Validation of the Gurney model for heterogeneous systems

Accelerating material to very high speed (up to multiple km/s) is one of the primary uses of high explosives. Thus, the magnitude and mechanisms of energy transfer from a detonating high explosive (HE) to material placed in contact with the charge are critical in engineering applications. When heterogeneous, non-conventional explosives are used to drive material, or when heterogeneous material is driven by explosives, mesoscale multiphase interactions and dissipative mechanisms complicate the analysis and modelling of the explosive-material interaction using both analytic techniques and finite element codes.First, a planar flyer plate charge leveraging Photonic Doppler Velocimetry (PDV) was designed to measure the explosive output of heterogeneous HEs. Homogeneous, amine-sensitized liquid nitromethane was used as a benchmark explosive, and the flyer-mass to charge-mass ratio M/C was varied from 0.03 to 4.65. These experiments validated that the Gurney model is accurate to within 5%, except for very small values of M/C where the error grows to 10%. Importantly, these experiments also validated flyer launch angle predictions and PDV tilt correction techniques up to very large launch angles.Second, the validated flyer plate charge was used to measure the metal driving output of explosives loaded with inert additives. Photonic Doppler Velocimetry was again used to measure flyer acceleration. A wide range of formulations and particle additives were tested: packed particle beds saturated with nitromethane, gelled nitromethane with suspended particles, and C-4 admixed with particles. A slapper initiated charge was also used in order to determine the effect of detonation wave incidence angle on flyer acceleration. The Gurney curves for several formulations were also measured. Results were analysed in the context of a modified form of the Gurney equation which included the entrainment of the inert particles in the detonation products with no slip. Agreement was found to be acceptable for an engineering model for all but the very heavily loaded explosives.Third, a modified, symmetric version of the experimental geometry was used to evaluate the effect of aluminium addition on the propulsive capability of gelled nitromethane. Unlike typical studies of aluminized explosives using the cylinder test, in the present experiments flyer plates of widely varying thickness were used to ascertain if casing expansion timescale influences energy deposition by the aluminium. Time-resolved flyer surface velocity measurements were performed with PDV. Regardless of flyer thickness and aluminium particle size, aluminized explosives drove the flyer plates faster than an equivalent neat explosive within 4--6 us. This implied prompt reaction and energy delivery by the aluminium to the detonation products.Finally, the explosive dispersal of a wide variety of granular materials in spherical geometry was performed and various phenomenology related to consolidated shell fracture and particle jet formation were discussed – particularly the segregation and jetting of binary mixtures. The terminal velocity of the jet tips for all experiments were compared to the spherical Gurney model. Experimental terminal velocities were 40\textendash{70}\% lower than what was predicted by the Gurney model, demonstrating that compaction significantly dissipates explosive energy. A modified Gurney model accounting for dissipation as a function of \textit{M/C} and porosity was compared and shown to accurately predict the dispersant velocity over the full range of \textit{M/C} and materials considered with a maximum error of 17\%.L'accélération du matériel à très grande vitesse (jusqu'à plusieurs km/s) est l'une des principales utilisations des explosifs à haute teneur. Ainsi, l'ampleur et les mécanismes du transfert d'énergie de la détonation des explosifs élevés (HE) à des matériaux mis en contact avec la charge sont essentiels dans les applications d'ingénierie. Lorsqu'un explosif hétérogène et non conventionnel est utilisé pour conduire du matériel, ou lorsqu’un matériel hétérogène est entraîné par des explosifs, les interactions multiphasiques à mésoéchelle et les mécanismes dissipatifs sont difficilement modélisés par des codes d'éléments finis et des outils analytiques.Les explosifs qui ont été fortement dilués avec du matériel inerte intéressent les applications de conduite en métal où l'élimination d'un choc transmis dans le métal est souhaitable: la spallation et l'éjection du matériau peuvent être supprimées et le chauffage et le cisaillement peuvent être réduits. Alternativement, l'ajout de métaux réactifs peut augmenter la performance d'un explosif lors de la conduite de métal, à condition que les particules réagissent suffisamment rapidement. Les explosifs fortement dilués avec des particules denses sont également intéressants pour des charges d'impulsions limitées à longue distance et de haute intensité à courte distance. La capacité de ces explosifs à accélérer l'enveloppe auxiliaire d’une charge est donc importante à quantifier. Lorsque des explosifs sont utilisés pour conduire des matériaux granulaires, le compactage par choc dissipe l'énergie explosive, ce qui entraîne une vitesse de dispersion inférieure à ce que l'on prévoit pour les enveloppes homogènes. La quantification de la vitesse des dispersants est essentielle pour le transfert de moment cinétique d’explosions enterrées, l'atténuation des impulsions/explosions par des matériaux granulaires, et la performance de certaines charges améliorées. Les effets hétérogènes présentent donc un intérêt pour plusieurs applications d'ingénierie explosive spécialisées. Dans la thèse actuelle, les effets des hétérogénéités sur l'accélération du matériau par des explosifs ont été examinés en détail par l'expérimentation. Tout au long, les résultats de la thèse ont été analysés dans le contexte du modèle Gurney, l'un des outils analytiques les plus omniprésents pour estimer la vitesse à laquelle les matériaux sont entraînés par des explosifs ou pour comparer la production thermo-chimique des explosifs. Diverses modifications du modèle Gurney ont été proposées et / ou évaluées.En conclusion, la précision et l’utilité du modèle Gurney a été démontrée pour une variété de systèmes hétérogènes. Étant donné que le modèle de Gurney est effectivement une loi d'échelle de transfert d'énergie, il peut être facilement adapté en modifiant les équations de conservation pour tenir compte des ajouts au système ou simplement en ajoutant des termes d'échelle au ratio \textit{M/C} et à l'énergie explosive efficace, E