Etude expérimentale et numérique de la dispersion explosive et de la combustion de particules métalliques

Abstract

The explosive dispersion of particles and their inflammation in air along with the blast wave effects were investigated experimentally and numerically. The experimental configuration consisted in studying the free-field explosion of spherical charges made of a central booster of solid explosive surrounded by a loose-packed density shell of inert (glass spheres) or reactive (atomized and flaked aluminium) particles. The high speed cinematography of the explosions coupled with image processing by a "Background Oriented Schlieren" method, and the pressure records by piezoelectric gauges permit to plot the x-t diagrams of the explosions. A technique has been developed to capture samples of dispersed particles and to make their post-analysis. The experimental results are confronted with numerical simulations performed with LCD's reactive multiphase flows code EFAE. The boundary of the dispersed cloud is not uniform but has a spiky shape with dendrites due to the formation of particle agglomerates of several millimetres. After 1m of propagation, some of those agglomerates overcome the leading shock front due to a ballistic effect. Glass particles are disintegrated by the shock. They have a mitigating effect, making the shock propagation slower and decreasing its amplitude. The effect of aluminium particles depends on their size: with the finer ones, after an initial slowdown phase, a re-acceleration of the leading shock and an increase of the pressure impulse are observed. With coarser particles, the shock is weakened but particle combustion raises the pressure level behind the shock front and slightly increases its impulse. An analysis of the collected agglomerates reveals that, in all cases, the combustion of aluminium particles is incomplete. Numerical simulations are in reasonable agreement with experimental results in the farfield domain.La dispersion de particules solides par explosif et leur inflammation dans l'air, ainsi que des effets de souffle générés sur le milieu connexe ont été étudiés par voie expérimentale et numérique. La configuration retenue est l'explosion en champ libre de charges sphériques, constituées d'un noyau central d'explosif solide (booster), entouré de particules inertes (billes de verre) ou réactives (particules d'aluminium). Les diagrammes de marche sont tracés à partir des résultats fournis par des capteurs de pression piezo-électriques et des images obtenues par cinématographie rapide et traitées numériquement par méthode de "Background Oriented Schlieren" (BOS). Des échantillons de particules capturés dans le nuage fournissent des informations sur leur état après l'explosion. Les résultats expérimentaux sont confrontés aux simulations numériques effectuées à l'aide du code de calcul d'écoulements réactifs multiphasiques EFAE du LCD. La frontière du nuage formé présente un aspect caractéristique en forme de dendrites, due à la formation d'agglomérats de particules de quelques millimètres. Après 1m de propagation, une partie de ces agglomérats dépasse le choc incident par effet balistique. Les particules de verre sont brisées par le choc. Elles ralentissent l'onde de souffle et diminuent son amplitude. L'effet des particules d'aluminium dépend de leur taille : avec les plus fines, on observe, après une phase initiale de ralentissement de l'onde de souffle, la ré-accélération de celleci et une augmentation de l'impulsion de pression. Avec les plus grosses particules, le choc s'atténue, mais leur combustion se traduit par une augmentation de la pression dans l'écoulement en arrière du front et un faible accroissement de l'impulsion. Les agglomérats recueillis indiquent que, dans tous les cas, la combustion de l'aluminium est incomplète. Les simulations numériques sont en accord raisonnable avec les résultats expérimentaux dans le champ lointain