Detonation

Detonation (av franska  détoner  - "explodera" och latin  detonare  - "skrammel" [1] ) är ett förbränningsläge där en stötvåg fortplantar sig genom ämnet och initierar kemiska förbränningsreaktioner , i sin tur stöder stötvågens rörelse pga . till det som frigörs i exoterma värmereaktioner . Komplexet, som består av en stötvåg och en zon av exoterma kemiska reaktioner bakom den, fortplantar sig genom ämnet med överljudshastighet och kallas en detonationsvåg [1] . Detonationsvågfronten är hydrodynamikens ytanormal paus .

Utbredningshastigheten för detonationsvågfronten i förhållande till den initiala stationära substansen kallas detonationshastighet . Detonationshastigheten beror endast på det detonerande ämnets sammansättning och tillstånd och kan nå flera kilometer per sekund både i gaser och i kondenserade system (flytande eller fasta sprängämnen). Detonationshastigheten är mycket högre än hastigheten för långsam förbränning, som alltid är mycket mindre än ljudhastigheten i materien och inte överstiger några meter per sekund.

Många ämnen är kapabla till både långsam (deflagrering) förbränning och detonation. I sådana ämnen måste detonationen initieras av yttre påverkan (mekanisk eller termisk). Under vissa förhållanden kan långsam förbränning spontant övergå i detonation.

Detonation, som ett fysikaliskt och kemiskt fenomen, bör inte identifieras med en explosion . En explosion är en process där en stor mängd energi frigörs på kort tid i en begränsad volym och det bildas gasformiga explosionsprodukter som kan utföra betydande mekaniskt arbete eller orsaka förstörelse på explosionsplatsen. En explosion kan också ske vid antändning och snabb förbränning av gasblandningar eller explosiva ämnen i ett slutet utrymme, även om det inte bildas en detonationsvåg i detta fall. Så den snabba (explosiva) förbränningen av krut i pipan på en artilleripistol i färd med att avfyra är inte en detonation.

Den knackning som uppstår i förbränningsmotorer kallas även detonation ( eng.  knock ), men det är inte detonation i ordets strikta bemärkelse. Knackning orsakas av för tidig självantändning av luft-bränsleblandningen, följt av dess snabba förbränning i det explosiva förbränningsläget, men utan bildandet av stötvågor. Detonationsvågor i en motor i gång ( eng.  superknock ) [2] inträffar extremt sällan och endast när driftsförhållandena bryts, till exempel på grund av onormalt lågoktanigt bränsle. I det här fallet misslyckas motorn mycket snabbt på grund av förstörelsen av strukturella element av stötvågor.

Forskningens historia om fenomenet

Förmodligen introducerades termen "detonation" för första gången i vetenskapligt bruk av Lavoisier i Treatise on Elementary Chemistry ( franska:  Traité élémentaire de chimie ), publicerad i Paris 1789 [3] . Under andra hälften av 1800-talet syntetiserades sekundära sprängämnen , som är baserade på fenomenet detonation. Men på grund av den höga hastigheten på detonationsvågen och explosionens destruktiva effekt visade sig den vetenskapliga studien av detonation vara extremt svår och började med publiceringen av studier om fenomenet detonation av gasblandningar i rör 1881 av de franska kemisterna Mallard och Le Chatelier och, oberoende av dem, Berthelot och Viel [4] . År 1890 härledde den ryske vetenskapsmannen V. A. Mikhelson , baserat på Hugoniots arbete om stötvågor , ekvationer för utbredningen av en detonationsvåg och fick ett uttryck för detonationshastigheten [5] . Teorin vidareutvecklades av Chapman 1899 [6] och Jouguet 1905 [7] . I Chapman-Jouguet-teorin, kallad den hydrodynamiska teorin om detonation, betraktades detonationsvågen som en diskontinuitetsyta, och villkoret för att bestämma detonationshastigheten, uppkallat efter dem ( Chapman-Jouguet-tillståndet ), introducerades som ett postulat .

På 1940-talet utvecklade Ya. B. Zel'dovich detonationsteorin, som tar hänsyn till den ändliga tiden för en kemisk reaktion efter uppvärmningen av ett ämne med en stötvåg. I denna modell fick Chapman–Jouguet-tillståndet en tydlig fysisk betydelse som detonationshastighetsvalsregeln [8] , och själva modellen kallades ZND-modellen  efter Zeldovich, Neumann och Döring , eftersom von Neumann självständigt kom till liknande resultat [9] i USA och Döring [10] i Tyskland.

Chapman-Jouguet- och ZND-modellerna gjorde betydande framsteg för att förstå detonationsfenomenet, men de var nödvändigtvis endimensionella och förenklade. Med tillväxten av möjligheterna till experimentella studier av detonation 1926 upptäckte de engelska forskarna Campbell och Woodhead effekten av detonationsfrontens spiralförskjutning genom gasblandningen [11] . Detta fenomen kallades "spindetonation" och upptäcktes senare i kondenserade system [12] .

År 1959 upptäckte Yu. N. Denisov och Ya. K. Troshin , medlemmar av Institutet för kemisk fysik vid USSR Academy of Sciences , fenomenet med en cellulär struktur och pulserande regimer av detonationsvågutbredning [13] [14] .

Detonationsmekanism

Detonation kan ske i gaser, vätskor, kondenserade ämnen och heterogena medier. Under passagen av stötvågsfronten värms ämnet upp. Om stötvågen är tillräckligt stark kan temperaturen bakom stötvågsfronten överstiga ämnets självantändningstemperatur och kemiska förbränningsreaktioner börjar i ämnet. Under kemiska reaktioner frigörs energi som matar stötvågen. En sådan interaktion av gasdynamiska och fysikalisk-kemiska faktorer leder till bildandet av ett komplex av en stötvåg och en zon av kemiska reaktioner som följer efter den, kallad detonationsvåg. Mekanismen för energiomvandling i en detonationsvåg skiljer sig från mekanismen i en långsam förbränningsvåg ( deflagrationsvåg ) som rör sig med subsonisk hastighet, där energiöverföringen till den initiala blandningen utförs huvudsakligen av värmeledningsförmåga [15] .

Hydrodynamisk teori om detonation

Om de karakteristiska dimensionerna för systemet märkbart överstiger detonationsvågens tjocklek, kan det betraktas som ytan av en normal diskontinuitet mellan de initiala komponenterna och detonationsprodukterna. I detta fall uttrycks lagarna för bevarande av massa, rörelsemängd och energi på båda sidor av diskontinuiteten i koordinatsystemet, där vågfronten är stationär, av följande relationer:

Här är D  hastigheten för detonationsvågen, ( D - u ) är hastigheten för produkterna i förhållande till detonationsvågen, P  är trycket, ρ  är densiteten och e  är den specifika interna energin. Index 0 anger de mängder som är relaterade till det ursprungliga ämnet. Om vi ​​eliminerar u från dessa ekvationer har vi:

Den första relationen uttrycker ett linjärt samband mellan tryck P och specifik volym V=1/ρ och kallas Michelsons räta linje (i utländsk litteratur - Rayleighs räta linje ). Den andra relationen kallas detonationsadiabat eller Hugoniot-kurvan (även känd som Rankine -Hugoniot i den utländska litteraturen ). Om ekvationen för materiens tillstånd är känd kan den inre energin uttryckas i termer av tryck och volym, och Hugoniot-kurvan kan också representeras som en linje i P- och V -koordinater [17] .

Chapman-Jouguet modell

Systemet med två ekvationer (för Michelson-linjen och Hugoniot-kurvan) innehåller tre okända ( D , P och V ), så en ytterligare ekvation krävs för att bestämma detonationshastigheten D , som inte kan erhållas från enbart termodynamiska överväganden. Eftersom detonationsvågen är stabil kan inte ljudstörningarna i produkterna passera detonationsvågfronten, annars kommer den att kollapsa. Ljudhastigheten i detonationsprodukterna kan således inte överstiga flödeshastigheten bakom detonationsvågfronten.

På planet P , V kan Michelsonlinjen och Hugoniotkurvan skära varandra i högst två punkter. Chapman och Jouguet föreslog att detonationshastigheten bestäms av kontaktvillkoret mellan Michelson-linjen och Hugoniot-kurvan för fullt reagerade produkter (detonationsadiabat). I det här fallet är Michelson-linjen tangent till detonationsadiabaten, och dessa linjer skär varandra vid exakt en punkt, kallad Chapman-Jouguet-punkten ( CJ ). Detta tillstånd motsvarar den minsta lutningen av Michelsons raka linje och innebär fysiskt att detonationsvågen fortplantar sig med minsta möjliga hastighet, och flödeshastigheten bakom detonationsvågfronten är exakt lika med ljudhastigheten i detonationsprodukterna [18] .

Zeldovich, Neumann och Döring (ZND)-modellen

Chapman-Jouguet-modellen gör det möjligt att beskriva utbredningen av en detonationsvåg som en hydrodynamisk diskontinuitet, men ger inte svar på frågor relaterade till strukturen av den kemiska reaktionszonen. Dessa frågor blev särskilt aktuella i slutet av 1930-talet på grund av den snabba utvecklingen av krigsmateriel, ammunition och sprängämnen. Oberoende av varandra skapade Ya.B. Zel'dovich i USSR, John von Neumann i USA och Werner Döring i Tyskland en modell som senare kallades ZND-modellen efter deras namn. Liknande resultat erhölls i A. A. Gribs doktorsavhandling, färdig 1940 i Tomsk [19] .

I denna modell antas att ämnet under detonationsutbredning först värms upp när stötvågsfronten passerar och kemiska reaktioner börjar i ämnet efter en tid lika med självantändningsfördröjningen. Under kemiska reaktioner frigörs värme, vilket leder till ytterligare expansion av produkter och en ökning av deras rörelsehastighet. Zonen för kemiska reaktioner fungerar alltså som en sorts kolv som trycker på den ledande stötvågen och säkerställer dess stabilitet [20] .

På P , V -diagrammet visas denna modell villkorligt som en process, vars första steg kommer att vara ett hopp längs Hugoniot adiabaten för den initiala substansen till en punkt med maximalt tryck, följt av en gradvis nedstigning längs Michelsons raka linje tills den berör Hugoniot-adiabaten för det reagerade ämnet, det vill säga upp till Chapman-Jouguet-poäng [21] . I denna teori får detonationshastighetsvalsregeln och Chapman-Jouguet-hypotesen sin fysiska motivering. Alla tillstånd ovanför Chapman-Jouguet-punkten visar sig vara instabila, eftersom ljudhastigheten i produkterna i dem överstiger hastigheten på flödet bakom fronten av detonationsvågen. Det är omöjligt att komma in i tillstånd under Chapman-Jouguet-punkten, eftersom tryckhoppet vid stötvågsfronten alltid är större än den slutliga tryckskillnaden mellan detonationsprodukterna och initialsubstansen [22] .

Sådana regimer kan dock observeras i experimentet med artificiell acceleration av detonationsvågen, och de kallas för överkomprimerad respektive underkomprimerad detonation [23] .

Detonation i teknik

I förbränningsmotorer benämns knackning ofta som explosiv förbränning i en cylinder (se motorknackning ). Förbränningsmotorer som implementerar Otto-cykeln är designade för långsam förbränning av en brännbar blandning utan plötsliga tryckstötar. Den snabba förbränningen av blandningen ökar dramatiskt trycket i förbränningskammaren, vilket leder till stötbelastningar på motorns strukturdelar och snabbt motorhaveri. Bränsle med högre oktantal möjliggör större kompression och bättre slagmotstånd [24] .

Detonationsförbränning är det termodynamiskt mest fördelaktiga sättet att förbränna bränsle och omvandla bränslets kemiska energi till nyttigt arbete [25] . Därför kan detonation användas i arbetsprocessen i förbränningskamrarna i lovande kraftverk, såsom en pulsad detonationsmotor [26] [27] .

Fenomenet detonation ligger till grund för verkan av sprängämnen, som används i stor utsträckning både i militära angelägenheter och i civil ekonomisk verksamhet vid framställning av sprängningar [28] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 BES, , Detonation ..
  2. ↑ Wang Z., Liu H., Song T., Qi Y., He X., Shuai S., Wang J. Relation between super-knock and pre-gnition // International Journal of Engine Research. - 2014. - Vol. 16. - S. 166-180. — ISSN 1468-0874 . - doi : 10.1177/1468087414530388 .
  3. ↑ Dolgoborodov A. Yu. Om historien om "upptäckten" av detonationsfenomenet  // Förbränning och explosion nr 6. - 2013. - P. 329-332 .
  4. ↑ Shchelkin, Troshin, Gas dynamics of combustion, 1963 , sid. 13.
  5. ↑ Khitrin, Förbrännings- och explosionsfysik, 1957 , sid. 262.
  6. ↑ Chapman DL Om explosionshastigheten i gaser // Philosophical Magazine. - 1899. - T. 47. - 189 . - S. 90-104 .
  7. ↑ Jouguet E. Sur la propagation des réactions chimiques dans les gaz // Journal des Mathématiques Pures et Appliquées. - 1905. - T. 1 . - S. 347-425 .
  8. ↑ Zeldovich Ya. B. Om teorin om detonationsutbredning i gasformiga system // Journal of Experimental and Theoretical Physics . - 1940. - T. 10 , nr. 5 . - S. 542-568 .
  9. ↑ von Neumann, J. John von Neumann: Samlade verk, 1903-1957  (engelska) / Taub, AH. — New York: Pergamon Press, 1963. - Vol. 6. - ISBN 978-0-08-009566-0 .
  10. ↑ Döring, W. Über Detonationsvorgang i Gasen  (tyska)  // Annalen der Physik . - 1943. - Bd. 43 , nr. 6-7 . - S. 421-436 . — ISSN 0003-4916 . - doi : 10.1002/andp.19434350605 .
  11. ↑ Shchelkin, Troshin, Gas dynamics of combustion, 1963 , sid. 44.
  12. ↑ Dremin et al., Detonation waves in condensed media, 1970 , sid. 69.
  13. ↑ Denisov Yu. N., Troshin Ya. K. Pulserande och spindetonation av gasblandningar i rör // Rapporter från USSR:s vetenskapsakademi. - 1959. - T. 125 , nr 1 . - S. 110-113 .
  14. ↑ Denisov Yu. N., Troshin Ya. K. Mechanism of detonation combustion  // Tillämpad mekanik och teknisk fysik. - 1960. - T. 1 , nr 1 . - S. 21-35 .
  15. ↑ Landau, Lifshitz. T. 6. Hydrodynamics, 2001 , § 129. Detonation, sid. 668.
  16. ↑ Zel'dovich, Kompaneets, Detonation Theory, 1955 , sid. tio.
  17. ↑ Zel'dovich, Kompaneets, Detonation Theory, 1955 , sid. elva.
  18. ↑ Zel'dovich, Kompaneets, Detonation Theory, 1955 , sid. 71.
  19. ↑ Baudun G. La detonation: chronologie des travaux de modélisation dans les explosifs condensés (länk ej tillgänglig) . Sixiemes journées scientifiques Paul Vieille, ENSTA, Paris 7-8 oktober 2009 27 (2009). Hämtad 22 april 2015. Arkiverad från originalet 6 mars 2016. 
  20. ↑ Zel'dovich, Kompaneets, Detonation Theory, 1955 , sid. 64.
  21. ↑ Zel'dovich, Kompaneets, Detonation Theory, 1955 , sid. 69.
  22. ↑ Zel'dovich, Kompaneets, Detonation Theory, 1955 , sid. 75.
  23. ↑ Zel'dovich, Kompaneets, Detonation Theory, 1955 , sid. 74.
  24. ↑ Oktantal - artikel från encyklopedin "Jorden runt"
  25. ↑ Frolov S. M. Vetenskap om förbränning och problem med modern energi  // Russian Chemical Journal (Journal of the Russian Chemical Society uppkallad efter D. I. Mendeleev). - 2008. - T. LII , nr 6 . - S. 129-134 .
  26. ↑ Kailasanath, K. Review of Propulsion Applications of Detonation Waves  // AIAA  Journal : journal. - 2000. - Vol. 39 , nr. 9 . - P. 1698-1708 . - doi : 10.2514/2.1156 . - .
  27. ↑ Norris, G. Pulse Power  : Pulse Detonation Motordriven flygdemonstration markerar milstolpe i Mojave  // ​​Aviation Week & Space Technology :tidskrift. - 2008. - Vol. 168 , nr. 7 . — S. 60 .
  28. ↑ Sprängämnen - artikel från encyklopedin "Jorden runt"

Litteratur

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger