Choc et onde de souffle dans les mousses aqueuses. Etude expérimentale et modélisation numérique

par Emilie Del Prete

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Abdellah Hadjadj.


  • Résumé

    Dans une optique de sécurité pyrotechnique, le CEA DAM s'intéresse aux moyens d'atténuer les ondes de souffle par des mousses aqueuses. L'objectif de cette thèse est de comprendre les phénomènes physiques régissant la propagation et l'interaction d'une onde de choc avec une mousse, et d'en proposer une modélisation. Une mousse aqueuse est un milieu diphasique constitué d'un assemblage de cellules de gaz séparées par une phase liquide. Cette thèse s'intéresse principalement à des mousses aqueuses, qualifiées de sèches dont le foisonnement (inverse de la fraction volumique) est supérieur à 20. Les travaux ont été organisés autour de la conception et la réalisation de deux campagnes expérimentales. La première, réalisée en Tube à Choc (TaC) à l'IUSTI Marseille, a permis de déterminer le comportement de la mousse soumise à une onde de choc plane. La seconde campagne a été effectuée sur le champ de tir du CEA au Polygone d'Expérimentation de Moronvilliers. Cette expérience a été conçue dans le but d'obtenir une base de données pyrotechniques. Ces deux campagnes ont alors servi au développement d'un modèle numérique, reposant sur un formalisme multiphasique eulérien résolu grâce à la Méthode des Equations Discrètes. L'analyse des résultats expérimentaux en TaC a permis de montrer que, sous l'effet de forts gradients de pression, les films rompent et la mousse s'effondre en un ensemble de ligaments liquides : les Bords de Plateau se déforment puis se fragmentent en un spray. La structure de l'onde incidente est alors composée de deux parties, un choc précurseur générant une surpression de plus d'une centaine de millibars et qui est la signature de la fragmentation de la mousse et un train d'ondes de compression traduisant la mise en vitesse des Bords de Plateau dans l'écoulement gazeux. Les expérimentations pyrotechniques ont permis de corroborer ces résultats obtenus en TaC. Enfin, l'analyse numérique effectuée confirme également que le foisonnement de la mousse est le paramètre principal qui permet de contrôler l'atténuation des ondes de souffle dans les mousses aqueuses. Les simulations numériques ont également permis de restituer la structure complexe de l'onde de souffle et de déterminer les phénomènes prépondérants.


  • Résumé

    Mitigation of blast waves as regards pyrotechnic security is of great concern for the CEA DAM. The objective of this thesis is to understand the physical mechanisms, which underlie the mitigation properties of the aqueous foams. Aqueous foam is a two-phase medium, which is built from an assembly of gaseous cells, which are separated by the liquid phase. The present study focuses on dry foams, having an expansion ratio (inverse of the volume fraction) higher than 20. Two experimental campaigns have been designed and achieved. At first, the behavior of the aqueous foam under shock loading has been studied in a Shock Tube at IUSTI Marseille. Then, a database on blast characteristics has been obtained in the test field of the Polygone d'Expérimentation de Moronvilliers CEA. The experimental data have helped the development of the numerical modeling, which relies on an Eulerian multiphase formalism, solved by the Discrete Equation Method. The analysis of the Shock Tube data has shown that under high shock loading, the liquid films are prone to rupture and as a consequence, the foam collapses into a spray of liquid ligaments. The Plateau Borders deform and are atomized into a cloud of droplets. The two-phase shock wave structure can be decomposed into two parts. The first one is relative to the foam fragmentation and consists of a precursor shock of amplitude of hundreds of millibar. The relaxation zone then follows where the momentum and energy transfer bring the states of the two phases towards dynamic and thermal equilibrium. The experimental data from the pyrotechnic campaign have also confirmed these findings. Finally, the numerical modeling has also shown that the expansion ratio was the main parameter of the mitigation of the blast wave. The complex structure of the two-phase blast wave from the model compares favorably with the experimental data.

Autre version

Cette thèse a donné lieu à une publication en 2013 par [CCSD] [diffusion/distribution] à Villeurbanne

Choc et onde de souffle dans les mousses aqueuses. Etude expérimentale et modélisation numérique

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XX-230 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 82 références

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  • Bibliothèque : Université de Rouen. Service commun de la documentation. Section sciences site Madrillet.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 12/ROUE/S033
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