonation waves and material interfaces. Application to nanostructures energetic materials

• Auteur / Autrice : Erwin Franquet
• Direction : Richard Saurel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 1
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Ecole Polytechnique Universitaire (Marseille)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes de détonation

Ondes de choc

Écoulement polyphasique

Résumé

L’étude des matériaux énergétiques hétérogènes soulève des difficultés majeures de plusieurs ordres : Quelle est la dynamique des ondes de choc et de détonation dans ces milieux ? Quel est l’analogue des conditions de Chapman Jouguet pour les détonations dans les milieux hétérogènes ? Comment modéliser les effets réactifs et les autres transferts dans ces écoulements ? Comment intégrer numériquement les systèmes hyperboliques non conservatifs correspondants ? Quelles sont les particularités des nanomatériaux pour ces écoulements ? Sur la base de récentes relations de choc pour les milieux multiphasiques à forte relaxation mécanique, un modèle d’écoulement est établi dans le cas diphasique, puis multiphasique, en présence d’échanges de chaleur et de transferts de masse. On introduit ensuite des effets capillaires pour traduire l’excès d’énergie des matériaux nanostructurés. Le modèle obtenu permet la détermination de la structure interne et l’analogue des conditions Chapman-Jouguet pour les détonations multiphasiques. Un nouveau type de schéma numérique est aussi construit afin d’intégrer le système d’équations précédent. Basé sur un processus de relaxation mécanique dans chaque cellule de calcul, il ne suppose plus l’équilibre des températures dans la maille comme le fait usuellement la méthode de Godunov appliquée aux équations d’Euler. La nouvelle méthode de relaxation est étendue au système multiphasique et permet le traitement de problèmes à interfaces, de chocs et de détonations en plusieurs dimensions d’espace.

Study of heterogeneous energetic materials raises major difficulties: What is the dynamics of shock waves and detonation waves in such media? What is the analogous of the Chapman-Jouguet conditions for detonations in heterogeneous mixtures? How to introduce reactive effects and other exchanges in such flows? How to compute the non conservative hyperbolic equations systems associated with these flows? What are the characteristics of the nanomaterials? Thanks to new shock relations for multiphase mixtures with stiff mechanical relaxation, a flow model is established with heat exchanges and mass transfers in the case of two phases and then for an arbitrary number of phases. Next, capillary effects are introduced to be the expression of additional energy of nanostructured materials. The model finally permits to compute the structure and the analogous of the Chapman-Jouguet conditions for multiphase detonations. A new kind of numerical schemes is also built to compute the previous model. Based on a relaxation process in each computational cell, it does not suppose temperatures equilibrium in the cell as it is usually done with the Godunov method for Euler equations. The new method is then extended to multiphase flow model and is shown to allow computation of interface problems, shock waves and detonation waves in several dimensions.