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Brotman, Sarah. Couplages multi-physique et multi-échelle pour la modélisation prédictive de la combustion de matériaux énergétiques intégrés dans leur environnement

Brotman, Sarah (2021). Couplages multi-physique et multi-échelle pour la modélisation prédictive de la combustion de matériaux énergétiques intégrés dans leur environnement.

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Résumé en francais

Cette thèse présente le développement et l'exploitation d'un modèle qui simule à la fois l'initiation et la réaction complète de propagation de nanothermites à base de poudre avec la seule prise en compte de mécanismes en phase condensée. Trois objectifs ont été poursuivis. - Un modèle prédictif de l'initiation et de la propagation de la réaction nanothermite pour des systèmes à base de poudres, en mettant en œuvre le mécanisme découvert récemment de "fusion réactive" sous différentes rampes de chauffe. - Une étude de l'influence de nombreux paramètres clés tels que la taille du système expérimental, la taille des particules, le rapport stœchiométrique des matériaux ou le taux de compaction, sur les deux aspects de la réaction : initiation et propagation. Cela permet à la fois d'explorer les effets de ces facteurs pour la conception du système et d'accélérer les étapes de conception par des comparaisons systématiques théorie/expérience. - Une comparaison de ce modèle avec une approche purement en phase gazeuse pour expliquer les travaux expérimentaux récents explorant l'importance de la "fusion réactive" et pour contribuer à la discussion dans le domaine sur les mécanismes fondamentaux de la réaction de combustion des nanothermites. La réalisation de ces objectifs est détaillée dans ce manuscrit, organisé en deux chapitres, complétés par deux articles publiés. Dans un premier chapitre, un bref état de l'art des nanothermites est présenté pour donner la motivation et le contexte scientifique de ce projet. De nombreux travaux expérimentaux sont cités pour résumer les méthodes de fabrication et de synthèse des nanothermites, leurs principales caractéristiques et l'effet de la nanostructure sur les performances en termes de vitesse de combustion et de délais d'initiation. Cela inclut ensuite un aperçu des arguments actuels dans le débat sur les mécanismes fondamentaux qui dominent la combustion. Nous poursuivons par une présentation des approches de modélisation existantes, leurs objectifs, leurs formulations et leurs limites. Le chapitre 2 présente la base théorique de notre modèle qui s'appuie sur une formulation de mécanismes de combustion liés à la phase condensée, développée spécifiquement pour une application aux thermites à nanopoudres. Une première formulation propose l'initiation de deux nanoparticules (un combustible, un oxydant) en contact, couplées à une équation thermique. Ce modèle est ensuite étendu à la dimension de la propagation, qui comprend les différents éléments du transfert de chaleur macroscopique. Ainsi, la formulation finale du modèle combine les mécanismes hétérogènes à l'échelle nanométrique, les réactions chimiques aux interfaces et la propagation du front global de combustion à l'échelle de l'observation macroscopique. Nous ajoutons à ces deux chapitres un article publié dans Journal of Applied Physics, où nous nous concentrons sur le modèle de combustion élémentaire, c'est-à-dire à l'échelle d'un couple de nanoparticules en contact, afin d'étudier l'importance des mécanismes en phase condensée sur l'initiation des thermites. L'article porte particulièrement sur le processus et l'impact sur la combustion de la fusion réactive, pour différents couples de thermites et différentes vitesses de chauffe. Les résultats sont d'abord validés par comparaison avec des récents travaux expérimentaux puis sont comparés avec une simulation considérant seulement la phase gazeuse comme médiatrice de la combustion. Nous y ajoutons également un deuxième article, qui porte sur l'exploitation du modèle complet de propagation auto-entretenue, avec une discussion des facteurs probables qui influencent la vitesse de réaction. L'article se termine par une discussion sur la propagation du front de combustion fonction de la formulation du terme de conductivité thermique, en correspondance avec les bases théoriques discutées dans le chapitre 2.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Estève , Alain
Rossi, Carole
Ecole doctorale:Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS) - CNRS
Mots-clés libres :Nanomatériaux - Nanothermites - Simulation - Modèle mésoscopique - Combustion en phase condensée - Propagation - Initiation
Sujets :Sciences des matériaux
Déposé le :08 Apr 2022 09:44