Лекція №4 детонація, умови її поширення
У 1881 році французькими вченими було зроблено відкриття детонації в газах (поширення процесу горіння в газах із надзвуковими швидкостями 2÷3 км/с. Цей швидкий процес горіння був названий «фальшивим горінням», або детонацією (від французького «Detonner»: фальшивити, звучати) не в тон).
Детонація- стійка форма вибухового перетворення ВМ, фізико-хімічний процес, що самопоширюється, механізмом передачі енергії якого є ударна хвиля.
Особливості ударної хвилі.
Відомо, що в нерухомому середовищі малі обурення поширюються на всі боки зі швидкістю звуку. Швидкість звуку залежить від густини та інших характеристик середовища, але не залежить від інтенсивності звукових хвиль.
Ударна хвиля– стрибкоподібна зміна параметрів середовища проживання і практично миттєве залучення середовища до руху. За допомогою гідродинамічної теорії розглянуто створення ударної хвилі під час руху поршня в трубі з газом.
Під дією поршня в газі виникає ударна хвиля - область стиснення, що поширюється на незбурений газ.
У трубу з площею поперечного перерізу f, заповненим стисливим газовим середовищем, з постійною швидкістю u2 всувається поршень. У момент часу t=0 у перерізі 0-0 поршень миттєво почав рухатися із постійною швидкістю u2. При цьому від поршня почне поширюватися фронт ударної хвилі (2-2) зі швидкістю D. Середовище перед фронтом ударної хвилі має параметри p1, p1, u1, T1. За фронтом ударної хвилі (у зоні 11-22) параметри позначимо p2, p2, u2, T2.
Щоб знайти зв'язок між параметрами середовища до і після фронту ударної хвилі, скористаємося законом збереження маси.
За час t поршень щодо незбуреного газу переміститься на відстань (u2-u1)t, а фронт ударної хвилі – на відстань (D-u1)t. Маса ударно стиснутого газу дорівнює ρ2(D-u2)ft, з іншого боку, ця маса до стиснення визначається величиною ρ1(D-u1). Прирівнюючи ці вирази, отримаємо
З рівняння збереження маси можна отримати рівняння швидкості потоку:
U2 =
Аналіз цього рівняння дає таке:
- так як ρ2 ρ1 (речовина стискається в ударній хвилі), то U2 0 і направлено в ту ж сторону, що і D.
- так як
6. Ударна хвиля немає періодичного характеру, а поширюється як одиночного стрибка ущільнення.
Якщо є ударна хвиля, тобто хвиля розрідження. Вони спрямовані у різні боки. Тому проста ударна хвиля завжди затухає.
Структура детонаційної хвилі
На відміну від ударної хвилі, детонаційна хвиля поширюється з постійною швидкістю. Це тим, що рівняння збереження енергії детонаційної хвилі має вигляд:
де QV – теплота хімічних реакцій.
Перше доданок - зміна внутрішньої енергії внаслідок стиснення (характерно для ударної хвилі); друге доданок – зміна внутрішньої енергії з допомогою хімічного перетворення системи.
Інші закономірності виведені для ударної хвилі (закон збереження маси, кількості руху) справедливі для детонаційної хвилі.
Параметри з індексом j належать продуктам детонації у площині Чепмена-Жуге.
У структурі детонаційної хвилі:
Зона хімічної реакції
Поверхня, що розділяє зону хімічної реакції та продуктів детонації при стаціонарній детонації, називаються поверхнею Чепмена-Жуге.
Зельдович та інші вченіодночасно теоретично розрахували існування області підвищених тисків – хімічного піку. Причому Р1 = 2Рj
Основні параметри детонаційної хвилі описуються такими залежностями:
D=Wj+Cj;Pj=
Де К – показник ізоентропиК
Енергетичні характеристики детонації залежать від теплоти вибуху та кількості газоподібних продуктів детонації, їх середньої молекулярної маси: для ідеальних газів:
D=
Для конденсованих ВР існує низка наближених методів.
Наприклад, за методом Авакяна:
D1,6=643
Порушення та поширення детонації в конденсованому ВВ
Механізм збудження детонації ударною хвилею ось у чому. При проникненні ударної хвилі у заряді ВР створюється зона стискування, у якій виникає екзотермічна реакція. Для неоднорідних ВР найбільш висока швидкість розкладання речовини має місце у локальних “гарячих” точках.
Причинами їх виникнення можуть бути:
тертя між кристалами ВР або твердими частинками;
в'язкісне розігрів в результаті швидкого перебігу речовини;
тертя поверхні зсуву, під впливом дотичних напруг;
взаємодія косих ударних хвиль, що виникли через неоднорідність системи;
адіабатичний стиск газових включень утворені в гарячих точках вогнища розкладання укрупняються і об'єднуються.
Енергія, що виділяється в них, за допомогою хвиль стиснення йде на посилення фронту ударної хвилі.
Ініціювання однорідних ВР утруднено і може відбуватися або переважно в результаті гомогенного розігріву речовини, або механічно. Хімічне перетворення може бутиобумовлено безпосередньо деформацією ВР у фронті ударної хвилі за рахунок швидкої резонансної дисоціації молекул. Таке перетворення притаманно деформації в монокристалах при високих швидкостях 3-5 км/с. механічне ініціювання реакції з виділенням тепла створює умови і для термічного розпаду ВР. тому механізм завжди змішаний. При детонації потужних ВР в результаті резонансної дисоціації в області хімпіка утворюється зона холодної плазми (заряджені частинки), які енергійно вступають у взаємодію.
Порушення детонації можливе лише за одночасного виконання двох умов:
1. Тиск в ініціюючій хвилі має бути більшим за деяке критичне значення Ркр.
2. Діаметр заряду ВР повинен бути більше критичного значення dкр.