Capture, par mousse aqueuse, de particules micrométriques dispersées par explosif. Étude expérimentale et numérique

Capture by Aqueous Foam of Micrometric Particles Dispersed by Explosive. Experimental and Numerical Study

• Auteur / Autrice : Maëva Mikart
• Direction : Ashwin Chinnayya, Denis Counilh
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdellah Hadjadj, François Gensdarmes, Martin Monloubou, Guerhard Kasper
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Daniel, Isabelle Sochet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tubes à choc

Traînée (aérodynamique)

Simulation par ordinateur

Particules (matière)

Ondes de détonation

Ondes de choc

Mousse (chimie)

Explosifs

Effet de souffle

Écoulement polyphasique

Mots clés libres

Particules micrométriques

Dispersion

Micrometric particles

Dispersion

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. L’objectif est, d’une part, d’atténuer les effets de souffle liés à la détonation d’un engin explosif et, d’autre part, de capturer les particules solides micrométriques potentiellement nocives, pouvant être émises.Les mousses aqueuses sont des milieux diphasiques, assemblages de bulles de gaz, encapsulées dans une matrice de films liquides et d’arêtes, appelées Bords de Plateau et de nœuds. On s’intéresse aux mousses dites sèches, c’est-à-dire ayant une fraction volumique de la phase liquide inférieure à 5 %. L’objectif de cette thèse est de comprendre les phénomènes sous-jacents à la seconde problématique, par la réalisation de campagnes expérimentales, et de développer un outil numérique permettant de les simuler. Les travaux de thèse réalisés se décomposent en deux grandes parties. La première concerne la dispersion et le ralentissement de particules micrométriques,mises en vitesse par impulsion mécanique, dans une mousse intègre. Dans un premier temps, un modèle numérique de ralentissement de particules micrométriques dans ce milieu a été développé. Dans un second temps, des campagnes expérimentales menées, l’une en tube à choc dans les locaux du CEA, et l’autre, en canon électrique à plasma à l’Institut Pprime, ont mis en évidence le caractère atténuateur de la mousse, en termes de dispersion de particules, et ont conduit à la formulation de lois de traînée dans ce milieu. La seconde partie s’intéresse à la capture, par la mousse aqueuse, de particules micrométriques dispersées par explosif. Deux campagnes ont été réalisées à cet effet, au CEA/Gramat, afin de quantifier le taux de particules capturées par un confinement de mousse. Ainsi, une étude paramétrique a été réalisée en fonction de lamasse de la charge explosive, de celle des particules, de la granulométrie des particules et de la taille du confinement aqueux.Ces résultats attestent de l’efficacité de ce milieu diphasique dans la capture de particules micrométriques. La comparaison de ces résultats expérimentaux avec ceux issus d’un code eulérien multiphasique bidimensionnel, développé en parallèle, a permis de s’assurer de l’aptitude de ce dernier à prédire, non seulement la phénoménologie des ondes de souffle en présence de particules, mais également la dispersion et la capture de ces particules par mousse aqueuse.

In order to improve the protection of goods and persons, the CEA (The French Alternative Energies and Atomic Energy Commission) is interested in aqueous foams for their ability to mitigate a detonation. The objectives are, on one hand, to mitigate the blast effects related to the detonation of an explosive device and, on the other hand, to capture the potentially harmful micrometric solid particles that can be emitted. Aqueous foam is a two-phase medium, assemblies of gas bubbles, encapsulated in a matrix of liquid films and nodes, called Plateau Edges. We are interested in so-called dry foams, i.e. with a volume fraction of liquid phase less than 5 %.The aim of this thesis is to understand the phenomena underlying the second problem, by carrying out experimental campaigns, and to develop a numerical tool to simulate them. The thesis work is divided into two main parts. The first concerns the dispersion and the slowing down, in intact foam, of micrometric particles dispersed by mechanical impulse. First,a numerical model of slowing of micrometric particles in this medium has been developed. In a second time, experimental campaigns carried out, one in a shock tube at a CEAs facility, and the other, in an electric plasma gun at the Pprime Institute, highlighted the attenuator character of the foam, in terms of particle dispersion. They are also used to formulate drag laws in this medium. The second part deals with the capture, by the aqueous foam, of micrometric particles dispersed by explosive. Two campaigns were conducted for this purpose, at CEA / Gramat, to quantify the rate of particles captured by a foam confinement. Thus, a parametric study was carried with various explosive charge masses, particles masses, particle sizes and aqueous confinement sizes. These results attest to the efficiency of this two-phase medium in the capture of micrometric particles. The comparison of these experimental results with those resulting from a two-dimensional multiphasic Eulerian code, developed in parallel, made it possible to ascertain the aptitude of this code to predict, not only the phenomenology of the blast waves in the presence of particles, but also the dispersion and the capture of these particles by aqueous foam.