Metal particles are commonly added to commercial explosives in order to increase the energy density and the performance of the explosive. The addition of metal particles introduces additional physical phenomena during the expansion phase of the detonation products. The present thesis addresses two specific phenomena: i) the contribution of the secondary combustion of metal particles to the flow and ii) the aerodynamic interaction between two particles as they travel outwards at supersonic speeds. Part of the total energy contained within a metalized explosive is released on a very short timescale by the detonation and the remainder is released on a much longer timescale by the afterburning of reactive metal particles. The location and range of afterburning metal particles has a direct influence on the performance of the explosive by augmenting the impulse imparted by the flow onto a nearby structure. Different scenarios of energy partitioning were investigated using 1D modelling to determine the general effects of afterburning on the overall performance of the explosive. For a given total explosive energy, the blast wave pressure and impulse are primarily dependent on the following parameters: the proportion of energy released due to afterburning, the rate of energy release, the location at which the secondary energy release begins and the range over which it occurs. It is shown that secondary energy release is likely to generate a larger impulse compared to the case with no afterburning. It is also shown that the impulse augmentation is primarily the result of the reduction in the rate of decay of the blast front and the strengthening of the secondary and tertiary shocks (through increasing the local gas temperature and thus the velocity of the shocks), thereby delaying the onset of the negative phase. Hence, for certain values of the aforementioned parameters, the peak blast wave impulse may be increased by a factor of two. The greatest augmentation in impulse is achieved when the secondary energy is released directly behind the blast wave rather than uniformly within the detonation products. The explosive dispersal of metal particles from the detonation of metalized explosives results in characteristic spatial distributions of the particle cloud. One such characteristic structure that is observed to form is a coherent particle jet. The stability and persistence of these jets is the result of aerodynamic interaction between the particles. At low particle concentrations, shock and wake interactions influence the forces acting on neighbouring particles, and thus affect their motion. The simplest case of the aerodynamic interaction between two particles in proximity is investigated to determine the interaction forces. By varying the relative location of the downstream particle and analyzing the flow field features, three zones of influence in the wake of the lead particle are identified, which are denoted as the entrainment, lateral attraction, and ejection zones. A non-dimensional representation of the zones of influence is proposed. Using a pseudoforce field generated from the drag and lift data, particle trajectories are calculated. It is shown that dynamic entrainment of particles can occur even when the path of the trailing particle originates outside the entrainment and lateral attraction zones. / Des particules métalliques sont couramment ajoutées aux explosifs industriels afin d'augmenter la densité d'énergie et la puissance de l'explosif. L'addition de ces particules métalliques introduit des phénomènes physiques supplémentaires lors de la phase de la dilatation des produits de détonation. Cette thèse aborde deux phénomènes particuliers: i) la contribution de la combustion secondaire des particules métalliques à l'écoulement et ii) l'interaction aérodynamique entre deux particules qui se déplacent vers l'extérieur à des vitesses supersoniques. Une partie de l'énergie totale de l'explosif est libérée très rapidement lors de la détonation alors que le reste de l'énergie est libéré sur une échelle de temps beaucoup plus longue par la combustion résiduelle des produits de la détonation. L'endroit et la portée de la combustion résiduelle ont une influence directe sur la performance de l'explosif en augmentant l'impulsion de l'écoulement appliquée sur une structure avoisinante. Divers cas de répartition d'énergie provenant de l'explosif ont été examinés en utilisant la modélisation en 1D afin the déterminer l'effet de la combustion résiduelle sur la performance générale de l'explosif. Pour une énergie totale prédéterminée de l'explosif, la pression et l'impulsion de l'onde de choc sont dépendent des paramètres suivants: la portion de l'énergie libérée par la combustion résiduelle, la vitesse de la libération de l'énergie, l'endroit òu débute la libération de l'énergie secondaire et la portée de la libération de l'énergie secondaire. Il est démontré que la libération de l'énergie secondaire peut produire une impulsion plus grande que dans le cas d'une explosion sans combustion résiduelle. Il est aussi démontré que l'augmentation de l'impulsion est essentiellement causée par la réduction de la détérioration de l'onde de choc primaire et l'accroissement de la force des ondes de choc secondaires et tertiaires (par l'augmentation locale de la température du gaz ainsi que la vitesse des chocs), ce qui retarder le début de la phase négative. Par conséquent, pour certaines valeurs des paramètres susmentionnés, la valeur maximale de l'impulsion libérée par l'explosion peut être doublée. L'accentuation la plus marquée de l'impulsion survient lorsque l'énergie secondaire est libérée juste derrière l'onde de choc, plutôt qu'uniformément dans les produits de la détonation. La dispersion rapide des particules métalliques suite à la détonation des explosifs métallisés engendre des distributions spatiales caractéristiques du nuage de particules. Une de ces configurations caractéristiques observée est la formation d'un jet de particules cohérent. La stabilité et la persistance de ces jets est le résultat de l'interaction aérodynamique entre les particules. Aux faibles concentrations des particules, les interactions des ondes de choc et des sillages influencent les forces qui s'exercent sur les particules avoisinantes, et ainsi leur mouvement. Le plus simple cas de l'interaction aérodynamique entre deux particules voisines a été examinée afin de déterminer les forces qui s'exercent sur les particules. En variant la position relative de la particule en aval et en analysant les propriétés du champ d'écoulement, trois zones d'influence dans le sillage de la particule de tête ont été identifiées, qui sont définies comme les zones de l'entraînement, de l'attraction latérale et de l'éjection. Une représentation adimensionnelle des zones d'influence est proposée. En utilisant un champ de forces d'inertie généré par les données de traînée et portance, les trajectoires des particules ont été calculées. Il est démontré que l'entraînement dynamique peut se produire même si le point d'origine de la trajectoire de la particule affectée se trouve hors des zones de l'entraînement et de l'attraction latérale.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.103500 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Zarei, Zouya |
| Contributors | David Frost (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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