Cas de l’enceinte parallélépipédique

Pour réaliser ce test la position de la charge est fixée au centre de l’explosion (Chapitre IV). En effet, lors de l’étude dans l’enceinte rectangulaire, la position du centre de l’explosion n’était pas mobile. De plus le code prédictif ne prenant pas en compte les ouvertures il a été décidé d’étudier l’enceinte rectangulaire lorsque celle-ci est en configuration 1 avec la paroi mobile pleine. Enfin, le premier point d’impact est défini sur le capteur B dans la paroi 1 (Figure IV. 4). Cette maquette ne possédant pas de capteur sur le toit ou sur les parois gauche, avant et droite il a également été décidé d’utiliser le code de calcul en mode aller-retour autorisé afin de pouvoir observer les différents pics de surpression sur les signaux enregistrés lors de cette étude.

Après utilisation du code de calcul, les différents chemins déterminés par ce dernier sont les suivants :

N° Chemin Impact n°1 Impact n° 2 Impact n°3 Impact n°4

1 Paroi arrière Paroi sol Paroi arrière Paroi sol

2 Paroi arrière Paroi droite Paroi arrière Paroi droite

3 Paroi arrière Paroi toit Paroi arrière Paroi toit

4 Paroi arrière Paroi gauche Paroi sol Paroi gauche

5 Paroi arrière Paroi avant Paroi sol Paroi avant

Table V. 8 Chemins calculés par le code

Comme le montre la table 5.8 lorsque le code est configuré en mode aller-retour autorisé, les chemins déterminés sont beaucoup plus courts et ne passent pas par beaucoup de paroi. Néanmoins comme dit au début de ce chapitre ces chemins sont potentiellement empruntables par les ondes de chocs et ils sont donc plausibles. De plus le premier point d’impact est à chaque fois sur la paroi arrière puisque ce point a été défini par l’utilisateur.

Ici, n’ayant de capteur que sur la paroi arrière le chemin qui va être étudié est le chemin n°1.

La figure ci-dessous présente la modélisation du chemin obtenue dans l’interface du code prédictif.

Figure V. 11 Représentation du chemin étudié (gauche) / Schéma avec les capteurs (droite)

Les capteurs A et B sont les capteurs les plus proches du chemin d’onde étudié, c’est pourquoi les figures suivantes présentent les signaux de pression enregistrés par ces capteurs afin d’étudier les différents pics de réflexion pouvant être observés sur les signaux. Sur ces signaux, les flèches de différentes couleurs représentent les différents pics considérés, de plus des tables récapitulatives répertorient les différentes valeurs calculées via le code et ceux obtenues expérimentalement.

Figure V. 12 Signal de pression relevé par le capteur B

Figure V. 13 Signal de pression relevé par le capteur A

Les tables suivantes présentent les différentes grandeurs calculées par le code de calcul lors de son exécution. La première table (V.9) répertorie les données déterminées par le code après le premier point d’impact (celui définit par l’utilisateur), puis les tables suivantes (V.10) répertorient les données pour les points d’impacts suivants. Il est rappelé que pour les pics 2 à 4 le code ne détermine que le temps d’arrivée des pics.

A partir de la première distance calculée, le programme détermine les différentes caractéristiques de l’onde de choc.

Table V. 9 Table récapitulative des résultats obtenus à partir de la distance D1

Ensuite le programme calcul les valeurs suivantes :

Paroi Impactée Distance D1+D2 (m) ta_Pic 2 (ms)

Sol 0.53 Expérience Code

0.874 0,767

Paroi Impactée Distance D1+D2+D3 (m) ta_Pic 3 (ms)

Arrière 0.84 Expérience Code

1.468 1.466

Paroi Impactée Distance D1+D2+D3+D4 (m) ta_Pic 4 (ms)

Sol 1.15 Expérience Code

2.033 2.162

Table V. 10 Tables récapitulatives des résultats obtenus par le programme pour les pics 2 à 4

Comme le montre les tables précédentes, le code permet de prédire de manière plutôt précise les différentes caractéristiques des ondes de choc. L’écart moyen sur le temps d’arrivée est de 8.3 % avec un écart maximal sur le pic 1 à 15%. En ce qui concerne la suppression maximale l’écart est de 5.8%.

Pour conclure, le code prédictif peut très bien s’appliquer sur la maquette parallélépipédique.

Néanmoins, les bons résultats au niveau de l’écart sont à nuancer, tout d’abord le volume de cette maquette étant plus grande il y a donc moins d’effet de multi-réflexions que dans la maquette cubique (cela se remarque facilement en observant les différents signaux de pression. Enfin, il est difficile de déterminer si le 4 pic réfléchi trouvé par le code est un vrai pic de surpression. Il est quand même certain que les lois implémentées dans le code fonctionnent également avec la maquette parallélépipédique.

4. Conclusion

Ce chapitre explicite le fonctionnement du code de calcul prédictif. En effet, afin d’utiliser au mieux les lois de comportement établies, un code de calcul prédictif a été développé. Ce code a été pensé pour être simple et pour donner des résultats sur les caractéristiques de l’onde de choc rapidement. Pour ce faire il a été décidé d’utiliser la méthode du plus court chemin. Cette méthode implique que lorsqu’une onde de choc interagit avec une paroi alors celle-ci se réfléchit sur la paroi la plus proche de son point d’impact précédent. Cette méthode a néanmoins ses limites, en effet, avec cette méthode il n’est pas possible de calculer tous les chemins que l’onde peut emprunter (seuls les plus courts sont étudiés) et de ce fait les résultats donnés par le programme sont conservatifs. Au vu de l’étude demandée, la méthode choisie a semblé être la plus simple et rapide en temps de calculs et comme il est montré dans ce chapitre, les résultats donnés par le code sont corroborés par les résultats expérimentaux.

Enfin, il a également été vu que le code peut être utilisé dans des géométries autres que cubique comme l’a montré le test effectué avec la maquette parallélépipédique.

CONCLUSION GENERALE & PERSPECTIVES

Le travail présenté dans ce mémoire était d’étudier la propagation des ondes de choc en milieu confiné via une approche expérimentale. Le but était d’obtenir des formulations simples afin de pouvoir déterminer les principales caractéristiques de l’onde de choc incidente ainsi que celles des trois réflexions suivantes.

Pour ce faire de nombreux essais ont été menés dans des enceintes à petites échelles qui étaient représentatives de bâtiments réels. La première maquette en polycarbonate représente un hangar fermé de 3 m de côté, quant à la seconde elle représente un bâtiment de stockage divisé en deux pièces. Pour les besoins de l’étude la jonction entre les deux pièces est mobile ce qui permet d’étudier plusieurs cas tests. La première maquette a permis d’étudier 25 configurations d’amorçage différentes, la seconde quant à elle a permis d’étudier 15 configurations différentes.

Des essais préliminaires ont été réalisés en champ libre dans un premier temps afin de prendre en mains le banc d’essais et l’instrumentation associé et dans un second temps de mettre en place des lois de comportement permettant de caractériser les principales grandeurs de l’onde de choc incidente, à savoir la surpression incidente (∆P⁺), le temps d’arrivée de l’onde incidente (ta) et l’impulsion (I). Ces lois ont été exprimées en fonction de la distance réduite massique Z. Ces lois ont également été utilisées afin de définir la distance réduite confinée Zconf utilisé dans le chapitre IV de ce travail. Enfin l’établissement de ces corrélations a également permis de confronter nos résultats avec ceux habituellement obtenus au laboratoire afin de les valider. Les données générées par ces lois serviront de référence pour étudier les signaux de surpression obtenus en milieu confiné.

Au cours de ce travail différents paramètres ont été étudiés. Le premier d’entre eux a été l’influence de la position d’amorçage sur la propagation de l’onde de choc. Pour ce faire, une maquette en polycarbonate a été conçue avec une matrice au sol comprenant 25 positions d’amorçage. Cette maquette a été instrumentée de telle façon à obtenir un nombre conséquent de donnée afin de pouvoir étudier les différentes réflexions liées au confinement. Une fois les tests effectués et les profils obtenus il était nécessaire de définir des paramètres afin de choisir les pics réfléchis qui allaient être étudiés.

Ces paramètres retenus ont permis d’isoler les pics étudiés. De plus l’analyse des profils de surpression ont permis de dégager des résultats intéressants. Comme par exemple, lorsque la charge est à la position d’amorçage 1 le capteur placé sur le toit au-dessus de la charge a enregistré un pic réfléchi provenant de la recombinaison d’ondes de choc réfléchies provenant des quatre côtés de la maquette.

Il a été également été remarqué que ce phénomène apparait uniquement lorsque la charge est dans cette position. L’analyse des profils de surpression a également montré l’influence de la position d’amorçage sur la surpression mais également sur l’impulsion. Il est important d’étudier ce paramètre car il rend compte des sollicitations que subit la structure lors de l’explosion. Enfin nos résultats ont été comparés à ceux obtenu par Edri et al. (2011). Il advient une bonne corrélation entre les résultats obtenus par Edri et al. (2011) à grande échelle et nos résultats à petite échelle.

Les seconds paramètres à avoir été étudiés sont l’influence du volume du confinement ainsi que l’influence de la surface de l’évent sur la propagation de l’onde de choc. L’étude de ces paramètres a été effectuée dans une maquette modulaire en médium pouvant se configurer de 5 manières différentes.

L’étude des signaux de surpressions a permis de mettre en lumière des résultats intéressants. Tout d’abord il a été montré que pour les capteurs présents dans la paroi 1 ou les capteurs présents en bordure de la maquette, l’évent n’avait que très peu d’effet sur l’onde de choc, la principale raison à cela est que ces capteurs n’étaient pas dans la zone d’effet de l’évent en raison de sa géométrie. Néanmoins, en analysant les profils de pression d’un capteur se trouvant dans l’alignement de l’évent il a été remarqué un effet canon, en effet l’évent permettrait de combiner les ondes de choc provenant de plusieurs parois du local donneur et ainsi augmenter la surpression reçue dans la partie du local receveur qui est en alignement avec l’évent, cet effet est atténué lorsque la surface ou la position de l’évent varie.

en effet il a été relevé des valeurs d’impulsion négative très élevées lors de l’étude des profils, ce qui peut conduire à des situations à risques pour le confinement. La variation de la position de l’évent a également montré qu’elle retardait l’apparition de la surpression maximale ce qui implique que les effets liés au confinement ne sont pas négligeables. Enfin les études d’atténuation ont montré que l’évent avait des effets bénéfiques certains comme diminuer la surpression lorsque que sa surface varie et il permet également d’augmenter les temps de montée en pression et donc retarde l’arrivée des ondes de choc. L’étude de l’atténuation a également permis d’identifier différentes configurations critiques.

Du point de vue de l’impulsion les configurations critiques sont les configurations 1 et 5. En ce qui concerne la surpression, la situation critique pour la zone protégée est la 3.

Enfin la dernière partie de ce travail a permis de concevoir un code de calcul prédictif simple permettant de déterminer de manière rapide les caractéristiques et le chemin de l’onde de choc réfléchi primaire et des trois réflexions suivantes. Pour ce faire la méthode du plus court chemin. Cette méthode implique que l’onde vient se réfléchir au plus proche de son point d’impact. Ce code de calcul empirique est basé sur les relations mises en place lors des essais réalisés avec la maquette en polycarbonate. Des tests de validation ont été effectués et les résultats trouvés se corrèlent bien avec ce qui a été trouvé lors des expérimentations. Néanmoins ce code a certaines limitations, il considère que la vitesse entre deux réflexions reste constante et pour le moment il ne prend pas en compte les ouvertures et les géométries complexes.

Au final, les lois prédictives qui ont pu être définies au cours de ce travail ainsi que le code mis en place permettent de connaitre de manière précise et simple le chemin parcouru par l’onde de choc ainsi que les principales caractéristiques des réflexions d’ordre 1 à 4.

Les perspectives pour la suite de ce travail sont de plusieurs ordres. Tout d’abord de nouveaux tests vont être effectués avec la maquette en polycarbonate. Ceux-ci vont permettre de connaitre l’influence de la position d’amorçage sur le parcours des ondes de choc lorsque qu’un local receveur est accolé au local donneur. De plus, différentes géométries d’ouvertures entre les 2 locaux seront utilisées afin d’étudier leur influence sur les caractéristiques des ondes de choc. Ces nouveaux tests vont aider à perfectionner les lois prédictives établies lors de ce travail afin qu’elles prennent en compte les configurations multi-pièces. Finalement une mise à jour du code de calcul sera mise en place pour que celui-ci tienne compte des ouvertures lors du calcul des chemins empruntés par les ondes de choc.

Enfin, il serait également intéressant de pouvoir bénéficier de simulations numériques sur les essais présentés dans ce mémoire.

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ANNEXES

Annexe 1 : Abaque UFC 3-340-02 pour une charge de TNT hémisphérique

Les tableaux suivants indiquent, en fonction de la position d’amorçage, si le capteur considéré est atteint par une réflexion de Mach de premier ordre. Si ce n’est pas le cas, alors la case est verte ce qui correspond à une réflexion oblique régulière. Si la case est rouge, alors le capteur est atteint par une réflexion de Mach. Dans ce cas, la hauteur hm (m) du pied de Mach est indiquée. Lorsque la hauteur du pied est inférieure à 1 cm il est considéré que l’on se trouve dans un régime transitoire. Lorsque la hauteur du pied est supérieure à 1 cm il est considéré que le capteur est atteint par une réflexion de Mach.

Position B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8

P1 0.0174 0.0009

P2 0.0297 0.0009

P3 0.0441 0.0009

P4 0.0784 0.0008

P5 0.1705 6.44E-07 0.0008

P6 0.0170 0.0034

P7 0.0287 0.0034

P8 0.0505 0.0034

P9 0.0876 0.0033

P10 0.1744 0.0001 0.0032

P11 0.0168 0.0088

P12 0.0284 0.0088

P13 0.0474 0.0086

P14 0.0869 0.0001 0.0089

P15 0.1683 6.41E-05 0.0084

P16 0.0184 0.0209

P17 0.0306 0.0208

P18 0.0518 0.0060 0.0208

P19 0.0875 6.04E-05 0.0202

P20 0.1780 0.0002 5.65E-05 0.0204

P21 0.0192 0.0001 0.0501

P22 0.0320 9.81E-05 0.0500

P23 0.0538 6.96E-05 0.0498

P24 0.0918 4.98E-05 0.0494

P25 0.1809 0.0002 6.22E-05 0.0486

Position C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 D1

P1 0.017 0.017 3.71E-05 0.0098 0.0093

P2 0.017 0.017 3.56E-05 0.0097 0.0080

P3 0.018 0.017 4.14E-05 0.0098 0.0068

P4 0.019 0.017 0.0095 0.0045

P5 0.019 0.016 0.0088 0.0012

P6 0.030 0.029 0.0052 0.0049

P7 0.030 0.029 0.0051 0.0039

P8 0.029 0.029 0.0050 0.0029

P9 0.031 0.028 0.0048 0.0015

P10 0.032 0.028 0.0048 0.0006

P11 0.050 0.049 0.0023 0.0021

P12 0.047 0.049 0.0023 0.0016

P13 0.047 0.047 0.0020 0.0008

P14 0.052 0.048 0.0022 0.0005

P15 0.053 0.046 0.0019 1.24E-06

P16 0.088 0.087 0.0008 0.0007

P17 0.082 0.086 0.0007 0.0004

P18 0.086 0.085 0.0007 0.0002

P19 0.089 0.083 0.0006 1.02E-06

P20 0.093 0.084 0.0012

P21 0.173 0.171 8.79E-05 5.55E-05

P22 0.174 0.170 7.28E-05 3.27E-06

P23 0.172 0.169 8.39E-05

P24 0.178 0.167 0.0002 0.00016

P25 0.181 0.160 0.0002 0.00025

et en milieu confiné et répétabilité sur le gonflement de la bulle

- Exemple de bulle de savon

- Répétabilité sur le gonflage de la bulle de savon

Bulle n°1

Largeur : 66 pixels ≈ 4.95 cm (0,5 mm d’écart) Hauteur : 68 pixels ≈ 5,15 cm (1,5 mm d’écart)

Bulle n°2

Largeur : 66 pixels ≈ 4.95 cm (0.5 mm d’écart) Hauteur : 65 pixels ≈ 4.92 cm (0.8 mm d’écart)

Bulle n°3

Largeur : 66 pixels ≈ 4.95 cm (0.5 mm d’écart) Hauteur : 66 pixels ≈ 4.95 cm (0.5 mm d’écart

)

Kévin Gault

Etude de la propagation des ondes de choc en milieu confiné : Approche expérimentale

De nos jours, la sécurité des installations publiques, industrielles ou militaires est une problématique majeure. Les phénomènes de détonations en champ libre sont bien connus et documentés. Néanmoins les modèles et les lois mises en place ne s’appliquent pas dans le cas d’explosions confinées.

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse portent sur l’étude de la propagation des ondes de choc dans des géométries simples et fermées. Différents paramètres ont été étudiés tels que l’influence du volume, de la position d’amorçage ou encore de la taille de l’évent.

Les essais réalisés à petite échelle, dans deux maquettes expérimentales ont permis de mettre en place des lois prédictives portant sur les principaux paramètres de l’onde de choc incidente et réfléchie que sont la surpression maximale, le temps d’arrivée ainsi que l’impulsion.

Ces lois ont ensuite été implémentées dans un code de calculs permettant d’automatiser la recherche des réflexions et des différents paramètres associés dans des configurations géométriques simples.

Mots clés : Détonation, onde de choc, réflexion, milieu confiné, essais à petite échelle

Shock waves propagation analysis within a confined environment:

Experimental approach

Nowadays, the security of public, industrial or military area is a major concern. Free-field blast are well known and documented. Nevertheless, the models and laws developed do not apply in case of confined explosions.

The study focuses on the propagation of shock waves in simple closed geometries. Various parameters have been studied such as the volume, the charge position or the size of vents.

The study focuses on the propagation of shock waves in simple closed geometries. Various parameters have been studied such as the volume, the charge position or the size of vents.

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