Contribution to the study of the detonation structure in heterogeneous two-phase media
Contribution à l'étude de la structure des détonations dans les milieux biphasiques
Résumé
Physical and chemical processes involved in propagation of detonations in solid particles-gas or liquid droplets-gas mixtures have been studied, by numerical simulations of the detonation cellular structure. In the case of suspensions of aluminium particles, two combustion models have been incorporated to the numerical code EFAE of the LCD. Calibration of only one best-fitting parameter against existing experimental results yields reasonable values of the characteristic width of the cellular structure ( = 40 cm for Al/Air and = 5-10 cm for Al/O2). The particle diameter dp0 has an influence on both induction Li and combustion Lc zone lengths (Li dp0 and Lc d1:8 p0 ) and on the cell width: d1:4 p0 . Contrary to gaseous detonations, chemical reactions do not start behind the triple points, but in the low-pressure zones, where particle concentration is lower thus enabling their fast ignition. The detonation spinning regime has been simulated for the first time in the case of suspensions of aluminium particles in a gaseous oxidizing atmosphere. The values of the critical detonation radius Rc and of the critical initiation energy Ec have been estimated (by extrapolating the correlations established for gases): Rc = 1 m and Ec = 105 J for Al/O2 mixtures while Rc = 8 m and Ec = 5.12 x 107 J for suspensions of Al in air. These values agree reasonably with available experimental data. In the case of hydrocarbon spray detonations, an evaporation model based on the "stripping" mode and on the diffusion regime has been incorporated in the code, coupled with a two-step kinetics chemistry (induction and combustion). First simulations of the cellular structure indicate that the characteristic cellular width is of the order of = 4-5 cm for octane-air mixtures, in agreement with existing experimental results.
Les processus physico-chimiques de propagation des détonations dans les mélanges hétérogènes gaz-particules solides ou gaz-gouttelettes liquides ont été analysés à partir de simulations numériques de la structure cellulaire de détonation. Dans le cas des suspensions de particules d'aluminium, deux modèles de combustion ont été incorporés au code de calcul EFAE du LCD. En utilisant un seul paramètre d'ajustement pour se calibrer sur les résultats expérimentaux existants, on obtient des valeurs raisonnables de la largeur caractéristique de la structure cellulaire = 40 cm pour le mélange Al/Air et = 5-10 cm pour le mélange Al/O2. L'influence du diamètre des particules dp0 a été mise en évidence sur les longueurs de zones d'induction Li et de combustion Lc (Li dp0 et Lc d1:8 p0 ) et sur la structure cellulaire : d1:4 p0 . Contrairement au cas des détonations gazeuses, l'inflammation des particules n'a pas lieu derrière les points triples, mais dans les zones de basse pression où la concentration en particules est plus faible, permettant ainsi leur inflammation rapide. Le régime hélicoïdal de détonation a été simulé pour la première fois dans les mélanges de particules d'aluminium en suspension dans atmosphère gazeuse oxydante. Les valeurs du rayon critique de détonation Rc et de l'énergie critique d'initiation Ec (obtenues par extension des corrélations établies dans les gaz) ont été prédites : Rc = 1 m, Ec = 105 J (Al/O2) et Rc = 8 m, Ec = 5.12 x 107 J (Al/Air). Elles sont confirmées par les expériences existantes. Dans le cas d'aérosols de gouttelettes d'hydrocarbures, un modèle d'évaporation basé sur le mode dit de "stripping" derrière un choc et sur le régime diffusif, couplé à une cinétique chimique à deux étapes (induction-combustion), a été incorporé au code. Les premières simulations de la structure cellulaire pour les mélanges air-octane mènent à une taille de cellule en accord avec les résultats expérimentaux existants ( = 4-5 cm).