Modélisation expérimentale et numérique de l'activation d'une pile thermique
La pile thermique est une source d'énergie électrique activable par combustion de compositions pyrotechniques. Elle est utilisée pour alimenter les systèmes spatiaux et d'armement depuis la Seconde Guerre mondiale. L'activation d'une pile thermique est un phénomène rapide, d'...
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| Otros Autores: | , , , , , |
| Formato: | Thèse numérique |
| Lenguaje: | Français |
| Publicado: |
2023.
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | Accès au texte intégral https://theses.univ-orleans.fr/public/2023ORLE1038_va.pdf http://www.theses.fr/2023ORLE1038/abes https://theses.hal.science/tel-04503228 |
| Nota: |
Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Khaled Chetehouna (Président du jury) ; Khaled Chetehouna, Monica Siroux, Hui Ying Wang, Léo Courty, Luc Faget (Membre(s) du jury) ; Monica Siroux, Hui Ying Wang (Rapporteur(s)) |
| Autres localisations: | Voir dans le Sudoc |
| Variante du titre: | Experimental and numerical modelling thermal battery activation |
| Sumario: | La pile thermique est une source d'énergie électrique activable par combustion de compositions pyrotechniques. Elle est utilisée pour alimenter les systèmes spatiaux et d'armement depuis la Seconde Guerre mondiale. L'activation d'une pile thermique est un phénomène rapide, d'une durée pouvant être inférieure à 100 ms. Il est nécessaire de connaitre ce temps avec précision pour intégrer la pile aux systèmes qu'elle alimente. L'étude de la phase d'activation est donc cruciale pour faciliter le développement de nouvelles piles thermiques. La compréhension de l'activation passe par la modélisation des phénomènes qui s'y produisent : la combustion d'une composition pyrotechnique chauffante et le transfert de la chaleur ainsi produite vers le reste de la pile. Dans cette optique, un modèle a été réalisé pour chacune de ces deux étapes avec le logiciel de simulation éléments finis COMSOL Multiphysics®. Ces modèles nécessitent la caractérisation de la conductivité thermique des matériaux hétérogènes composant la pile thermique. Une nouvelle méthode permettant cette mesure sous atmosphère contrôlée a été mise au point à cet effet. Elle a permis de caractériser les matériaux utilisés dans les modèles développés. Le modèle de transfert thermique au sein de la pile décrit l'établissement du régime thermique permanent et les changements de phases qui ont lieu. Il a été validé dans un cas théorique pour tester sa robustesse puis avec les propriétés que nous avons mesurées. Le modèle de combustion décrit la combustion de la composition constituée de fer (Fe) et de perchlorate de potassium (KClO ). En couplant la réaction chimique entre ces deux réactifs et le transfert thermique au sein de la composition, nous obtenons un modèle permettant de reproduire l'auto-propagation de la combustion et de retrouver la vitesse de combustion observée en condition de fonctionnement. Un modèle éléments finis global couplant ces deux approches a été mis en place pour décrire l'activation d'une pile. Des mesures ont été effectuées sur un prototype de pile pour vérifier la précision de ce modèle. Thermal batteries are electric power sources activated by the combustion of pyrotechnic compositions. They are used to supply electricity to space and weapon systems since the Second World War. Thermal battery activation is a quick phenomenon that may last less than 100 ms. This time must be known precisely for the integration of the battery in the systems it supplies. The study of the activation phase is crucial to facilitate the development of new thermal batteries. The understanding of the activation requires to model the phenomena taking place during that phase: the combustion of heating pyrotechnic composition and the heat transfer towards the rest of the battery. A model was made for each of these steps with the finite elements software COMSOL Multiphysics®.Thermal conductivity of the heterogenous materials forming the thermal batteries are necessary to run these models. Therefore, a new method was proposed to characterize thermal conductivity of such materials as a function of temperature and under controlled atmosphere. The heat transfer model describes the setting of the thermal equilibrium and the phase changes. It was validated first with a theoretical case to test its robustness and then with the properties we measured. The combustion model describes the combustion of the composition made of iron (Fe) and potassium perchlorate (KClO ). We made a model capable of reproducing the self-sustained propagation of the combustion and to obtain the combustion speed observed in operating conditions by coupling heat transfer and the chemical reaction between the two reactants. A global finite elements model coupling these two approaches was made to describe the activation of a thermal battery. Measurements were performed on a thermal battery prototype to verify the accuracy of this model. |
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| Notas: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Khaled Chetehouna (Président du jury) ; Khaled Chetehouna, Monica Siroux, Hui Ying Wang, Léo Courty, Luc Faget (Membre(s) du jury) ; Monica Siroux, Hui Ying Wang (Rapporteur(s)) |
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