Детонация - Detonation

О детонации в двигателях с искровым зажиганием см. Стук двигателя.
Не путать с Обозначение.
Детонация 500-тонного TNT заряд взрывчатого вещества во время Операция Sailor Hat. Проходившая взрывная волна оставила за собой белую водную гладь. Белый конденсационное облако видна над головой.

Детонация (из латинский детонация 'греметь вниз / вперед'[1]) является разновидностью горение с участием сверхзвуковой экзотермический фронт, ускоряющийся через среду, которая в конечном итоге приводит в движение ударный фронт распространяется прямо перед ним. Взрывы происходят как в обычных твердых, так и в жидких взрывчатых веществах.[2] а также в реактивных газах. В скорость детонации в твердых и жидких ВВ значительно выше, чем в газообразных, что позволяет более детально наблюдать волновую систему (выше разрешающая способность ).

Самые разнообразные виды топлива могут присутствовать в виде газов, капель тумана или взвесей пыли. Окислители включают галогены, 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 возникают в замкнутых системах, но иногда и в больших облаках пара. Другие материалы, такие как ацетилен, озон, и пероксид водорода могут взорваться при отсутствии дикислород.[3][4]

Детонация была открыта в 1881 году двумя парами французских ученых. Марселлен Бертло и П. Вьей[5] и Эрнест-Франсуа Маллард и Анри Луи Ле Шателье.[6] Математические предсказания распространения были выполнены сначала Дэвид Чепмен в 1899 г.[7] и по Эмиль Жуге в 1905 г.,[8] 1906[9] и 1917 г.[10] Следующий шаг в понимании детонации был сделан Зельдович, фон Нейман, и В. Деринг в начале 1940-х гг.

Теории

Простейшая теория предсказания поведения детонации в газах известна как Чапман-Жуге (CJ) теория, 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 мало тонкая зона.

Более сложная теория была выдвинута во время Второй мировой войны независимо: Зельдович, фон Нейман, и В. Деринг.[11][12][13] 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 неподвижного скачка уплотнения следующий поток является дозвуковым, так что зона акустической реакции следует сразу за фронтом свинца, Условие Чепмана-Жуге.[14][15]Есть также некоторые свидетельства того, что зона реакции в некоторых взрывчатых веществах является полуметаллической.[16]

Обе теории описывают одномерные и стационарные волновые фронты. Однако в 1960-х годах эксперименты показали, что газофазные детонации чаще всего характеризовались нестационарными трехмерными структурами, которые можно предсказать только в усредненном смысле с помощью одномерных стационарных теорий. Действительно, такие волны гасятся, поскольку их структура разрушается.[17][18] Теория детонации Вуда-Кирквуда может исправить некоторые из этих ограничений.[19]

Экспериментальные исследования выявили некоторые условия, необходимые для распространения таких фронтов. В замкнутом пространстве диапазон составов смесей топлива и окислителя и саморазлагающихся веществ с инертными добавками немного ниже пределов воспламеняемости, а для сферически расширяющихся фронтов намного ниже их.[20] Влияние увеличения концентрации разбавителя на расширение отдельных ячеек детонации было элегантно продемонстрировано.[21] Точно так же их размер увеличивается с падением начального давления.[22] Поскольку ширина ячеек должна соответствовать минимальным размерам защитной оболочки, любая волна, перегруженная инициатором, будет подавлена.

Математическое моделирование неуклонно продвигается к предсказанию сложных полей течения за реакциями, вызывающими удары.[23][24] 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 повреждений от детонации является сверхзвуковой фронт взрыва (мощный ударная волна ) в окрестностях. Это существенное отличие от дефлаграции где экзотермическая волна дозвуковая, а максимальное давление составляет не более одной восьмой[нужна цитата ] как здорово. Следовательно, детонация - это функция для разрушительной цели, в то время как дефлаграция благоприятна для ускорения огнестрельное оружие снаряды. Однако детонационные волны могут также использоваться для менее разрушительных целей, включая нанесение покрытий на поверхность.[25] или очистка оборудования (например, удаление шлака[26]) и даже сварка взрывом вместе металлы, которые иначе не смогли бы сплавиться. Импульсные детонационные двигатели использовать детонационную волну для авиакосмической тяги.[27] Первый полет самолета с импульсным детонационным двигателем состоялся в г. Воздушный и космический порт Мохаве 31 января 2008 г.[28]

В двигателях и огнестрельном оружии

Непреднамеренная детонация при дефлаграция желательно проблема в некоторых устройствах. В Цикл Отто, или бензиновые двигатели его называют стук двигателя или звенящие или розовые, и это вызывает потерю мощности, чрезмерный нагрев и резкие механические удары, которые могут привести к возможной поломке двигателя.[29][циркулярная ссылка ][30] В огнестрельном оружии это может вызвать катастрофический и потенциально смертельный отказ.

Импульсные детонационные двигатели представляют собой разновидность импульсного реактивного двигателя, с которой неоднократно экспериментировали, так как это дает потенциал для хорошей топливной эффективности.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Оксфордские живые словари. "взорвать". Британский и мировой английский. Oxford University Press. Получено 21 февраля 2019.
  2. ^ Фикетт; Дэвис (1979). Детонация. Univ. California Press. ISBN  978-0-486-41456-0.
  3. ^ Стулл (1977). Основы пожара и взрыва. Серия монографий. 10. A.I.Chem.E. п. 73.
  4. ^ Урбен, Питер; Бретерик, Лесли (2006). Справочник Бретерика по опасностям, связанным с химически активными веществами (7-е изд.). Лондон: Баттервортс. ISBN  978-0-12-372563-9.
  5. ^ 6 М. Бертело, П. Вьей, "О скорости распространения взрывных процессов в газах", Comp. Ренд. Hebd. Séances Acad. Sci., Vol. 93, стр. 18-21, 1881 г.
  6. ^ 5 Э. Маллард и Х. Л. Ле Шателье, «О скорости распространения горения в газовых взрывчатых смесях», Comp. Ренд. Hebd. Séances Acad. Sci., Vol. 93, стр. 145-148, 1881.
  7. ^ Чепмен, Д. Л. (1899). VI. О скорости взрыва в газах. Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал, 47 (284), 90-104.
  8. ^ Жуге, Э. (1905). О распространении химических реакций в газах. J. de mathematiques Pures et Appliquees, 1 (347-425), 2.
  9. ^ Жуге, Э. Ж. (1906). Матем. Pures Appl. 1. 1905. С. 347–425. И 2.
  10. ^ Жуге, Э. (1917). L'œuvre scientifique de Pierre Duhem. Делаю.
  11. ^ Зельдович; Компанеец (1960). Теория детонации. Нью-Йорк: Academic Press. КАК В  B000WB4XGE. OCLC  974679.
  12. ^ фон Нейман, Джон (1942). Отчет о проделанной работе «Теория детонационных волн» (Отчет). Отчет ОСРД № 549. Вознесенный номер ADB967734.
  13. ^ Доринг, В. (1943). "Убер ден Detonationsvorgang в Гасене". Annalen der Physik. 43 (6–7): 421–436. Bibcode:1943АнП ... 435..421Д. Дои:10.1002 / andp.19434350605.
  14. ^ Чепмен, Дэвид Леонард (январь 1899 г.). «О скорости взрыва в газах». Философский журнал. Серия 5. Лондон. 47 (284): 90–104. Дои:10.1080/14786449908621243. ISSN  1941-5982. LCCN  sn86025845.
  15. ^ Жуге, Жак Шарль Эмиль (1905). "Sur laroduction des réactions chimiques dans les gaz" [О распространении химических реакций в газах] (PDF). Journal de Mathématiques Pures et Appliquées. 6. 1: 347–425. Архивировано из оригинал (PDF) в 2013-10-19. Получено 2013-10-19. Продолжение в Продолжение в Жуге, Жак Шарль Эмиль (1906). "Sur laroduction des réactions chimiques dans les gaz" [О распространении химических реакций в газах] (PDF). Journal de Mathématiques Pures et Appliquées. 6. 2: 5–85. Архивировано из оригинал (PDF) на 2015-10-16.
  16. ^ Рид, Эван Дж .; Riad Manaa, M .; Жареный, Лоуренс Э .; Glaesemann, Kurt R .; Джоаннопулос, Дж. Д. (2007). «Переходный полуметаллический слой в детонирующем нитрометане». Природа Физика. 4 (1): 72–76. Bibcode:2008НатФ ... 4 ... 72р. Дои:10.1038 / nphys806.
  17. ^ Edwards, D.H .; Томас, Г.О. и Нетлтон, М.А. (1979). «Дифракция плоской детонационной волны при резком изменении площади». Журнал гидромеханики. 95 (1): 79–96. Bibcode:1979JFM .... 95 ... 79E. Дои:10.1017 / S002211207900135X.
  18. ^ Д. Х. Эдвардс; Г. О. Томас; М. А. Нетлтон (1981). А. К. Оппенгейм; Н. Мэнсон; Р.И. Солоухин; Дж. Р. Боуэн (ред.). «Дифракция плоской детонации в различных топливно-кислородных смесях при изменении площади». Прогресс в космонавтике и аэронавтике. 75: 341–357. Дои:10.2514/5.9781600865497.0341.0357. ISBN  978-0-915928-46-0.
  19. ^ Glaesemann, Kurt R .; Фрид, Лоуренс Э. (2007). «Улучшенная химическая кинетика детонации древесины и кирквуда». Счета теоретической химии. 120 (1–3): 37–43. Дои:10.1007 / s00214-007-0303-9. S2CID  95326309.
  20. ^ Нетлтон, М.А. (1980). «Пределы детонации и воспламеняемости газов в замкнутых и неограниченных условиях». Наука и технологии предотвращения пожаров (23): 29. ISSN  0305-7844.
  21. ^ Munday, G .; Уббелоде, А. И Вуд, И.Ф. (1968). «Колеблющаяся детонация в газах». Труды Королевского общества А. 306 (1485): 171–178. Bibcode:1968RSPSA.306..171M. Дои:10.1098 / rspa.1968.0143. S2CID  93720416.
  22. ^ Бартель, Х. О. (1974). «Прогнозируемые интервалы при взрывах водород-кислород-аргон». Физика жидкостей. 17 (8): 1547–1553. Bibcode:1974ФФл ... 17.1547Б. Дои:10.1063/1.1694932.
  23. ^ Оран; Борис (1987). Численное моделирование реактивных потоков. Издательство Elsevier.
  24. ^ Sharpe, G.J .; Quirk, J.J. (2008). «Нелинейная клеточная динамика идеализированной модели детонации: регулярные клетки» (PDF). Теория горения и моделирование. 12 (1): 1–21. Bibcode:2007CTM .... 12 .... 1S. Дои:10.1080/13647830701335749. S2CID  73601951.
  25. ^ 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 / А: 1024726619703. S2CID  93125699.
  26. ^ Huque, Z .; Али, М.Р. и Коммалапати, Р. (2009). «Применение импульсной детонационной технологии для удаления котельного шлака». Технология переработки топлива. 90 (4): 558–569. Дои:10.1016 / j.fuproc.2009.01.004.
  27. ^ Кайласанатх, К. (2000). "Обзор двигательных приложений детонационных волн". Журнал AIAA. 39 (9): 1698–1708. Bibcode:2000AIAAJ..38.1698K. Дои:10.2514/2.1156.
  28. ^ Норрис, Г. (2008). "Импульсная мощность: демонстрация полета с импульсным детонационным двигателем знаменует веху в Мохаве". Авиационная неделя и космические технологии. 168 (7): 60.
  29. ^ См. Статью о детонации двигателя
  30. ^ Андре Саймон. "Не тратьте время на поиски стука ..." Академия высоких достижений.

внешняя ссылка