Les études ont pour but d’identifier et comprendre les phénomènes physico-chimiques associés à la détonation ou qui participent à l’installation de ce régime particulier - supersonique - de propagation de la combustion. Ces études concernent les détonations, les déflagrations rapides et les explosions chimiques dans tous les divers milieux réactifs gazeux ou condensés, homogènes ou hétérogènes et le comportement dynamique des matériaux soumis à des chocs. Menées tant sur le plan expérimental que numérique, elles constituent une spécificité du LCD.
Diminuer la probabilité d’apparition et l’action destructive des déflagrations rapides et des détonations a pour application la sécurité des installations et des procédés industriels (explosions dans les industries chimiques, pétrolières, mines, silos, transport pneumatique …). L’élaboration de systèmes propulsifs innovants (moteurs à détonations pulsée, rotative ou oblique, PDE, RDE, ODWE, resp.) et l’amélioration des performances et du fonctionnement d’explosifs intentionnels revient à tirer profit de la puissante capacité de ces ondes à convertir l'énergie chimique en énergie mécanique. On peut également souligner que les méthodes et outils développés pour l’analyse numérique ou théorique des détonations et des déflagrations terrestres constituent la base d’études en astrophysique sur les mécanismes d’explosions de type supernovae.
Les recherches sont orientées selon les thèmes suivants :
- Dynamique des détonations : Ces études ont pour but d’observer, d’interpréter et de simuler les phénomènes dynamiques relatifs aux phases d’initiation, de propagation et d’extinction de la détonation, selon la configuration expérimentale étudiée. Elles visent à comprendre la relation entre ces comportements dynamiques et les mécanismes de libération d’énergie.
La libération de l’énergie pouvant être accomplie en plusieurs étapes, l’objectif est d’implémenter de telles descriptions physico-chimiques dans des modèles ou des codes de simulations pour rendre compte de la dynamique des détonations, des régimes de détonation à basse-vitesse et des bifurcations entre régimes normaux et basse-vitesse.
- Transition déflagration-détonation (TDD) : Ce phénomène reste encore mal connu en raison de son caractère essentiellement transitoire et instationnaire. Pourtant, la compréhension des mécanismes qui le gouverne est capitale pour la solution des problèmes de sécurité en milieu industriel et l'amorçage basse énergie des détonations. Dans ce but, les études déjà entreprises au LCD seront poursuivies et porteront sur la TDD dans des configurations variées mettant en jeu, ou pas, des obstacles de caractéristiques spécifiques. Un autre aspect de ces études portera sur les mécanismes de transmission d’une flamme d’une enceinte vers une conduite, configuration très favorable à l’accélération de la flamme et au déclenchement de la TDD dans la conduite.
- Propulsion et détonation : Les objectifs de nos études sur la propulsion sont d’une part de démontrer la faisabilité technique de moteurs utilisant la détonation comme mode de combustion au moyen de démonstrateurs uniques en Europe (Pulsed Detonation Engine, PDE, Rotative Detonation Engine, RDE, RAMAC) et d’autre part d’identifier et comprendre les mécanismes fondamentaux associés à l’initiation et la propagation de la détonation dans les conditions spécifiques de chambres de propulseur.
- Explosion : Sous ce terme général, on désigne des phénomènes caractérisés par des effets mécaniques et thermiques importants sur l’environnement, accidentels en milieu industriel, ou intentionnels à des fins de propulsion ou d’applications militaires et minières. L’analyse de ces phénomènes est complexe en raison du caractère instationnaire du régime de propagation de la combustion. Les travaux concerneront principalement des milieux hétérogènes multi-phasiques constitués de particules solides ou de gouttelettes liquides de différente nature (combustible, explosif ou oxydant) finement dispersées dans un autre milieu (par exemple, un oxydant comme l'air, ou un explosif). On étudiera des configurations d’explosion en chambre fermée (pour des problèmes de sécurité industrielle et pour l’utilisation de sous produits de la chaîne agro-alimentaire comme carburants de substitution), et en espace non confiné ou partiellement confiné (applications concernant la sécurité des personnes).
Comme l'a montré l'équipe "Choc" le temps de maintien de la pression de choc joue un rôle déterminant sur tous les aspects de la réponse dynamique des matériaux : transformations structurales, transitions de phase, endommagement, etc. Son objectif est d’explorer les cinétiques des processus régissant le comportement de la matière dans des conditions extrêmes, depuis les temps très brefs caractéristiques des réactions aux échelles atomiques jusqu’aux durées rencontrées dans les applications industrielles. Ainsi, la durée d’application de la pression pourra être contrôlée sur un domaine très vaste, depuis le régime sub-picoseconde accessible par impulsion laser ultra-brève, jusqu’à quelques µs avec des techniques plus classiques (explosifs ou canon à gaz), en passant par quelques centaines de ns avec un canon électrique actuellement en phase de test au laboratoire. Les diagnostics expérimentaux seront étendus et diversifiés (vélocimétrie hétérodyne, spectroscopie résolue en temps, imagerie rapide…). En parallèle, des modèles seront élaborés et intégrés dans des codes pour simuler les différents phénomènes étudiés.
Ces recherches seront appliquées dans différents domaines, à travers diverses collaborations :
- les problématiques d’intérêt industriel, telles que les tests d’adhérence de revêtements par choc (LASAT) sur une grande variété de systèmes (matériaux composites, assemblages collés, substrats avec revêtements sub-microniques,…) seront traitées en collaboration avec le LALP, l’Ecole des Mines de Paris, le LMPM, et plus largement les différents spécialistes des matériaux regroupés au sein de la Fédération PPRIMME ;
- l’élaboration de différents modèles couplés et intégrés dans des codes de simulation sera poursuivie avec le LMPM, le CEA (code ESTHER), le CELIA (code CHIC), et les partenaires industriels (code Radioss) ;
- les études en lien avec le développement du Laser MégaJoule du CESTA, telles que la caractérisation de la fragmentation dynamique de cibles sous irradiation laser intense, seront poursuivies en partenariat avec le CEA ;
- les effets des chocs sur les matériaux d’intérêt géophysique seront étudiés et interprétés en collaboration avec l’IPGP et le CEREGE ;
- une étude détaillée de la réponse de matériaux réactifs (explosifs condensés) à des sollicitations dynamiques bien contrôlées sera menée avec l’équipe ‘Détonation’ du LCD.
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