Детонация - Detonation

Детонация (от латинского detonare  «громить вниз / вперед») - это тип горения, включающий сверхзвуковой экзотермический фронт, ускоряющийся через среду, которая в конечном итоге приводит в движение фронт ударной волны, распространяющийся непосредственно перед ней. Взрывы происходят как в обычных твердых и жидких взрывчатых веществах, так и в реактивных газах. Скорость детонации в твердых и жидких взрывчатых веществ , гораздо выше , чем в газообразные, что позволяет волновую систему , чтобы наблюдать с более подробно (выше разрешение ).

Самые разнообразные виды топлива могут присутствовать в виде газов, капель тумана или пылевых взвесей. Окислители включают галогены, озон, перекись водорода и оксиды азота . Газовые взрывы часто связаны со смесью топлива и окислителя, состав которой несколько ниже обычных коэффициентов воспламеняемости. Чаще всего они возникают в замкнутых системах, но иногда и в больших облаках пара. Другие материалы, такие как ацетилен , озон и перекись водорода, могут взорваться в отсутствие кислорода .

Детонация была открыта в 1881 году двумя парами французских ученых Марселленом Бертло и П. Вьей, а также Эрнест-Франсуа Малларом и Анри Луи Ле Шателье . Математические предсказания распространения были впервые выполнены Дэвидом Чепменом в 1899 году и Эмилем Жуге в 1905, 1906 и 1917 годах. Следующий шаг вперед в понимании детонации был сделан Зельдовичем , фон Нейманом и У. Дерингом в начале 1940-х годов.

Теории

Простейшая теория для предсказания поведения детонации в газах известна как теория Чепмена-Жуге (CJ), разработанная 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 ограничивает химию и процессы диффузионного переноса бесконечно тонкой зоной.

Более сложная теория была выдвинута во время Второй мировой войны независимо Зельдовичем , фон Нейманом и В. Дерингом . 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 уплотнения следующий поток является дозвуковым, так что зона акустической реакции следует сразу за передним фронтом, условие Чепмена-Жуге . Есть также некоторые свидетельства того, что зона реакции в некоторых взрывчатых веществах является полуметаллической.

Обе теории описывают одномерные и стационарные 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 гасятся, поскольку их структура разрушается. Теория детонации Вуда-Кирквуда может исправить некоторые из этих ограничений.

Экспериментальные исследования выявили некоторые условия, необходимые для распространения таких фронтов. В замкнутом пространстве диапазон составов смесей топлива и окислителя и саморазлагающихся веществ с инертными веществами немного ниже пределов воспламеняемости, а для сферически расширяющихся фронтов намного ниже их. Влияние увеличения концентрации разбавителя на расширение отдельных ячеек детонации было элегантно продемонстрировано. Точно так же их размер увеличивается с падением начального давления. Поскольку ширина ячеек должна соответствовать минимальному размеру защитной оболочки, любая волна, перегруженная инициатором, будет подавлена.

Математическое моделирование неуклонно продвигается к предсказанию сложных полей течения за реакциями, вызывающими удары. На сегодняшний день ни один из них не дал адекватного описания того, как структура формируется и поддерживается за неограниченными волнами.

Приложения

При использовании во взрывных устройствах основной причиной повреждения от детонации является сверхзвуковой фронт взрыва (мощная ударная волна ) в окружающей области. Это существенное отличие от дефлаграций, при которых экзотермическая волна является дозвуковой, а максимальное давление составляет не более одной восьмой от величины. Следовательно, детонация является функцией для разрушительной цели, в то время как горение благоприятно для ускорения снарядов огнестрельного оружия . Однако детонационные волны также могут использоваться для менее разрушительных целей, включая нанесение покрытий на поверхность или очистку оборудования (например, удаление шлака) и даже взрывную сварку металлов, которые в противном случае не смогли бы сплавиться. Импульсные детонационные двигатели используют детонационную волну для авиационно-космической тяги. Первый полет самолета с импульсным детонационным двигателем состоялся в аэрокосмическом порту Мохаве 31 января 2008 года.

В двигателях и огнестрельном оружии

Непреднамеренная детонация, когда желательна дефлаграция, является проблемой для некоторых устройств. В цикле Отто или в бензиновых двигателях это называется детонацией, звоном или розовым светом, и это вызывает потерю мощности, чрезмерный нагрев и резкий механический удар, который может привести к возможной поломке двигателя. В огнестрельном оружии это может вызвать катастрофический и потенциально смертельный отказ.

Импульсные детонационные двигатели представляют собой разновидность импульсных реактивных двигателей, с которыми экспериментировали несколько раз, поскольку они обладают потенциалом для хорошей топливной экономичности.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки