TP Détonation

Propagation supersonique de la

Combustion, La Dtonation

Essai de dtonation (armement) USA, 1965

DTONATION - GARCIN ARTHUR, MALLET PIERRE 1

Caractristiques de la dtonation stationnaire et autonome dans les gaz

IntroductionLa dtonation est un rgime de combustion qui prsente les plus fortes

caractristiques de clrit et de surpression.

Ltude des effets de la dtonation est primordiale pour des applications militaires ou de gnie civil. Elle permet de prvenir des dangers en cas de production accidentelle de mlanges ractifs dans lindustrie, comme cela a pu tre le cas pour lusine AZF de Toulouse (21 septembre 2001). La connaissance des caractristiques thermoarodynamiques de londe de dtonation est donc trs importante.

Ce TP sera donc loccasion de dterminer de manire exprimentale les caractristiques dune onde de dtonation et de les comparer aux rsultats numriques obtenus par le code de calcul Gaseq, ces calculs tant raliss avec lhypothse Chapman-Jouguet.


Thorie de la Dtonation en phase Gazeuse

Schmatisation de londe

Une onde de dtonation en propagation dans un mlange gazeux au repos est assimil une discontinuit dans laquelle seffectue une transformation chimique extrmement rapide des ractifs en prsence en produits de combustion, supposs lquilibre thermodynamique. La discontinuit est suppose dpaisseur finie.

On distingue la dtonation du choc par le fait que le milieu de propagation nest pas chimiquement inerte et peut potentiellement librer une nergie chimique de combustion par unit de masse et ce de manire quasi instantane.

cette onde de discontinuit plane et stationnaire, de clrit D, sont applicables les quations de conservation de la masse, de la quantit de mouvement, et de lnergie.

On obtient donc les 3 quations de conservation suivantes, i correspondant ltat post-choc.


Schma de londe de dtonation

On retrouve ainsi les relations suivantes, connues dj pour le cas des chocs (discontinuits non ractives)


Ces relations peuvent tre simplifies, pour le cas de la dtonation de Chapman-Jouguet, en supposant =0 , =1 et (D-V)a = 1

Cela conduit F=1, dont on peut ensuite dduire

Ces relations nous permettront de comparer les rsultats obtenus avec Gaseq et les calculs issus de lexploitation des mesures exprimentales.


Prsentation de la Manipulation

Le montage exprimental

Le dispositif exprimental est constitu dun tube en acier inoxydable de 4,33m de long, de diamtre =52mm.Le tube est quip, une de ses extrmits, dun dispositif damorage, et dun tronon de mesure lautre extrmit.

Lamorage de la dtonation est ralis par londe de choc produite par la vaporisation instantane dun fil de platine soumis une dcharge de trs courte dure.


Schma du dispositif exprimental

Prise des mesures

La dtonation est amorce directement, il faut une certaine distance de propagation avant que ses caractristiques se stabilisent. Londe est suppose stationnaire aprs 2 mtres de propagation.

Les sondes dionisation, au nombre de 7, sont situes 4 mtres de la section damorage et sont distantes de 25mm les unes aux autres. Ces sondes permettent de dterminer la clrit locale D du front de combustion.

2 sondes de pression supplmentaires sont ajoutes au dispositif de mesure. Le temps de rponse court de ces sondes ( de lordre de la microseconde) nous offre un autre moyen de mesure de la clrit D du front donde. Elles permettent galement de dterminer la pression en aval de londe de dtonation.

Essais

On tchera de caractriser exprimentalement les variations de D et p(t) dans le cas de la dtonation stationnaire du mlange C2H4 + 3O2 la temprature initiale T0=293K en fonction de la pression initiale p0, variant de 300 600 mbar.

Ces mesures exprimentales seront compares aux rsultats obtenus laide de Gaseq, qui fournit des rsultats de grandeurs caractristiques de la dtonation dans lhypothse Chapman-Jouguet, dont la mthode a t explicite en premire partie.

On comparera particulirement la clrit D, le rapport des pressions, la vitesse matrielle et la clrit du son.


Prsentation et analyse des Rsultats

Le dispositif exprimental permet de mesurer la clrit D de londe de dtonation et la pression post dtonation.Les formules utilises sont celles de lapproximation de Chapman-Jouguet explicites en premire partie.

On a pu mesurer que la clrit D de londe augmente avec la pression initiale. Cette constatation va de pair avec les rsultats numriques dune simulation avec dissociation.

Par ailleurs, on notera que les rsultats de la simulation avec dissociation sont trs proches des valeurs obtenues exprimentalement, alors que la simulation sans dissociation fournit des rsultats trs diffrents.


pression lue (mbar) 982 1090 1194 1296pression initiale (mbar) 300 408 503 598 T_init (K) = 293pression initiale (atm) 0,303975 0,413406 0,50966475 0,6059235 gamma GF = 1,344

deltat_ioni (ms) 0,2197 0,2173 0,2152 0,2155 d_ioni (m) = 0,5deltat_pression (ms) 0,1758 0,1738 0,1725 0,1725 d_pre (m) = 0,4delta_pression1 (bar) 7,8 11 15,6 20delta_pression2 (bar) 9,1 12,8 16,4 19,5 PCI (MJ/kg) = 47,794

pression post choc (1) (bar) 8,1 11,408 16,103 20,598 massemolinit= 31,01pression post choc (2) bar) 9,4 13,208 16,903 20,098

D_1 (m/s) = 2 275,83 2 300,97 2 323,42 2 320,19D_2 (m/s) = 2 275,31 2 301,50 2 318,84 2 318,84

D_moy (m/s) = 2 275,57 2 301,23 2 321,13 2 319,51

gamma = 1,03 1,03 1,03 1,03a (m/s) = 1 168,09 1 169,96 1 188,53 1 193,22

ratio_rho = 1,97 1,97 1,97 1,97

p_CJ (bar) = 10,02 13,66 17,36 20,81pCJ / p0 = 33,39 33,47 34,52 34,79

ratio Nbre de moles (Gaseq) = 1,39 1,38 1,38 1,38

T (K) = 3 565,91 3 589,22 3 713,89 3 753,10TCJ / T0 = 12,17 12,25 12,68 12,81

Voici un ensemble de graphiques comparant les rsultats des diffrentes simulations avec lexprience.

Pression de dtonation

La pression de dtonation mesure par les deux sondes correspond celle calcule lors dune simulation avec dissociation. La pression calcule sans dissociation est plus leve.


0

7,5

15

22,5

30

250 350 450 550 650

pression dto avec dissociation Gaseq (bar)pression dto sans dissociation Gaseq (bar)pression post choc (1) (bar)pression post choc (2) bar)

Clrit D

La clrit D de londe de dtonation augmente avec la pression initiale. Encore une fois, les rsultats de la simulation sans dissociation sont diffrents de ceux obtenus par lexprience et le calcul avec dissociation.

Ratios de temprature et pression

Les rapports de pression et de temprature sont trs similaires entre lexprience et les rsultats obtenus par la simulation Gaseq avec dissociation. Le rapport des pressions augmente avec la pression initiale. Le rapport des temprature varie de 12 13. La temprature post dtonation est de lordre de 3650K.


2000

2250

2500

2750

3000

250 350 450 550 650

vitesse choc avec dissociaton Gaseq (m/s)vitesse choc sans dissociation Gaseq (m/s)D_moy (m/s)


25

32,5

40

47,5

55

250 350 450 550 650

ratio pression avec dissociation Gaseqratio pression sans dissociation GaseqpCJ / p0 =

7

12,75

18,5

24,25

30

250 350 450 550 650

ratio temprature avec dissociation Gaseqratio temprature sans dissociation GaseqTCJ / T0

Vitesse matrielle

Sachant que lexprience est ralise dans un tube ferm, la vitesse matrielle exprimentale chute trs rapidement jusqu tre nulle lextrmit de lenceinte.Le tube tant ferm, on ne pouvant pas mesurer avec les capteurs fournis la vitesse matrielle des gaz bruls.


1200

1325

1450

1575

1700

250 350 450 550 650

vitesse matrielle sans dissociation (ms)vitesse matrielle avec dissociation (ms)

Vitesse du son

La vitesse du son mesure lors de lexprience est plus proche de celle issue de la simulation avec dissociation, comme le reste des rsultats. Ces deux courbes (jaune et bleue sur le graphe) suivent galement la mme volution en fonction de la pression initiale.


900

1125

1350

1575

1800

250 350 450 550 650

vitesse du son avec dissociation Gaseq (m/s)vitesse du son sans dissociation Gaseq (m/s)a exprimental (m/s)

Conclusion

Les mesures exprimentales et calculs issus de lhypothse de Chapman-Jouguet concordent avec ceux obtenus par simulation numrique avec dissociation. De ce constat, on peut admettre que lapproximation de Chapman-Jouguet fourni des rsultats cohrents de vitesse, pression, et temprature.

On peut galement remarquer, daprs lcart constat sur les diffrents graphiques et en annexe, que la dissociation est un phnomne trs important dans les transformations chimiques et que leur comprhension est cruciale quand il sagit de dimensionnement, par exemple, de la tenue en temprature et en pression dune tuyre, ou dune quelconque pice au contact de ce type de ractions chimiques.


AnnexeTableaux rcapitulatifs des deux simulations, avec et sans dissociation.


Avec dissociation

Sans dissociation

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