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Rhéologie et microstructure des pâtes de propergol solide

Description

Au début de leur cycle de fabrication, les propergols solides sont sous la forme d'une suspension concentrée, constituée du liant liquide et des charges énergétiques. C'est sous cet aspect de pâte visqueuse que ce propergol est coulé dans les moteurs. Or, le comportement balistique des moteurs à propergol solide dépend fortement de la manière dont s'effectue la coulée. Ceci nécessite donc de pouvoir prédire finement d’une part l’agencement de la pâte lors de la coulée et, d’autre part, l’arrangement des charges au sein de cette pâte (phénomènes de ségrégation ou d'orientation). Le premier aspect nécessite de bien connaître la rhéologie globale de la suspension de propergol, le second d'être capable d'estimer la microstructure locale des charges dans le moteur. Cet effet de la coulée (ou, de manière plus générale, du procédé de fabrication) sur les propriétés balistiques est appelé « effet bosse » et reste mal compris. En particulier, le phénomène physique à son origine est actuellement méconnu. Cet effet bosse est alors pris en compte de manière largement empirique. Des études récentes de R&T CNES 2017-2018 ont permis de montrer, dans une coulée et un propergol modèles, que les charges ne se répartissaient pas de manière aléatoire avec en particulier l’existence d'alignements privilégiés, ce qui représente un candidat sérieux pour une explication physique de l’effet bosse. Les travaux de thèse proposés chercheront à poursuivre cette compréhension expérimentale du lien entre écoulement, microstructure et propriétés pour les pâtes de propergol.

Ces travaux seront essentiellement basés sur de la rhéologie globale (mesure de viscosité, contraintes normales, etc.) et de la rhéologie locale (suivi individuel de chaque particule permettant ainsi une détermination de l'agencement des particules) dans une configuration typique de coulée. Nous réaliserons dans un premier temps des travaux avec des particules sphériques puis, dans un second temps, des particules non-sphériques pour être plus représentatif de charges réelles. Une forme non-sphérique (par exemple ellipsoïdale) peut en effet induire une orientation des particules le long des lignes de courant. Ces motifs d’orientation peuvent également être compatibles avec des effets bosse expérimentaux. De plus, les charges réelles peuvent également être anguleuses. Cet effet de la forme peut mener à des effets rhéologiques importants, actuellement très peu étudiés.

Les sorties attendues sont une meilleure connaissance de la rhéologie des suspensions de propergol et de la microstructure des charges dans une coulée modèle. Ces travaux devraient conduire à des explications physiques de l’effet bosse sur la base de caractérisations à l’échelle des charges. La thèse sera essentiellement expérimentale et se déroulera à l'Université de Nice (laboratoire InPhyNi) qui possède une compétence reconnue en rhéologie locale. Ce type d’expérience, unique, permet d’imager individuellement les particules d’une suspension dans une configuration d’écoulement quelconque.

 

Le plan de travail prévu s'articule comme suit :

Année 1

o Rhéologie locale (microstructure) sur une suspension de sphères en coulée-modèle et poursuite des travaux R&T 2018 sur l’étude des phénomènes de migration et d'alignement des particules. Des études paramétriques (ex. régimes d'écoulement, effets d’échelle ou géométriques) seront réalisées pour confirmer le phénomène.

 

Année 2

o Effet de l’orientation. L’étude sera réalisée avec des particules non-sphériques à faible rapport d’aspect (forme exacte à préciser). Une rhéologie locale 3D sera mise en œuvre ce qui permettra de remonter à l’orientation 3D exacte de chaque particule. L’évolution de cette orientation au sein de la coulée permettra de quantifier l’importance de ces aspects non-sphériques potentiellement responsables de l’effet bosse. Des études paramétriques seront réalisées (fraction volumique, rapport d’aspect, géométrie de la coulée). Des mesures en rhéologie globale permettront également de préciser certains effets importants pour prédire la coulée (loi rhéologique, importances des forces normales,…)

Année 3

o Effet de la forme. Le même travail que lors de l’année 2 sera réalisé mais appliqué à des particules de forme anguleuse (par ex. de type cubique) qui sont typiques des charges fines ou broyées. Nous étudierons l’effet de ces formes sur les lois rhéologiques et sur la microstructure lors d’une coulée.

Au final, ces travaux de thèse permettront de 1) Evaluer le rôle de l’orientation ou de la forme sur la rhéologie des pâtes (lois d’entrée pour les simulations de coulée, type Rem3D par exemple) afin d’être plus représentatif ; 2) Confirmer/infirmer le mécanisme physique responsable de l’effet bosse parmi les trois scénarios suspectés : alignement, migration ou orientation.     

 

Profil

Compétences en rhéologie et mécanique des fluides - goût pour l'expérimental

Master 2

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : Institut de Physique de Nice
Directeur(rice) de thèse/recherche : E.Lemaire
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : elemaire@unice.fr
Responsable Cnes de l'offre : LABARTHE Emilie

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019.

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