Analyse de systèmes intumescents sous haut flux : modélisation et identification paramétrique

Analysis of intumescent systems under high flux : modelling and parameters identification

• Auteur / Autrice : Mathieu Gillet
• Direction : Laurent Autrique
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Angers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Intumescence (chimie)

Gradient conjugué, Méthode du

Modèles mathématiques

Équations aux dérivées partielles

Mots clés libres

Peintures intumescentes

Identification paramétrique

Résumé

La protection des structures, matériels et personnels contre les agressions thermiques violentes est une problématique incontournable dans le secteur militaire. Dans ce contexte, les revêtements intumescents, qui ont la propriété de gonfler lorsqu'ils sont soumis à un flux thermique intense, peuvent s'intégrer efficacement parmi les dispositifs de protections traditionnels. Cette étude, menée pour le ministère de la Défense, propose dans un premier temps une étude du comportement des peintures intumescentes et des principales agressions thermiques rencontrées sur le champ de bataille. Leurs effets sur des échantillons revêtus de peinture intumescente sont testés grâce à un moyen d'essai original : le Four Solaire Principal de la Délégation Générale de l'Armement. Dans un second temps, un modèle mathématique 1D basé sur un système d'équations aux dérivées partielles est développé pour décrire le comportement thermique et le gonflement de revêtements intumescents soumis à un flux radiatif. Une analyse de sensibilité est effectuée afin de désigner les paramètres "clés" du modèle (dont les incertitudes influencent particulièrement les résultats). Par la suite, les protocoles d'identification mis en oeuvre pour déterminer ces paramètres sont présentés. Des méthodes inverses basées sur des signaux thermiques périodiques sont utilisées pour identifier la diffusivité thermique des couches vierges et charbonneuse de peinture. En outre, la méthode des gradients conjugués est mise en oeuvre pour l'identification de la conductivité thermique non linéaire de la couche réactive. Enfin, les résultats obtenus sont discutés et les perspectives de l'étude sont présentées.

Protection of structures, equipements and individuals against heavy thermal aggressions in armed forces is crucial for optimal survival conditions on battlefields. Therefore, intumescent paints, which are designed to swell up and form a thick multi-layered coating under severe heating conditions, represent an efficient solution among traditional protection systems. This study, conducted for the French Ministry of Defence, first describes the analysis of the behaviour of intumescent paints and introduces some of the most commonly encountered types of thermal threats. The effects of such aggressions on several steel samples coated with intumescent paint are tested thanks to an original facility : the Main Solar Furnace, property of French Délégation Générale pour l'Armement (General Delegation for Ordnance). A 1D mathematical model, based on a set of partial differential equations, is then developed to describe both the thermal behavior and the swelling of intumescent coatings when exposed following exposure to a thermal flux. A thorough sensitivity analysis is carried out to detect the "key" parameters which uncertainties strongly influence the model's results. Subsequently, identification protocols, based on inverse techniques, are developed to determine these parameters. Various periodic heating methods are used to identify the thermal diffusivities of both the ablative and carbonaceous layers. Moreover, the conjugate gradient algorithm is implemented for the identification of the nonlinear thermal conductivity of the reactive layer. Finally, a discussion about the overall results is proposed, and the prospects are presented.