Modèle CFD pour la combustion d'aluminothermites
Abstract
This manuscript deals with the combustion of nanothermites in a closed volume. A first
study was focused on the combustion of aluminium particles with gaseous oxygen. After
detailed the reaction mechanisms implemented, the numerical integration of a combustion
code on PYTHON was done. To observe the main condensed and gaseous behaviors, a
first c ode c onsidered t he g as p hase a t e quilibrium. Then, a s econd a pproach considering
the homogeneous gas kinetics with the Swihart and Catoire scheme reveals that, beyond
a particle radius of 5 μm, the gas phase phase can be treated at equilibrium. This optimization
is considerable, as the equilibrium treatment is around 10 times faster than the
homogenous gas kinetics treatment.
Then, a comparative study between the combustion of Al/CuO and Al/F e2O3 thermotes
on manometric bomb was lead. A state of art, based on experimental publications,
highligh the opposite behaviors of both thermites : Al/CuO thermite is known for its rapid
combustion and high gas release, whereas the Al/F e2O3 thermite is characterized by a slow
reaction with little gas release. A numerical code developed on PYTHON for the Al/CuO
thermite by a PhD student was adapted to the Al/F e2O3 thermite by calibrating the
coefficients (k0, Ea ) of the Arrhenius law, which governs the oxide decomposition. Experimental
data, supplied by ArianeGroup and the University of Maryland, validate the orders
of magnitudes obtained numerically. However, experimental data reveal the decorrelation
bewteen the temperature and pressure peaks, which is not reproduced by the numerical
code. As a result, a condensed-phase flow b etween a luminium a nd i ron o xide was implemented,
using the Deal and Grove approach. The comparison between the characteristic
time of this model and the characteristic time of the metal oxide decomposition highlighs
the key role of this condensed-phase flow in the combustion of Al/F e 2O3 thermite.
Ce rapport s'intéresse à la combustion de nanothermites en enceinte fermée. Une première étude s'est focalisée sur la combustion de particules d'aluminium en présence d'oxygène gazeux. Après la description détaillée des mécanismes réactionnels implémentée, l'implémentation numérique d'un code de combustion sous PYTHON a été menée. Premièrement, un code considérant la phase gazeuse à l'équilibre a permis d'observer les tendances des phases condensée et gazeuse. Puis, un second code considérant la cinétique homogène gazeuse avec le schéma de Swihart et Catoire a permis de mettre en évidence qu'au-delà d'un rayon de particules de 5 µm, la phase gazeuse peut être traitée à l'équilibre, sachant que le traitement à l'équilibre est 10 fois plus optimisé et rapide que le traitement de la cinétique homogène gazeuse. Puis, une fois les mécanismes réactionnels appréhendés, une étude comparative sur la combustion des thermites Al/CuO et Al/F e 2 O 3 en bombe manométrique a été réalisée. Un bref état de l'art basé sur des données expérimentales a mis en avant les comportements de combustion très différents d es d eux t hermites. L a t hermite A l/CuO e st connue pour sa combustion rapide et son fort dégagement gazeux, alors que la thermite Al/F e 2 O 3 est une réaction lente générant peu de gaz. Un code numérique développé pour la thermite Al/CuO sous PYTHON par un doctorant a été adapté à la thermite Al/F e 2 O 3 , en jouant notamment sur les coefficients (k 0 , E a) de la lo i d' Arrhénius ré gissant la décomposition de l'oxyde métallique. En s'appuyant sur des données expérimentales fournies par ArianeGroup et l'université du Maryland, les ordres de grandeurs obtenus numériquement ont pu être validés. Cependant, l'observation expérimentale de la décorrélation du pic de température avec le pic de pression n'a pas pu être reproduite numériquement. C'est ainsi qu'un flux e n p hase c ondensée e ntre l es p articules d 'aluminium e t c elles d 'oxyde d e f er a été modélisée par une approche de Deal and Grove. Le temps caractéristique nécessaire à ce flux e n p hase c ondensée p our s 'établir à é té c omparé à c elui d e l a d écomposition de l'oxyde métallique, mettant en avant son rôle clé dans la modélisation de la combustion de la thermite Al/F e 2 O 3 .
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