L’'accélérateur par effet stato en régime sous-détonatif, caractérisés par une vitesse du projectile inférieure à la célérité de la détonation dans le mélange considéré est, à l’'heure actuelle, le mieux connu. La compréhension des phénomènes mis en jeu dans cette technologie est subordonnée à une importante étude expérimentale associée à la mise au point de moyens numériques. C’'est l’'objet du travail présenté dans ce mémoire qui décrit numériquement, à l’'aide d’'un code CFD de combustion turbulente, le processus de combustion qui s’'opère autour du projectile. Les résultats, comparés aux données expérimentales existantes disponibles au Laboratoire de l’'Université de Washington, ont permis de parfaire la fiabilité d’'un code de calcul monodimensionnel en régime sousdétonatif. Les calculs analytiques font intervenir des équations d’'état dont la validité est discutée. La poussée générée par l’'accélérateur est calculée et les valeurs déduites de cette analyse 1D sont en excellent accord avec les expériences. Cette démarche a pour but d’'apporter une contribution en termes de prédiction des performances de poussée d’'un accélérateur à effet stato et de choix du mélange réactif optimal.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Mécanique et matériaux : Reims : 2004. / Titre provenant de l'écran titre. Réf. bibliogr. en fin de chapitres.

Pas de résumé

Les étoiles Miras sont des étoiles froides et évoluées (étoiles AGB), caractérisées par une variation de luminosité régulière et de longue période liée à une pulsation radiale. Cela se traduit par une atmosphère froide, étendue et faiblement liée gravitationnellement. Dans le spectre de ces étoiles, la détection variable d'émissions intenses dans les raies de Balmer de l'hydrogène est usuellement reliée à la propagation périodique d'une onde de choc radiative hypersonique dans l'atmosphère. Mon travail de thèse a eu d'abord pour objectif de confirmer l'existence d'une forte signature de polarisation linéaire accompagnant ces émissions, d'origine inconnue et déjà observée auparavant, et de caractériser son évolution temporelle. Je me base sur un suivi spectropolarimétrique inédit et effectué dans le cadre de ma thèse avec l'instrument NARVAL pour plusieurs Miras afin d'établir cette caractérisation. Ces suivis ont été réalisé sur tous les paramètres de Stokes (polarisation linéaire et circulaire) et surtout à des phases autour du maximum de luminosité.Un résultat majeur de ces observations est la détection systématique de signatures polarisées (polarisation surtout linéaire mais aussi parfois circulaire) liées aux émissions en intensité dans les raies de Balmer. L'utilisation d'un code de simulation d'atmosphère dynamique m'a permis de confirmer le lien entre une onde de choc et la présence d'émission dans ces raies, chose qui n'avait jamais été montrée par un modèle jusque là. Ces éléments me font affirmer que le mécanisme de polarisation est intrinsèque à l'onde de choc. La discussion sur l'origine de cette polarisation comporte deux grands axes : l'asymétrie globale de l'onde de choc amenant à une polarisation nette du rayonnement et la production locale dans le front du choc d'un champ magnétique responsable d'une polarisation par impact dans la zone de production des photons Balmer, c'est-à-dire le sillage du choc. D'autre part, j'invoque la possibilité d'une instabilité de Parker comme deuxième facteur de polarisation par impact et je discute le rôle potentiel de l'effet Hanle. / Mira stars are cool and evolved stars (AGB stars), characterized by a regular luminosity variation and a long period linked to a radial pulsation. All this imply a cool and extended atmosphere which is weakly linked by gravity. In the spectra of those stars, the variable detection of intense emissions in the Balmer lines of hydrogen are usually linked to the periodical propagation of a hypersonic radiative shock wave in the atmosphere. My thesis work's first objective was to confirm the existence of a strong polarimetric signature accompanying those emissions, whose origin is still unknown and already observed before, and to characterize its evolution through time. I rely on a novel spectropolarimetric survey, done in the framework of my thesis with the NARVAL instrument for several Mira stars in order to establish this characterization. Those surveys were done on all Stokes parameters (linear and circular polarization) and mainly during phases around the maximum of luminosity.A major result of these observations is the systematic detection of polarized signatures (mainly linear polarization but also circular sometimes) linked to the emissions in intensity in the Balmer lines. The use of a dynamical atmosphere simulation code allowed me to confirm the link between a shock wave and the presence of emissions in those lines. Such a result has never been been produced by a model until now. These elements make me state that the polarization mechanism is intrinsic to the shock wave. The discussion on the origin of such polarization consists of two main axes : the global asymmetry of the shock wave leading to a net polarization of the radiation and the local production in the shock's front of a magnetic field responsible for an impact polarization in the area of production of Balmer photons, namely the shock's wake. Besides that, I mention the possibility of a Parker instability as a second factor of impact polarization and I discuss the potential role of the Hanle effect.

Les chocs induits par laser de puissance permettent d'investir le comportement hautement dynamique des matériaux, d'un grand intérêt tant pour la recherche fondamentale que pour l'industrie. L'évolution des technologies laser ces dernières années a permis d'accéder à des régimes plus courts, en dessous de la picoseconde. L'objectif de ce travail, résultat d'une collaboration entre l'institut P', le PIMM et le CEA‐DAM est de caractériser le comportement sous choc de matériaux métalliques (Aluminium, Tantale,...) dans ce régime ultra‐bref, conduisant à des sollicitations dynamiques extrêmes (>107s‐1). L'étude repose sur la comparaison et la validation de modèles numériques à des résultats expérimentaux obtenus sur la chaîne 100TW du LULI. Cette caractérisation passe dans un premier temps par l'étude de l'interaction laser‐matière afin caractériser le chargement équivalent en pression sur la cible. Les processus en régime ultra‐bref sont différents de ce qui est connu en régime nanoseconde : en effet, l'échelle de temps, quelques picosecondes, est du même ordre que bon nombres de phénomènes moléculaires tel que le déséquilibre électrons‐ions. Ensuite, nous avons étudié l'évolution de l'onde de choc et son amortissement, très prononcé dans ce régime. L'écaillage dans une telle configuration se produit par couches très minces (quelques μm) et régulières dans ce régime. L'endommagement obtenu est caractérisé par la mesure VISAR. Les résultats obtenus par observations post‐mortem jusqu'à présent montrent que plus l'épaisseur de cible est faible, plus l'épaisseur d'écaille diminue, pouvant atteindre l'échelle du micron. Dans le cadre de la modélisation de l'endommagement et le dimensionnement des critères d'endommagement utilisés et éprouvés en régime nanoseconde (Kanel), des essais à différentes épaisseurs de cible ont été réalisés afin d'observer les conséquences d'une variation de vitesse de déformation sur l'endommagement, et généraliser le modèle de Kanel au régime ultra‐bref, et plus généralement en fonction de la vitesse de déformation. L'ensemble des résultats relatifs à l'endommagement est généralisé à des configurations 2D, permettant notamment de caractériser l'évolution du diamètre d'écaille. En parallèle, des simulations microscopiques par dynamique moléculaire de choc laser ultra‐bref sur des cibles monocristallines de Tantale à l'échelle du micron ont été menées au CEA‐DAM donnent un point de vue complémentaire des processus microscopiques liés à l'endommagement à des vitesses de déformation aux abords de la limite de cohésion théorique. Les résultats obtenus sur les chocs ultra‐brefs et 2D présentent un grand intérêt pour le développement du test d'adhérence de revêtements par choc laser (LASAT), offrant la possibilité de nouvelles extensions pour le procédé LASAT. Par exemple, de nombreux domaines industriels utilisent des revêtements micrométriques (optique, électronique, ...) mais il existe peu de méthodes pour caractériser leurs propriétés avec fiabilité. Des essais de transposition de LASAT en régime femtoseconde sur des cellules photovoltaïques ont démontré la possibilité d'éjecter des revêtements submicrométriques et caractériser leur seuil d'adhérence.

Les poussières sont un acteur important de l'évolution du milieu interstellaire, et plus généralement des galaxies. De nombreux modèles prédisent une destruction importante de ces poussières dans les chocs impulsés par les explosions de supernovæ, Ce constat impose de reformer les poussières dans la phase dense du milieu interstellaire. Dans cette thèse, nous nous intéressons au traitement des poussières dans les chocs MHD se propageant dans les nuages denses, premier pas vers une étude plus générale de l'évolution des poussières dans la phase froide du milieu interstellaire. Nous calculons l'intensité de la destruction des poussières silicatées et carbonées, par érosion et vaporisation, dans des chocs MHD transverses mono-fluides (type J) et multi-fluides (type C) de vitesse inférieure à 50 km/s. Les grains de poussières sont modélisés par des cœurs réfractaires sphériques, homogènes et non poreux, recouverts d'un manteau de glaces. La distribution en taille des poussières résultant de la compétition entre la fragmentation et la coagulation dans ces chocs est également calculée et couplée à la résolution de la dynamique du choc. La distribution de charge hors-équilibre des grains, leur dynamique à travers le choc (compte tenu de leur inertie et des fluctuations de leur charge), et le traitement qu'ils subissent sont intégrés en simultané de la résolution de la chimie, de l'état d'ionisation et de la dynamique du gaz dans le choc. Ce couplage complet, indispensable pour les chocs C, permet d'estimer l'effet rétroactif du traitement des poussières sur la dynamique du choc. Nous présentons la première étude de la destruction des poussières par les chocs J se propageant dans les nuages denses. Quelques résultats préliminaires sur le traitement dans les chocs C soulignent la place particulière qu'occupent les poussières dans ces chocs dont les propriétés rappellent celles des dusty plasmas.

Les décollements d'écoulement induits par choc et leur éventuel réattachement sur paroi sont observés dans de nombreuses configurations d'intérêt pratique, incluant les entrées d'air, les profils transsoniques ou les tuy`eres de lanceurs spatiaux. Ces phénom`enes mettent en jeu des interactions complexes entre couches limites et ondes de choc ou de détente conduisant à des instationnarités à basses fréquences dont l'origine reste aujourd'hui à élucider. Cette étude vise d'une part à proposer une stratégie numérique permettant de prévoir plus précisément ces phénom`enes de décollement et d'autre part d'identifier les principaux mécanismes physiques qui pilotent l'évolution de leur structure globale. L'étude porte plus particuli`erement sur les configurations de décollements libres ou séparés apparaissant en tuy`ere optimisée en poussée opérant en régime surdétendu. Différents mod`eles phénoménologiques sont ainsi testées pour décrire l'évolution du champ de pression instationnaire et dissymétrique en fonction du niveau de surdétente. La stratégie numérique proposée repose sur la combinaison de schémas à capture de choc d'ordre élevé (WENO 5), d'algorithmes d'intégration implicite en temps et d'une modélisation de la turbulence étendant l'approche Detached Eddy Simulation via l'ajout de corrections de réalisabilité. Une large plage de niveaux de surdétente est considérée, à la fois en condition d'entrée stabilisée et transitoire, afin de clarifier les conditions d'existence des différents régimes de décollements libres et restreints, ainsi que l'évolution temporelle de la morphologie globale de l'écoulement transitant entre ces deux régimes. L'évolution instationnaire de l'écoulement est simulée sur des temps suffisamment longs pour permettre une analyse spectrale des contributions des premiers modes azimutaux à la dynamique basse fréquence du champ de pression pariétale.

La dispersion de particules solides par explosif et leur inflammation dans l'air, ainsi que des effets de souffle générés sur le milieu connexe ont été étudiés par voie expérimentale et numérique. La configuration retenue est l'explosion en champ libre de charges sphériques, constituées d'un noyau central d'explosif solide (booster), entouré de particules inertes (billes de verre) ou réactives (particules d'aluminium). Les diagrammes de marche sont tracés à partir des résultats fournis par des capteurs de pression piezo-électriques et des images obtenues par cinématographie rapide et traitées numériquement par méthode de "Background Oriented Schlieren" (BOS). Des échantillons de particules capturés dans le nuage fournissent des informations sur leur état après l'explosion. Les résultats expérimentaux sont confrontés aux simulations numériques effectuées à l'aide du code de calcul d'écoulements réactifs multiphasiques EFAE du LCD. La frontière du nuage formé présente un aspect caractéristique en forme de dendrites, due à la formation d'agglomérats de particules de quelques millimètres. Après 1m de propagation, une partie de ces agglomérats dépasse le choc incident par effet balistique. Les particules de verre sont brisées par le choc. Elles ralentissent l'onde de souffle et diminuent son amplitude. L'effet des particules d'aluminium dépend de leur taille : avec les plus fines, on observe, après une phase initiale de ralentissement de l'onde de souffle, la ré-accélération de celleci et une augmentation de l'impulsion de pression. Avec les plus grosses particules, le choc s'atténue, mais leur combustion se traduit par une augmentation de la pression dans l'écoulement en arrière du front et un faible accroissement de l'impulsion. Les agglomérats recueillis indiquent que, dans tous les cas, la combustion de l'aluminium est incomplète. Les simulations numériques sont en accord raisonnable avec les résultats expérimentaux dans le champ lointain.

Le micro-écaillage désigne le phénomène de ruine par fragmentation d'un matériau fondu en partie ou complètement suite au passage d'une onde de choc intense et brève. Les lasers sont utilisés comme générateurs de choc à des fins scientifiques et industrielles. Ils se trouvent à la base de la recherche sur la fusion nucléaire par confinement inertiel. Dans ce contexte, la production de fragments à hautes vitesses par micro-écaillage peut endommager les installations dans lesquelles les expériences de choc sont menées. Les travaux de thèse, réalisés à l'Institut P' en collaboration avec différentes équipes du CEA, visent la compréhension et la modélisation de tous les processus mis en jeu dans le phénomène de micro-écaillage, dans le but de prévoir les risques encourus par les installations. Des expériences visant à étudier le micro-écaillage de cibles d'étain et d'aluminium soumises à des chocs laser ont été réalisées au Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses. Divers diagnostics complémentaires (Vélocimétrie Hétérodyne, récupération des éjectas, microtomographie) ont permis de caractériser les propriétés balistiques (distributions de tailles et de vitesses) des fragments composant le nuage micro-écaillé. En parallèle, des modèles de changements de phase et de fragmentation ont été adaptés pour simuler le micro-écaillage. Ces modèles ont été implantés dans un code de calcul pour prédire les tailles et les vitesses des débris générés dans les cibles d'étain et d'aluminium. L'association des résultats numériques issus de ces simulations et des résultats expérimentaux a permis la caractérisation des différentes étapes du micro-écaillage.

On a étudié la détonation de milieux hétérogènes composés d‟aérosols de gouttelettes de carburants liquides dans de l‟air, dans un tube de section carrée (53x53mm) et de longueur 4m, et plus particulièrement l‟influence de la granulométrie des gouttelettes sur les conditions d‟existence d‟une détonation, ses caractéristiques de propagation et l‟existence d‟une structure cellulaire analogue à celle observée dans les mélanges gazeux homogènes. Avec des carburants volatils (Heptane, Isooctane) la structure cellulaire a été mise en évidence pour des gouttelettes de diamètre d0=8 μm. En revanche, pour d0=30 ou 45 μm, on observe soit la détonation hélicoïdale, soit un régime limite de détonation avec de grosses cellules assez irrégulières. Dans des carburants moins volatils (Octane), des détonations n‟ont été observées que pour d0=8 et 30 μm, alors que pour d0=45μm, la détonation ne s‟établit pas, quelle que soit la richesse. Dans le cas de carburants peu volatils (Décane ou Dodécane), il n‟est pas possible d‟initier une détonation pour d0=30 ou 45 μm, mais seulement pour d0=8 μm, avec la structure cellulaire dans le cas du décane, et le régime de détonation hélicoïdal avec le dodécane. Un modèle numérique a été développé pour simuler les détonations dans des mélanges hétérogènes gaz/gouttelettes liquides. Pour d0=30 μm et d0=45 μm, il est nécessaire de prendre en considération la désintégration mécanique des gouttelettes sous l‟effet du choc incident pour obtenir une détonation. Pour d0=8μm, l‟étape de la désintégration n‟est pas requise. Les résultats concernant l‟influence de d0 sur la taille de la cellule de détonation sont en accord raisonnable avec les expériences.