Allumage Combustion eXplosion Environnement et Matériaux Energétiques – ACXEME

La chaire ACXEME se place surtout au niveau de la recherche industrielle a pour objet de traiter de l’optimisation des systèmes sous des aspects liés aux milieux combustibles ou explosifs.
Dans un premier temps, les réactifs comporteront des phases solides ou condensées pour lesquels des performances spécifiques seront attendues à l’issue de ces études (sensibilité à l’allumage, vitesse de combustion, taux de production de gaz). Dans un second temps, on s’intéressera au déroulement des explosions depuis leurs origines dans un milieu réactif (gazeux, solide) jusqu’à leurs conséquences sur l’environnement en passant par la description fine du front de combustion. Cette optimisation est effectuée avec une méthode pluridisciplinaire (énergétique, automatique des systèmes dynamiques complexes et traitement d’images).

La chaire a pour objectifs de travailler sur 4 verrous scientifiques :
- L’amélioration de la compréhension des mécanismes d’allumage et de combustion avec un combustible solide ou pulvérulent,
- L’allumage et la stabilité de la combustion en fonction de la pression et/ou de la qualité du mélange,
- Recherche d’une nouvelle formulation pyrotechnique en accord avec les directives REACH,
- Modélisation des phénomènes de transport dans les matériaux hétérogènes par la mise au point d’une nouvelle approche basée sur la théorie des automates cellulaires alimentée par les méthodes inverses.

En termes de verrous technologiques, la chaire se propose de travailler sur :
- L’étude de matériaux énergétiques conformes aux directives REACH,
- L’extension des limites de combustion et recherche d’un optimum de la durée de combustion,
- L’optimisation de la combustion avec des particules, qualité du mélange et influence de la turbulence,
- L’optimisation des écoulements des produits de combustion avec transferts thermiques dans un dispositif pyrotechnique.

Pour le WP2 : le travail a porté sur la caractérisation de la mise en suspension des particules métalliques dans les dispositifs expérimentaux prévus dans l’étude (tube Hartman et bombe de 20 L). Des mesures par PIV ainsi que des mesures de concentration de particule dans la zone d’allumage ont été mises en place pour suivre les trajectoires ainsi que le champ des vitesses des particules dans l’écoulement. Ces mesures ont été réalisées avec succès dans le tube et dans la sphère pour une certaine gamme de particules métalliques.
En parallèle de ce travail expérimental, les géométries de la sphère comme du tube ont été maillées et implémentées dans un solveur CFD.

Les travaux du WP 3.1 ont commencé par une étude de faisabilité de l’allumage combiné thermique et claquage dans la zone des produits de pyrolyse de poudres propulsives à vulnérabilité réduite. La faisabilité de l’allumage a été démontrée mais les seuils d’initiation n’étant pas réduits de manière significative par cette technique, il a été décidé de continuer à travailler par allumage thermique seul.

La modélisation par automate cellulaire WP3.2, qui avait fait l’objet d’un stage Master 2 en 2020, s’est poursuivie depuis avril 2021 par une inscription en thèse. Nous disposons désormais d’une première version de code de calcul opérationnelle et en voie de validation.

Pour le WP4 « Modélisation du système pile thermique : recherche d’une nouvelle composition pyrotechnique compatible avec l’évolution des directives REACH. Optimisation des paramètres de définition d’une pile thermique », est en cours de réalisation avec l’industriel concerné.

Pour le WP5 « Estimation par méthodes inverses des propriétés de transport des matériaux » étudiés en (WP3 et WP4) et contour de flamme par traitement d’image. Un programme d’apprentissage pour la reconnaissance d’images est opérationnel mais le manque de temps pour acquérir un nombre d’images nécessaires à l’apprentissage rend son opérationnalité incomplète.

À l’exception du WP1, tous les WP ont démarré avec les thèses associées qui se sont traduites par 3 recrutements et inscriptions à l’école doctorale entre avril et mai 2021.

nous sommes en train de vérifier les mesures de porosités évaluées par analyse d’images par techniques complémentaires à la microcopie optiques.
Nous sommes également en train de procéder à des mesures de diffusivité thermiques sur les poudres d’étude afin de valider les premiers résultats de simulation obtenues par automates cellulaires.

S. Delbarre, L. Courty, P. Gillard, Combustion de poudres propulsives : étude de faisabilité de l’allumage des produits de pyrolyse par claquage laser, Congrès National de la Recherche des IUT, Lyon (en distanciel), juin 2021.

Combustion de solides subdivisés : Poussières et matériaux énergétiques : Modélisation évoluant vers une approche utilisant les automates cellulaires, P. Gillard, 17ème école de Combustion, école Thématique CNRS-INSIS, 7-11 Juin 2021

Conférence sur la chaire à l'occasion de la fête de la science (12/13 octobre 2019), à l'IUT de Bourges.

Ce projet se propose de contribuer très significativement à deux avancées pour les systèmes énergétiques explosifs et propulsifs :

- L’optimisation pour les matériaux et pour les systèmes conçus
- La capacité d’anticipation en termes de composition et de conception de systèmes sous les contraintes environnementales d’aujourd’hui et de demain

En combinant :
- L’expertise scientifique des partenaires académiques recherche du projet, acquise depuis des décennies, dans la modélisation de milieux réactifs basés sur des combustibles solides
- La capacité de conception de systèmes énergétiques propulsifs et explosifs sûrs avec des matériaux en phase solide, ou condensé, capacité maîtrisée par les partenaires industriels du projet
- La plurisciplinarité du laboratoire porteur, notamment pour adresser des systèmes énergétiques comme systèmes dynamiques non linéaires et hybrides, au sens de discontinuité spatiale (matériaux poreux, hétérogénéité) et temporel (évènementiel et probabilistique).

L’optimisation concerne la composition et les matériaux énergétiques ainsi que le système industriel induit et ce, que ce soit au niveau de l’allumage, de la combustion ou aussi de la disposition des hétérogénéités. En effet, le milieu réactif donnant lieu à une combustion ou une explosion doit être parfaitement défini du point de vue physico-chimique. Par exemple dans le cas des matériaux énergétiques de type composition pyrotechnique, le mode d’empilement des grains, en plus de la connaissance de leurs tailles et de leurs formes, joue un rôle important au niveau local. Dans le cas des poudres propulsives à vulnérabilité réduite, les énergies et conditions environnementales (pression, nature du gaz de pressurisation) doivent être bien définies pour entraîner un allumage sûr suite à la perte de sensibilité.

En plus de l’optimisation, il y a une nécessité d’adaptation aux conditions environnementales de plus en plus présentes (exemple des directives REACH). Cette capacité d’adaptation induit une possibilité continue d’anticipation. Ceci implique une maîtrise accrue des sensibilités relatives et réciproques, entre les matériaux et le système induit. Pour minimiser le nombre d’essais-erreurs, nous proposons dans ce projet une méthode pluridisciplinaire de "captation" des paramètres pertinents, meilleurs traducteurs du "local" vers le "global" et inversement. Elle est basée sur la traduction physico-chimique locale fine, temporelle et spatiale, et la combinaison avec la description par les automates cellulaires, les méthodes inverses d’identification paramétrique et le traitement d’image. On pourra alors avoir, autant la capacité de suivre un front de flamme de manière instantanée, que de pouvoir définir la composition pyrotechnique sous des contraintes anticipativement plus sévères qu’actuellement.

De nouveaux matériaux sont actuellement en cours de développement pour le remplacement des compositions pyrotechniques dans les piles thermiques (application des directives REACH). Le déroulement du processus de combustion de ces substances peut être affecté, ou même changer de nature, en fonction de la présence d’un confinement partiel ou complet. Nous nous intéresserons ainsi à l’évacuation des produits de combustion d’un propergol (poudres propulsives pour arme) à travers un canal chicané non adiabatique avec une recherche d’optimum d’écoulement afin de conserver la pression limite nécessaire au maintien de la combustion quasi-stationnaire au niveau de la surface en régression. Nous chercherons également à optimiser le passage d’une combustion dans un milieu pyrotechnique modélisé en 1D, lors du passage de la propagation d’une flamme d’un milieu A vers un milieu B, à travers une interface de discontinuité de la substance.