2.1.17. DE LA DÉFLAGRATION À LA DÉTONATION

LA DÉFLAGRATION

La déflagration est le phénomène qui se produit obligatoirement si on enflamme un mélange dont la composition se situe dans le domaine d'inflammabilité. Si la combustion se propage de manière autonome, les produits de combustion sont projetés en sens inverse de la flamme, tandis que des radicaux libres sont projetés dans le mélange frais et que la température de celui-ci augmente. Ces deux phénomènes accentuent les vitesses de réaction donnant ainsi naissance à une onde de pression qui sera d'autant plus forte que l'atmosphère sera calme. L'amplitude de la déflagration dépend essentiellement du taux de combustion ; plus le taux de combustion est important, plus l'énergie dégagée est grande, plus la vitesse de la flamme augmente, plus la pression augmente.

En régime de déflagration, l'onde de pression se développant en avant du front de flamme progresse à des vitesses de l'ordre de quelques mètres à quelques dizaines de mètres par seconde et les surpressions engendrées (dans un mélange initialement à la pression atmosphérique) sont de l'ordre de 4 à 10 bars.

Plusieurs facteurs influent sur la vitesse de propagation de la flamme, notamment :

- la concentration du mélange (dès qu'on s'éloigne d'un mélange stœchiométrique, la vitesse diminue) ; - la pression et la température initiale du mélange ; - la turbulence.

Ce dernier paramètre a une influence prépondérante car la turbulence favorise les transferts de chaleur et de masse et augmente par conséquent le taux de combustion. La présence d'obstacles, en engendrant des zones de turbulences, contribue donc à l'accélération de la vitesse de propagation.

LA DÉTONATION

La détonation est une réaction plus rapide et plus violente que la déflagration. Elle est caractérisée par une vitesse de propagation du front de flamme supérieure à 1 000 m/seconde, celle-ci restant constante pendant la durée du phénomène. La détonation est une réaction chimique exothermique qui accompagne une onde de choc brutale se propageant à l'avant de la zone de combustion et provoquant une auto-inflammation continuelle sur son passage, l'onde de combustion entretenant l'onde de choc et inversement, toujours à la même vitesse supersonique. Contrairement à ce qui se passe en régime de déflagration, les gaz brûlés et les fumées se déplacent dans le même sens que la surface de décomposition.

La pression de l'onde de choc peut atteindre des niveaux très élevés : de l'ordre de 7 à 30 bars pour un mélange gazeux dans l'air à 40 bars dans l'oxygène, elle peut aller jusqu'à 1 000 bars dans le cas d'explosifs liquides ou solides. Sur son passage, elle élève instantanément la température, la pression et la densité du gaz dans lequel elle se propage. Outre un claquement intense, l'onde de choc provoque un accroissement de luminosité des produits de combustion. Après avoir atteint sa valeur maximale, la pression retombe jusqu'à une pression négative, avant de reprendre une valeur normale.

La vitesse de propagation peut varier de 1 à 10 km par seconde, suivant la nature de la substance détonante. Pour un mélange stœchiométrique hydrocarbure-air, elle est de l'ordre de 2 km/s ; les vitesses maximales sont atteintes avec les explosifs solides.

En pratique, il n'y a détonation que si des conditions très particulières sont réunies : masse, géométrie et composition du combustible, énergie d'allumage, température, pression, confinement, turbulence...

Pour les mélanges gazeux, par exemple, il existe un « domaine de détonabilité » compris entre une limite inférieure et une limite supérieure. Ce domaine, plus restreint que le domaine d'inflammabilité, se situe donc à l'intérieur de celui-ci et varie, comme lui, en fonction de la température et de la pression.

En outre, pour que la vitesse de la flamme atteigne une valeur propice à la détonation, il faut que les conditions environnementales permettent son accélération : confinement, présence d'obstacles (murs, auvents, réservoirs...) ou forte turbulence générée, par exemple, par un puissant jet de gaz.

Toutes autres conditions étant réunies, s'il suffit d'une énergie de l'ordre de 10^-4 J pour initier une déflagration, il faut, pour que celle-ci laisse directement la place à une détonation, une énergie d'allumage au moins mille fois supérieure.

	Déflagration	Détonation
Origine	Source d'inflammation	Allumage par explosif Transition déflagration/ détonation (rare en industrie)
Vitesse de flamme	Quelques mètres à quelques dizaines de m/s	> 1000 m/s
Pressions maximales	Quelques bars	Quelques dizaines de bar
Mode de propagation de la flamme	Conduction	Compression puis auto-inflammation
Paramètre influençant la vitesse de propagation de la flamme	Turbulence du jet Obstacles Confinement	Régime de propagation stable

DE LA DÉFLAGRATION À LA DÉTONATION

Compte tenu des conditions nécessaires à la naissance d'une détonation, le phénomène est très aléatoire et le mécanisme du passage d'un régime à l'autre très complexe.

Si les gaz brûlés issus de la combustion qui s'échappent normalement en sens inverse du front de flamme sont évacués à l'air libre, le processus ne conduira pas à la détonation.

En revanche, si les gaz de combustion n'ont pas la possibilité de s'échapper, ils sont projetés vers l'avant de la flamme et compriment les gaz frais. L'expansion des gaz brûlés agissant sur la flamme à la manière d'un piston crée une onde de pression devant le front de flamme ; cette compression chauffe le mélange frais qui se dilate à son tour en créant une nouvelle compression. Si le champ de convection est soumis à des turbulences, le front de flamme s'étend, le taux de combustion augmente, créant des ondes de pression et de chaleur de plus en plus fortes. Les fronts de compression successifs finissent par se souder en un front unique ; cette compression forte génère une onde de choc alimentée par l'énergie dégagée par la zone de combustion qui la suit. La détonation n'est pas encore inéluctable.

A ce moment, deux situations sont possibles :

- si, sous l'effet de turbulences, le front de flamme s'accélère et rattrape l'onde de choc, - si une auto-inflammation des gaz frais se produit entre la flamme et l'onde de choc, rapprochant ainsi la zone de réaction de l'onde de choc,

alors le choc et la zone de combustion se déplacent avec la même vitesse, s'entretenant mutuellement par auto-inflammations successives, établissant ainsi un front de détonation à vitesse supersonique.

La période qui précède la détonation, appelée période de prédétonation ou d'induction, est plus ou moins longue. Cette période, ainsi que la distance de prédétonation (de plusieurs centimètres à plusieurs mètres), sont caractéristiques d'un mélange détonable pour un mode d'allumage déterminé (si l'énergie d'allumage est très élevée, la transition peut être nulle). Plus on s'éloigne de la stœchiométrie, plus la période et la distance s'allongent. Pendant la période d'induction, la vitesse du front de flamme croît constamment jusqu'à l'établissement de l'onde de détonation.