Thèse de Gabriel Prudhomme – Vélocimétrie Hétérodyne pour la caractérisation des nuages de particules.

Composition du jury

M. Lazhar HOUAS, DR CNRS, IUSTI, Université Aix-Marseille, Rapporteur
M. Rémi MICHEL, Professeur Associé à l’Université Pierre et Marie Curie, Rapporteur
M. Laurent BERTHE, DR CNRS, Lab. PIMM (Paris), Arts et Métiers ParisTech, Examinateur
M. Jean-Marc CHEVALIER, Ingénieur de Recherche, CEA, Examinateur
M. David HOLTKAMP, Dr, Ingénieur de Recherche, LANL (Nouveau Mexique), Examinateur
M. Ivan IORDANOFF, PR, Laboratoire I2M (Bordeaux), Arts et Métiers ParisTech, Examinateur
M. Patrice LE BOUDEC, Dr, Président Directeur Général, IDIL, Invité
M. Patrick MERCIER, Ingénieur de Recherche, CEA, Invité

Résumé: Une plaque métallique soumise à un choc (étain, quelques 10 GPa) se met en mouvement et subit divers endommagements comme l’écaillage ou l’éjection d’un nuage de particules. Deux principaux mécanismes sont à l’origine de ce nuage : la micro-éjection et le passage en fusion. La Vélocimétrie Hétérodyne (VH) est un diagnostic de mesure multi-vitesses résolue en temps. Son développement a été rendu possible dans les années 2000 ; sa conception, entièrement fibrée, permet une intégration aisée aux expériences de physique des chocs. L’objet de ce doctorat est de qualifier les apports de la VH pour la caractérisation des nuages de particules hautement véloces (plusieurs km/s), notamment de ceux issus de la micro-éjection.

Il est proposé un état de l’art des générateurs de choc, des diagnostics et des études (numériques ou expérimentales), associé à la physique de la micro-éjection métallique par des micro-stries. Une étude poussée du diagnostic VH est proposée. Elle conduit à la définition d’un spectrogramme temps-vitesse en unité de puissance collectée ainsi qu’une limite de détectivité du dispositif. Grâce à des modèles basés sur la physique de la diffusion, une limite en termes de diamètre de particules observables est annoncée. Un programme de simulation de spectrogramme VH est présenté dans le cadre des études de nuage. Enfin, plusieurs campagnes expérimentales sont exposées. Elles soulignent les capacités remarquables du moyen ; les résultats sont comparés aux simulations. La distribution en diamètre de particules a pu être inférée grâce au freinage imposé par le gaz ambiant ou par d’autres gaz. Des analyses radiométriques sont également proposées.

THE CONTRIBUTIONS OF PHOTONIC DOPPLER VELOCIMETRY.

ABSTRACT: A metal plate subjected to a shock (tin, 10 GPa) undergoes a variety of damages such as spalling or the ejection of a cloud of particles. Two main mechanisms govern the formation of this cloud: the micro-jetting and the melting under shock. Photonic Doppler Velocimetry (PDV, a.k.a. LDV or het-V) is a multi-velocity time-resolved diagnostic. Developed from 2000s, the all-fibered conception makes its integration easy into shock experiments. The purpose of the thesis is to describe the contributions of PDV systems for high-velocity (several km/s) particle-cloud characterization, including micro-jetting cloud.

This document presents a state of the art of shock generators, diagnostics and (numerical and experimental) studies involved in metallic micro-machined jetting. An extensive study of a PDV system is proposed. It leads to the definition of time-velocity spectrogram, evaluated in units of collected power, and a detectivity limit. Thanks to photon diffusion models, a threshold in the diameter of the measured particle is estimated. A PDV spectrogram simulation program is shown within the framework of particle clouds. Finally, several experimental campaigns are exposed. They emphasize the remarkable capacities of the system; results are compared to simulations. Diameter distributions are inferred using slowing down in air or in other gazes. Some radiometric analyses are also performed.

Spectroscopie Raman résolue en temps :Thèse de Charles Saint-amans

Etude du comportement sous choc d’un matériau énergétique par spectroscopie Raman in situ

L’amélioration des performances et de la sécurité des dispositifs pyrotechniques requiert une description fine du mécanisme de transition choc / détonation (TCD) qui régit leur fonctionnement. Les modèles de TCD existant comportent une part d’empirisme qu’il est souhaitable de réduire en obtenant des données expérimentales décrivant l’initiation et la décomposition des explosifs sous choc, à l’échelle microscopique

Pour cela, nous avons mis au point un dispositif expérimental permettant de générer des chocs jusqu’à 30 GPa avec une très bonne reproductibilité et d’analyser en temps réel l’évolution du matériau par spectroscopie Raman. Le principe du générateur de choc repose sur l’impact d’un projectile métallique mis en vitesse par un relais d’explosif amorcé par laser. Le système de mesure comporte un laser d’éclairement nanoseconde, un ensemble optique et un spectromètre couplé à un capteur CCD intensifié. Ce dispositif a été utilisé pour l’étude des mécanismes de décomposition d’un explosif peu sensible appelé TATB.

L’évolution des spectres Raman en fonction de la pression de choc est sensiblement la même que celle observée sous pression statique. Elle révèle un couplage entre les modes de vibration des groupements NO2 et NH2 qui provient de la présence d’un réseau de liaisons hydrogène intramoléculaires au sein du TATB. Ce réseau est responsable de la grande stabilité de la molécule. Quelques différences entre les régimes statique et dynamique, imputables à l’effet du chauffage par le choc, sont toutefois notables, et semblent indiquer un affaiblissement du réseau de liaisons hydrogène. Les résultats font également apparaître une atténuation progressive de l’intensité du signal Raman avec l’augmentation de la pression de choc. A partir de 9 GPa, le signal n’est plus détectable. Des visualisations par caméras rapides montrent que cette atténuation du signal Raman est accompagnée d’un assombrissement progressif du TATB qui devient totalement opaque à 9 GPa. Des expériences de réflectivité sous choc ont permis de montrer que ces deux phénomènes fortement corrélés sont dus à un élargissement de la bande d’absorption du TATB.

Julien HAINES DR au CNRS, ICGM,
Jean-Christophe SANGLEBOEUF  PU, IPR, Rennes
Laurent BERTHE DR au CNRS, PIMM, ENSAM ParisTech
Michel ARRIGONI Enseignant-chercheur, ENSTA Bretagne, LBMS TA Bretagne, LBMS TA Bretagne
Philippe HEBERT  Ingénieur de Recherche au CEA, Le Ripault
Thibaut DE RESSEGUIER DR au CNRS, Institut P’, ENSMA

Impact hypervéloce : Thèse de Gabriel Seisson

Étude expérimentale et théorique de l’endommagement du graphite sous sollicitation dynamique – Application aux impacts hypervéloces
par Gabriel Seisson

Les matériaux composites sont très utilisés dans diverses applications et sont parfois soumis à des impacts hypervéloces (IHV), notamment dans le domaine spatial. La taille des impacteurs étant proche de celle des torons de fibres, les simulations mésoscopiques ont tout leur intérêt mais nécessitent des modèles numériques aboutis pour chaque sous-constituant. Le graphite étant souvent utilisé comme matrice ou fibres,
nous avons étudié son comportement dynamique. Ainsi, des expériences de pénétration et de cratérisation ont été menées sur un isographite poreux. L’analyse post-mortem des cibles, associée à des calculs d’ordre de grandeur, apporte un éclairage nouveau sur la phénoménologie des impacts et fournit des renseignements utiles à la simulation numérique.
Un modèle pour matériaux poreux et fragiles, implémenté dans un code de dynamique rapide, est utilisé. Basé en partie sur des propriétés statiques, il a été progressivement testé sur des chocs plans. Son utilisation pour la simulation des IHV donne d’assez bons résultats. Toutefois, il convenait de le valider en s’affranchissant du comportement du projectile. Pour cela, une campagne de chocs lasers a été menée. Plusieurs diagnostics in-situ ont été utilisés simultanément et leur corrélation avec des analyses post-mortem a permis l’identification de différents modes d’endommagement des cibles.
Finalement, bien que l’équivalence entre IHV et chocs lasers ne soit pas démontrée, ces derniers se sont avérés être complémentaires en suggérant de futures évolutions du modèle numérique.

Premières Journées Thématiques : Etat de l’art Expériences Simulations

Le GDR CNRS ACO-CHOCOLAS a débuté en Juillet 2014. Il concerne l’étude des matériaux sollicités aux hautes vitesses de sollicitation (>10⁴s-1). Il organise ses premières journées thématiques intitulées :

Matériaux sollicités aux hautes vitesses de sollicitation (>10⁴s-1).
Etat de l’art croisé sur les simulations numériques et les moyens expérimentaux.

Les lundi 26 (Amphi Pinel)  et mardi 27 (Amphi A) janvier 2015  à l’ENSAM Paris, 151 Boulevard de l’Hôpital.

 

Le programme complet est en cours de de finalisation. Mais, on peut déjà annoncer :

Journée Simulations

Pourquoi travailler à l’échelle atomique ?

Introduction (L. Soulard – CEA)

Pourquoi travailler à l’échelle atomique ? Généralités sur les approches classiques : principes généraux et ingrédients de base (notion de fonction d’énergie potentielle). Deux grandes classes :
Dynamique moléculaire (DM) : exploration de l’espace des phases via une équation du mouvement : adapté aux problèmes à l’équilibre et hors équilibre. Equation d’état, Propagation de choc,Transition de phases,Etc.
Monte Carlo (MC) : exploration de l’espace des phases via les lois de la thermodynamique statistique : uniquement pour les problèmes à l’équilibre. Equation d’état Equilibre chimique.

La dynamique moléculaire classique

La dynamique moléculaire classique (L. Soulard, CEA)

Equations de base.Fonctions d’énergie potentielle : formalisme, méthodes de paramétrage, etc… Quelques ensembles statistiques : NVE, NVT, NVHug, NPT, … La DM et le calcul intensif (ou HPC) : pourquoi l’avènement du HPC a transformé la DM. Mise en œuvre de la DM : Algorithmes de discrétisation des équations du mouvement. Techniques de parallélisation : découpage en espace et autres méthodes. Importance du post-traitement, ou la DM vue comme une expérience numérique. Exemple d’un code : Stamp. Un mot sur les contraintes liées aux futurs calculateurs : le projet ExaStamp. Exemples d’applications : analyse détaillée de quelques simulations, en insistant sur le couplage avec l’expérience. Ecaillage, Microjetting,Vers le mésoscopique : la DPD

Le Monte Carlo classique

Le Monte Carlo classique (E. Bourasseau, CEA).

Echelle mésoscopique

Simulation par méthodes DEM (Ivan Iordanoff, Fréderic Dau, I2M)

Echelle macroscopique

Le code Esther (P. Combis, CEA).

Simulation numérique d’impact Hyper- Véloce – (N. Favrie,S.Gavrilyuk, Iusti)

 

Journée Expériences

Diagnostics RAMAN- X -dynamiques

Choc laser et diffraction X. Etat de l’art -Erik Bambrink (LULI)

XFEL – Marion Harmand (LULI

Canon X – Francis Lamy (CEA)

Raman résolue en temps – Philippe Hébert/ Charles Saint Amans (CEA) 

Analyses matériaux

Synchrotron (radiographie, diffraction…)- Olivier castelnau (PIMM)

Surface P. Peyre (PIMM)

Interface/matière – Fabienne Touchard (PPRIME)- endommagement des composites à différentes échelles

Vélocimétrie - Observations rapides

Visualisation – Pierre Antoine Frugier (CEA)

VH – Gabriel Prudhomme (CEA)

Autres diag VH+VISAR Fibré: Pierre-Yves Chanal et/ou Jérome Luc (CEA)

Générateurs de choc

Générateurs de choc laser –  Marc sentis (LP3)

Générateurs de choc conventionnel – JM Chevalier (CEA)

 

 

Pour organiser votre venue, les interventions commenceront lundi 26 janvier à 10h au plus tôt et finiront le mardi 27 janvier au plus tard à 17h.

Bien amicalement à tous,

Les organisateurs :
L. Soulard (CEA),
G. Soltz(CERMICS),
F. Dau(I2M),
P. Mercier(CEA) ,
L.Berthe (PIMM).

Contact :
@ laurent.berthe(arobase)ensam.eu.
Mobile : 06 87 29 45 88

 Inscrivez-vous 

1ère AG du GDR à Paris.

Le 2 Juillet une trentaine de chercheurs des laboratoires du GDR ACO-Chocolas se sont réunis pour la première assemblée générale aux Arts et Métiers à Paris. Après une présentation des moyens et thèmes de recherche de chacun, il a été décidé un certain nombre d’actions qui seront réalisées à partir de l’automne 2014 dont des journées thématiques sur

  • un état de l’art sur les simulations et les expériences dans le domaines des chocs
  • les matériaux composites en coopération avec l’AMAC
  • de nouvelles Journées VH
  • l’endommagement des matériaux métalliques
  • le comportement sous choc des verres

Il a aussi été décidé d’alimenter un site web pour diffuser le plus largement les informations sur les thèmes de recherches du GDR (Journées thématiques, soutenances de thèses, appel d’offre, suivi de projets, publications récentes, états de l’art, recherche de financements et de thésard….). N’hésitez donc de transmettre les informations ou proposer des contributions qui seront relayées par la newletters régulières.

Bien amicalement à tous.

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