что такое детонационная волна
Детонационной волны
Процессы горения в зависимости от внешних условий, в особенности от давления, протекают с переменной скоростью, в то время как скорость взрыва от внешних условий практически не зависит.
Результаты теоретических исследований показывают, что между горением и взрывом существует строгая количественная граница. Скорость горения всегда меньше, а скорость взрыва всегда больше, чем скорость звука в исходном, еще не разложившемся ВВ.
В передаче горения по заряду ВВ определяющую роль играют законы теплопроводности, а в передаче взрыва – ударная волна.
Детонация представляет собой наиболее совершенную форму взрыва, протекающую с постоянной и максимально возможной при заданных условиях для данного ВВ скоростью. Таким образом, детонация – это частный случай, особая стационарная форма взрыва, а скорость детонации является константой и одной из важнейших характеристик взрывчатого вещества.
Таким образом, понятие «взрыв» объединяет понятия о его нестационарной и детонационной формах, которые по механизму своего распространения принципиально не отличаются.
Наиболее полно и глубоко изучены процессы детонации. Большинство теоретических исследований в области детонации относится к газовым смесям, которые являются простейшими взрывчатыми системами. Разработана стройная математическая теория детонационной волны, основные закономерности которой оказались справедливы и для конденсированных (твердых и жидких) ВВ.
Явление детонации в газах было открыто в 1881 году независимо Бертло и Вьелем, а также Малляром и Ле-Шателье в ходе работ по исследованию распространения пламени в трубах.
Крупным достижением в развитии представлений о сущности и законах распространения детонации явилась так называемая гидродинамическая теория детонации. Она не только правильно объясняет качественные особенности детонационных процессов, но и дает возможность вполне удовлетворительно рассчитать все параметры (скорость, давление, плотность, температуру, энергию) детонационной волны.
Основоположником современной гидродинамической теории детонации является известный русский физик Михельсон, который разработал основные ее положения еще в 1889 году.
Согласно гидродинамической теории передача детонации обусловлена распространением по ВВ ударной волны. Если амплитуда на фронте этой волны больше некоторой величины, то волна способна при своем распространении возбуждать за своим фронтом интенсивную химическую реакцию, за счет энергии которой поддерживается постоянство параметров волны и стационарный характер детонационного процесса в целом. Таким образом, скорость детонации может быть рассчитана, как скорость распространения ударной волны по взрывчатому веществу.
Движение обычной ударной волны складывается из движения скачка уплотнения и перемещения самой среды. Детонационная волна обладает более сложной структурой: за фронтом ударной волны движется зона химической реакции, а за ней – конечные продукты взрыва.
Для описания стационарного процесса детонации зону реакции можно не рассматривать, а сопоставить состояния исходного вещества и продуктов детонации.
Если взять систему координат, которая движется вместе с фронтом ударной волны, то в ней фронт и зона реакции станут неподвижными.
При переходе от ударной волны к детонационной основные уравнения сохранения остаются в силе:
В уравнении Гюгонио добавилась удельная энергия взрывчатого превращения (удельная теплота реакции при постоянном объеме).
Для детонационных процессов D = const, следовательно, из второго уравнения получаем уравнение прямой в координатах v и p:
Кривая Гюгонио для детонационной волны имеет вид, показанный на рисунке.
Она построена для конечных продуктов реакции, которые обладают повышенным содержанием энергии (кривая лежит выше точки A (v0, p0) и кривой Гюгонио ударной волны, производящей сжатие исходного вещества).
Распределение давлений и плотностей газа за фронтом детонационной волны выглядит следующим образом.
детонационная волна
Смотреть что такое «детонационная волна» в других словарях:
ДЕТОНАЦИОННАЯ ВОЛНА — ударная волна, распространяющаяся по взрывчатому веществу со сверхзвуковой скоростью и сопровождающаяся экзотермической химической реакцией превращения взрывчатого вещества. Давление, которое создается при распространении детонационной волны,… … Большой Энциклопедический словарь
ДЕТОНАЦИОННАЯ ВОЛНА — ударная волна, распространяющаяся по ВВ со сверхзвук. скоростью и сопровождающаяся экзотермич. хим. реакцией превращения ВВ. Давление, к рое создаётся при распространении Д. в., сотни кПа (газообразные взрывчатые смеси) и тыс. МПа (жидкие и… … Естествознание. Энциклопедический словарь
детонаційна хвиля — детонационная волна detonation wave Detonationwelle хвиля стиснення (ударна хвиля), що проходить по заряду ВР та супроводжується зоною реакції вибухового перетворення, що виникає за фронтом хвилі … Гірничий енциклопедичний словник
Детонация — (франц. détoner взрываться, от лат. detono гремлю) процесс химического превращения взрывчатого вещества, сопровождающийся освобождением энергии и распространяющийся по веществу в виде волны от одного слоя к другому со сверхзвуковой… … Большая советская энциклопедия
Кумулятивный эффект — кумуляция, усиленное в определённом направлении действие взрыва. К. э. создаётся зарядом взрывчатого вещества, имеющим углубление кумулятивную выемку, обращенную к мишени (например, к стальной броневой плите). Кумулятивная выемка, обычно… … Большая советская энциклопедия
Детонация — взрывчатых веществ (франц. detoner взрываться, от лат. detono гремлю * a. detonatiоn of explosives; н. Detonation von Sprengstoffen; ф. detonation des explosifs; и. detonacion de explosivos) процесс хим. превращения ВВ, сопровождающийся… … Геологическая энциклопедия
УВИ — Ударно волновой излучатель, УВИ наиболее эффективный по удельной мощности и спектру излучаемых частот в настоящее время тип взрывомагнитного генератора частоты (ВМГЧ) с виртуальным лайнером. Содержание 1 Принцип действия 2 Устройство и работа 3… … Википедия
Ударно-волновой излучатель — Ударно волновой излучатель, УВИ наиболее эффективный в настоящее время тип взрывного источника радиочастотного электромагнитного излучения с «виртуальным» лайнером. Содержание 1 Принцип действия 2 Устройство и работа … Википедия
Детонация
Детонация – это процесс химического превращения взрывчатого вещества, сопровождающийся освобождением энергии (тепла) и распространяющийся по веществу в виде волны от одного слоя к другому со сверхзвуковой скоростью.
В однородном веществе детонация распространяется с постоянной скоростью, которая среди возможных для данного вещества скоростей распространения детонационной волны является минимальной. В такой волне зона химической реакции перемещается относительно продуктов реакции со скоростью звука (но со сверхзвуковой скоростью относительно исходного вещества). Скорости детонации некоторых взрывчатых веществ представлены в табл.
Благодаря этому волны разрежения, возникающие при расширении газообразных продуктов химической реакции, не могут проникнуть в зону реакции и ослабить бегущую впереди ударную волну. Минимальная скорость распространения детонации принимается в качестве характеристики взрывчатого вещества. Энергия, выделяемая в зоне химической реакции, непрерывно поддерживает высокое давление в ударной волне.
Скорости детонации
Вещество
ν, м/сек
Тринитротолуол (тротил, тол), C7H5(NО2)3CH3 (твердое вещество, d=1,62 г/см 3 )
Пентаэритриттетранитрат (ТЭН) C5H8(ОNО2)4 (твердое вещество, d=1,77 г/см 3 )
Циклотриметилентринитроамин (гексоген), C3H6О6N6 (твердое вещество, d=1,80 г/см 3 )
Виды детонации
При анализе чрезвычайных ситуаций, связанных с проявлением детонации, различают несколько видов процесса.
Физическая детонация — процесс, возникающий при смешении жидкостей с разными температурами, когда температура одной из них значительно превышает температуру кипения другой.
Детонационный взрыв — при котором воспламенение последующих слоев взрывчатого вещества происходят в результате сжатия и нагрева ударной волной, когда ударная волна и зона химической реакции следуют неразрывно друг за другом с постоянной сверхзвуковой скоростью.
Дефлаграционный взрыв — при котором нагрев и воспламенение последующих слоев взрывчатого вещества происходит в результате диффузии и теплопередачи, когда фронт волны сжатия и фронт пламени движутся с дозвуковой скоростью.
В двигателях внутреннего сгорания детонация — быстрый, приближающийся к взрыву процесс горения топливной смеси в цилиндре карбюраторного двигателя, сопровождающийся неустойчивой работой (металлический стук в цилиндре), износом и разрушением деталей. В результате детонации двигатель перегревается и его мощность падает. Детонация возникает, если топливо не соответствует конструкции или работе двигателя. Для каждого топлива существует определенная степень сжатия, при которой возникает детонация. Детонационную стойкость бензинов для бедных смесей характеризуют октановым числом, для богатых смесей — сортностью бензинов.
Детонация и калильное зажигание
Источник: Детонация конденсированных и газовых систем. — М., 1986; Теория детонации. Зельдович Я.Б., Компанеец А.С. — М., 1955.
ДЕТОНАЦИЯ
История исследования явления
Детонация вызывается механическим или тепловым воздействием (удар, искра и т. п.) с определенной интенсивностью. В практике обеспечения пожаровзрывобезопасности явление детонации рассматривается относительно редко. Это обусловлено ограниченным количеством производств с использованием взрывчатых веществ ( см. ВЗРЫВЧАТОЕ ВЕЩЕСТВО ) или легкодетонирующих горючих газо-, паро- или пылевоздушных смесей.
Характерные значения скорости детонации составляют от одной до нескольких тысяч метров в секунду. Например, для гремучей смеси водорода с кислородом стехиометрического состава скорость детонации составляет 2820 м/с, для твердого гексогена — 8850 м/с, для взвесей угольной пыли в воздухе — от 1200 до 2500 м/с. Детонация в газах и аэровзвесях приводит к давлению, превышающему начальное не менее чем в 10 раз, при детонации в жидкостях и твердых телах возникает существенно большее давление (до сотен тысяч атмосфер). [1]
Еще одним примером распространения детонации со скоростью, превышающей минимальное значение, может служить сферическая детонационная волна, сходящаяся к центру. Скорость волны с приближением к центру возрастает. Устойчивый процесс детонации не всегда возможен. Например, волна детонации не может распространяться в цилиндрическом заряде взрывчатого вещества слишком малого диаметра (разлет вещества через боковую поверхность вызывает прекращение химической реакции прежде, чем вещество успеет заметно прореагировать). Минимальный диаметр заряда, в котором возможен незатухающий процесс детонации, пропорционален ширине зоны химической реакции.
В газообразных взрывчатых смесях распространение детонации возможно лишь при условиях, когда концентрация горючего газа (или паров горючей жидкости) находится в определенных пределах. Эти пределы зависят от химической природы взрывчатой смеси, давления и температуры. Например, в смеси водорода с кислородом при комнатной температуре и атмосферном давлении волна детонации способна распространяться, если концентрация (по объему) водорода находится в пределах от 20 до 90 %. Исследование волны детонации в газах показывает, что при понижении начального давления химическая реакция приобретает характер пульсаций. Неравномерное протекание реакции вызывает искажения движущейся впереди ударной волны. Наконец, при достаточно низком давлении осуществляется режим так называемой спиновой детонации, при котором на фронте детонационной волны возникает излом, вращающийся по винтовой линии. Дальнейшее снижение давления приводит к затуханию детонации. [3]
Представления о тротиловом эквиваленте энергетического потенциала отдельных участков производства (с последующими выводами о расчетных значениях взрывных нагрузок при аварии) используются в правилах по обеспечению взрывобезопасности химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. [1]
Ударная и детонационная волна. Их характеристики
Механизм превращения энергии на фронте детонационной волны существенно отличается от механизма дефлаграции — волны медленного горения, сопровождающейся дозвуковыми течениями.
Принципиальная возможность явления детонации следует из того, что при прохождении через фронт всякой ударной волны вещество нагревается. Если ударная волна достаточно сильна, то это нагревание может поджечь горючую смесь, что и приводит к детонации. Возникающая при этом поверхность нормального разрыва называется детонационной волной. Изменение термодинамических параметров среды при прохождении через фронт детонационной волны описывается детонационной адиабатой.
Явление детонации лежит в основе действия бризантных взрывчатых веществ, широко применяемых как в военном деле, так и в гражданской хозяйственной деятельности при производстве взрывных работ.
Ударная волна — поверхность разрыва, при пересечении которой давление, плотность и температура резко возрастают, а скорость рабочей среды резко уменьшается. Ударная волна есть пример нормального гидродинамического разрыва, и через неё течёт поток вещества (в отличие от тангенциального разрыва, через который вещество не течёт). В стационарных условиях формирования неподвижную относительно источника возмущения ударную волну называют скачком уплотнения.
Термодинамика ударных волн
С макроскопической точки зрения ударная волна представляет собой воображаемую поверхность, на которой термодинамические величины среды (которые, как правило, изменяются в пространстве непрерывно) испытывают устранимые особенности: конечные скачки. При переходе через фронт ударной волны меняются давление, температура, плотность вещества среды, а также скорость её движения относительно фронта ударной волны. Все эти величины изменяются не независимо, а связаны с одной-единственной характеристикой ударной волны, числом Маха.
Ударные волны не обладают свойством аддитивности в том смысле, что термодинамическое состояние среды, возникающее после прохождения одной ударной волн, нельзя получить последовательным пропусканием двух ударных волн меньшей интенсивности.
Происхождение ударных волн
Звук представляет собой колебания плотности среды, распространяющиеся в пространстве. Уравнение состояния обычных сред таково, что в области повышенного давления скорость звука (т. е. скорость распространения возмущений) возрастает (т. е. звук является нелинейной волной). Это неизбежно приводит к явлению опрокидывания решений, которые и порождают ударные волны.
В силу этого механизма, ударная волна в обычной среде — это всегда волна сжатия. Однако в тех системах, в которых скорость распространения возмущений уменьшается с ростом плотности, будет наблюдаться ударная волна разрежения.
Описанный механизм предсказывает неизбежное превращение любой звуковой волны в слабую ударную волну. Однако в повседневных условиях для этого требуется слишком большое время, так что звуковая волна успевает затухнуть раньше, чем нелинейности становятся заметны. Для быстрого превращения колебания плотности в ударную волну требуются сильные начальные отклонения от равновесия. Этого можно добиться либо созданием звуковой волны очень большой громкости, либо механически, путём околозвукового движения объектов в среде. Именно поэтому ударные волны легко возникают при взрывах, при около- и сверхзвуковых движениях тел, при мощных электрических разрядах и т. д.
Микроскопическая структура ударной волны
Ударные волны в специальных условиях
Ударная волна, путём нагрева среды, может вызвать экзотермическую химическую реакцию, что, в свою очередь, отразится и на свойствах самой ударной волны. Такой комплекс «ударная волна + реакция горения» носит название волны детонации.
В астрофизических объектах ударная волна может двигаться со скоростями, близкими к скорости света. В этом случае ударная адиабата модифицируется.
Ударные волны в замагниченной плазме также обладают своими характерными особенностями. При переходе через разрыв, изменяется также и величина магнитного поля, на что тратится дополнительная энергия. Это влечёт за собой существование максимально возможного коэффициента сжатия плазмы при сколь угодно сильных ударных волнах.
Касательные ударные волны представляют собой поверхность разрыва смешанного (нормального и тангенциального) типа.