Transition Combustion-Déflagration-Détonation d'un explosif secondaire poreux confiné. Influence de la microstructure - TEL - Thèses en ligne
Theses Year : 2021

Combustion-Deflagration-Detonation Transition of a Confined Porous High Explosive, Influence of the Microstructure

Transition Combustion-Déflagration-Détonation d'un explosif secondaire poreux confiné. Influence de la microstructure

Thomas Bouchet
  • Function : Author
  • PersonId : 1397660
  • IdRef : 196896371

Abstract

For the past years, the ISL has developed pyrotechnic devices based on the combustion of a confined High Explosive. To guarantee the reliability of those devices, we must be certain that the burning explosive will not transit into a detonation. On the other hand, for other devices, it would be interesting to detonate an explosive thermically initiated. Therefore, it is crucial to be able to perfectly control the Deflagration to Detonation transition occurrence. An experimental study has been conducted in order to study the influence of the explosive’s microstructure on the transition phenomenon. Three batches of HMX with different initial granulometries have been chosen (~1 μm, ~10 μm and ~100 μm). For each set of parameters (initial granulometry/compaction rate), a fine characterization using multiple technics (LASER diffusion granulometry, gaseous physisorption, Helium pycnometry, Mercury porosimetry) have been done to correlate the sample’s behaviour during a deflagration/detonation and its grain size, its specific surface and its porosity (number, pores size).The biggest granulometries happen to be highly fractured and after being compacted, the batches granulometries are not different enough to explain their behaviour differences when transiting into a detonation. Although, the mean pore size increases with the initial granulometry. The mean pore size also decreases when the compaction rate increases. Those finely characterised batches have been compacted in brass tubes to realise deflagration tests in order to determine the transition distance depending on the initial compaction rate. The explosive has been thermally initiated using a LASER source. The results show that the batch with the smallest initial grain diameter only transited once, for a low compaction rate. For the biggest batch, the transition distance has a non-monotone variation with a minimum around 70-75% of the TMD. The medium sized batch has a behaviour similar to the biggest batch, but with a strongest confinement. Overall, the biggest pores presence is likely to favour the transition phenomenon. Indeed, for the smallest pores, the compaction energy gets dissipated too fast in the solid to contribute to the heat generation.A reactive multiphasic 1-D model, stemming from the one submitted by Baer and Nunziato, was used to reproduce the transition distances depending on the explosive’s initial characteristics. It was tested for the batch with the biggest initial granulometry. This model contains three phases: a solid phase modelled with a Stiffened Gas EOS, a gaseous phase for the initial porosities modelled with Perfect Gases EOS and a phase for the detonation products modelled with a JWL EOS. The addition in the model of a parameter corresponding to the fluidization of the medium during the combustion allowed to simulate the explosive behaviour during a DDT, by taking into account a deconsolidative burning mechanism. The model was calibrated to partly reproduce the experimental results. We finally succeeded into reproducing numerous mechanisms cited in the bibliography like the convective burning, the plug formation, the transition into a detonation and the over-detonation occurring just after the plug.
Durant ces dernières années, l’ISL a développé des systèmes pyrotechniques basés sur la combustion d’explosif secondaire confiné. Afin de garantir la fiabilité de ces systèmes, il doit être certain que l’explosif qu’ils contiennent ne transitera pas en détonation. A l’inverse, pour d’autres applications, il pourrait être intéressant de faire détoner un explosif secondaire initié thermiquement. Il est donc impératif de pouvoir contrôler parfaitement l’occurrence ou non de la transition d’un régime de déflagration à un régime de détonation. Une étude expérimentale a été menée dans le but d’étudier l’influence de la microstructure sur le phénomène de transition. Trois lots de HMX ayant des granulométries initiales différentes ont été choisis (~1 μm, ~10 μm et ~100 μm). Pour chaque jeu de paramètres (granulométrie initiale/taux de compression), une caractérisation fine via diverses techniques (granulométrie par diffusion laser, physisorption gazeuse, pycnométrie hélium, porosimétrie au mercure) a été menée afin de corréler le comportement de l’échantillon en déflagration/détonation avec sa taille de grains, sa surface spécifique et sa porosité (nombres, dimension des pores). Les plus grosses granulométries se trouvent fortement fracturées et après compression, les granulométries des lots ne sont plus suffisamment différentes pour expliquer les différences de comportement observées quant à la capacité à transiter en détonation. Par contre, la taille moyenne des pores augmente avec la granulométrie initiale. La taille des pores diminue également lorsque le taux de chargement augmente. Ces trois lots finement caractérisés, ont été comprimés dans des tubes en laiton afin d’effectuer des tests de déflagration dans le but de déterminer dans le cas où la transition vers la détonation survient, la distance de transition en fonction du taux de chargement initial. L’explosif a été initié thermiquement à l’aide d’une source LASER. Les résultats montrent que le lot de diamètre initial le plus petit n’a transité que pour un taux de chargement très faible. Pour le lot le plus gros, la distance de transition a un comportement non monotone avec un minimum aux alentours de 70-75% de la TMD. Le lot de taille moyenne a lui un comportement semblable au plus gros lot mais lorsque le confinement présente une résistance accrue. Globalement c’est la présence de gros pores qui semble favoriser le phénomène de transition. En effet, dans le cas des plus petits pores, l’énergie de compaction se dissipe trop rapidement dans le matériau solide pour participer au dégagement de chaleur.Un modèle réactif multiphasique 1-D, issu du modèle proposé par Baer et Nunziato a été utilisé pour reproduire les distances de transition en fonction des caractéristiques initiales de l’explosif. Il a été testé pour le lot présentant la plus grosse granulométrie initiale. Ce modèle comprend trois phases : une phase solide modélisée par une équation d’état Stiffened Gas, une phase gazeuse pour les porosités initiales modélisée par une loi des gaz parfaits et une phase de produits de réaction modélisée par une équation d’état JWL. L’introduction dans ce modèle d’un paramètre de fluidisation du milieu en cours de combustion nous a permis de simuler le comportement de l’explosif au cours de la TCoDD, en s’appuyant sur la présence d’un mécanisme de combustion déconsolidante. Le modèle a été calibré afin de reproduire en partie les résultats expérimentaux. Nous sommes parvenus au final à restituer de nombreux mécanismes décrits dans la littérature comme la combustion convective, la formation d’un bouchon, la transition en détonation ainsi que le phénomène de sur-détonation présent juste après le bouchon.
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Dates and versions

tel-04634445 , version 1 (04-07-2024)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04634445 , version 1

Cite

Thomas Bouchet. Transition Combustion-Déflagration-Détonation d'un explosif secondaire poreux confiné. Influence de la microstructure. Autre. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2021. Français. ⟨NNT : 2021ESMA0013⟩. ⟨tel-04634445⟩
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