Mesoscale Simulations of the Shock Detonation Transition of an Energetic Material
Simulations mésoscopiques d’un matériau énergétique pour la transition du choc à la détonation
Résumé
This thesis focusses on the Shock Detonation Transition (SDT) of high explosives at the mesoscale. The materials of interest are highly heterogeneous and are comprised of energetic crystals mixed with a binder. When submitted to a shock wave, chemical reactions appear in localized areas called hotspots, which lead to the detonation of the high explosive. In SDT models, hotspots are generally taken into account through numerical parameters in the explosive burn rate. Nevertheless, new modeling approaches are emerging in which the explosive microstructure and the hotspot formation are explicitly resolved : the mesocopic approach. The goal of this thesis is to develop a mesoscopic model of the SDT. The explosive studied is the pressed-HMX. A framework was developed to perform reactive mesoscopic simulations of the wedge test experiment,with a regression surface burn rate, inspired from the observation of hotspots from theliterature. This burn rate uses a deflagration speed for the energetic crystals as input data. This work showed that a constant deflagration speed was not adapted to model the SDT of pressed-HMX. Thus, a pressure dependent law was used for the deflagration speed and a methodology was developped to identify the parameters of this law. The Pop-Plot was used as the reference data for the identification of these parameters.
Ce travail de thèse porte sur la Transition Choc-Détonation (TCD) des explosifs solides à l’échelle mésoscopique. Les explosifs considérés sont des matériaux fortement hétérogènes constitués de cristaux énergétiques mélangés à un liant assurant la cohésion mécanique. Lorsqu’ils sont soumis à un choc (quelques GPa), les réactions chimiques s’initient localement au niveau de sites préférentiels appelés "points chauds", qui conduisent à la mise en détonation de l’explosif. Dans les modèles de TCD classiques, l’explosif est représenté comme un matériau homogène et les points chauds sont pris en compte via des paramètres d’ajustement dans une cinétique chimique globale. Néanmoins, une nouvelle approche de modélisation numérique émerge consistant à représenter la microstructure des explosifs afin de résoudre explicitement la formation des points chauds et la croissance des réactions : l’approche mésoscopique. L’objectif de cette thèse est de proposer une modélisation de la TCD à l’échelle mésoscopique et d’étudier sa viabilité à partir de simulations eulériennes. Pour cette étude, la composition retenue est l’octogène comprimé. Une méthodologie a été développée afin de réaliser des simulations mésoscopiques réactives d’un test du coin. Un modèle réactif de régression de surface, inspiré d’études expérimentales d’observation des points chaud de la littérature, a également été réalisé. Il requiert comme donnée d’entrée la vitesse de déflagration des cristaux énergétiques. Ces travaux ont montré qu’une vitesse de déflagration constante ne permet pas de restituer le Pop-Plot expérimental du HMXcomprimé. Afin d’obtenir une meilleure modélisation de la TCD, une vitesse de déflagration dépendante de la pression et plus représentative des données de la littérature, a été utilisée. Une relation permettant de reproduire la sensibilité au choc du HMX comprimé, soit le Pop-Plot, ainsi pu être identifiée. Enfin, l’hypothèse de courbe unique de transition a été vérifiée.
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