Cette étude traite de la détonation et de la Transition Déflagration Détonation, TDD, en conduite dans les mélanges binaires H2/C3H8-Air. L'accent est mis sur les mécanismes d'accélération de flamme en présence d'obstacles. Les grandeurs caractéristiques de détonation autonome (célérité, pression et taille de cellule) et la distance de TDD ont été mesurées pour différentes richesses et proportions d'hydrogène dans le propane. En particulier, les effets de l'obstacle (longueur et nature) et du diamètre du tube sur la TDD ont été examinés. Les résultats montrent que les corrélations classiques Taille de cellule - Longueur d'induction chimique pour la détonation et Taille de cellule - Longueur de transition pour la TDD - bien établies pour les mélanges simples - restent valables pour ces mélanges binaires. L'addition du C3H8 à H2 diminue la détonabilité du combustible binaire. Des visualisations d'accélération de flamme par ombroscopie ont été réalisées à l'aide de caméras ultra-rapides dan le but d'identifier les mécanismes physiques contrôlant ce processus pour différentes configurations d'obstacles. Les enregistrements ont mis en évidence deux phases de propagation. Dans la première, les instabilités intrinsèques de la flamme, l'augmentation de sa surface ainsi que la combustion turbulente retardée - résultant de la zone de recirculation entre deux obstacles successifs - jouent un rôle prédominant. Dans la deuxième, l'accélération est contrôlée par l'interaction du front de flamme et des ondes de choc réfléchies sur les obstacles ou sur les parois du confinement. Il en résulte une forte accélération de la flamme avec établissement d'un régime de blocage thermique qui, dans certaines conditions, mène à l'apparition de la détonation.

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.

Un programme de la méthode des caractéristiques (MOC) à une dimension a été construit pour évaluer le rejet des produits gazeux d’un moteur pulsé par des ondes de détonation. Une comparaison avec des résultats expérimentaux et des simulations numériques à deux dimensions a démontré que les simulations à une dimension sont assez précises. Un algorithme semi-empirique été créé pour modéliser l’accélération d’une flamme de déflagration et ensuite comparé à des resultats expérimentaux. Malgré des résultats prometteurs, ils n’étaient pas suffisamment précis pour permettre la modélisation d’une déflagration à une détonation. Des configurations différentes ont été évaluées avec le code MOC afin de comprendre quels paramètres optimisaient le rejet de gaz. Les paramètres modifiés ont été l’emplacement de l’initiation de la détonation, la vitesse de remplissage, et les remplissages partiels. Chaque configuration a aussi été simulée avec une tuyère à géométrie fixe optimisée et une tuyère à géométrie variable. Les résultats ont démontré que l’impulsion d’un moteur avec une tuyère à géométrie variable augmente d’au plus 15 % en comparaison à un moteur sans tuyère. L’augmentation de l’impulsion d’un moteur avec une tuyère fixe est la moitié de celle d’une tuyère variable avec une diminution correspondante de la poussée moyenne. Pour les conditions initiales du mélange au repos, la différence de l’impulsion pour la détonation directe à la tête et celle de la détonation à la sortie est négligeable. Le temps pour évacuer la chambre était toujours plus court pour des détonations directes à la sortie. Si la vitesse de remplissage augmente, ça devient très avantageux d’amorcer la détonation à la sortie. Ces avantages sont une diminution minimale de l’impulsion spécifique, une augmentation plus grande de la poussée moyenne, un temps de cyclage plus long, et une meilleure performance avec une tuyère fixe. Des simulations avec un remplissage partiel ont démontré qu’ils ne remplacent pas une tuyère pour récuperer les pertes. Pour des tuyères fixes, la longueur de remplissage partielle peut être plus que la moitié de la longueur totale avant que la poussée moyenne commence à diminuer significativement. / A one-dimensional method-of-characteristics (MOC) code was developed to examine the venting of pulse detonation engines. Comparison with experimental results and twodimensional computational fluid dynamics demonstrates that a reasonably accurate level of simulation can be achieved with a single spatial dimension. A semi-empirical, deflagrative, flame-acceleration model was also constructed and compared to experimental results. While the results were promising, they were not sufficiently accurate to allow for modelling of deflagration-to-detonation transition. Several configurations were then examined with the MOC code to determine which parameters optimized the venting of the exhaust gases. The parameters varied were the location of detonation initiation, the filling velocity, and the distribution of reactants (partial fills). Each configuration was also simulated with a practical, fixed-geometry nozzle that was optimized, and a theoretical, variable-geometry nozzle. The results indicate that a variable nozzle increases the impulse by less than 15 % over a configuration with no nozzle. The impulse gain from a fixed nozzle is about half that of a variable nozzle, with a corresponding decrease in average thrust. For quiescent initial conditions, the differences in impulse between detonations initiated at the closed head and the open tail are negligible, although tail-initiated detonations consistently provided faster blow-down times. With increased filling velocity, tail initiated detonations provide several benefits. These include a smaller decrease in specific impulse, a larger increase in average thrust, a longer cycle time, and better performance with a fixed nozzle. Simulations with partial fills showed that they do not replace nozzles in recovering losses. For fixed nozzles, the partial-fill length can be as much as half the total length of the tube before the average thrust begins to decrease significantly.

Les processus physico-chimiques de propagation des détonations dans les mélanges hétérogènes gaz-particules solides ou gaz-gouttelettes liquides ont été analysés à partir de simulations numériques de la structure cellulaire de détonation. Dans le cas des suspensions de particules d'aluminium, deux modèles de combustion ont été incorporés au code de calcul EFAE du LCD. En utilisant un seul paramètre d'ajustement pour se calibrer sur les résultats expérimentaux existants, on obtient des valeurs raisonnables de la largeur caractéristique de la structure cellulaire = 40 cm pour le mélange Al/Air et = 5-10 cm pour le mélange Al/O2. L'influence du diamètre des particules dp0 a été mise en évidence sur les longueurs de zones d'induction Li et de combustion Lc (Li dp0 et Lc d1:8 p0 ) et sur la structure cellulaire : d1:4 p0 . Contrairement au cas des détonations gazeuses, l'inflammation des particules n'a pas lieu derrière les points triples, mais dans les zones de basse pression où la concentration en particules est plus faible, permettant ainsi leur inflammation rapide. Le régime hélicoïdal de détonation a été simulé pour la première fois dans les mélanges de particules d'aluminium en suspension dans atmosphère gazeuse oxydante. Les valeurs du rayon critique de détonation Rc et de l'énergie critique d'initiation Ec (obtenues par extension des corrélations établies dans les gaz) ont été prédites : Rc = 1 m, Ec = 105 J (Al/O2) et Rc = 8 m, Ec = 5.12 x 107 J (Al/Air). Elles sont confirmées par les expériences existantes. Dans le cas d'aérosols de gouttelettes d'hydrocarbures, un modèle d'évaporation basé sur le mode dit de "stripping" derrière un choc et sur le régime diffusif, couplé à une cinétique chimique à deux étapes (induction-combustion), a été incorporé au code. Les premières simulations de la structure cellulaire pour les mélanges air-octane mènent à une taille de cellule en accord avec les résultats expérimentaux existants ( = 4-5 cm).

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.

Plusieurs évènements astrophysiques comme les novae, les supernovae de type Ia (SNeIa) et les sursauts X sont le résultat d'une combustion thermonucléaire explosive dans un plasma stellaire. Les supernovae comptent parmi les objets astrophysiques les plus fascinants tant sur le plan théorique que sur celui des observations. Au moment de l'explosion, la luminosité d'une supernova peut égaler celle de l'intégralité des autres étoiles de la galaxie. On admet aujourd’hui que les SNeIa résultent de l'explosion thermonucléaire d'une étoile naine blanche, un objet dense et compact composé de carbone et d'oxygène. Divers chemins évolutifs peuvent conduire à l’explosion de la naine blanche si celle-ci est membre d’un système stellaire binaire. Néanmoins, la nature du système binaire, les mécanismes d'amorçage et de propagation de la combustion thermonucléaire ainsi que le rapport carbone/oxygène au sein de l'étoile compacte ne sont pas encore clairement identifiés à ce jour. En ce qui concerne l’écoulement réactif, on invoque ainsi une détonation (Modèle sub-Chandrasekhar), une déflagration ou la transition d'une déflagration vers une détonation (Modèle Chandrasekhar). La détonation semble donc jouer un rôle prépondérant dans l'explication des SNeIa. <p>Les difficultés de modélisation des détonations proviennent essentiellement (i) de la libération d'énergie en plusieurs étapes, de l’apparition d’échelles de temps et de longueurs caractéristiques très différentes (ii) des inhomogénéités de densité, de température et de composition du milieu dans lequel se propage le front réactif et qui donnent naissance aux structures cellulaires et autres instabilités de propagation du front (extinctions et réamorçages locaux). <p>En plus de celles citées ci-dessus, deux autres difficultés majeures inhérentes à l'étude de ce mode de propagation dans les plasmas stellaires sont rencontrées :la complexité de l’équation d’état astrophysique et la cinétique nucléaire pouvant impliquer plusieurs milliers de nucléides couplés par plusieurs milliers de réactions. Ainsi, les premiers travaux impliquant une combustion thermonucléaire explosive ont été réalisés sur bases d'hypothèses simplificatrices comme l'équilibre nucléaire statistique instantané des produits de réactions ou l'utilisation d'un réseau réduit à une dizaine d'espèces nucléaires. Dans tous ces travaux, la détonation est assimilée à une discontinuité totalement réactive (détonation de Chapman-Jouguet ou CJ). La résolution de l'onde de détonation nécessite l'étude détaillée du processus nucléaire se déroulant dans la zone de réaction. Malheureusement, les supports de calculs actuels ne permettent pas encore ce type de simulations pour les détonations astrophysiques. Le modèle ZND qui constitue une description unidimensionnelle stationnaire de l’écoulement (plan ou courbé) constitue une excellente approximation de la réalité. <p>Notre travail réexamine les résultats des calculs des structures des ondes de détonations stellaires dans les conditions de température, de densité et de composition envisagées dans les travaux de ce type (détonation CJ et ZND) réalisés jusqu’à présent mais avec une équation d’état appropriée aux plasmas stellaires et une cinétique nucléaire nettement plus riche ;le plus grand réseau jamais utilisé pour ce genre d’études (333 noyaux couplés par 3262 réactions), prenant en compte les données les plus récentes de la physique nucléaire (vitesses de réaction et fonctions de partition)./Several astrophysics events like novae, supernovae and X burts, result from an explosive thermonuclear burning in stellar plasma. Type Ia Supernovae (SNeIa) count amoung the most fascinating stellar objects, they can be more brighter than an entire galaxy. Astrophysic works show that SNeIa may result from a thermonuclear explosion of a compact and dense star called carbon-oxygen white dwarf. The ignition stage and the propagation mode of the thermonuclear combustion wave are not identified yet. The Deflagration-to-Detonation Transition process (or "delayed detonation") sims to give the best overall agrements with the observations :detonations can play appart in SNeIa events. <p><p>Simulating thermonuclear detonations count same difficults. The most important are the burning length scales that spent over more than ten oders of magnitud, the nuclear kinetics that involve thousands of nuclids linked by thousands of nuclear reactions and the stellar plasma equation of state (EOS). Hydrodynamical simulations of detonation use very simplified ingedients like reduced reactions network and asymptotic EOS of completely electron degenerate stellar plasma.<p><p>Our work is the modelling of these detonations using more representative EOS of the stallar plasma that includs ions, electrons, radiation and electron-pistron pairs. We also use a more <p>detailed kinetic network, comprising 331 nuclids linked by 3262 capture and photodisintegration reactions, than those usualy employed.<p> <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished