Numerical modeling of aluminum combustion in hot, high pressure gases / Modélisation de la combustion de particules d'aluminium en milieu gazeux sous pression

Suite à la détonation d’un explosif sous-oxygéné, des produits de détonations sont dispersés dans l’air, réagissent avec l’air ambiant et produisent une boule de feu. Cette phase est qualifiée de post-combustion, et joue un rôle majeur dans le dégagement d’énergie de l’explosif. Parmi les produits de détonation, l’aluminium se distingue par sa haute densité énergétique. Cependant, par la riche diversité de phénomènes physiques entrant en jeu dans la combustion de l’aluminium, mais aussi par les conditions physiques extrêmes dans lesquelles se déroulent la post-combustion, des mesures expérimentales sont difficiles à extraire. Il est donc nécessaire, dans le but d’alimenter de manière quantitative les codes de dynamiques rapides, d’avoir recours à des études numériques. C’est dans ce cadre que se situe cette thèse, faisant suite aux travaux de S.Courtiaud sur la post-combustion et de J.Suarez sur la modélisation de l’aluminium. Cette thèse se focalise dans un premier temps sur l’implémentation d’un schéma numérique robuste HLLC, avec reconstruction MUSCL, dans le code de CFD spécialisé en combustion AVBP mis en place par le CERFACS. Ceci a pour but de résoudre des problèmes de robustesse des calculs en présence de forts gradients de pression et de température. Ce schéma numérique a démontré l’intérêt de son utilisation en permettant de retrouver des résultats similaires à un schéma centré du second ordre, mais avec un gain de temps considérable grâce à une simplification de l’initialisation d’une flamme 1D prémélangée d’aluminium. D’autre part, une autre approche de la combustion de l’aluminium est proposée, en lien avec des études expérimentales faites au laboratoire ICARE d’Orléans, où l’on considère désormais un point de vue global basé sur un temps caractéristique de combustion. Cette modélisation est validé d’une part par une com- paraison avec un modèle contenant une chimie détaillée de la combustion de l’aluminium, sur la configuration de la flamme 1D prémélangée. Par ailleurs, ce modèle est également validé par une étude paramétrique de la flamme 1D, révélant des vitesses de flammes laminaires et une température des gaz brulés proches des résultats de la littérature. De plus, ce modèle est testé dans des conditions de combustion à volume constant, présentant des tendances similaires d’évolution de pression à ceux disponible dans la littérature sur la sévérité des explosions de poussières. Enfin, des pistes de compréhension de l’influence de la polydispersion des diamètres de particules sur la vitesse de flamme laminaire sont proposées grâce à ce modèle. La conclusion de ces travaux consiste en la réalisation d’un calcul de post-détonation d’explosifs aluminisés par le schéma robuste et incluant le modèle de combustion d’aluminium développé. Ce calcul a pour objectif d’être démonstrateur des capacités actuelles de modélisation et de donner un premier aperçu de l’influence de la combustion de l’aluminium, permettant ainsi aux futurs travaux de commencer au cœur de la problématique. Par ailleurs, dans le contexte climatique actuel, l’intérêt que présente les combustibles métalliques comme vecteur d’énergie bas-carbone introduit un autre objectif à cette thèse, qui est d’asseoir les connaissances acquises sur la combustion de l’aluminium afin de proposer des modèles efficaces permettant d’envisager l’aluminium, et plus généralement les métaux, comme des combustibles fiables et maitrisés pour une transition énergétique nécessaire.

Abstract :