Детонация

Детонация (от латинского detonare «громить вниз/вперед») [ 1 ] Это тип горения , включающий сверхзвуковой экзотермический фронт, ускоряющийся в среде, который в конечном итоге вызывает ударный фронт, распространяющийся прямо перед ним. Детонации распространяются сверхзвуково через ударные волны со скоростью около 1 км/сек и отличаются от дефлаграций , имеющих дозвуковые скорости пламени около 1 м/сек. [ 2 ] Детонация – это взрыв топливно-воздушной смеси. По сравнению с дефлаграцией, детонация не требует внешнего окислителя. Окислители и топливо смешиваются при возникновении горения. Детонация более разрушительна, чем горение. При детонации фронт пламени проходит через топливовоздушную смесь быстрее звука; в то время как при дефлаграции фронт пламени проходит через воздух-топливо медленнее, чем звук.
Детонация возникает как в обычных твердых, так и в жидких взрывчатых веществах. [ 3 ] а также в химически активных газах. Тротил, динамит и C4 являются примерами взрывчатых веществ большой мощности, которые детонируют. Скорость детонации в твердых и жидких ВВ значительно выше, чем в газообразных, что позволяет наблюдать волновую систему с большей детальностью (более высоким разрешением ).
Очень широкий спектр видов топлива может встречаться в виде газов (например, водорода ), капельного тумана или пылевых взвесей. Помимо дикислорода, окислителями могут быть соединения галогенов, озон, перекись водорода и оксиды азота . Газовые детонации часто связаны со смесью топлива и окислителя, состав которой несколько ниже обычных коэффициентов воспламеняемости. Чаще всего они происходят в замкнутых системах, но иногда встречаются и в больших облаках пара. Другие материалы, такие как ацетилен , озон и перекись водорода , взрывоопасны в отсутствие окислителя (или восстановителя). В этих случаях высвобождаемая энергия является результатом перестройки молекулярных компонентов материала. [ 4 ] [ 5 ]
Детонацию открыли в 1881 году четыре французских учёных Марселлен Бертло и Поль Мари Эжен Вьей. [ 6 ] и Эрнест-Франсуа Маллар и Анри Луи Ле Шателье . [ 7 ] Математические предсказания распространения впервые были сделаны Дэвидом Чепменом в 1899 году. [ 8 ] и Эмиль Жуге в 1905 году, [ 9 ] 1906 и 1917 годы. [ 10 ] Следующий шаг в понимании детонации был сделан Джоном фон Нейманом. [ 11 ] и Вернер Дёринг [ 12 ] in the early 1940s and Yakov B. Zel'dovich and Aleksandr Solomonovich Kompaneets in the 1960s. [ 13 ]
Теории
[ редактировать ]Самая простая теория, позволяющая предсказать поведение детонации в газах, известна как теория Чепмена – Жуге (CJ), разработанная примерно на рубеже 20-го века. Эта теория, описываемая относительно простой системой алгебраических уравнений, моделирует детонацию как распространяющуюся ударную волну, сопровождающуюся экзотермическим выделением тепла. Такая теория описывает химические процессы и процессы диффузионного переноса как происходящие внезапно после прохождения ударной волны.
Более сложная теория была выдвинута во время 2-й мировой войны независимо Зельдовичем , фон Нейманом и Дёрингом . [ 13 ] [ 11 ] [ 12 ] Эта теория, теперь известная как теория ZND , допускает химические реакции с конечной скоростью и, таким образом, описывает детонацию как бесконечно тонкую ударную волну, за которой следует зона экзотермической химической реакции. В системе отсчета стационарного скачка следующее течение является дозвуковым, так что сразу за передним фронтом следует зона акустической реакции, условие Чепмена-Жуге . [ 14 ] [ 9 ]
Есть также некоторые свидетельства того, что у некоторых взрывчатых веществ зона реакции является полуметаллической . [ 15 ]
Обе теории описывают одномерные и устойчивые волновые фронты. Однако в 1960-х годах эксперименты показали, что газофазные детонации чаще всего характеризуются нестационарными трехмерными структурами, которые можно предсказать только в усредненном смысле с помощью одномерных устойчивых теорий. Действительно, такие волны затухают по мере разрушения их структуры. [ 16 ] [ 17 ] Теория детонации Вуда-Кирквуда может исправить некоторые из этих ограничений. [ 18 ]
Экспериментальные исследования выявили некоторые условия, необходимые для распространения таких фронтов. В условиях изоляции диапазон составов смесей горючего с окислителем и саморазлагающимися веществами с инертами находится немного ниже пределов воспламеняемости, а для сферически расширяющихся фронтов - значительно ниже их. [ 19 ] Элегантно продемонстрировано влияние увеличения концентрации разбавителя на расширение отдельных детонационных ячеек. [ 20 ] Аналогично их размер увеличивается при падении начального давления. [ 21 ] Поскольку ширина ячеек должна соответствовать минимальным размерам сдерживания, любая волна, перегруженная инициатором, будет погашена.
Математическое моделирование неуклонно продвигается к прогнозированию сложных полей потока, вызывающих реакции шоков. [ 22 ] [ 23 ] На сегодняшний день никто не дал адекватного описания того, как структура формируется и поддерживается за неограниченными волнами.
Приложения
[ редактировать ]
При использовании во взрывных устройствах основной причиной повреждения от детонации является сверхзвуковой фронт взрыва (мощная ударная волна ) в окружающей местности. Это существенное отличие от дефлаграции , при которой экзотермическая волна дозвуковая, а максимальное давление неметаллических пылинок примерно в 7–10 раз превышает атмосферное давление. [ 24 ] Таким образом, детонация используется для разрушительных целей, тогда как дефлаграция предпочтительна для ускорения снарядов огнестрельного оружия . Однако детонационные волны могут быть использованы и для менее разрушительных целей, в том числе для нанесения покрытий на поверхность. [ 25 ] или очистка оборудования (например, удаление шлака [ 26 ] ) и даже сваривать взрывом металлы, которые в противном случае не смогли бы расплавиться. Импульсные детонационные двигатели используют детонационную волну для движения в аэрокосмической отрасли. [ 27 ] Первый полет самолета с импульсно-детонационным двигателем состоялся в воздушно-космическом порту Мохаве 31 января 2008 года. [ 28 ]
В двигателях и огнестрельном оружии
[ редактировать ]Непреднамеренная детонация при желательном возгорании является проблемой некоторых устройств. В цикле Отто или бензиновых двигателях это называется детонацией или звоном в двигателе, и это приводит к потере мощности. Это также может вызвать чрезмерный нагрев и резкий механический удар, который может привести к выходу двигателя из строя. [ 29 ] В огнестрельном оружии это может привести к катастрофическому и потенциально смертельному выходу из строя. [ нужна ссылка ] .
Импульсно-детонационные двигатели представляют собой разновидность импульсного реактивного двигателя, с которым неоднократно экспериментировали, поскольку это обеспечивает потенциал хорошей топливной экономичности. [ нужна ссылка ] .
См. также
[ редактировать ]- Углеродная детонация
- Детонатор
- Детонация заряда взрывчатого вещества
- Детонационный алмаз
- Детонационный пламегаситель
- Симпатическая детонация
- Ядерные испытания
- Преддетонация
- Условие Чепмена – Жуге
- Стук в двигателе
- дефлаграция
- Относительный коэффициент эффективности
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Оксфордские живые словари . «взорвать» . Британский и мировой английский . Издательство Оксфордского университета. Архивировано из оригинала 22 февраля 2019 года . Проверено 21 февраля 2019 г.
- ^ Справочник по технике пожарной защиты (5-е изд.). Общество инженеров пожарной безопасности. 2016. с. 390.
- ^ Фикетт, Уилдон; Дэвис, Уильям К. (1979). Детонация . Издательство Калифорнийского университета. ISBN 978-0-486-41456-0 .
- ^ Столл, Дэниел Ричард (1977). Основы пожара и взрыва . Серия монографий. Том. 10. Американский институт инженеров-химиков . п. 73. ИСБН 978-0-816903-91-7 .
- ^ Урбен, Питер; Бретерик, Лесли (2006). Справочник Бретерика по реактивным химическим опасностям (7-е изд.). Лондон: Баттервортс. ISBN 978-0-123725-63-9 .
- ^ Бертло, Марселлин; и Вьей, Поль Мари Эжен; «О скорости распространения взрывных процессов в газах», Еженедельные отчеты сессий Академии наук, вып. 93, с. 18–22, 1881 г.
- ^ Маллард, Эрнест-Франсуа; и Ле Шателье, Генри Луи; «О скорости распространения горения в газообразных взрывчатых смесях», Еженедельные отчеты сессий Академии наук, вып. 93, с. 145–148, 1881 г.
- ^ Чепмен, Дэвид Леонард (1899). «VI. О скорости взрыва газов», The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science , 47 (284), 90–104.
- ^ Jump up to: а б Жуге, Жак Шарль Эмиль (1905). «О распространении химических реакций в газах» ( PDF) . Журнал чистой и прикладной математики . 6.1 . : 347–425 Архивировано из оригинала (PDF) 19 октября 2013 г. Проверено 19 октября 2013 г. Продолжение в Жуге, Жак Шарль Эмиль (1906). «О распространении химических реакций в газах» ( PDF) . Журнал чистой и прикладной математики . 6.2 . :5–85 Архивировано из оригинала (PDF) 16 октября 2015 г.
- ^ Жуге, Жак Шарль Эмиль (1917). Научная работа Пьера Дюэма , Дуэн.
- ^ Jump up to: а б фон Нейман, Джон (1942). Отчет о ходе работы по «Теории детонационных волн» (Отчет). Отчет ОСРД №549. Восходящий номер ADB967734. Архивировано из оригинала 17 июля 2011 г. Проверено 22 декабря 2017 г.
- ^ Jump up to: а б Дёринг, Вернер (1943). « О процессе детонации в газах » Анналы физики . 43 (6–7): 421–436. Бибкод : 1943АнП...435..421Д . дои : 10.1002/andp.19434350605 .
- ^ Jump up to: а б Zel'dovich, Yakov B.; Kompaneets, Aleksandr Solomonovich (1960). Theory of Detonation . New York: Academic Press. ASIN B000WB4XGE . OCLC 974679 .
- ^ Чепмен, Дэвид Леонард (январь 1899 г.). «О скорости взрыва газов» . Философский журнал . Ряд 5. 47 (284). Лондон: 90–104. дои : 10.1080/14786449908621243 . ISSN 1941-5982 . LCCN sn86025845 .
- ^ Рид, Эван Дж.; Риад Манаа, М.; Фрид, Лоуренс Э.; Глеземанн, Курт Р.; Джоаннопулос, JD (2007). «Переходный полуметаллический слой в детонирующем нитрометане». Физика природы . 4 (1): 72–76. Бибкод : 2008НатФ...4...72Р . дои : 10.1038/nphys806 .
- ^ Эдвардс, Д.Х.; Томас, ГО и Нетлтон, Массачусетс (1979). «Дифракция плоской детонационной волны при резком изменении площади». Журнал механики жидкости . 95 (1): 79–96. Бибкод : 1979JFM....95...79E . дои : 10.1017/S002211207900135X . S2CID 123018814 .
- ^ Эдвардс, Д.Х.; Томас, ГО; Нетлтон, Массачусетс (1981). А. К. Оппенгейм; Н. Мэнсон; Р.И. Солоухин; Дж. Р. Боуэн (ред.). «Дифракция планарной детонации в различных топливно-кислородных смесях при изменении площади». Прогресс в космонавтике и воздухоплавании . 75 : 341–357. дои : 10.2514/5.9781600865497.0341.0357 . ISBN 978-0-915928-46-0 .
- ^ Глеземанн, Курт Р.; Фрид, Лоуренс Э. (2007). «Улучшенная химическая кинетика детонации Вуда – Кирквуда» . Теоретическая химия . 120 (1–3): 37–43. дои : 10.1007/s00214-007-0303-9 . S2CID 95326309 .
- ^ Нетлтон, Массачусетс (1980). «Пределы детонации и воспламеняемости газов в замкнутых и незамкнутых ситуациях». Наука и технологии противопожарной защиты (23): 29. ISSN 0305-7844 .
- ^ Мандей, Г.; Уббелоде, А.Р. и Вуд, И.Ф. (1968). «Флуктуирующая детонация в газах». Труды Королевского общества А. 306 (1485): 171–178. Бибкод : 1968РСПСА.306..171М . дои : 10.1098/rspa.1968.0143 . S2CID 93720416 .
- ^ Бартель, ХО (1974). «Предсказанные расстояния при детонации водорода, кислорода и аргона». Физика жидкостей . 17 (8): 1547–1553. Бибкод : 1974PhFl...17.1547B . дои : 10.1063/1.1694932 .
- ^ Оран; Борис (1987). Численное моделирование реактивных потоков . Издательство Эльзевир.
- ^ Шарп, Дж.Дж.; Квирк, Джей-Джей (2008). «Нелинейная клеточная динамика идеализированной модели детонации: обычные ячейки» (PDF) . Теория и моделирование горения . 12 (1): 1–21. Бибкод : 2008CTM....12....1S . дои : 10.1080/13647830701335749 . S2CID 73601951 . Архивировано (PDF) из оригинала 5 июля 2017 г.
- ^ Справочник по технике пожарной защиты (5-е изд.). Общество инженеров пожарной безопасности. 2016. Таблица 70.1 Данные о взрывоопасности типичных порошков и пыли, стр. 2770.
- ^ Николаев, Ю. А.; Васильев А.А., Ульяницкий Б.Ю. (2003). «Газовая детонация и ее применение в технике и технологиях (обзор)». Горение, взрыв и ударные волны . 39 (4): 382–410. дои : 10.1023/A:1024726619703 . S2CID 93125699 .
- ^ Хуке, З.; Али, М.Р. и Коммалапати, Р. (2009). «Применение импульсно-детонационной технологии для удаления котловых шлаков». Технология переработки топлива . 90 (4): 558–569. дои : 10.1016/j.fuproc.2009.01.004 .
- ^ Кайласанатх, К. (2000). «Обзор применения детонационных волн в двигательной установке». Журнал АИАА . 39 (9): 1698–1708. Бибкод : 2000AIAAJ..38.1698K . дои : 10.2514/2.1156 .
- ^ Норрис, Г. (2008). «Импульсная мощность: демонстрация полета с использованием импульсно-детонационного двигателя знаменует собой важную веху в Мохаве» . Неделя авиации и космических технологий . 168 (7): 60.
- ^ Саймон, Андре. «Не тратьте зря время на то, чтобы услышать стук…» Академия высоких достижений .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
