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9.3 Mo

Thèse présentée à

Université de Rouen

Discipline : Energétique
Spécialité : Mécanique des Fluides

Par

Aliou SOW

Soutenue le 9 décembre 2014

Modélisation numérique des détonations gazeuses en milieu confiné
Jury

Rapporteurs
I. Sochet, Professeur à l’INSA Centre Val-de-Loire, PRISME, Bourges
O. Le Métayer, Professeur à l’Université Aix Marseille, IUSTI

Examinateurs
A. Chinnayya, Professeur à l’ISAE-ENSMA, Institut P’, Poitiers
D. Desbordes, Professeur Emérite à l’ISAE-ENSMA, Institut P’, Poitiers
H. Jourdren, Ingénieur Chercheur, Chef de Laboratoire, CEA/DAM
Ch. Tenaud, Directeur de Recherches CNRS, LIMSI, Orsay

Directeur de thèse
A. Hadjadj, Professeur à l’INSA de Rouen

Cette thèse est consacrée à la modélisation numérique des détonations gazeuses non-idéales et instables en milieu confiné. Le modèle classique de la détonation idéale de Chapman-Jouguet (CJ) qui postule une libération instantanée de l’énergie dans le front de détonation est revisité. Un nouveau modèle est mis point pour tenir compte de la structure turbulente de la détonation en regard de la structure laminaire. A l’aide du code CHOC-WAVES résolvant les équations de Navier-Stokes compressibles réactives, l’étude trace en détail la cartographie de l’écoulement derrière le front de détonation, pour caractériser en particulier la surface sonique et la zone de réaction. Les résultats mettent en évidence l’existence d’une « poche sonique » de longueur très supérieure à la largeur du canal dans lequel la détonation se propage. Les résultats mettent en évidence l’importance de l’énergie d’activation (Ea) sur la structure de l’onde de détonation, en montrant les effets du taux de réaction à divers les mécanismes de la dynamique de détonation instable. Dans le cas d’un mélange très énergétique, la structure de la zone de réaction est complexe, et fait apparaître des instabilités globales auto-entretenues, qui modifient profondément la dynamique du choc. Inversement, la diminution de l’énergie d’activation conduit à une atténuation des instabilités de combustion et à une extension partielle de la zone de réaction moyenne. En termes de distribution d’énergie, le bilan de k révèle que l’énergie, principalement concentrée dans la zone de réaction, est amplifiée par le dégagement de chaleur pendant la réaction. Le bilan énergétique montre que la corrélation pression / dilatation, ainsi que les fluctuations de pression, vitesse et accélération de détonation ne sont pas négligeables. Enfin, la fraction massique des espèces réactives et les fluctuations de température sont anti-corrélées sur toute la région subsonique. Il existe cependant une relation linéaire entre la fraction massique et la vitesse en fonction de la distance où le dégagement de chaleur atteint son maximum. Ce point est localisé dans le noyau de la zone de réaction subsonique. Sur la base de l’analogie forte de Reynolds, de nouvelles corrélations thermodynamiques sont proposées pour tenir compte de la compressibilité de l’écoulement à travers l’effet de la densité et des variations de température sur les champs moyens.

Les applications de cette thèse sont diverses et concernent plus particulièrement la propagation des détonations dans des tubes capillaires (pour le confinement des explosions), ou dans des pré-détonateurs (pour l’allumage des futurs moteurs aéronautiques à détonation rotative).

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