Multiphase Eulerian modeling of thermite combustion applied to the Al/CuO couple
Modélisation Eulérienne muliphasique de la combustion de thermite appliquée au couple Al/CuO
Résumé
ome metals, such as aluminum (Al), burn at very high temperatures (2000 - 4000 K) and can, when mixed with strong oxidizers such as copper oxide (CuO), deliver extremely high actuating power in a small volume (cm3) thanks to the large amount of chemical energy stored. For example, fine sub-micron Al powders mixed with metal oxide powders form a highly energetic, deflagrating mixture capable of performing a wide range of functions (heating, cutting, pushing, destroying, initiating....) in military, civil and space applications. The aim of this doctoral thesis was to develop the first combustion models for Al powders with CuO (known as thermites), in order to provide design guidelines for engineers and experimenters in their choice of powders according to application needs. ! This thesis was organized into three parts. First, we inventoried and calibrated all the mechanisms involved in the combustion of Al/CuO thermite.
We then developed a "mechanistic" model (0D combustion model), based on an N-Euler mathematical approach, which integrates all the physical chemistry of combustion, i.e. chemical reactions in the gas phase, phase changes, mass and energy transfers. This model can then be used to quickly predict combustion characteristics (pressure, temperature, species in condensed and gaseous phase) as a function of particle size, mixture stoichiometry, powder density and aluminum purity. In a third and final section, we have developed a numerical model based on an AUSM+up scheme for the propagation of the flame front in one direction (1D! combustion model), enabling us to study precisely the dynamics of the reaction front as a function of thermite characteristics. The latter model also enables evaluation of the average velocity of the flame front, a property commonly used by experimenters to assess the reactivity of a thermite.
Certains métaux dont l’aluminium (Al) brulent à très haute température (2000 – 4000 K) et peuvent, lorsque mélangés à de forts oxydants comme l’oxyde de cuivre (CuO), fournir une puissance d'actionnement extrêmement élevées dans un volume réduit (cm3) grâce à la grande quantité d'énergie chimique stockée. Par exemple, des poudres fines d’Al de taille sous-micronique mélangées avec des poudres d’oxyde métallique, constituent un mélange hautement énergétique et déflagrant capables d’effectuer une large gamme de fonctionnalités (chauffer, couper, pousser, détruire, initier….) dans le cadre d’applications militaires, civiles et spatiales. Cette thèse de doctorat a eu pour objectif de développer les premiers modèles de combustion de poudres d’Al avec du CuO (appelé thermites) afin de fournir des directions de conception aux ingénieurs et expérimentateurs dans leur choix de poudres en fonction des besoins applicatifs. ! Ce travail de thèse s’est organisé en trois volets. Nous avons d’abord inventorié et calibré l’ensemble des mécanismes mis en jeu lors de la combustion de thermite Al/CuO. Nous avons ensuite développé un modèle "mécanistique" (modèle de combustion 0D), selon sur une approche mathématique N-Euler, qui intègre toute la physico-chimie de la combustion, c’est-à-dire les réactions chimiques en phase gazeuse, les changements de phase, les transferts de masse et d’énergie. Ce modèle permet alors de prédire rapidement les caractéristiques de combustion (pression, température, espèces en phase condensée et gazeuse) en fonction de la taille des particules, de la stoechiométrie du mélange, de la densité de la poudre et de la pureté de l’aluminium. Dans une troisième et dernière partie, nous avons développé un modèle numérique selon un schéma AUSM+up de la propagation du front de flamme selon une direction (modèle de combustion 1D! ) permettant d’étudier précisément la dynamique du front de réaction en fonction des caractéristiques de la thermite. Ce dernier modèle permet aussi l’évaluation de la vitesse moyenne du front de flamme, propriété communément utilisée par les expérimentateurs pour évaluer la réactivité d'une thermite.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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