Rhéologie de suspensions concentrées de matériaux énergétiques recyclables – Modélisation du temps de coulée - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2008

Rheology of concentrated suspensions of recyclable energetic materials – Flow time model.

Rhéologie de suspensions concentrées de matériaux énergétiques recyclables – Modélisation du temps de coulée

Résumé

In order to limit the handling of pyrotechnical products presenting a risk with respect to the mechanical and thermal shocks, new energetic formulations have emerged. Among these Extremely Insensitive Detonating Substances, the industrial partner Nexter Munitions implements a formulation labeled XF13333 which has the property of being recyclable.

Before being in solid state, XF13333 explosives are in the form of suspensions whose solid volume fraction is about 55%. The flow ability of these pastes is governed by the rheology of concentrated suspensions. The method of preparation used by the industrial partner being the melt-cat process, the aim of the work presented in this manuscript is to propose a model that can predict the time required for an energetic concentrated suspension to flow by gravity from an agitated mixing reactor to an initially empty shell body.

The study of the influence of the solid volume fraction on the rheological behaviour of model inert suspensions has been performed. Two grains sizes scales have been considered: micrometric and nanometric. Depending on the particles size, pastes adopt different rheological behaviours: the suspension containing micrometric particles adopts a Newtonian behaviour, while the suspension containing nanoscaled particles evolves from a Newtonian to a yield stress fluid (Bingham or Herschel-Bulkley) behaviour.

Then, we investigated the influence of the state of organization of the solid phase, which can be described by the maximum volume fraction of solid. We have studied the influence of this parameter on the rheological behaviour of suspensions. Given the strong behavioural analogy between a paste of explosives and cement, we took benefit from researches conducted over past years in civil engineering. In particular, we used the De Larrard model to calculate the maximum volume fraction of solid from the size distribution of the grains of the mixture.

To characterize the rheology of XF13333suspensions, the use of a Couette rheometer is not appropriate because the particle sedimentation and the destabilization of the emulsion – which constitutes the suspending fluid – make the suspension inhomogenous. To maintain its usage function (i.e. homogeneous), we developed an unconventional rheometer and applied the Couette analogy. It emerged from this experimental study that the suspensions are Ostwal fluids.

The modelling of the flow time for XF13333 suspensions in industrial configuration is based on the Quemada viscosity relationship. The theoretical values have been compared with the experimental values of emptying time of a certain amount of XF13333 suspensions. It appears that the proposed flow time model matches the reality correctly.
Afin de rendre plus sûre la manipulation de produits pyrotechniques présentant par nature un risque d'explosion accidentelle vis-à-vis des agressions mécaniques et thermiques extérieures, de nouvelles formulations ont vu le jour. Parmi ces « Matières Détoniques Extrêmement Peu Sensibles », le partenaire industriel Nexter Munitions met en œuvre une formulation labellisée XF13333 qui a par ailleurs la propriété d'être recyclable.

Avant d'être à l'état solide, les explosifs de type XF13333 se présentent sous forme de suspensions dont la fraction volumique solide est de l'ordre de 55%. L'aptitude à l'écoulement de ces pâtes est donc gouvernée par la rhéologie des suspensions concentrées. Le procédé de préparation utilisé par le partenaire industriel étant de type coulée-fondue, l'objectif des travaux présentés dans ce manuscrit est de proposer un modèle prédictif du temps que met une suspension concentrée en matériaux énergétiques à s'écouler gravitairement depuis un réacteur agité de mélange vers un corps d'obus initialement vide.

L'étude de l'influence de la fraction volumique solide sur le comportement rhéologique de suspensions modèles inertes a d'abord été envisagée. Deux échelles de taille de grains ont été considérées, l'une micrométrique et l'autre nanométrique. En fonction de la taille des particules, la pâte adopte différents comportements rhéologiques : la suspension constituée de particules micrométriques adopte un comportement newtonien tandis que la suspension constituée de particules nanométriques passe d'un comportement newtonien à un comportement de fluide à seuil, de type Bingham ou Herschel-Bulkley.

Nous nous sommes ensuite intéressés à l'influence de l'état d'organisation de la phase solide que l'on peut décrire par la fraction volumique maximale de solide. Nous avons étudié l'influence de ce paramètre sur le comportement rhéologique des suspensions. Etant donné la forte analogie de comportement entre une pâte d'explosifs et le ciment, nous nous sommes intéressés aux travaux de recherche menés depuis de nombreuses années dans le secteur du génie civil. En particulier, nous avons utilisé le modèle de De Larrard pour calculer fraction volumique maximale de solide à partir des distributions en taille des grains constituant le mélange.

Pour caractériser la rhéologie des suspensions XF13333, l'utilisation d'un rhéomètre de Couette n'est pas adaptée car la sédimentation des particules et la déstabilisation de l'émulsion formant le fluide suspendant rendent la suspension inhomogène. Pour la maintenir dans sa fonction d'usage (i.e. homogène), nous avons développé un rhéomètre non conventionnel et appliqué l'analogie de Couette. Il est ressorti de cette étude expérimentale que ces suspensions complexes sont des fluides d'Ostwald.

La modélisation du temps d'écoulement des suspensions XF13333 en configuration industrielle s'est fondée sur l'expression de la viscosité d'une suspension concentrée de Quemada. Les valeurs théoriques ont été comparées aux valeurs expérimentales de temps de vidange d'un certain volume de suspension concentrée XF13333.. Il est ressorti que le modèle de temps d'écoulement proposé représente correctement la réalité.
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Dates et versions

tel-00276364 , version 1 (29-04-2008)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00276364 , version 1

Citer

Jean-Philippe Guillemin. Rhéologie de suspensions concentrées de matériaux énergétiques recyclables – Modélisation du temps de coulée. Sciences de l'ingénieur [physics]. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 2008. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00276364⟩
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