La détermination des propriétés des matériaux soumis à des chocs est un enjeu essentiel dans de nombreux domaines industriels. L’objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle méthode fondée sur l’interrogation en bande millimétrique d’un solide soumis à un choc. Deux paramètres doivent être mesurés simultanément, la vitesse du choc et la vitesse matérielle associée afin de pouvoir construire la polaire de choc du matériau d’étude. Dans un premier temps, un état de l’art des techniques de mesure existantes est réalisé pour cibler les performances et limites de l’existant. Dans un second temps, on s’intéresse à la modélisation de la propagation des ondes électromagnétiques dans des milieux à plusieurs interfaces en mouvement et avec un gradient d’indice pour représenter des cas de choc soutenu et non soutenu. Enfin, des campagnes expérimentales d’impact plan sont présentées sur différents matériaux, inertes et explosifs, pour confronter la théorie développée aux résultats de mesure. Pour le cas des chocs soutenus, les résultats sont en très bon accord et permettent de valider le modèle. Le cas des chocs non soutenus est plus complexe. Une approche par réseau de neurones est envisagée pour permettre de remonter aux vitesses et aux indices de réfraction. Enfin, des mesures de la permittivité complexe de nombreux explosifs sont présentées.

Th. doct. - ing.--Phys. des gaz et des plasmas--Grenoble 1, 1979. N°: 119.

De nos jours, la sécurité des installations publiques, industrielles ou militaires est une problématique majeure. Les phénomènes de détonations en champ libre sont bien connus et documentés. Néanmoins les modèles et les lois mises en place ne s’appliquent pas dans le cas d’explosions confinées.Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse portent sur l’étude de la propagation des ondes de choc dans des géométries simples et fermées. Différents paramètres ont été étudiés tels que l’influence du volume, de la position d’amorçage ou encore de la taille de l’évent.Les essais réalisés à petite échelle, dans deux maquettes expérimentales ont permis de mettre en place des lois prédictives portant sur les principaux paramètres de l’onde de choc incidente et réfléchie que sont la surpression maximale, le temps d’arrivée ainsi que l’impulsion.Ces lois ont ensuite été implémentées dans un code de calculs permettant d’automatiser la recherche des réflexions et des différents paramètres associés dans des configurations géométriques simples. / Nowadays, the security of public, industrial or military area is a major concern. Free-field blast are well known and documented. Nevertheless, the models and laws developed do not apply in case of confined explosions. The study focuses on the propagation of shock waves in simple closed geometries. Various parameters have been studied such as the volume, the charge position or the size of vents. The small scales experiments carried out in two experimental models, made it possible to set up predictive laws on the main parameters of the incident and reflective shock wave, such as the maximum overpressure, the arrival time and the impulse.These laws were then implemented in a calculation program to automate the search of reflections and associated parameters in simple geometric setup.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du développement d’outils métrologiques avancés pour la mécanique des fluides, et en particulier pour les souffleries. La Background Oriented Schlieren (BOS) 3D, développée à l’ONERA, est une technique qui exploite la déviation des rayons lumineux par un milieu non homogène pour mesurer la masse volumique. Elle consiste à comparer l’image de référence d’un fond texturé avec l’image de ce même fond en présence d’un écoulement. La corrélation entre ces deux images permet de calculer la déviation des rayons lumineux. En réalisant une acquisition simultanée à partir de différents points de vue, il est possible de reconstruire le champ de masse volumique associé, par résolution d’un problème inverse. Afin de poursuivre le développement de la technique, nous avons tout d’abord développé une chaîne de traitement plus systématique puis amélioré la robustesse de notre algorithme de reconstruction. Après avoir réalisé une validation sur des données de synthèse, nous avons mise en œuvre notre méthode sur un banc d’essais comportant 12 caméras. Par la suite, la technique a été déployée pour la première fois en soufflerie sur un jet chaud subsonique. Lors de cette campagne, elle a été validée par comparaison avec des mesures de température. Des acquisitions couplées BOS 3D et stéréo PIV ont également été effectuées. Une démonstration à l’échelle d’une soufflerie industrielle a ensuite été réalisée dans la soufflerie S1MAde l’ONERA. Les problématiques rencontrées sur les écoulements compressibles lors de ces essais ont ensuite conduit à étudier de manière plus approfondie les écoulements présentant de forts gradients d’indice optique. Un banc de mesure BOS 3D a été conçu en laboratoire afin d’optimiser la mesure d’un jet sous-détendu. Sur cette configuration, de très bon accords ont été obtenus avec la littérature ainsi qu’avec une simulation DES. A travers cette étude, nous avons étendu le domaine d’application de la BOS 3D aux écoulements compressibles et démontré son utilisation en soufflerie. La qualité des résultats obtenus démontre le potentiel offert par la technique pour l’analyse physique des écoulements. / This PhD work is part of the development of advanced metrological tools for fluid dynamics, especially for wind tunnel applications. 3D Background Oriented Schlieren (BOS), which has been developed at ONERA, is a line-of-sight technique which takes advantage of light rays deviation through an inhomogenous index media to measure density. It consisted in comparing a reference image of a textured background with the image of the background with the flow in presence. Image correlation can then be used to compute light rays deviations. Performing such acquisition from multiple view points, allows to reconstruct the corresponding density field, by solving an inverse problem. In order to pursue the technique development, we first elaborate a systematic processing chain and improved the robustness of the reconstruction algorithm. After validating our method on synthetic data, we applied it on a 3DBOS bench equipped with 12 cameras. Thereafter, the technique has been set up for the first time in a wind tunnel environment, on a subsonic hot jet configuration. During this test campaign, the technique has been validated via thermocouples measurements.Moreover, 3DBOS and stereo-PIV coupled acquisitions have been performed. Thereafter, a demonstration in industrial wind tunnel has been performed in ONERA S1MA facility. Compressible flows issues encountered during those tests lead us to finer analysis high density gradient flows. A 3DBOS test bench has been built in laboratory in order to optimize underexpanded jet measurements. On this specific configuration, very good agreements have bee obtained in comparison with literature and with a DES simulation. This study has allowed the extension of 3DBOS application domain to compressible flows and it has demonstrated its use in a wind tunnel environment. The quality of the results highlights the technique potential for flows physical investigation.

Ces travaux de thèse présentés dans ce mémoire concernent l’évolution d’onde de souffle en milieu non-idéalisé. L’évolution d’une onde de souffle en champ libre peut être décrite par divers résultats empiriques disponibles dans la littérature ou par des formulations théoriques. Pourtant, dès qu’il est question d’approuver les résultats d’un code de simulation décrivant l’évolution une onde de souffle dans un milieu complexe, les connaissances sur le développement des ondes en milieu idéalisé ne suffisent plus. Dès lors, il faut acquérir de nouvelles données expérimentales afin de valider les différents outils de simulation du CEA. Les résultats de ce mémoire s’inscrivent dans ce projet. Des essais à petite échelle ont été dimensionnés afin de correspondre à un scénario avec une nature d’explosif différente de celle employée au laboratoire. La charge utilisée est gazeuse et est constituée de propane-oxygène en proportion stœchiométrique. Pour mesurer les différentes caractéristiques des ondes de souffle et d’acquérir de nouveaux résultats, deux systèmes de mesure ont été utilisées. Des capteurs de pression ont été installés au sol, couplés à un système de visualisation avec une caméra rapide dont le montage se rapproche de l’ombroscopie. Plusieurs configurations ont permis d’avoir une base solide sur les grandeurs définissant les ondes incidentes et réfléchies en champ libre. L’étude porte essentiellement sur la réflexion de Mach. Par la suite des obstacles isolés ont été installés sur le parcours d’une onde incidente ou de Mach afin de représenter des effets de surface. Les résultats ont montré une modification des caractéristiques et de la morphologie des ondes à l’aval des obstacles. / The study presented in this thesis concerns the evolution of a shock wave in a non-idealized environnment. The evolution of a free-field shock wave can be described by various empirical results found in the literature or by theoretical formulations. However, as soon as it is a question of approving the results of a simulation code describing the evolution of a shock wave in a complex environnment, knowledge about the development of waves in a free-field is no longer sufficient. Therefore, new experimental data must be acquired to validate the different simulation tools in-house. The results of this thesis are part of this project. Small-scale tests have been sized to fit a scenario with an explosive nature different from that used in the laboratory. The source used is gaseous and made of propane oxygen at a stoichiometric proportion. To measure the different characteristics of a shock wave and to acquire new results, two measurement systems were used. Pressure sensors have been installed on the ground, coupled with a visualization system with a high speed camera whose is close to shadowscopy. Several configurations allowed to have solid basis on the characteristics defining the incident and reflected shock waves in free field. The study focuses on Mach's reflection moreover on Mach stem. Subsequently isolated obstacles were installed on the path of an incident wave or Mach’s reflection to represent surface effects. The results showed a change in the characteristics and morphology of the waves downstream of the obstacles.

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse s'inscrivent dans le cadre des études liées aux dégâts sur les structures et les blessures subies par les personnes à la suite d'explosions de charges explosives en milieu confiné et semi-confiné. Afin de mener cette étude, des expériences sont réalisées à petite échelle en laboratoire et sont complétées par des simulations numériques. Les ondes de choc sont obtenues grâce à la détonation d'une charge explosive gazeuse composée de propane-oxygène en proportion stoechiométrique. L'étude consiste donc à réaliser des expériences à petite échelle en laboratoire afin d'apprécier les champs de pression obtenus à la suite de la détonation d'une charge explosive au sein de deux configurations différentes. La première représente un atelier pyrotechnique et la seconde met en jeu un entrepôt de stockage de bouteilles de gaz. Les résultats expérimentaux sont ensuite confrontés à des résultats obtenus par simulations numériques réalisées grâce au logiciel AUTODYN. En complément de ces deux configuration principales, une étude est menée sur l'identification des pics de surpressions réfléchis grâce à une approche expérimentale appelée paroi par paroi. Une étude est également menée sur la détermination d'une équivalence massique entre le TNT et le mélange gazeux utilisé pour les expériences.

Abstract : This project aims at the simulation, design, fabrication and testing of a microscale shock tube. A step by step procedure has been followed to develop the different components of the microscale shock tube and then combine them together to realize the final device. The document reports on the numerical simulation of flows in a microscale shock tube, the experimental study of gas flow in microchannels, the design, microfabrication, and the test of a microscale shock tube. In the first step, a one-dimensional numerical model for simulation of transport effects at small-scale, appeared in low Reynolds number shock tubes is developed. The conservation equations have been integrated in the lateral directions and threedimensional effects have been introduced as carefully controlled sources of mass, momentum and energy, into the one-dimensional model. The unsteady flow of gas behind the shock wave is reduced to a quasi-steady laminar flow solution, similar to the Blasius solution. The resulting one-dimensional equations are solved numerically and the simulations are performed for previously reported low Reynolds number shock tube experiments. Good agreement between the shock structure simulation and the attenuation due to the boundary layers has been observed. The simulation for predicting the performance of a microscale shock tube shows the large attenuation of shock wave at low pressure ratios. In the next step the steady flow inside microchannels has been experimentally studied. A set of microchannels with different geometries were fabricated. These microchannels have been used to measure the pressure drop as a function of flow rate in a steady compressible flow. The results of the experiments confirm that the flow inside the microscale shock tube follows the laminar model over the experiment's range of Knudsen number. The microscale shock tube is fabricated by deposition and patterning of different thin layers of selected materials on the silicon substrate. The direct sensing piezoelectric sensors were fabricated and integrated with microchannels patterned on the substrate. The channels were then covered with another substrate. This shock tube is 2000 µm long and it has a 2000 µm wide and 17 µm high rectangular cross section equipped with 5 piezoelectric sensors along the tube. The packaged microscale shock tube was installed in an ordinary shock tube and shock waves with different Mach numbers were directed into the channel. A one-dimensional inviscid calculation as well as viscous simulation using the one-dimensional model have also been performed for the above mentioned geometry. The comparison of results with those of the same geometry for an inviscid flow shows the considerable attenuation of shock strength and deceleration of the shock wave for both incident and reflected shock waves in the channel. The comparison of results with numerically generated results with the one-dimensional model presents good agreement for incident shock waves. // Résumé : Ce projet vise à la simulation, la conception, la fabrication et l'essai d'un tube à choc a l'échelle micrométrique. Une procédure étape par étape a été suivie pour développer les différentes composantes du tube à choc à l'échelle micrométrique, puis les assembler pour la réalisation finale du dispositif. Le document rend compte de la simulation numérique, de l'étude expérimentale de l'écoulement du gaz dans les microcanaux, de la conception, de la microfabrication, et de l'essai d'un tube à choc à l'échelle micrométrique. Dans la première étape, un modèle numérique unidimensionnel pour la simulation des effets de transport à des petites échelles dans des tubes à choc à faible nombre de Reynolds, est développé. Les équations de conservation ont été intégrés latéralement et les effets tridimensionnels ont été mis en place avec des sources bien contrôlées de masse, du moment et de l'énergie, dans un modelé à une dimension. L'écoulement non stable du gaz après le choc est réduit à un flux laminaire quasi permanent, solution similaire à la solution de Blasius. Les équations unidimensionnelles résultantes sont résolues numériquement et des simulations sont effectuées pour des expériences précédemment rapportées de tube à choc en faible nombre de Reynolds. II y a une bonne correspondance entre la structure du choc et la simulation. L'atténuation due à la couche limite a été observée. La simulation pour prédire les performances d'un tube à choc à l'échelle micrométrique a montré la grande atténuation de l'onde de choc à faible taux de pression. Dans l'étape suivante, le flux constant à l'intérieur des microcanaux a été étudié expérimentalement. Quelques microcanaux avec différentes géométries ont été fabriqués. Ces microcanaux ont été utilises pour mesurer la chute de pression en fonction du débit dans un écoulement compressible flux stable. Les résultats de l'expérience confirment que l'écoulement à l'intérieur du tube à choc à l'échelle micrométrique suit le modèle laminaire sur un large éventail de nombre de Knudsen. Le tube à choc à l'échelle micrométrique est fabrique par les dépôts et gravure des différentes couches minces de certains matériaux sur un substrat de silicium. Des capteurs piézoélectriques à détection directe sont fabriques et intégrés avec les microcanaux caïques sur le substrat. Les canaux sont ensuite recouverts d'un autre substrat. Le tube à choc est long de 2000 µm et a une section rectangulaire de 2000 µm de large et 17 µm de haut et es téquipé avec 5 capteurs piézoélectriques dans le tube. Le tube à choc à l'échelle micrométrique est installé dans un tube à choc standard afin d'entre exposés à une onde de choc avec différents nombres de Mach. Un calcul unidimensionnel inviscide ainsi que la simulation visqueuse avec le modèle unidimensionnel a aussi été effectué pour cette géometrie. La comparaison des résultats avec ceux obtenus avec la même géométrie avec avec un flux Inviscid montre une large atténuation de la force de choc et une décélération de l'onde de choc pour les deux ondes de choc incidentes et réfléchies dans le canal. La comparaison de résultats avec les résultats générés numériquement par modèle unidimensionnel pressent un bon accord pour onde de choc de l'incident.

L'instabilité de Vishniac est invoquée pour expliquer la fragmentation et la filamentation de la coquille fine de matière choquée présente dans les restes de supernova radiatifs. Toutefois l'implication et les conséquences de ce processus spécifique sur la morphologie complexe des restes de supernova ne sont pas entièrement démontrées. Nous avons réalisé des simulations numériques 2D d'une onde de souffle perturbée qui se propage dans un milieu ambiant homogène afin de mieux comprendre le mécanisme de l'instabilité de Vishniac. Le code hydrodynamique HYDRO-MUSCL 2D a été utilisé afin de déclencher la perturbation de la coquille fine dans les géométries plan-parallèle et sphérique. Dans ce travail, je montrerai que nous avons obtenu la surstabilité de Vishniac (" Vishniac overstability ") comme prédit par l'analyse théorique. Ce processus repose sur une oscillation d'amplitude et de période temporelle croissante des grandeurs fluides et spatiales. Nous avons testé l'effet de paramètres spécifiques sur la variation de masse d'une région donnée dans le cadre d'une étude paramétrique que nous avons réalisée sur le supercalculateur Titane. Nous avons trouvé que la perturbation est atténuée après quelques oscillations de la variation de masse pour tous les jeux de paramètres. Ainsi nous concluons que dans notre modèle, l'instabilité de Vishniac ne permet pas la fragmentation de la coquille fine à cause d'effets qui ne sont pas pris en compte par l'analyse théorique.

La généralisation du procédé d’assemblage par collage au sein des structures aérospatiales, aéronautiques et automobiles est confrontée au besoin d’évaluation non destructive quantitative des assemblages. Le procédé de test d’adhérence par choc laser (LASAT) répond à cette problématique par la sollicitation calibrée des joints collés et l’utilisation de diagnostics non-destructifs pour déterminer l’état résiduel des joints suite à cette sollicitation qui doit décoller les joints faibles et préserver l’intégrité structurelle des assemblages corrects. La détermination des paramètres laser optimaux pour mettre en œuvre ce test d’épreuve non-destructif (ND-LASAT) est réalisée par l’application d’une méthodologie bien définie. Cette dernière implique la caractérisation par une approche expérimentale et numérique de l’assemblage considéré, suivie d’une phase d’optimisation. La diversification des configurations d’interaction-laser matière impliquées dans ces configurations optimisées nécessite de disposer d’outils numériques pour prédire les chargements appliqués aux joints collés. Dans cette étude, le développement et la validation de modèles intégrés dans un code multi-physique répond à ce besoin. Un effort particulier a été porté sur l’évaluation de la précision des chargements simulés. Enfin, la démonstration du procédé ND-LASAT sur trois différents assemblages collés a été réalisée, validant ainsi la méthodologie et la chaine numérique développées dans cette étude. / Bonding process generalization within aerospace, aeronautical and automotive structures faces the need of quantitative non-destructive evaluation of assemblies. Laser shock adhesion test (LASAT) meets this requirement by applying a calibrated stress to bonded joints and using non-destructive diagnostics to determine the post-shock state of the joint. The calibrated stress must disbond weak joints and keep correct assemblies intact. Optimal laser parameters determination aims at implementing this non-destructive proof test (ND-LASAT). It is achieved through application of a well-defined methodology, which implies the concerned assembly characterization by an experimental and numerical approach, followed by an optimization step. Optimization implies diversification of laser-matter configurations. Use of numerical tools for predicting loadings applied to bonded joints is then required. Models development within a multi-physics code is proposed and validated here to respond to this need. A significant effort has been made for evaluating models’ precision. Experimental demonstration of ND-LASAT process is achieved on three different bonded assemblies, and thus validating both methodology and numerical chain developed in this study.

Cette thèse porte sur la simulation numérique d'un écoulement interne compressible, ins- tationnaire et turbulent à l'aide de la Simulation des Grandes Echelles (SGE). Dans cette approche, les grandes échelles énergétiques et instationnaires de l'écoulement sont calcu- lées, tandis que les petites échelles sont modélisées. L'objectif de ce travail, réalisé en collaboration avec le Consortium Industrie-Recherche dans les Turbomachines (CIRT) et le LEMFI, est d'analyser les potentialités de la SGE pour le calcul d'écoulements confinés en géométrie 3D en vue d'applications aux turboma- chines. Le cas d'étude retenu pour la validation de la méthodologie est l'écoulement dans une tuyère 3D transsonique pour lequel il existe de nombreux résultats statistiques (LEMFI) et expérimentaux (ONERA). La tuyère est caractérisée par une bosse en flèche sur la paroi basse génératrice d'effets 3D. L'écoulement, sans rotation, présente cependant les phénomènes physiques complexes d'interaction onde de choc/couche limite et de large dé- collement, comme ceux rencontrés au sein des turbomachines. La SGE est obtenue à partir d'un modèle de sous maille d'échelles mixtes développé au LIMSI-CNRS. La discrétisa- tion temporelle des équations est réalisée par un schéma de Runge-Kutta explicite d'ordre deux. Les flux Euler sont discrétisés par un schéma TVD d'Harten-Yee d'ordre deux tandis que les flux visqueux le sont par un schéma centré. La SGE a permis d'obtenir des informations instationnaires sur l'écoulement, et de mettre en évidence la formation et le lâcher de tourbillons dans la tuyère. La solution insta- tionnaire est différente de la solution stationnaire RANS obtenue avec une modélisation statistique classique et montre l'oscillation du choc et la déstabilisation du décollement au cours du temps. Les résultats de la SGE obtenus sur le nombre de Mach isentropique, les profils de la vitesse moyenne et les tensions de Reynolds sont discutés et comparés aux résultats expérimentaux (ONERA) et statistiques, obtenus avec le modèle de Launder- Shima (LEMFI). Le bilan de l'énergie cinétique turbulente (k) est analysé et comparé à celui donné par la modélisation statistique, dans le décollement. Les résultats de la SGE montrent des différences notables avec les résultats statistiques dans le c÷ur de la tuyère : les termes de fluctuations de pression importants mesurés dans le choc sont pris en compte par la SGE.