Couplages multi-physique et multi-échelle pour la modélisation prédictive de la combustion de matériaux énergétiques intégrés dans leur environnement

Multi-physics, multi-scale condensed phase predictive model of the full combustion of integrated energetic materials

• Auteur / Autrice : Sarah Brotman
• Direction : Carole Rossi, Alain Estève
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nano systèmes
• Date : Soutenance le 06/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Mehdi Djafari-Rouhani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carole Rossi, Alain Estève, Kyle Sullivan, Ludovic Glavier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Djalal Trache, Walter Focke

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules

Modèles mathématiques

Combustion

Matière condensée

Mots clés libres

Nanomatériaux

Nanothermites

Simulation

Modèle mésoscopique

Combustion en phase condensée

Propagation

Initiation

Nanomaterials

Nanothermites

Simulation

Mesoscopic model

Condensed phase combustion

Propagation

Initiation

Résumé

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 poudre avec la seule prise en compte de mécanismes en phase condensée. Trois objectifs ont été poursuivis. - 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 différentes rampes de chauffe. - 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. - 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 mécanismes fondamentaux de la réaction de combustion des nanothermites. La réalisation de ces objectifs est détaillée dans ce manuscrit, organisé en deux chapitres, complétés par deux articles publiés. Dans un premier chapitre, un bref état de l'art des nanothermites est présenté pour donner la motivation et le contexte scientifique de ce projet. De nombreux travaux expérimentaux sont cités pour résumer les méthodes de fabrication et de synthèse des nanothermites, leurs principales caractéristiques et l'effet de la nanostructure sur les performances en termes de vitesse de combustion et de délais d'initiation. Cela inclut ensuite un aperçu des arguments actuels dans le débat sur les mécanismes fondamentaux qui dominent la combustion. Nous poursuivons par une présentation des approches de modélisation existantes, leurs objectifs, leurs formulations et leurs limites. Le chapitre 2 présente la base théorique de notre modèle qui s'appuie sur une formulation de mécanismes de combustion liés à la phase condensée, développée spécifiquement pour une application aux thermites à nanopoudres. Une première formulation propose l'initiation de deux nanoparticules (un combustible, un oxydant) en contact, couplées à une équation thermique. Ce modèle est ensuite étendu à la dimension de la propagation, qui comprend les différents éléments du transfert de chaleur macroscopique. Ainsi, la formulation finale du modèle combine les mécanismes hétérogènes à l'échelle nanométrique, les réactions chimiques aux interfaces et la propagation du front global de combustion à l'échelle de l'observation macroscopique. Nous ajoutons à ces deux chapitres un article publié dans Journal of Applied Physics, où nous nous concentrons sur le modèle de combustion élémentaire, c'est-à-dire à l'échelle d'un couple de nanoparticules en contact, afin d'étudier l'importance des mécanismes en phase condensée sur l'initiation des thermites. L'article porte particulièrement sur le processus et l'impact sur la combustion de la fusion réactive, pour différents couples de thermites et différentes vitesses de chauffe. Les résultats sont d'abord validés par comparaison avec des récents travaux expérimentaux puis sont comparés avec une simulation considérant seulement la phase gazeuse comme médiatrice de la combustion. Nous y ajoutons également un deuxième article, qui porte sur l'exploitation du modèle complet de propagation auto-entretenue, avec une discussion des facteurs probables qui influencent la vitesse de réaction. L'article se termine par une discussion sur la propagation du front de combustion fonction de la formulation du terme de conductivité thermique, en correspondance avec les bases théoriques discutées dans le chapitre 2.

This thesis presents the development and exploitation of a model that simulates both the initiation and propagation reaction of powder-based nanothermites with purely condensed phase mechanisms. Three main goals have been targeted: - A predictive model of both the initiation and propagation of the nanothermite reaction for powder-based systems implementing the recently discovered ''reactive sintering'' mechanism under different external heating regimes at low computational cost with flexibility to adapt to newly interesting materials. - A study of the influence of numerous key parameters such as the size of the experimental apparatus, particle size, stoichiometric ratio of materials, or the amount of compaction on both aspects of the reaction. This permits an exploration of the effects of these factors for system design, as well as acts as a method of validation through comparison with experimental studies. - A comparison of this model with a purely gas phase approach to expound on the recent experimental works exploring the importance of reactive sintering and to contribute to the discussion within the domain on the fundamental driving mechanisms of the nanothermite combustion reaction. The fulfillment of these goals is detailed in this manuscript, organized into five chapters. In a first chapter, a state of the art of nanothermites is presented to outline the motivation and scientific context of this project. Numerous experimental works are cited to summarize the methods of manufacturing and synthesis of nanothermites, their principal characteristics, and the effect of the nanostructure on performance in terms of the burn rate and initiation delays. We include an overview of the current arguments in the debate on the fundamental driving mechanisms of reaction, followed by a presentation of the existing modelisation approaches, their aims, formulations, and limitations. Chapter 2 presents the theoretical basis for the proposed model exclusively based on a condensed state formulation of the combustion, developed specifically for application to nanopowder thermites. A first formulation considers a base model of the initiation of two nanoparticles (one fuel, one oxidizer) sintered into contact, coupled to a thermal equation. Then, the base model is expanded into a full propagation model, which includes theoretical constructions of different macroscopic heat transfer mechanisms that were compared to find the best reproduction of experimental results. Thus, the final iteration combines the heterogeneous nanoscale mechanisms and chemical reactions with the overall macroscale propagation reaction. In Chapter 3, the base model is utilized to investigate the importance of condensed-phase mechanisms on the initiation of these thermites, with particular insights into reactive sintering for different thermite couples and different heating rates, and comparison with recent experimental works in addition to a purely gas phase simulation. This is supplemented by a benchmark study of the initiation of nanothermites with different varying parameters including the particle size, stoichiometric ratio, native oxide thickness, and the fuel and oxide material species. Chapter 4 continues with the exploitation of the full self-sustaining propagation model with discussion of the probable factors that most influence the reaction rate. This begins with a presentation of the basic results for an Al:CuO system for each of the three model formulations presented in Chapter 2. Once the chosen system was validated, this version was then used to test the effect of varying important parameters such as the compaction rate, the material species', and the different heat transfer mechanisms also discussed previously. Finally, this is followed by a general conclusion to summarize this work and its implications, as well as explore the perspectives for future work. A Software Architecture Document is available in Appendix A.