Etude expérimentale des mécanismes de combustion de particules d'aluminium en milieu gazeux sous pression

Experimental study of the combustion mechanisms of aluminium particles in a pressurised gaseous environment

• Auteur / Autrice : Valentin Glasziou
• Direction : Fabien Halter, Christian Chauveau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 20/03/2024
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Selle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bénédicte Cuenot, Jean-François Brilhac, Sébastien Courtiaud, Stany Gallier, Robin Devillers
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bénédicte Cuenot, Jean-François Brilhac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expériences

Pyrométrie

Modèles mathématiques

Combustion

Aluminium

Recherche

Énergie

Mots clés libres

Combustion

Explosif

Aluminium

Lévitateur

Pression

Vapeur d'eau

Combustion

Explosive

Aluminium

Levitator

Pressure

Water steam

Résumé

Le domaine de la Défense porte un fort intérêt à l'utilisation de particules d'aluminium dans les explosifs puisqu'elles constituent un vecteur supplémentaire d'énergie. Les particules d'aluminium sont chauffées par l'onde de détonation puis dispersées avec l'expansion des gaz et brûlent dans les produits de détonation et l'air au cours d'une phase appelée postcombustion. Une chaleur supplémentaire est alors produite au sein de la boule de feu, ce qui conduit à augmenter le souffle et rend la boule de feu encore plus lumineuse. La compréhension de la combustion des particules d'aluminium dans ces ambiances particulières intéresse des agences telles que le CEA afin qu'ils puissent l'appréhender au mieux et la modéliser. L'étude fondamentale de la combustion d'une particule d'aluminium a été réalisée sur un lévitateur électrodynamique d'ICARE (CNRS). Des analyseurs optiques permettent de capturer les séquences de combustion et de suivre l'évolution de la réaction en fonction du temps. Des méthodes d'analyse supplémentaires furent développées. Elles portent sur la mesure de la température durant la combustion. Les systèmes mis en place se basent sur la pyrométrie multispectrale et une analyse spectrale des émissions gazeuses de la réaction. Les ambiances étudiées sont principalement composées des espèces retrouvées dans une atmosphère de postcombustion (CO₂, H₂O et N₂) et aussi dans l'air. L'impact de la pression fut étudié dans l'air et le CO₂. L'examen des temps de combustion des particules d'aluminium a mené à l'optimisation d'une loi empirique de combustion. Elle permet de déterminer le temps de combustion d'une particule d'aluminium de diamètre connu en fonction des caractéristiques de l'atmosphère qui l'entoure (pression, composition de l'environnement). Ces éléments permettent d'améliorer la description fondamentale du phénomène et d'accroître les capacités de prédiction des codes de simulations.

The Defence industry is very interested in the use of aluminium particles in high explosives as they are an additional energy carrier for explosives. The aluminium particles are heated by the detonation wave, then dispersed with the expansion of the gases and burned in the detonation products and air during a phase called afterburning. Additional heat is then generated within the fireball, enhancing the blast and making the fireball even brighter. Understanding the combustion of aluminium particles in these particular environments is of interest to agencies such as the CEA, so that they can better grasp the issues involved. The fundamental study of the combustion of an aluminium particle was carried out on an electrodynamic levitator at ICARE (CNRS). Optical diagnostics were used to capture the combustion sequences and follow the evolution of the reaction as a function of time. Additional analysis methods were developed. These involve measuring temperature during combustion. The systems implemented are based on multispectral pyrometry and spectral analysis of gaseous reaction emissions. The environments studied are mainly composed of species found in an afterburning atmosphere (CO₂, H₂O and N₂) and also in the air. Another study on the impact of pressure was carried out in the air and in CO₂. Examination of the combustion times of aluminium particles resulted in the optimisation of an empirical combustion law. This enables the combustion time of an aluminium particle of known diameter to be determined as a function of the properties of the surrounding gas (pressure, composition of the environment). These elements improve the fundamental description of the phenomenon and enhance the predictive capabilities of simulation codes.