Les mousses aqueuses pour le confinement des détonations

La capacité des mousses aqueuses à atténuer les ondes de choc est étudiée depuis plusieurs décennies. La première étude expérimentale est attribuée à Krasinski et Kolsa [20] qui, en 1974, ont réalisé des essais en tube à choc sur des mousses humides. En observant, les aller-retours d’une onde de choc dans le tube, ils mettent en évidence le caractère atténuateur de la mousse. En effet, alors qu’ils ob-servent une onde ressortir du tube à choc après réflexion en l’absence de mousse, ils n’obob-servent pas le même phénomène avec la mousse, au moins pendant la durée de leurs mesures. S4ils ne peuvent alors pas quantifier l’atténuation de l’onde de choc, ils prouvent la diminution de la célérité du son dans la mousse aqueuse.

Rapidement, Winfield et Hill [70] se basent sur leur travaux et mènent les premières expériences sur l’atténuation des ondes de souffles. En 1977, ils donnent les premiers ordres de grandeurs de la ré-duction apportée par la mousse. Ils s’intéressent aux différents critères de létalité des ondes de souffle ainsi qu’à leur vitesse.

De plus en plus d’études apparaissent à la fin des années 70 et au début des années 80, s’attachant à la réduction du bruit, l’atténuation des ondes de choc et l’atténuation du souffle. Parmi les précurseurs du domaine, on peut citer Borisov et Gelfand [6] de l’Académie des Sciences de Moscou. On trouve également, de cette époque, la trace de nombreux documents russes, non-traduits, sur la question. Les Américains sont également prolifiques sur le sujet, traité notamment par Raspet, du laboratoire de recherche en génie des constructions de l’US Army.

Dans les années 80, celui-ci étudie l’utilisation de la mousse pour atténuer le bruit des explosions [62, 61]. Il mesure l’amplitude du bruit créé par une charge confinée en faisant varier la quantité de mousse mise en œuvre et son foisonnement. Il en découle que, quel que soit son foisonnement, la mousse réduit efficacement le bruit de diverses charges de démolition ou militaires.

Par la suite, de nombreuses études voient le jour. Les chercheurs des universités et des laboratoires militaires se passionnent pour ces milieux complexes et pour les intérêts qu’ils présentent. En France, c’est l’Institut de Recherche Franco-Allemand de Saint-Louis qui se penche le premier sur la ques-tion. Le CEA lui emboitera le pas à partir les années 90. Depuis, la thématique du confinement des détonations a fait, et fait encore, l’objet, de nombreux travaux expérimentaux et numériques.

Les multiples paramètres régissant la mousse et les charges à confiner sont explorés et une prédiction numérique toujours plus précise est recherchée. Parmi les travaux notables, on peut citer les expé-riences menées par les laboratoires de la SANDIA [41, 69, 29], les travaux de Britan et des équipes de l’Université Israélienne de Ben Gurion [10, 8, 9], ou encore ceux de Gelfand [23, 24]. Bien que des résultats de qualité soient produits régulièrement, tous les phénomènes en jeu dans le confinement ne sont toutefois pas parfaitement compris et quantifiés.

90. La mousse a notamment été utilisée pour confiner des expériences pyrotechniques dans une cuve d’essai entre 2000 et 2012, par mesure de protection de l’environnement. Les nombreuses études me-nées au CEA sur les mousses ont également conduit à la définition d’un équipement opérationnel de confinement à destination de la Sécurité Civile. Dans ce cadre, plusieurs expériences de détonique dédiées ont été menées [21]. Ces études ont plus récemment été poursuivies, et largement étendues, par E. Del Prete au cours de sa thèse [58, 59].

Chacun des chapitres suivants présentera plus précisément la bibliographie qui lui est associée. On fera ainsi la distinction entre les études concernant l’influence de la mousse sur une onde de choc et son influence sur une onde de souffle, la différence majeure entre les deux étant la gamme de pression explorée.

Modélisation numérique

Le code numérique de Modélisation de la Mitigation par des MOUSses Sèches Aqueuses et Capture

d’Aérosols, aussi désigné par M3OUSSACA, sert à la modélisation de la propagation des ondes de

choc et de souffle dans les mousses aqueuses. Le code s’appuie sur un formalisme multiphasique à phases compressibles afin de considérer la mousse non pas comme un milieu homogène mais bien comme un mélange de plusieurs phases. Chacune d’elles possède sa propre équation d’état. Elles vont ensuite interagir entre elles par des transferts de quantité de mouvement, de masse et de chaleur. Ils se matérialisent par des termes sources qui seront explicités par la suite. La partie hyperbolique du système d’équations s’appuie sur la "méthode des équations discrètes" (DEM). Le modèle peut être utilisé en géométrie unidimensionnelle plane ou sphérique.

3.1 Principe et structure du code

Lorsqu’elle est soumise à des ondes de compression, la mousse va se fragmenter. La rupture des différents éléments liquides la constituant va créer un nuage de gouttelettes d’eau, brouillard qui va participer aux effets atténuateurs des mousses aqueuses. Au niveau de la modélisation numérique, étant donné l’amplitude des ondes de choc, on considère qu’au-delà d’un certain seuil de pression, la mousse rompt instantanément [58, 34]. Le brouillard est un nuage de gouttelettes dont le rayon est un des paramètres d’entrée du code. On néglige l’énergie de surface des éléments liquides de la mousse devant les autres énergies mises en jeu dans les phénomènes considérés [4]. En-deçà du seuil de rupture, la mousse est assimilée à un milieu homogène fluide en équilibre mécanique.

En aval du front de choc, les deux phases, ayant des polaires de choc différentes, vont avoir des états cinématiques et thermodynamiques différents. Des processus de relaxation de pressions, de vitesses et de températures vont alors se produire afin de ramener les différentes phases à l’équilibre mécanique et thermodynamique. Durant le retour à l’équilibre, si la différence de vitesses entre les phases est

trop importante, une étape d’atomisation secondaire peut avoir lieu. Cela aura principalement pour effet de modifier la surface spécifique entre les phases gazeuse et liquide et par voie de conséquence, les taux de transferts.

Du point de vue de la modélisation numérique, le code utilise trois phases. Les deux premières phases sont relatives aux phases liquide et gazeuse de la mousse. La phase liquide est considérée comme étant de l’eau. La phase gazeuse est ici constituée de deux espèces chimiques : l’air sec et la vapeur d’eau. La troisième phase peut avoir une équation différente de celle de l’air afin de modéliser soit le gaz moteur dans le cas du tube à choc, soit les produits de détonation dans le cas du tube à détonation ou des expériences avec explosif solide.

Le modèle ainsi que les différentes lois constitutives qui traduisent les mécanismes de transfert entre phases sont décrits ci-après. Par souci de clarté, seuls les échanges entre l’air et l’eau sont présentés. Les échanges entre la phase liquide et la troisième phase sont identiques, à l’exception de l’évapora-tion.