La conception d’une coque de sous-marin est cruciale pour son opérabilité et la sécurité de l’équipage, mais également complexe. En effet, les ingénieurs doivent prendre en compte à la fois la légèreté, la discrétion acoustique et la résistance de la coque à la pression d’immersion et aux attaques extérieures. Les explosions sous-marines représentent une menace de premier ordre pour l’intégrité de la coque, dont le comportement doit être correctement analysé. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur le développement d’une méthode simplifiée, basée sur des formulations analytiques, pour étudier la réponse mécanique d’un cylindre profondément immergé à une explosion sous-marine. Le but de cette méthode est de fournir aux ingénieurs une estimation rapide des dommages subis par la coque cylindrique, leur permettant de simuler un grand nombre de scénarios d’explosion. Dans ce travail de thèse, le modèle de la corde plastique sur fondation plastique est repris et adapté à l’étude d’un cylindre immergé soumis à un chargement explosif, pour lequel les effets de pression d’immersion et d’interaction fluide-structure sont à prendre en compte. Une modélisation simplifiée de l’interaction fluide-structure est couplée avec le modèle de corde plastique sur fondation plastique, en considérant d’une part les effets de la pression d’immersion et d’autre part le raidissage circonférentiel du cylindre. Des expressions analytiques sont développées pour calculer l’enfoncement de la coque ainsi que son énergie de déformation plastique. Les résultats obtenus sont comparés à des résultats d’essais et de simulations numériques, ce qui permet de valider progressivement la méthode simplifiée, mais aussi de mettre en évidence ses limitations. / The design of a hull of submarine is crucial for its operability and the safety of the crew, but also complex. Indeed, the engineers have to take into account at the same time lightness, acoustic discretion and resistance of the hull to immersion pressure and to environmental attacks. Underwater explosions represent a first-rate threat to the integrity of the hull, whose behavior needs to be properly analyzed. The works presented in this thesis concern the development of a simplified method, based on analytical formulations, to study the mechanical behavior of a cylinder deeply immersed subjected to an underwater explosion. The purpose of this method is to give engineers a fast estimation of the damage undergone by the cylindrical shell, allowing them to compute a large number of scenarios of explosion.In the scope of this thesis, the model of the plastic string on plastic foundation is picked up and adapted to the study of an immersed cylinder subjected to an explosive load, for which the effects of immersion pressure and fluid-structure interaction are to be taken into account. This simplified model of the fluid structure interaction is coupled with the model of a plastic string resting on plastic foundation, by considering on one hand the effects of the immersion pressure and on the other hand the circumferential stiffening of the cylinder. Analytical expressions are derived in order to calculate the final deflection of the shell as well as its energy of plastic deformation. The obtained results are compared with results obtained with numerical simulations, which allows to validate gradually the simplified method, but also to highlight its limitations.

The current research is aimed at investigating the explosion behaviour of hazardous materials in relation to particle size. The materials of study are titanium powders having size distributions in both the micron- and nano-size ranges with nominal size distributions: -100 mesh, -325 mesh, ?20 ?m, 150 nm, 60-80 nm, and 40-60 nm. The explosibility parameters investigated explosion severity and explosion likelihood for both size ranges of titanium. Tests include, maximum explosion pressure (Pmax), maximum rate of pressure rise ((dP/dt)max), minimum explosible concentration (MEC), minimum ignition energy (MIE), minimum ignition temperature (MIT) and dust inerting using nano-titanium dioxide. ASTM protocols were followed using standard dust explosibility test equipment (Siwek 20-L explosion chamber, MIKE 3 apparatus, and BAM oven). The explosion behaviour of the micron-size titanium has been characterized to provide a baseline study for the nano-size testing, however, nano-titanium dust explosion research presented major experimental challenges using the 20-L explosion chamber.

La plupart des sites industriels abritent des équipements et des réservoirs sous pression. Pour des raisons diverses (suppression, impact mécanique, surchauffe ou autre), ils peuvent être endommagés et même éclater. Cette explosion peut engendrer de nombreux projectiles. Au cours de leur vol, ces derniers peuvent impacter d’autres équipements, tels que des réservoirs sous pression ou d’autres installations sensibles (poste de commande, par exemple). Si une des cibles impactées subit une ruine mécanique, elle peut exploser et générer une nouvelle série de projectiles. Ces projectiles menacent, à leur tour, d’autres installations et ainsi de suite. Ce type d’enchaînement accidentel catastrophique est connu sous le nom d’effet domino ou de suraccident. Dans ce document, l’effet domino pouvant se produire sur des sites industriels est analysé au travers des projections produites par l’accident initial. Une approche probabiliste globale est ainsi développée dans laquelle le calcul de la probabilité d’occurrence du phénomène requiert le passage par quatre étapes : - Analyse des termes sources : les projectiles générés par l’explosion d’un réservoir ont différentes caractéristiques, à savoir le nombre de projectiles, la forme, la masse, la vitesse de départ et les angles de départ. Toutes ces grandeurs sont modélisées par des variables aléatoires. A l’aide du principe du maximum d’entropie et des données existantes, des distributions probabilistes sont développées pour toutes ces variables. On se limite, cependant, au cas de l’explosion d’un réservoir cylindrique ou sphérique. – Analyse de l’impact ou analyse du mouvement : la trajectoire d’un projectile (ou fragment de structure), en fonction de ses caractéristiques de départ, est décrite par une combinaison des effets d’inertie, de gravitation et d’aérodynamique. Une approche simplifiée faisant l’hypothèse de constance des coefficients aérodynamiques permet d’identifier analytiquement la trajectoire du projectile tandis qu’une solution numérique est obtenue par une approche complète où toutes les valeurs de ces coefficients sont prises en compte.Les mouvements de translation et de rotation sont également étudiés. A l’aide de l’analyse complète et des conditions d’impact, la probabilité d’impact est déterminée. L’étude est restreinte à des projectiles en forme de fond de réservoir, fond oblong de réservoir et plaque. Les formes des cibles de l’étude sont restreintes au cas ellipsoïdal, cylindrique et cubique. – Analyse de l’état des cibles impactées : dans un premier temps, des modèles simplifiés d’impact sont utilisés afin d’étudier l’interaction mécanique entre les projectiles et les réservoirs impactés. Un modèle mécanique complet comprenant une loi de comportement élasto-plastique et un modèle de rupture est également proposé. Ce modèle est ensuite implémenté dans un code de calcul sans maillage de type SPH, i.e. Smoothed Particle Hydrodynamics. Afin d’estimer la probabilité de rupture des réservoirs impactés, les modèles simplifiés sont mis en œuvre, ce qui permet de réduire le coût de calcul. – Occurrence du sur-accident : selon l’état mécanique résiduel de la cible et son état physique (conditions thermodynamiques, niveau de remplissage, etc.), l’impact de projectiles peut conduire à la poursuite du pnénomène. Ce dernier point n’est pas traité dans le document présenté / Industrial facilities, such as vessels under pressure, might be damaged by explosions caused by an overpressure, an exterior mechanical impact or an overheating for instance. In general, such explosions generate many structural fragments. During their flight, these projectiles may impact other facilities, such as vessels under pressure, in the vicinity. Under given conditions of pressure and mechanical damage, these impacted targets may explode and generate other sets of structural fragments, and so on. This kind of scenario corresponds to the so-called domino effect. In this document, the domino effect caused by projections that may occur in the industrial sites is analyzed with a stochastic framework. For this purpose, a global methodology is developed. The determination of the occurrence probability of this effect requires four steps : - source terms analysis : the structural fragments generated by vessels explosions have different features, i.e. number of fragments, shape, mass, departure velocity and departure angles. These features are considered as random variables. Based on the maximum entropy principle and according to existing data, the probabilistic distributions are developed for each variable. This study focuses on the case of explosions in cylindrical or spherical vessels. – Fragments motion and impact analysis : according to the fragments features at their departure, the fragment trajectory is evaluated under the effects combined from the inertia, the gravitation and the aerodynamics. The simplified approach, under the hypothesis of constant aerodynamic coefficients, allows the analytical description of the trajectory whereas the numerical solutions are obtained for the complete approach when these coefficients vary. The translational as well as rotational movements are also considered. Monte Carlo simulations are performed in order to estimate the probability of impact. Three fragments shapes are considered : end-cap, oblong end-cap and plate. Three main shapes are investigated for the targets : ellipsoidal, cylindrical and cubic vessels. – Analysis of the mechanical behaviour of the impacted targets : simplified models are developed in order to study the mechanical interaction between the fragments and the impacted targets. A complete mechanical model, including elastic-plastic behaviour and a fissure model are also proposed. This model is then implemented in the mesh-free code (Smoothed Particles Hydrodynamics). In order to estimate the rupture probability of the impacted targets, the simplified models are used, reducing therefore the calculation duration. – Domino effect occurrence : according to its residual bearing capacity and its internal physical conditions, the impacted target may give rise to a new sequence of explosions and fragments generation. This last point is not studied in this document

Le BLEVE (Boiling Liquid Exploding Vapor Explosion) est l’un des accidents les plus craints dans l’industrie. Bien qu’il soit étudié depuis plus de soixante ans, certains dangers et situations restent mal anticipés, tels que : quelles seraient les conséquences de la surpression d’un BLEVE dans un milieu urbain confiné ? Qu’adviendrait-il si un camion de transport de GPL venait exploser sur un pont ? Ces questions nécessitent d’étudier la physique du BLEVE au plus proche du conteneur. Ce travail explore les phénomènes physiques générant la surpression aérienne en champ proche de l’explosion, en essayant de comprendre la contribution des phases du contenu (liquide et vapeur) dans les dangers en champ proche du BLEVE. Un prototype expérimental petite échelle a été conçu dans le but de reproduire les BLEVE de cuves cylindriques de manière réaliste. Vingt-quatre BLEVEs de propane ont été effectués. Un large spectre de données a été collecté lors de ces tests : surpression aérienne dans de multiples directions autour du conteneur, variations de pression dans le conteneur avant et après rupture, chargement au sol dû à l’explosion, visualisations en imagerie rapide selon un certain nombre d’angles. Les résultats montrent une dépendance forte entre les caractéristiques de la phase vapeur et la suppression maximale générée par l’explosion. La reconstruction chronologique du phénomène confirme ce résultat. Cependant, la phase liquide joue un rôle capital dans la génération du chargement au sol, qui est un danger considérable, mais peu considéré jusque-là. / Boiling Liquid Exploding Vapor Explosion (BLEVE) is one of the most feared accident in the industry. Even though it has been studied for over 6 decades, many safety questions remain poorly answered: what happens if a BLEVE occurs in a congested urban or industrial area? What if a road tanker BLEVE happens on a bridge? These questions require to look closer to the vessel. This work focuses on understanding the physics involved in overpressure generation in the near field surrounding of the vessel, to understand the contribution of the fluid phases (liquid and vapor) in the near-field hazards of a BLEVE. For this purpose, a small scale experimental prototype was designed to reproduce realistic BLEVE failure. Twenty-four propane BLEVEs were performed. A wide range of data was recorded from these tests: blast overpressure all around the vessel, transient pressure inside the vessel, ground loading under the vessel, and high speed imaging through various angles. Results give more insight on the anisotropy of the pressure field around the cylindrical vessel. It also shows a strong dependency between vapor content and maximum overpressure from the lead shock. Moreover, the chronology of the phase change observed through transient pressure measurements show that the main contributor of the maximum overpressure is the vapor phase. The phase change is studied through pressure transient in the vessel and high speed imaging, giving a better understanding of the time scales involved with this phenomenon. Finally, ground loading measurements are analyzed to give insight on the order of magnitude involved in this hazard.

Depuis des millénaires, le chanvre est cultivé pour ses fibres. Longues et résistantes, elles peuvent notamment entrer dans la composition de matériaux textiles et composites, secteurs industriels en plein essor. Cependant, leur manque d’homogénéité et la complexité de leur affinage ne leur permettent pas encore d’être compétitives face aux fibres synthétiques ou de coton. Mais des fibres de chanvre fines pourraient être produites à partir de fibres brutes en utilisant un traitement par explosion à la vapeur à bas coût, faible consommation d’énergie et avec un faible impact environnemental. Une caractérisation morphologique, chimique et mécanique des fibres a été réalisée avant et après traitement dans le but d’optimiser les paramètres de ce procédé, selon une méthodologie de plan d’expériences. Ces essais ont montré que l’explosion à la vapeur pouvait être utilisée pour produire des fibres correspondant aux critères imposés par l’industrie textile et des matériaux composites. Des éléments ont aussi été apportés sur une éventuelle industrialisation de l’explosion à la vapeur. Là encore, les résultats montrent que ce procédé pourrait être industriellement compétitif en termes de coûts, de consommation en eau et en énergie, et de rendements. Enfin, des fibres ont été produites à partir de sols pollués contenant des métaux lourds. Les teneurs en métaux dans les différentes parties de la plante et dans les fibres ont été mesurées avant et après explosion à la vapeur. Les résultats obtenus ouvrent de nouvelles perspectives quant à un usage durable de Technosols (notamment des friches industrielles) pour la production de fibres de chanvre à usage industriel / Hemp plants have been cultivated for their usable fibers for thousands of years. The fibers are long and resistant and can be utilized for creation of textile and composite materials, relevant to burgeoning industrial sectors. However, due to their lack of homogeneity and the complexity of their refining, hemp fibers are unable to compete with synthetic and cotton fibers. But fine hemp fibers could be successfully produced from technical fibers using a steam explosion treatment at a low cost, a low energy consumption and with a low environmental impact. To optimize the parameters of this process, a morphological, chemical, and mechanical characterization was performed before and after steam explosion using a design of experiments methodology. These experiments showed that this process can be used to produce hemp fibers with the standards defined by the textile and composite materials industries. Some features have also suggested some prospects in the industrialization of steam explosion for fibers production. These results showed that this process could be industrially competitive in terms of costs, water and energy consumption and yield. Finally, phytoremediation-borne hemp fibers were produced from soils contaminated with trace elements. The metals concentrations in plant components and in the fibers were measured before and after steam explosion treatment. The results offer new insights and prospects for a sustainable use of Technosols (in particular brownfield sites) by the production of hemp fibers

En hållbar samhällsutveckling beror på tre faktorer; naturen, människan och samhället. I dagens läge vill människan minimera de påfrestningarna som miljön och omgivningen utsätts för. Det är därför viktigt att se över hur resurserna utnyttjas. Ett bra exempel på detta är att befintliga trafikleder inom tätbebyggda städer byggs över, sådana projekt kallas överdäckningar. På detta sätt skapas både byggbar yta och negativa effekter av trafikleder minskas inom tätbebyggda områden. Buller, barriärer och luftföroreningar är exempel på negativa effekter. Trots att överdäckningskonstruktioner har många fördelar som exempelvis ökad marktillgång är det många planerade projekt som stoppas. Detta på grund av explosionsrisker som anges i de nya lagarna och rekommendationerna av transport av farligt gods. För att underlätta framtida överdäckningar har författarna analyserat och diskuterat situationen samt klargjort vilka regelverk som gäller. Intervjuer utfördes med olika parter både i den offentliga och i privata sektorn. Detta för att få en bredare uppfattning om hur regelverken bör tolkas. Därefter har diskussioner framförts gällande konstruktionslösningar och åtgärder som kan tillämpas för att minimera konsekvenser av explosioner i en tunnel. I dagens läge finns det inga regelverk specifikt för överdäckning utan det är en sammansättning av regelverk för tunnel och hus. Om ovanliggande konstruktioners laster placeras direkt på tunneltaket finns det stor sannolikhet till att bebyggelsen kollapsar om taket viker sig. Det är då viktigt att jämföra olika olycksscenarior som kan tänkas inträffa för olika farligt godsmängder och transporter. Jämförelserna kan leda till en rimligare konsekvensuppfattning. Resultatet av detta har konstaterats i att det borde finnas specifika riktlinjer för överdäckningar men även att riskanalyser av olyckor bör analyseras på rätt sätt. / A sustainable society depends on three factors; nature, mankind and society. Presently, mankind has a need to minimize the stresses that the environment and our surroundings are exposed to. It is of the utmost importance that we focus on how to use our resources in new efficient ways. A perfect example of this is to build over current highways in urban cities areas. In Sweden this type of method when translated is called overdecking, internationally no collective term has been given. When building a tunnel a top a highway, new area is made available above for construction, and the negative effects caused by these infrastructures are removed. Noise barriers and pollution are examples of these negative effects. Although over decking have many benefits for expanding the society, many of these projects are being stopped. This is due to the risks that occur when dangerous goods are transported and how the laws and regulations govern this matter. To facilitate future projects the writers have analyzed and discussed the situation and clarified which rules apply. Interviews were performed with parties both in public and private sectors. This was done in order to get a broader perspective over how rules should be interpreted. Thereafter discussions were made regarding construction solutions that can be applied to minimize consequences of an explosion event in a tunnel. Presently there are no regulations specifically for over decking, but only a composite of the regulatory framework for tunnels and houses. If building loads are placed directly on the tunnel roof there is a strong likelihood that the house collapses if the roof folds.  It is therefore important to review accident scenarios that might occur with various degrees of dangerous transported goods and transportations. The result of this has led to that there should be specific guidelines for over decking structures, but also how risk assessments of dangerous goods accidents should be handled.

This paper presents an approach to operate multi-objective self-optimizing software systems based on the models@run.time paradigm. In contrast to existing approaches, which are usually specific to a single or selected set of objectives (e.g., performance and/or reliability), the presented approach is generic in that it allows the software architect to model the relevant concerns of interest to self-optimization. At runtime, these models are interpreted and used to generate optimization problems. To evaluate the applicability of the approach, a scalability analysis is provided, showing the approach’s feasibility for at least two objectives.

Doctor of Philosophy / Department of Physics / Igor V. Litvinyuk / The goal of this dissertation project was to study the dynamics of nuclear motion in diatomic (H[subscript]2, N[subscript]2, O[subscript]2, CO) and triatomic (CO[subscript]2) molecules initiated by the ionization and/or excitation of these molecules with near-IR few-cycle laser pulses. This dynamics includes vibrational and rotational motion on the electronic potential surfaces of the molecules and their molecular ions. The experimental techniques used included the pump-probe approach, laser Coulomb explosion imaging and the COLTRIMS technique. The results are presented in four chapters. A study of rotational and vibrational nuclear dynamics in H[subscript]2 and D[subscript]2 molecules and ions initiated by 8 fs near-IR pulses is presented in Chapter 4. Transient alignment of the neutral molecules was observed and simulated; rotational frequency components contributing to the rotational wavepacket dynamics were recovered. Chapter 5 is dedicated to revealing the contribution of excited dissociative states of D[subscript]2[superscript]+ ions to the process of fragmentation by electron recollision. It was shown that it is possible to isolate the process of resonant excitation and estimate the individual contributions of the [superscript]2sigma[subscript]u[superscript]+ and [superscript]2pi[subscript]u states. In Chapter 6 the subject of investigation is the nuclear dynamics of N[subscript]2, O[subscript]2 and CO molecules initiated by ionization of a neutral molecule by a short intense laser pulse. It was shown that the kinetic energy release of the Coulomb explosion fragments, measured as a function of the delay time between pump and probe pulses, reveals the behavior of nuclear wave packet evolution on electronic states of the molecular ions. It was shown that information on the dissociation and excitation pathways can be extracted from the experimental spectra and the relative contributions of particular electronic states can be estimated. Chapter 7 is focused on studying the fragmentation of CO[subscript]2 following the interaction of this molecule with the laser field. The most important result of this study was that it presented direct experimental evidence of charge-resonant enhanced ionization (CREI), a phenomenon well-studied for diatomic molecules and predicted theoretically for triatomic molecules. The critical internuclear distance, the relevant ionic charge state and a pair of charge-resonant states responsible for the CREI were also found.

Rock dust has been historically applied to mitigate the coal dust explosion in either dry or wet form. Dry rock dust performs best in inerting the potential coal dust explosion due to the greatest dispersive properties. However, it undesirably exposes underground coal miners to respirable dust particles which imposes a severe health danger. Wet dust application is able to significantly reduce the floatable dust particles but another problem associated with caking is predominant. Caking phenomenon is usually used to describe the change of free-flowing bulk solids into agglomerated chunks. Unfortunately, the environmental conditions of an underground mine have the potential to cause caking of the rock dust, especially for wet dust application, which reduces the dispersive characteristics needed for effective explosion mitigation and is also the focus of the present study. Surface modification of rock dust to generate a hydrophobic surface is believed to alleviate the caking problem by allowing instant water drainage and eliminating the formation of water and solid bridges. Surface modification of rock dust was evaluated in the present study with a series of potential modifying reagents including oleic acid, sodium oleate and stearic acid. The modification efficiency in terms of measured contact angle, zeta potential and dispersibility values was investigated with sodium oleate generating the best modification effect. Dispersants were investigated as well in the present work aiming to further increase the particles dispersibility in addition to the excellent hydrophobization effect generated by sodium oleate. However, dispersibility test results indicated that the adsorption of dispersant and sodium oleate was competitive. The preferential adsorption of dispersants over oleate deteriorated the surface hydrophobicity of particles and the dispersibility was decreased as a result. As anticipated, dry rock dust always provided the best dispersibility with almost 95% of the dust remaining in suspension at a dispersion time of 30 seconds. The percentage dust dispersion values of sodium oleate treated rock dust was increased to as high as 71% in contrast to 47% of untreated wet rock dust and the explosion potential was correspondingly reduced by almost 83%. The effect of sodium oleate was further studied as a function of reagent concentration to determine the optimum application condition. The dispersibility of rock dust particles was initially increased until the application of 0.1 wt% sodium oleate, after which it slightly decreased up to 0.5 wt% oleate. When the concentration was above 0.5 wt%, the dispersibility of dust particles substantially decreased to a value lower than the value obtained for regular wet dust. The optimum sodium oleate concentration was thus determined at approximately 0.1 by weight of rock dust particles with a corresponding contact angle of around 110 degrees. The pivotal of rock dust modification efficiency is its long-term stability which can be corroborated by irreversible chemical adsorption rather than the short-term physical adsorption. Therefore, the fundamental adsorption mechanism of sodium oleate on rock dust surface was continuously investigated by means of using surface tension measurements, FTIR, Thermogravimetric, SEM analyses and constructing the species distribution diagram. Based on the surface tension measurements and calculated apparent surface area occupied by per oleate molecule, the monolayer adsorption of oleate on dust surface was proposed with oleate concentration falling between 0.1-0.15 wt% which guarantees the long-term surface modification efficiency. Calcium oleate started precipitating out of bulk solution and depositing on the dust surface when the oleate concentration was above 0.15 wt% which became more predominant under high oleate concentration. Super hydrophobic particles together with nucleated calcium oleate nanoparticles tend to increase particles aggregation significantly through attractive hydrophobic particle-particle interactive force, which renders the particles more agglomerated instead of dispersed. Systematic and economic evaluation of the wet form rock dusting process in underground coal mine applications was conducted at the end to determine the safety effects, potential benefits and improvement for future implementation. Suggestions for future work were given as well to shed light on the dusting process together with rock dust surface chemistry modification.

Le contexte des travaux concerne la vulnérabilité des structures aéronautiques face aux explosions. Reprenant le scénario de la ruine d'un fuselage lors d'un attentat à la bombe, trois axes de recherches concourent à la problématique posée dans le mémoire. Le premier est lié au chargement dynamique résultant de l'explosion d'un engin dans le fuselage de l'appareil. Le deuxième et le troisième concernent les assemblages, dont on cherche à caractériser et modéliser le comportement et la rupture sous chargements dynamiques. Concernant le chargement structural de type pression dynamique, une recherche appliquée vise à valider des méthodes d'interaction couplées fluide/structure pour mesurer l'onde de souffle, à développer d'autres méthodes d'interaction découplées fluide/structure pour permettre l'analyse de structures complètes et complexes, et à développer une méthode numérique pour le couplage d'une structure immergée dans un fluide. Dans le domaine de la caractérisation des assemblages pour le calcul des structures, la recherche expérimentale et numérique consiste à développer de nouvelles méthodes expérimentales fondées sur des essais normalisés permettant d'analyser le comportement et la rupture des fixations en modes pures et mixtes de traction/cisaillement pour des vitesses de déplacement quasi-statique et dynamique, et une méthode numérique alternative dite plan d'expérience numérique (ou 'virtual testing') pour étudier un assemblage depuis le procédé de rivetage, jusqu'à sa tenue dynamique. Enfin, une recherche fondamentale vise à améliorer la modélisation des assemblages en calcul de structures. Pour les fixations, un modèle au comportement non-linéaire reposant sur une formulation hybride est développé. Pour les tôles perforées, un modèle et un critère de rupture sont présentés, une approche multi-échelle et un élément fini hybride sont développés.