Confinement de la détonation d'un objet explosif par mousse aqueuse sèche. Etude expérimentale et numérique

par Félix Ballanger

Thèse de doctorat en Energétique, thermique, combustion

Sous la direction de Ashwin Chinnayya.

Le président du jury était Olivier Le Métayer.

Le jury était composé de Benjamin Dollet, Steven Kerampran, Florent Virot, Denis Counilh.

Les rapporteurs étaient Isabelle Sochet, Georges Jourdan.


  • Résumé

    Dans un contexte de protection des biens et des personnes, le CEA DAM s’intéresse aux mousses aqueuses pour leur capacité à confiner une détonation.D’une part, le but est d’atténuer les effets de souffle liés à la détonation d’un engin explosif. D’autre part, il est souhaitable de ralentir ou de capturer les particules solides, potentiellement nocives, qui pourraient être dispersées.L’objectif de cette thèse est de comprendre les phénomènes physiques sous-jacents à ces deux problématiques, au travers de la réalisation d’expériences et de leur modélisation numérique.Les mousses aqueuses sont des milieux diphasiques, assemblages de bulles de gaz encapsulées dans une matrice de films liquides et de Bords de Plateau.Cette étude se concentre sur les mousses communément dites sèches, i.e. dont la fraction volumique de liquide est inférieure à 5%. Les travaux réalisés sont présentés en trois grandes parties. La première concerne la propagation des ondes de choc dans les mousses aqueuses. Elle présente une campagne expérimentale en tube à choc, menée à l’ENSTA Bretagne, dont les résultats permettent la mise en évidence de l’influence du gaz composant la mousse sur le ralentissement et l’atténuation du front de choc.La deuxième partie s’intéresse à l’atténuation des ondes de souffle issues d’une détonation. Deux campagnes ont été conduites : l’une à l’ISAE-ENSMA en mettant en œuvre un tube à détonation rempli d’un mélange réactif gazeux, l’autre au CEA/Gramat en utilisant la détonation d’un explosif solide en champ libre. Ces deux configurations amènent à l’observation de l’atténuation des phénomènes de souffle provenant de la détonation.Le modèle numérique qui s’appuie sur un formalisme multiphasique compressible, a permis d’appréhender la phénoménologie et l’importance relative des différents mécanismes de transferts entre phases, en y incluant notamment deux étapes de fragmentation de la mousse. Les résultats expérimentaux des trois précédentes campagnes et les résultats numériques sont en très bon accord.La dernière partie concerne l’étude du ralentissement et de la capture de particules micrométriques par la mousse aqueuse. Deux campagnes ont été menées à cet effet. La première consiste à étudier la dynamique à haute vitesse d’un nuage de particules métalliques, qui a été projeté par un explosif au sein d’une mousse. A l’aide de radiographies X, la position et la forme du nuage sont analysées au cours de sa propagation. Le freinage des particules parla mousse est manifeste. La deuxième campagne quantifie le taux de particules capturées par un confinement de mousse aqueuse.Ainsi, une comparaison de la dispersion de particules métalliques micrométriques a été effectuée pour différentes tailles de confinement. Ces résultats ont permis d’attester des bonnes propriétés de capture des particules dispersées par une charge explosive dans les mousses aqueuses.

  • Titre traduit

    Confinement of an Explosive Device Detonation Using Dry Aqueous Foam. Experimental and Numerical Study


  • Résumé

    In order to improve the protection of goods and persons, the French CEA DAM is interested in aqueous foams for their ability to mitigate the detonation outcome. Two objectives are put forward. The first one is to attenuate the blast effects induced by the detonation of an explosive device. The second one is to slow down or to capture potentially harmful solid particles, which could be dispersed by the considered device.As such, the aim is to understand the underlying physics of such phenomenon. Several experiments have been undertaken and compared to a multiphase numerical modelling.Aqueous foam is a two-phase medium, composed of gaseous bubbles within a liquid matrix made of films and Plateau Borders. This study focuses on dry aqueous foams, i.e. with a liquid volumic fraction lower than 5%. The presentation of the study is divided into three parts. The first one deals with the shock wave propagation through aqueous foam. An experimental campaign on a shock tube, at ENSTA Bretagne, is presented, whose results highlight the influence of the gas which fills the cells of the foam on the shock front behavior.The second part is related to the blast wave attenuation. Two experimental campaigns were conducted: one in a detonation tube with a reactive gaseous mixture, at ISAE-ENSMA and another one, using condensed explosive, at CEA/Gramat. In both cases, the results lead to the mitigation of the detonation induced blast effects.There is a good agreement between these three experimental results and the numerical results from the multiphase model. This enables us to clarify the phenomenology and quantify the different interphase exchange, which evolve as the foam fragmentation proceeds in two steps.The last part is about the aqueous foam ability to slow down or to capture micrometric particles. Two campaigns were conducted on this subject. The first one studied the high velocity dynamics of a cloud of particles propelled by an explosive into an aqueous foam. Using X-ray radiography, both the position and the shape of the cloud are analysed during its propagation through the foam. A strong decrease in speed of the particles is observed. The second campaign aimed to quantify the particle ratio captured by an aqueous foam confinement. To that end, several sizes of aqueous foam confinement have been compared. The results show the good properties of the foam to inhibit the particle dispersal by an explosive.


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