Cartographie numérique du champ de pression

Il a pu être constaté, sur plusieurs configurations testées, des profils de pression dont l’identification des différents pics de surpression n’était pas évidente. A l’aide de l’outil numérique, l’identification est facilement réalisable et des phénomènes tels que la fusion partielle ou totale de l’onde réfléchie avec la pulsation de la boule de feu ont pu être observés.

En effet, dans certains cas plusieurs contributions sont visibles sur le profil de pression dont l’origine n’est pas connue. S’agit-il de l’onde réfléchie ou de la pulsation, et y-a-t-il un ordre d’arrivée précis ? D’autres phénomènes ont-ils lieu lors d’une détonation ? A l’aide des cartographies du champ de pression obtenues numériquement, l’origine des pics de pression peut alors être connue puisque l’évaluation de l’approche numérique précédente à montrer son habilité à reproduire les phénomènes physiques du blast.

La Figure 2.42illustre le champ de pression pour la configuration « 200g à 133cm » à différents instants. On constate dans un premier temps que beaucoup de chocs sont visibles, montrant la complexité du phénomène de blast lors de la détonation de la charge explosive au-dessus d’un sol. On voit dans un premier temps les ondes incidente et réfléchie qui commencent à fusionner pour créer le pied de Mach à partir de 5 ms. Comme il a été vu précédemment, l’évolution du point triple (intersection des trois ondes citées) dépend de la hauteur de détonation et de la masse d’explosif. Dans un second temps, on aperçoit, à partir de 0,9 ms, la pulsation de la boule de feu causée par l’expansion rapide des produits de détonation. Cette dernière va elle aussi interagir avec le sol, créant une nouvelle onde de choc. Il apparait que la pulsation peut arriver avant l’onde réfléchie (capteur1, t=5 ms), après cette dernière (capteur 2, t=6,5 ms) ou encore ces deux ondes peuvent fusionner (partiellement ou totalement). Lors de l’interaction de l’onde réfléchie avec la pulsation, un changement de courbure de l’onde réfléchie est visible sous la pulsation. Ceci est dû au fait que les gaz ont déjà été choqués par l’onde incidente et la pulsation, entrainant ainsi une pression et une température plus élevée qu’au-dessus de l’onde réfléchie ayant été choqué par l’onde incidente uniquement. De ce fait, l’onde réfléchie se propagera plus rapidement sous la pulsation de la boule de feu.

Selon la configuration initiale, les changements se feront principalement sur l’interaction de l’onde réfléchie avec la pulsation et sur la position du point triple. L’amplitude des chocs sera elle aussi fonction des conditions initiales.

Figure 2.42 : Cartographie du champ de pression numérique pour la configuration « 0,2kg à 133cm » à six instants différents montrant la complexité du phénomène.

2.3.6. Conclusion

Différentes approches numériques ont été évaluées au regard des données de la campagne expérimentale présentée en début de chapitre, ce qui a permis de montrer que l’approche du mapping, basée sur l’approche ALE mais permettant de réaliser le calcul en plusieurs étapes, est la plus adaptée pour reproduire le plus fidèlement possible les phénomènes liés à la détonation d’une charge explosive au-dessus d’un sol.

Cette approche a donc ensuite été évaluée au regard des quinze trajectoires du point triple, des cent vingt profils de pression et des cent vingt profils d’impulsion, montrant ainsi l’aptitude de cet outil numérique pour reproduire fidèlement le phénomène supersonique malgré certaines limites expérimentales et numériques.

Cet outil a donc ensuite été utilisé pour gagner en connaissance sur les phénomènes physiques mis en jeu lors de la détonation au-dessus d’un sol d’une charge explosive, tels que la fusion partielle ou totale de la pulsation de la boule de feu et de l’onde réfléchie ou encore le changement de courbure de l’onde réfléchie lors du passage dans la pulsation.

2.4. Conclusion

Puisque l’on traite des risques pour l’homme des ondes de chocs liés aux explosions, les scenarios sur la base d’IED sont le plus souvent des explosions au niveau du sol. La rencontre de l’onde de choc avec le sol

donne naissance à des propriétés particulières qu’il est intéressant d’étudier, car de son profil caractéristique dépendront les risques lésionnels encourus.

Très peu de profils de pression complets sont disponibles dans la littérature pour tenter de valider numériquement les scénarios décrits. La plupart des auteurs se cantonnent à la description des différentes caractéristiques du profil de pression telles que la pression crête et la durée de phase positive. C’est d’ailleurs à partir d’une base de données issue de ces valeurs que des logiciels, dont le plus connu est ConWep (pour Conventional Weapons), travaillent pour le calcul des effets des armes conventionnelles sur les structures [Hyde

1988].

Sur la base d’un explosif militaire conventionnel, la composition C-4, une étude a été menée afin de comprendre et prédire la menace à différents endroits autour d’une charge explosive sphérique détonant au-dessus d’un sol plat et rigide. Quinze configurations de détonation aérienne au-au-dessus d’un sol ont été effectuées au Polygone d’essais de Captieux en France. Trois hauteurs de détonations et cinq masses de C-4 ont été planifiées et huit sondes effilées ont été placées à différentes positions pour mesurer l’évolution de la pression lors de la propagation de l’onde de choc. Des caméras rapides ont été utilisées dans le but de vérifier la qualité de la détonation au regard de la sphéricité de la boule de feu ainsi que pour suivre l’évolution du point triple, point de jonction entre l’onde incidente, sa réflexion sur le sol et le pied de Mach.

Ces essais ont permis l’obtention de quinze trajectoires du point triple, cent vingt profils de pression et cent vingt profils d’impulsion reproductibles. Ces données ont dans un premier temps servit à l’évaluation d’abaques du point triple et de la détermination du profil de pression au-dessus de ce dernier (non présentée dans ce manuscrit), entrainant la proposition de nouvelles méthodes d’évaluation des phénomènes physiques liés à la détonation aérienne au-dessus d’un sol. Dans un second temps, l’ensemble des données expérimentales a été utilisé pour évaluer différentes approches numériques de génération et propagation d’une onde de choc sous le logiciel de calcul LS-DYNA.

Quatre approches ont été évaluées au regard des données expérimentales afin de connaitre l’approche offrant un meilleur compromis entre validité de la reproduction des phénomènes physiques et temps de calcul :

- Une approche empirique (LBE) - Une approche ALE (full 2D)

- Une approche utilisant la technique du mapping et basée sur l’approche ALE. La différence réside dans le fait que le mapping permette de diviser le calcul en plusieurs étapes.

- Une méthode couplée générant l’onde de choc avec l’approche empirique, cette onde étant retranscrite dans un modèle ALE se trouvant à une certaine distance de la charge explosive.

Les simulations sont réalisées sous LS-DYNA sur un ordinateur de bureautique « classique » (Processeur Intel® Core™ i7-4770 CPU @ 3,40 GHz, 20Go de RAM) en utilisant la version R700 en simple précision et la

comparaison a été effectuée sur les profils de pression et d’impulsion ainsi que sur l’évolution de la trajectoire du point triple.

L’étude numérique a d’abord porté sur l’évaluation des quatre approches numériques sur une configuration où les capteurs sont à la fois dans le pied de Mach et dans le régime de simple réflexion où il a été constaté que la technique du mapping 2D vers 2D, où les éléments Shell 4 nœuds ont une taille de 1x1mm au niveau de la charge et 4x4mm sur le reste du domaine, est la plus adaptée pour reproduire le plus fidèlement possible le phénomène supersonique.

Cette approche a donc ensuite été évaluée sur l’ensemble des quinze scénarios et elle a encore une fois montrée son aptitude à reproduire correctement la trajectoire du point triple et les pressions et impulsions si on tient compte des limites de la campagne expérimentale (diverses réflexions liées à la mise en place des capteurs) et du numérique (effets de bord et retard de la pulsation).

L’utilisation de l’outil numérique, après validation au regard de données expérimentales, est un bon complément à l’approche expérimentale, qui est pour ce genre de campagne très couteuse et gourmande en temps de préparation et de mise en place. Cet outil a par exemple ici permis d’aider à la compréhension et l’interprétation des résultats au travers des cartographies numériques du champ de pression obtenus. En effet, ces cartographies ont permis de comprendre et d’identifier l’origine de chaque contribution sur les profils de pression mesurées lors de la campagne expérimentale. Elles ont par ailleurs montré que la pulsation de la boule de feu peut arriver avant ou après l’onde réfléchie, ou encore que ces deux ondes peuvent partiellement ou totalement fusionner selon la configuration étudiée.

Maintenant que la menace est bien connue et comprise pour une large gamme de scénarios, l’étude suivante va donc porter sur la compréhension de l’interaction d’une onde de choc avec des modèles thoraciques simplifiés rigides et déformables.

Chapitre 3 :

Compréhension de l’interaction