Modeling of the two-phase combustion of aluminum and application to the post-combustion of an explosive charge condensed in air
Modélisation de la combustion diphasique de l’aluminium et application sur la post-combustion d'une charge explosive condensée dans l'air
Résumé
The combustion of aluminum is a phenomenon present in many fields, such as the space, defense and automotive fields. Once ignited, an aluminum particle represents an excellent energy carrier for the surrounding flow with its high energy density. Its combustion with air, or with other oxidants, has been the subject of some experimental and numerical studies, which has highlighted one of the particularities of this two-phase combustion. During the aluminum combustion, it produces a species called alumina which exists only in the liquid phase in its burning gases. This particularity makes the modeling of the two-phase combustion of aluminum complex to model. The objective of this thesis is divided into two parts. The first part is to develop a model of two-phase combustion of aluminum with air. This modeling is an Euler-Lagrange simulation created with AVBP, which is a simulation code implemented by CERFACS. It takes into account the rapid combustion of aluminum in the gaseous phase and the phase changes that occur such as the melting and evaporation of aluminum, but also the condensation and solidification of alumina. A germination method is developed to allow the condensation of alumina in the burning gases and to follow its growth in a Lagrangian way behind the aluminum-air flame. This modeling allowed us to simulate 1D and 2D aluminum-air flames to compare them to the experimental data found in the literature. The second part of this thesis is the analysis of the dispersion and the energetic participation of aluminum in the post-combustion of an explosive charge. The phenomenon of post-combustion is very bright and rapid, which experimentally prevents knowing the evolution of the state of the aluminum particles initially contained in the explosive charge. These simulations make it possible to follow the dispersion of the particles and their interactions with the different phases that make up the post-combustion. An isolated particle combustion model is taken from the literature and adapted to our case study. Thus the influence of the physical presence of particles and of the heat released by their combustion could be evaluated on the evolution of the fireball and the propagation of the secondary shock. All of this thesis work, whether for the modeling of the aluminum-air flame and the analysis of the impact of aluminum on the post-combustion, showed convincing results compared to the data of the literature. The numerical models used and developed are promising for future studies on the combustion of aluminum.
La combustion de l'aluminium est un phénomène présent dans de nombreux domaines, tels que le domaine du spatial, de la défense et de l'automobile. Une fois allumée, une particule d'aluminium représente un excellent vecteur d'énergie pour l'écoulement environnant grâce à sa grande densité énergétique. Sa combustion avec l'air, ou avec d'autres oxydants, a fait l'objet de quelques études expérimentale et numérique, ce qui a mis en avant l'une des particularités de cette combustion diphasique. Lors de la combustion de l'aluminium, elle produit une espèce appelée alumine qui existe uniquement en phase liquide dans ses gaz brûlés. Cette particularité rend la modélisation de la combustion diphasique de l'aluminium complexe à modéliser. L'objectif de cette thèse est divisé en deux parties. La première partie est de développer un modèle de combustion diphasique de l'aluminium avec l'air. Cette modélisation est une simulation Euler- Lagrange réalisée avec AVBP, qui est un code de simulation mis en place par le CERFACS. Elle prend en compte la combustion rapide de l'aluminium en phase gazeuse et les changements de phase qui interviennent comme la fusion et l'évaporation de l'aluminium, mais aussi la condensation et la solidification de l'alumine. Une méthode de germination est développée pour permettre la condensation de l'alumine dans les gaz brûlés et suivre de façon lagrangienne sa croissance derrière la flamme aluminium-air. Cette modélisation nous a permis de simuler des flammes aluminium-air 1D et 2D pour les comparer aux données expérimentales trouvées dans la littérature. La seconde partie de cette thèse est l'analyse de la dispersion et de la participation énergétique de l'aluminium dans la post-combustion d'une charge explosive. Le phénomène de post-combustion est très lumineux et rapide, ce qui empêche expérimentalement de connaître l'évolution de l'état des particules d'aluminium contenues initialement dans la charge explosive. Ces simulations permettent de suivre la dispersion des particules et leurs interactions avec les différentes phases qui composent la post-combustion. Un modèle de combustion de particule isolée est repris de la littérature et adapté à notre cas d'étude. Ainsi l'influence de la présence physique des particules et de la chaleur dégagée par leur combustion a pu être évaluée sur l'évolution de la boule de feu et la propagation du choc secondaire. L'ensemble de ces travaux de thèse, que ce soit pour la modélisation de la flamme aluminium-air et l'analyse de l'impact de l'aluminium sur la post-combustion, a montré des résultats convaincants par rapport aux données de la littérature. Les modèles numériques utilisés et développés sont prometteurs pour des futures études sur la combustion de l’aluminium.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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