Dans un contexte de protection des biens et des personnes, le CEA DAM s’intéresse aux mousses aqueuses pour leur capacité à confiner une détonation.D’une part, le but est d’atténuer les effets de souffle liés à la détonation d’un engin explosif. D’autre part, il est souhaitable de ralentir ou de capturer les particules solides, potentiellement nocives, qui pourraient être dispersées.L’objectif de cette thèse est de comprendre les phénomènes physiques sous-jacents à ces deux problématiques, au travers de la réalisation d’expériences et de leur modélisation numérique.Les mousses aqueuses sont des milieux diphasiques, assemblages de bulles de gaz encapsulées dans une matrice de films liquides et de Bords de Plateau.Cette étude se concentre sur les mousses communément dites sèches, i.e. dont la fraction volumique de liquide est inférieure à 5%. Les travaux réalisés sont présentés en trois grandes parties. La première concerne la propagation des ondes de choc dans les mousses aqueuses. Elle présente une campagne expérimentale en tube à choc, menée à l’ENSTA Bretagne, dont les résultats permettent la mise en évidence de l’influence du gaz composant la mousse sur le ralentissement et l’atténuation du front de choc.La deuxième partie s’intéresse à l’atténuation des ondes de souffle issues d’une détonation. Deux campagnes ont été conduites : l’une à l’ISAE-ENSMA en mettant en œuvre un tube à détonation rempli d’un mélange réactif gazeux, l’autre au CEA/Gramat en utilisant la détonation d’un explosif solide en champ libre. Ces deux configurations amènent à l’observation de l’atténuation des phénomènes de souffle provenant de la détonation.Le modèle numérique qui s’appuie sur un formalisme multiphasique compressible, a permis d’appréhender la phénoménologie et l’importance relative des différents mécanismes de transferts entre phases, en y incluant notamment deux étapes de fragmentation de la mousse. Les résultats expérimentaux des trois précédentes campagnes et les résultats numériques sont en très bon accord.La dernière partie concerne l’étude du ralentissement et de la capture de particules micrométriques par la mousse aqueuse. Deux campagnes ont été menées à cet effet. La première consiste à étudier la dynamique à haute vitesse d’un nuage de particules métalliques, qui a été projeté par un explosif au sein d’une mousse. A l’aide de radiographies X, la position et la forme du nuage sont analysées au cours de sa propagation. Le freinage des particules parla mousse est manifeste. La deuxième campagne quantifie le taux de particules capturées par un confinement de mousse aqueuse.Ainsi, une comparaison de la dispersion de particules métalliques micrométriques a été effectuée pour différentes tailles de confinement. Ces résultats ont permis d’attester des bonnes propriétés de capture des particules dispersées par une charge explosive dans les mousses aqueuses. / In order to improve the protection of goods and persons, the French CEA DAM is interested in aqueous foams for their ability to mitigate the detonation outcome. Two objectives are put forward. The first one is to attenuate the blast effects induced by the detonation of an explosive device. The second one is to slow down or to capture potentially harmful solid particles, which could be dispersed by the considered device.As such, the aim is to understand the underlying physics of such phenomenon. Several experiments have been undertaken and compared to a multiphase numerical modelling.Aqueous foam is a two-phase medium, composed of gaseous bubbles within a liquid matrix made of films and Plateau Borders. This study focuses on dry aqueous foams, i.e. with a liquid volumic fraction lower than 5%. The presentation of the study is divided into three parts. The first one deals with the shock wave propagation through aqueous foam. An experimental campaign on a shock tube, at ENSTA Bretagne, is presented, whose results highlight the influence of the gas which fills the cells of the foam on the shock front behavior.The second part is related to the blast wave attenuation. Two experimental campaigns were conducted: one in a detonation tube with a reactive gaseous mixture, at ISAE-ENSMA and another one, using condensed explosive, at CEA/Gramat. In both cases, the results lead to the mitigation of the detonation induced blast effects.There is a good agreement between these three experimental results and the numerical results from the multiphase model. This enables us to clarify the phenomenology and quantify the different interphase exchange, which evolve as the foam fragmentation proceeds in two steps.The last part is about the aqueous foam ability to slow down or to capture micrometric particles. Two campaigns were conducted on this subject. The first one studied the high velocity dynamics of a cloud of particles propelled by an explosive into an aqueous foam. Using X-ray radiography, both the position and the shape of the cloud are analysed during its propagation through the foam. A strong decrease in speed of the particles is observed. The second campaign aimed to quantify the particle ratio captured by an aqueous foam confinement. To that end, several sizes of aqueous foam confinement have been compared. The results show the good properties of the foam to inhibit the particle dispersal by an explosive.

Polyimides epitomize one of the most versatile high-performance engineering polymers. Polyimides are inherently mechanically robust, chemically inert, and thermooxidatively stable to 400+ °C depending on their chemical structure, enabling their function in numerous aerospace, electronic, medical, and flame-retardant applications. Polyimides can be highly modular even within synthetic limitations, which promotes and sustains innovative research. One recent interest concerns the innovation of fire suppression foams. Aqueous film-forming foams (AFFFs) are regularly sought when engaging liquid fuel (gasoline, jet fuel) fires. AFFFs utilize perfluorinated compounds (PFCs) like perfluorooctanesulfonic acid (PFOS) and perfluorooctanoic acid (PFOA), which exhibit toxicity, bioaccumulation, and persistence in the environment resulting in the presence of fluorosurfactant chemicals in environments either through direct or secondary exposure via chemical migration. Recently, the USEPA has even detected PFAS in drinking water at hundreds of military training facilities and civilian airports. While fluorinated compounds provide desirable thermooxidative stability and excellent fire retardancy, the environmental impact imposed by these chemicals strongly encourages research that targets the complete removal of PFCs in conventional formulations. This thesis focuses on the fundamental development of water-soluble sulfonated polyimide (sPI) and poly(amic acid) (sPAA) systems for next-generation polymer-based fire suppression foams. The use of sulfonated monomers and poly(amic acid) salt formation enables tunable structures and water solubilities. The polymers maintain competitive thermal stabilities to conventional polyimides and, when combined with readily available, non-toxic surfactants (SDS), produce stable foams. The MIL-F-24385F performance requirement evaluates foam quality/stability, drainage time, and burnback resistance to access viability and provides comparison to other systems; preliminary testing shows that sPI/sPAA formulations perform well. Solution rheology offers insights into fundamental scaling relationships of specific viscosity vs. concentration in both salt and salt-free solution that are important to future foam development. Additionally, the structural nature of the sPIs/ sPAAs allows for their modification with phosphonium moieties or siloxanes, which are slated to have positive effects on performance. Overall, these sPIs and sPAAs provide a promising platform for the future direction of fire suppression foams. / Master of Science / High-performance polymers are used in the most demanding of engineering applications. Polyimides represent one of the most versatile high-performance polymers. Polyimides are mechanically strong, chemically inert, and resistant to extreme temperatures depending on their chemical structure, allowing their use in numerous aerospace, electronic, medical, and flame-retardant applications. Polyimides are synthetically versatile, which enables the discovery of new uses after decades of research. One new targeted application is fire suppression foams. Aqueous film-forming foams (AFFFs) are the standard when battling liquid fuel (gasoline, jet fuel) fires. AFFFs contain perfluorinated compounds (PFCs), which are toxic and persist in the environment; they migrate easily to affect indirectly exposed ecosystems. Recently, the USEPA has even detected PFAS in drinking water at hundreds of military training facilities and civilian airports. While AFFFs with PFCs are highly effective, replacement materials are needed. This thesis focuses on the fundamental development of water-soluble sulfonated polyimide (sPI) and poly(amic acid) (sPAA) systems for fire suppression foams. The polymers remain thermally stable, and when combined with readily available surfactants (SDS), produce stable foams. Preliminary fire testing shows that sPI/sPAA formulations perform well against military specifications. Solution rheology (study of flow) explores the solution behavior of sPI, which offers insights into fundamental concentration-viscosity relationships that are important to future foam development. Additionally, the structural nature of the sPIs/ sPAAs allows for their modification with phosphonium groups or siloxanes, which changes their characteristics. Overall, these sPIs and sPAAs are initially promising for the future direction of fire suppression foams.

La lutte contre les effets des Engins Explosifs Improvisés (EEI) constitue un enjeu majeur pour la sécurité intérieure et pour la protection des Forces Armées déployées à l’extérieur du territoire national. Parmi différents matériaux poreux, il a été démontré expérimentalement depuis les années 70 que les mousses aqueuses présentent une capacité à atténuer les ondes de choc. Différents mécanismes d’atténuation ont déjà été identifiés mais leur quantification reste encore peu expliquée. L’objectif de cette étude est de décrire les mécanismes physiques d’interaction d’une onde de choc sphérique entraînant de multiples fragments métalliques avec un volume de mousse aqueuse. En fonction de la distance entre la charge et la couche d’absorption, le choc est susceptible d’arriver avant les fragments, modifiant ainsi significativement la structure de la mousse et ses capacités d’atténuation et de ralentissement. Des essais de fragment unitaire ont été menés sur une configuration monodimensionnelle, essais dont les conclusions ont été validées sur une charge complète en champ libre à l’Institut franco-allemand de recherche de Saint Louis (ISL) dans le groupe "Protection contre les Explosifs". Des mesures de pression en tube à choc couplées à des visualisations d’interaction entre un choc et une couche de bulle ou une bulle unitaire ont permis de préciser la modification de la structure de l’onde de choc par la mousse. Ces essais ont été réalisés au LBMS (ENSTA Bretagne) et dans le groupe de recherche "Aérodynamique, mesures et simulations" (ISL) où il est possible de générer des profils de type souffle en tube à choc. / The fight against Improvised Explosive Device (IED) effects represents a permanent challenge for homeland security and armed forces protection deployed abroad. Aqueous foam was identified as a protective technology against blast effects in the 1970s. Several physical characteristics can account for this attenuation but their relative influences are still not completely determined and require further investigation. The objective of this study is to improve the knowledge of the physical phenomena governing the interaction between an aqueous foam layer and a shock/metallic fragments combination. Depending on the distance between the explosive charge and the absorption medium, the shock is likely to arrive before the fragments consequently modifying the foam structure. Experiments with a single fragment were undertaken in a one dimensional configuration. Obtained results were applied to predict the foam mitigation capability against a complete explosive charge detonated in free field at the French-German Research Institute of Saint-Louis (ISL) in the research group "Protection against Explosives". Pressure measurements in shock tube with visualization of shock/bubbles interaction provided precise information on the foam structure evolution during the impact process. These last experiments were conducted in LBMS (ENSTA Bretagne) and in the research group "Aerodynamic, Measurements and Simulations" (ISL), using a shock tube generating blast wave profiles.

L’extraction de matières premières du sol à des fins énergétiques (récupération assistée d’huile) et environnementales (dépollution des sols) fait l’objet de recherches intensives en lien avec des thématiques telles que la séquestration du carbone ou la fracturation hydraulique. L’objectif est de trouver des méthodes moins destructives, moins gourmandes en matériel et en énergie, mais aussi plus efficaces et moins coûteuses. Nous proposons d’étudier une méthode alternative aux moyens conventionnels avec l’utilisation de mousses aqueuses comme agent extracteur d’huile. Les mousses aqueuses sont souvent utilisées en présence d'huile : dans des applications quotidiennes comme la cosmétique et la détergence, mais aussi dans des domaines moins connus comme la décontamination des centrales nucléaires ou l’industrie pétrolière. Ainsi, des tensioactifs et du gaz sont couramment injectés dans le sol afin d'améliorer les procédés de récupération de pétrole. Nous explicitons deux mécanismes d'extraction que nous quantifions en termes d'efficacité et de stabilité. Tout d'abord, la mousse peut aspirer de l'huile en son sein, comme le ferait une éponge. Ensuite, lorsque celle-ci est mise en écoulement, elle peut entraîner de l'huile confinée dans la rugosité d'une surface par cisaillement. Notre étude s’appuie en particulier sur une analyse théorique et expérimentale, à la fois multi-échelle, statique et dynamique pour laquelle nous avons systématiquement fait varier les paramètres géométriques (configuration de l'huile, taille des bulles et fraction volumique de liquide dans la mousse) et physico-chimiques (tensions interfaciales, rigidité des interfaces entre bulles et viscosité) / The extraction of raw materials from the soil for energetical (enhanced oil recovery) and environmental purposes (soil remediation) is the subject of intense fundamental and applied research. This field is related to other important topics, such as carbon sequestration and hydraulic fracturing. The goal is to find fewer destructive, as well as energy and material-saving methods. These techniques should also be cost-effective and more efficient. To find a substitution to conventional means, we study an alternative method that puts aqueous foams on the map as the extraction material. Aqueous foams are often used in numerous daily applications, such as cosmetics and detergency, but also in less known fields, such as the decommissioning of nuclear power plants and the oil industry. Thus, surfactants and gas are commonly injected into the soil to improve the recovery processes of oil. We explain two extraction mechanisms that we quantify in terms of efficiency and stability. On one hand, the foam is able to absorb oil, similarly to a solid sponge. On the other hand, when a flow of foam is induced, the foam can entrain oil confined in the roughness of a surface by shearing the oil-water interface. Our work especially lies on a theoretical and experimental analysis, which is multiscale, static and dynamic. We systematically vary the geometrical parameters (oil configuration, bubble size and liquid fraction in the foam) and the physical and chemical parameters (interfacial tensions, interfacial rigidity and viscosity)

Ce travail porte sur l’étude expérimentale et numérique de l’écoulement des mousses humides dans un canal horizontal droit de section carrée avec ou sans singularités. Il est consacré tout particulièrement à déterminer les paramètres pertinents de l’écoulement dont la chute de pression longitudinale, les champs de vitesse de l’écoulement de mousse en proche parois, les épaisseurs de films liquides minces et épais en paroi et l’évolution de la contrainte pariétale pour une mousse humide dont la fraction gazeuse varie de 55 à 85% et la vitesse débitante de la mousse est 2, 4 puis 6 cm/s. Une fois ces paramètres déterminés en conduite horizontale droite, nous avons ensuite effectué des mesures sur différentes géométries représentant un élargissement brusque, une chicane verticale et écoulement de mousse autour d’un cylindre, dont le but est d’étudier la réorganisation de l’écoulement en vue de déterminer le comportement rhéologique des mousses en écoulement à l’aval et à l’amont des singularités. Finalement, une étude de simulation numérique (CFD) en utilisant les lois de comportement de type Bingham, pour fluides non newtoniens, a été effectuée afin de tester sa capacité de représenter des écoulements type mousse humide dans une conduite horizontale avec ou sans singularités. Nous avons vérifié tout d’abord l’évolution longitudinale de la pression statique qui est linéaire à l’amont comme à l’aval loin des zones influencées par les singularités. La chute de pression singulière reste à peu près constante pour une vitesse débitante donnée de la mousse. À partir de la technique de Vélocimétrie par Image de Particule (PIV), nous avons déterminé les composantes de vitesse au voisinage immédiat des singularités. Ces mesures nous ont permis de mettre en évidence l’existence de différents régimes d’écoulement, et de déterminer la réorganisation et le comportement rhéologique de l’écoulement de mousse autour des géométries étudiées. L’analyse des mesures d’épaisseur de films liquides, obtenues par la méthode conductimétrique, indique que la paroi reste mouillée par un film liquide suffisamment épais pour qu’on puisse appliquer la méthode électrochimique. Les signaux polarographiques obtenus avec la mousse présentent alors de fortes fluctuations. La comparaison de celles-ci avec les contraintes pariétales déduites à partir des mesures de la chute de pression montre bien une bonne concordance. L’étude numérique (CFD), effectuée pour une fraction volumique de gaz égale à 70% et qui s’écoule avec une vitesse débitante de 2 cm/s, montre que le modèle rhéologique de Bingham pourrait être bien adapté à ce genre de mousse humide évoluant en écoulement en bloc. / This work is an experimental and numerical study of aqueous foam flow inside a horizontal square duct, with and without flow disruption devices (fdd). It is especially devoted to determine the pertinent parameters of the flow: longitudinal pressure losses, velocity fields of foam flow near the walls, liquid film thickness (thick and thin), and the wall shear stress evolution, for an aqueous foam with a void fraction range between 55 and 85%, for a mean foam flow velocity of 2, 4 and 6 cm/s. Once they were determined, inside the horizontal channel, we carried out measurements over different geometries: half-sudden expansion, vertical fence and foam flow around a cylinder. The goal was to study the foam flow reorganization to well understand the rheological behavior of aqueous foam flow in the vicinities of different fdd. Finally, a numerical simulation (CFD), using the Bingham behavior model of non-Newtonian fluid, was undertaken to test its capacity to represent the aqueous foam flow inside the horizontal duct with flow disruption devices. First of all, we verified the static longitudinal pressure evolution, which varies linearly upstream and downstream far from the fdd. The singular pressure loss remains constant for a given mean foam velocity and a foam quality (void fraction). From the Particle Imaging Velocimetry (PIV) technique (2D), we determined the two velocity components in the immediate vicinities of the disruption devices. They allowed us to put into evidence the different foam flow regimes and to observe the foam flow reorganization and rheological behavior through the studied fdd. The slip-layer thickness analysis, obtained using the conductimetry method, shows that the wall presents a liquid film thick enough to apply an electrochemical technique (polarography). Thus, the polarographic signals, obtained for the foam flow, present important fluctuations. They were compared to the wall shear stress deducted from the measurement of pressure losses, showing a good similarity between them. The numerical study (CFD), carried out for aqueous foam flow with a void fraction of 70% and a mean foam flow velocity of 2 cm/s, shows that the Bingham rheological model can be adapted to this kind of aqueous foam flow which is flowing like a block.