Multi-physics and multi-scale couplings for the predictive modeling of the combustion of energetic materials integrated in their environment
Couplages multi-physique et multi-échelle pour la modélisation prédictive de la combustion de matériaux énergétiques intégrés dans leur environnement
Résumé
This thesis presents the development and operation of a model that simulates both the initiation and the complete propagation reaction of Al/CuO powder-based nanothermites with the sole consideration of condensed phase mechanisms. As the thesis project evolved, three main objectives were pursued: 1) A predictive model of the initiation and propagation of the nanothermite reaction for powder-based systems, implementing the recently discovered "reactive melting" mechanism under different external heating regimes, at low computational cost, and with software flexibility to accommodate new materials of interest; 2) A study of the influence of many key parameters such as the size of the experimental system, the particle size, the stoichiometric ratio of the materials, or the rate of compaction, on the two aspects of ! the reaction: initiation and propagation. This allows both to explore the effects of these factors for system design and to accelerate the design steps through systematic theory/experiment comparisons; 3) A comparison of this model with a purely gas-phase approach to explain recent experimental work exploring the importance of "reactive melting" and to contribute to the discussion in the field on the respective dominances of the fundamental mechanisms of the nanothermite combustion reaction.
Cette thèse présente le développement et l'exploitation d'un modèle qui simule à la fois l'initiation et la réaction complète de propagation de nanothermites à base de poudres Al/CuO avec la seule prise en compte de mécanismes en phase condensée. Au fur et à mesure de l'évolution du projet de thèse, trois objectifs principaux ont été poursuivis : 1) Un modèle prédictif de l'initiation et de la propagation de la réaction nanothermite pour des systèmes à base de poudres, en mettant en œuvre le mécanisme découvert récemment de « fusion réactive » sous différents régimes de chauffage externe, à faible coût de calcul, et avec une flexibilité logicielle pour s'adapter à de nouveaux matériaux d’intérêt ; 2) Une étude de l'influence de nombreux paramètres clés tels que la taille du système expérimental, la taille des particules, le rapport stœchiométrique des matériaux ou le taux de compaction, sur les deux aspects de ! la réaction : initiation et propagation. Cela permet à la fois d'explorer les effets de ces facteurs pour la conception du système et d’accélérer les étapes de conception par des comparaisons systématiques théorie/expérience ; 3) Une comparaison de ce modèle avec une approche purement en phase gazeuse pour expliquer les travaux expérimentaux récents explorant l'importance de la « fusion réactive » et pour contribuer à la discussion dans le domaine sur les dominances respectives des mécanismes fondamentaux de la réaction de combustion des nanothermites.
Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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