Academic literature on the topic 'Transition Combustion-Déflagration-Détonation'

Les supernovæ de type Ia (SNe Ia) sont devenues un outil important pour retracer l'expansion de notre Univers, leur étude est donc importante pour la cosmologie. Le modèle le plus populaire est celui de l'explosion d'une naine blanche (NB) accrétante dont la contraction relance la combustion sous la forme d'une déflagration subsonique, qui transiterait ensuite en une détonation supersonique. Ce scénario de détonation retardée repose sur un mécanisme physique de Transition Déflagration-Détonation (TDD) encore très mal compris, que nous étudions dans cette thèse.Les modèles actuels de détonation retardée reproduisent les observations en se fondant sur le mécanisme des gradients de Zel'dovich. Cependant, les échelles d'ignition n'étant pas résolues, ces simulations n'expliquent pas à elles seules la TDD, phénomène mal compris, même sur Terre, lorsqu'il s'agit de milieux non-confinés. D'autre part, ce mécanisme requiert une turbulence trop intense et impose des conditions probablement trop restrictives.C'est dans ce contexte que nous avons proposé un nouveau mécanisme de TDD: le chauffage acoustique de l'enveloppe du progéniteur. Un modèle simplifié, en géométrie plane, permet de mettre en évidence l'amplification d'ondes acoustiques (générés par une flamme turbulente) dans un gradient de densité similaire à ceux d'une NB. Selon leur fréquence et leur amplitude, leur amplification peut aller jusqu'à la formation d'un choc suffisamment fort pour initier une détonation. Ensuite, ce mécanisme est analysé en géométrie sphérique dans le cadre plus réaliste d'une NB en expansion. Une étude paramétrique montre la validité de notre mécanisme sur une gamme raisonnable de fréquences et d'amplitudes acoustiques.Finalement, quelques simulations MHD 2D et 3D, où l'on recherche une source de perturbations acoustiques, sont présentées pour démontrer le caractère réaliste de notre nouveau mécanisme de TDD.

Pour répondre aux défis environnementaux actuels, des solutions en rupture par rapport aux turbomachines existantes sont actuellement encours de développement. Elles s’appuient sur des cycles thermodynamiques plus efficients.L’objectif de ces travaux de thèse est d’étudier expérimentalement les mécanismes de transition de régime de combustion pour ce type d'applications en utilisant un surrogate de kérosène, le n-décane. Pour cela, une déflagration est initiée dans une enceinte fermée et comprime les gaz frais. La pression et la température de ces derniers augmentent jusqu’à atteindre les conditions propices à l’apparition de l’autoinflammation.3 régimes de combustion successifs sont caractérisés dans la chambre de combustion au moyen de diagnostics optiques rapides. Un premier dégagement de chaleur associé à la flamme froide pré-oxyde les gaz frais, il est suivi du dégagement de chaleur principal (Main Heat Release,MHR). Pour les températures initiales de mélange les plus élevées, une détonation est observée à la fin du processus. Deux chemins de transition différents sont mis en évidence : la transition Déflagration-Auto-inflammation (DAIT) et la transition Déflagration-Auto-inflammation-Détonation (DAIDT). La sensibilité des transitions de régime aux conditions initiales de pression, de température et de richesse a été caractérisée au moyen de plusieurs études paramétriques. Dans ce but, les conditions de température, de pression et de composition du mélange sont calculées aux instants d’apparition des différents fronts réactifs (flamme froide, MHR et détonation). Il a notamment été observé que les dégagements de chaleur successifs de l’auto-inflammation se déroulaient aux mêmes températures (740 K pour la flamme froide et 1050 K pour le MHR)quelles que soient les conditions initiales. L’étude s’est concentrée ensuite sur l’analyse d’un point de fonctionnement particulier. L’étude de ce point de fonctionnement, différents vitesses de front d’auto-inflammation ont été observées, mettant en évidence le mécanisme de SWACER lors de la transition.Un critère de transition de régime depuis l’auto-inflammation proposé de Zander et al., dans le cadre d’études numériques, a été testé dans notre configuration expérimentale. Un critère modifié a été développé en lui adjoignant la notion d’effets de compressibilité dans l’écoulement réactif. L’application de ce critère à l’ensemble des essais permet de prédire l’apparition de la détonation dans les conditions où 0 et 100 % de DAIDT sont observés. Les différents domaines de transition de régime ont également été positionnés sur le diagramme de Bradley (ξ, ϵ). Les modes de combustion prédits par le diagramme sont consistants avec ceux qui sont atteints dans la chambre.L’influence de la distribution initiale de température sur les modes de combustion atteignables dans la chambre a été étudiée. Trois topologies d’auto-inflammation ont été mises en évidence pour trois distributions de température dans la chambre. Ces topologies sont séparées en deux catégories, celles privilégiant une direction particulière lors de l’auto-inflammation séquentielle et celle présentant un comportement tridimensionnel.Les essais ayant un comportement tridimensionnel présentent une très forte propension à la DAIDT mais une propagation lente des fronts d’auto-inflammation. Dans ce cas, un autre mécanisme de transition vers la détonation est mis en évidence : l’auto-inflammation d’une poche homogène de gaz génère des ondes de choc et déclenchent des auto-inflammations successives pendant leur propagation. Le couplage choc/front réactif entraine la formation de la détonation.Différents mécanismes de transition vers la détonation ont été observés et étudiés sur une large plage de conditions de pression, température,richesse et gradient thermique. Les résultats obtenus permettront d’appuyer les études numériques réalisées sur le sujet, manquant jusque-là de données expérimentales en conditions académiques
To meet the current environmental challenges, breakthrough solutions compared to existing turbomachines are currently under development.They rely on the use of more efficient thermodynamic cycles.The objective of this thesis is to study experimentally the mechanisms of transition of combustion regime using a kerosene surrogate, n-decane.For this purpose, a deflagration is initiated in a closed chamber and compresses the fresh gases. The pressure and the temperature of the endgas increase until reaching the conditions favorable to the appearance of the autoignition in the chamber.3 successive combustion regimes are characterized in the combustion chamber by means of fast optical diagnostics. A first heat release,associated with the cool flame phenomenon, pre-oxidizes the fresh gases, it is followed by the Main Heat Release (MHR). For the highest initial temperatures, a detonation is observed at the end of the process. Two different transition paths are highlighted: the Deflagration-Autoignition Transition (DAIT) and the Deflagration-Autoignition-Detonation Transition (DAIDT).The sensitivity of regime transitions to the initial conditions of pressure, temperature and mixture composition was characterized by means of several parametric studies. For this purpose, the conditions of temperature, pressure and composition of the mixture are calculated at the onset of the different reactive fronts (cool flame, MHR and detonation). In particular, it has been observed that the successive heat releases of theauto-ignition start at the same temperatures (740 K for the cool flame and 1050 K for the MHR) whatever the initial conditions. The study, then, focused on the analysis of a particular operating point. During the study of this operating point different self-ignition front velocities were observed, highlighting the mechanism of SWACER during the transition.A regime transition criterion proposed by Zander et al. based on numerical studies has been tested in our experimental setup. A modified criterion has been developed to take into account compressibility effects in the reactive flow. The application of this criterion to all the dataset makes possible to predict the appearance of the detonation under the conditions where 0 and 100% of DAIDT are observed. The different regime transition domains have also been positioned on the Bradley diagram (ξ, ε). The modes of combustion predicted by the diagram are consistent with those reached in the chamber.The influence of the initial temperature distribution on the combustion modes achievable in the chamber has been studied. Three topologies of autoignition have been demonstrated for three initial temperature distributions in the chamber. These topologies are separated into two categories, those favoring a particular direction during sequential self-ignition and that exhibiting a three-dimensional behavior.Three-dimensional tests show a very high propensity for DAIDT but a slow spread of autoignition fronts. In this case, another mechanism of transition to detonation is evidenced: the self-ignition of an homogeneous gas pocket generates shock waves and triggers successive autoinflammations during their propagation. The shock coupling / reactive front causes the formation of the detonation. Different transition mechanisms to detonation have been observed and studied over a wide range of pressure, temperature, equivalence ratio and thermal gradient conditions. The obtained results will be useful to support the numerical studies carried out on the subject, which lacks experimental data in academic conditions

Dans le cadre de la sécurité des structures pyrotechniques, il est important de prédire le niveau de réaction atteint lors d’agressions thermiques ou mécaniques (impact). À ce jour, il n’existe pas de démarche unifiée et approuvée par la communauté scientifique internationale permettant de décrire le processus complexe menant à des réactions violentes telles que la transition Combustion-Déflagration-Détonation (TCoDD). Cette thèse a pour objectif d’étudier l’influence de l’endommagement dû à un impact à basse vitesse sur la combustion d’un explosif comprimé.Dans un premier temps, nous étudierons l’influence d’une sollicitation mécanique sur le comportement en combustion de notre matériau. Nous montrerons que la surface en combustion joue un rôle important dans le phénomène de la TCoDD, et nous chercherons à déterminer cette surface à partir des essais en bombe manométrique. Ensuite, nous nous attacherons à quantifier l’endommagement au sein de la microstructure (densité de fissures, porosité, etc.) suite à une sollicitation mécanique. Enfin, nous modéliserons le comportement mécanique de notre matériau et relierons l’endommagement de celui-ci à la densité de fissures ayant une influence sur la combustion du matériau
In the context of the safety of pyrotechnic structures, it is important to evaluate by simulation the level of reaction reached during thermal or mechanical aggressions (impact). Nowadays, there is no unified approach approved by the international scientific community to describe the complex process leading to violent reactions such as the Combustion-Deflagration-Detonation transition (CoDDT). The objective of this thesis is to study the influence of the damage, resulting from low velocity impact damage on the combustion of a pressed explosive.First, we will study the influence of mechanical loading on the combustion behavior of our material. We will show that the burning surface plays an important role in the TCoDD phenomenon, and we will seek to determine this surface from manometer bomb tests. Next, we will quantify the damage within the microstructure (crack density, porosity, etc.) following mechanical loading. Finally, we will model the mechanical behavior of our material and relate its damage to the crack density influencing material combustion

La présente thèse se concentre tout d'abord à mettre en place des expérimentations de compaction dynamique de poudres.Un montage expérimentale est conçu, testé puis validé. Le but de ce dernier est de générer des ondes de compaction unidimensionnelles et de pouvoir observer le milieu granulaire à l'échelle des grains. Deux types de poudres sont considérés : une poudre de polypropylène et une poudre d'explosif (RDX).Pour cela, des caméras ultra-rapides (50 000 images/s) sont utilisée pour enregistrer les essais. Une technique de corrélation d'image est utilisée pour remonter aux champs de déplacement et de vitesse des grains.Un modèle de compaction multiphasique est implémenté. Les phénomènes de friction grain/paroi sont ajoutés au modèle suite aux observation expérimentale. Une partie du travail a été consacré à l'amélioration de l'équation d'état granulaire et à sa détermination expérimentale.Les résultats numériques sont en bon accord avec les expérimentations, tant que le montage expérimental ne se déforme pas sous l'effet de la pression des grains.De premières expérimentations avec les poudres d'explosifs ont été réalisées. Le montage expérimental nécessite encore certaines améliorations mais il a prouvé son utilité dans l'étude de la transition combustion-déflagration-détonation
The first part of the present PhD focuses on the conception and the validation of an experimental set up. The aim of the experiments is to generate one-dimensional compaction waves and to observe the media at the grains scale. Two type of powder are used : polypropylene powder and an explosive powder (RDX).The experimental apparatus uses ultra-fast cameras (50 000 images/s) to record the tests. Image correlation is used to compute the displacement and velocity fields.A multiphasic compaction model is then coded. Grain/wall friction is added as the experimental work underlined its importance. Additional work has been provided concerning the granular equation of state and its experimental determination.Numerical results are in good agreement with the experimenations, as long as the experimental set up is not deformed because of the grains' pressure.A few experiments have been done with explosive powders. The experimental set up still needs some improvement but it proved its usefullness for deflagration to detonation studies

L'opto-pyrotechnie (amorçage de la détonation par système optique) est l'une des innovations les plus prometteuses en termes de fiabilité, de sécurité et de performances pour les futurs lanceurs spatiaux. Le but de la thèse est d'étudier et de modéliser le premier des deux étages d'un Détonateur Opto-Pyrotechnique, constitué d'un explosif confiné dans une chambre de combustion fermée où se déroulent les premières phases d'une Transition Déflagration-Détonation. L'amorçage par laser de l'explosif puis la combustion en chambre isochore sont traités par le code EFAE, lequel est couplé au logiciel LS-DYNA qui simule la déformation et la rupture du disque de fermeture de la chambre, puis la propulsion du projectile résultant vers le second étage. En parallèle, diverses techniques expérimentales (adsorption de gaz, vélocimétrie hétérodyne, microscopie) ont mis en valeur plusieurs procédés physiques, ce qui a permis de tester le couplage entre EFAE et LS-DYNA, puis de déterminer et de hiérarchiser les paramètres affectant les critères industriels.