Microscopic dynamics and macroscopic properties of structured reactive systems : Exothermic chemical wave fronts and plaster setting
Dynamique microscopique et propriétés macroscopiques de systèmes réactifs structurés : fronts d'onde chimiques exothermiques et prise du plâtre
Résumé
The fi rst part of this thesis is devoted to the study of the one-dimensional propagation of exothermic chemical wave fronts at different scales. In a macroscopic approach, the heat released by the reaction couples together the convection-reaction-diffusion equation and the hydrodynamics equations. This work exhibits a transition between a propagation regime which is mainly determined by the chemical reaction for small heat release and a propagation regime mainly determined by the fluid equation of state and hydrodynamics equations for larger heat release. Such a bifurcation is exemplifi ed on a perfect gas and a van der Waals fl uid. These results are con firmed by a microscopic simulation of particle dynamics using the Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) method for a dilute gas. In a second part are devised a crystallization model for gypsum needles from calcium sulfate hemihydrate grains as well as a simulation algorithm of plaster setting at a submicrometric scale. This last approach is compared with a deterministic description and a stochastic approach through a master equation. The effects of a confidential industrial treatment on the kinetics and morphology of the resulting material are satisfactorily explained thanks to the definition of physically meaningful fitting parameters.
Cette thèse traite, dans une première partie, de la propagation unidimensionnelle de fronts de réactions exothermiques, à différentes échelles de description. Dans une approche macroscopique, la quantité de chaleur dégagée par la réaction vient coupler l'équation de convection-réaction-diffusion et les équations de l'hydrodynamique. Ce travail montre l'existence d'un domaine interdit de vitesses de propagation pour un front d'onde chimique stationnaire. Il met en évidence une transition entre une propagation principalement déterminée par les processus de réaction-diffusion, pour de faibles chaleurs de réaction, et une propagation principalement déterminée par les équations de l'hydrodynamique et l'équation d'état du fluide, pour une quantité de chaleur plus importante. Cette bifurcation est illustrée dans les cas d'un gaz parfait et d'un fl uide de van der Waals. La simulation microscopique de la dynamique des particules par la méthode 'Direct Simulation Monte Carlo' (DSMC) permet de retrouver ces résultats pour un gaz dilué. Dans une seconde partie, cette thèse développe un modèle de précipitation d'aiguilles de gypse à partir de grains d'hémihydrate de sulfate de calcium ainsi qu'un algorithme de simulation de la prise du plâtre à une échelle submicrométrique. Les résultats de simulation sont comparés à ceux issus d'une approche déterministe et d'une approche stochastique par une équation maîtresse. En dégageant un ensemble de paramètres ajustables et interprétables physiquement, le modèle permet de proposer une explication de l'effet d'un traitement industriel con dentiel améliorant la cinétique de formation et la morphologie du matériau final.
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