Детонаційна хвиля

Загальне визначення

Детонаційна хвиля — хвиля стиснення ( ударна хвиля ), що проходить по заряду та супроводжується зоною реакції вибохового перетворення , що виникає за фронтом хвилі .

Схема детонаційної хвилі

На схемі детонаційної хвилі представлено А - фронт ударної хвилі . 
Заштрихована зона - зона хімічної реакції, стрілка вказує напрямок поширення хвилі . 

Детонаційна хвиля у вибухових сумішах

У вибухових сумішах детонаційна хвиля може бути розглянути як ударна хвиля , з якою слідує вибухова хвиля . Обидві ці хвилі слідують одна одній .

Аналіз детонаційної хвилі

У даному розділі проаналізуємо детонаційну хвилю . Для цього потрібно розглянути три області : область не стиснених газів , області газів які стиснені , але не реагують на збурення , та гази які згоріли , поза реакційною хвилею. Головна відмінність між початковими зонами горіння і зонами позаду ударного фронту заключається у тому , що в останніх підтримується відносно висока температура і щільність стиснених газів . Як висновок – вивчення властивостей ударних хвиль являє собою інтерес заради з’ясування їх можливого впливу на хімічні реакції. Стиснення і нагрів тих газів ударної хвилі , що не згоріли , призводить до самозагоряння В цьому випадку у вибуховій зоні в свою чергу виділяється велика кількість тепла , яке майже достатньо для того , щоб підтримати стаціонарну ударну хвилю . Якщо допустити , що між кінцем ударного фронту , і початком вибухової хвилі є невелика зона , де не іде ніяка реакція , то гази в цій області будуть більш гарячити , ніж нестиснені гази , і більш щільними в результаті великого тиску . Як наслідок , їх локальна поверхнева швидкість відносно ударного фронту менша ніж швидкість нестиснених газів перед фронтом . Послідуюча реакція хоть і нагріває гази , але вони зберігають більш високу щільність , а як наслідок , і більш низьку швидкість в порівняння з не згорівшими газами . Таким чином , відносно фронту детонації продукти горіння зникають з об’ємною швидкістю, меншою ніж швидкість не згорівших газів . Це протилежно положенню для звичайної хвилі горіння . В цих умовах , хвиля тиску , що виходить із полум’я і розповсюджується зі швидкістю звуку , неперервно підсилюються . Попереду реакційної хвилі створюється область дуже різких змін тиску , щільності і температури . Ця область в не згорівших газах , що рухаються зі швидкістю , яка перевищує швидкість звуку . Таке явище називають ударною хвилею . Якщо ж воно починається і супроводжується вибухом , то таке явище називають детонаційної хвилею . По мірі того як наближається до порогу , або майже порогового значення при дуже високих степенях стиснення , температура сильно підвищується . Здатність ударної хвилі розвивати дуже великі моментальні температури дає їй можливість ініціювати вибухи в газових сумішах і підтримувати детонаційні хвилі . Це використовується при дослідженнях кінетики дуже швидких реакцій при відносно високих температурах. Прикладом цього , є роботи Девідсона по реакціям в ударних трубах , а також роботу Бріттена .

Миттєве фото детонаційної хвилі в циліндричному заряді вибухової речовини

Відповідно до рисунку : АА - фронт детонації , ВВ - вибухова речовина , ПВ - продукти вибуху 

Стаціонарна детонаційна хвиля

У стаціонарній детонаційній хвилі , ударний фронт супроводжується зоною хімічної реакції . Хвиля горіння характеризується зменшенням тиску і збільшенням температури вздовж фронту полум’я. Оскільки в стаціонарному стані фронт полум’я повинен слідувати за ударним фронтом на певній відстані , модель поверхні , що рухається не є цілком придатною для опису стаціонарної детонації .

Детонація . Теоретичні відомості про процес

Детонація - це процес хімічного перетворення вибухової речовини, що супроводиться звільненням енергії і що поширюється по речовині у вигляді хвилі від одного шару до іншого з надзвуковою швидкістю. Хімічна реакція вводиться інтенсивною ударною хвилею, створюючою передній фронт детонаційної хвилі. Завдяки різкому підвищенню температури і тиску за фронтом ударної хвилі хімічне перетворення протікає надзвичайно швидко в дуже тонкому шарі, безпосередньо прилеглому до фронту хвилі

В однорідній вибуховій речовині Д. зазвичай поширюється з постійною швидкістю, яка серед можливих для даної речовини швидкостей поширення детонаційної хвилі є мінімальною. У детонаційній хвилі що поширюється з мінімальною швидкістю, зона хімічної реакції переміщається відносно продуктів реакції із швидкістю звуку (але з надзвуковою швидкістю відносно вихідної речовини). Завдяки цьому хвилі розрідження, що виникають при розширенні газоподібних продуктів хімічної реакції, не можуть проникнути в зону реакції і ослабити що біжить попереду ударну хвилю. Д., що відповідає вказаним вище умовам, називається процесом Чепмена — Жуге; відповідна їй мінімальна швидкість поширення приймається як характеристика вибухової речовини див. табл. Тиск, який створюється при поширенні детонаційної хвилі в газоподібних вибухових сумішах, складає десятки атмосфер, а в рідких і твердих вибухових речовинах вимірюється сотнями тисяч атмосфер.

За певних умов у вибуховій речовині може бути збуджена Д., швидкість поширення якої перевищує мінімальну швидкість Д. Так, вибух заряду твердої вибухової речовини, поміщеної в газоподібну вибухову суміш, породжує в суміші ударну хвилю, інтенсивність якої у багато разів перевершує інтенсивність хвилі, що відповідає режиму з мінімальною швидкістю. В результаті в газовій суміші поширюється детонаційна хвиля з підвищеною швидкістю. У цій хвилі, на відміну від процесу Чепмена — Жуге, зона хімічної реакції рухається відносно продуктів реакції з дозвуковою швидкістю. Тому у міру видалення такої хвилі від місця її виникнення ударна хвиля поступово слабшає (позначається вплив хвиль розрідження) і швидкість поширення Д. знижується до мінімального значення.

Детонаційну хвилю з підвищеною швидкістю поширення можна також отримати в неоднорідній вибуховій речовині при русі хвилі у напрямі убуваючої щільності. Ще одним прикладом поширення Д. з швидкістю, що перевищує мінімальне значення, може служити сферична детонаційна хвиля, що сходиться до центру. Швидкість хвилі з наближенням до центру зростає. У центрі така хвиля протягом короткого інтервалу часу створює тиск, що у багато разів перевищує величину, характерну для режиму Чепмена, — Жуге. Стійкий процес Д. не завжди можливий. Наприклад, хвиля детонації не може поширюватися в циліндровому заряді вибухової речовини дуже малого діаметру (розліт речовини через бічну поверхню викликає припинення хімічної реакції перш, ніж речовина встигне помітно прореагувати). Мінімальний діаметр заряду, в якому можливий незгасаючий процес детонації , пропорційний ширині зони хімічної реакції. У газоподібних вибухових сумішах поширення Детонації можливо лише за умов, коли концентрація горючого газу (або пари горючої рідини) знаходиться в певних межах. Ці межі залежать від хімічної природи вибухової суміші, тиску і температури. Наприклад, в суміші водню з киснем при кімнатній температурі і атмосферному тиску хвиля Детонації здатна поширюватися, якщо концентрація (за об'ємом) водню знаходиться в межах від 20% до 90%.

Дослідження хвилі Детонації у газах показує, що при пониженні початкового тиску хімічна реакція набуває характеру пульсацій. Нерівномірне протікання реакції викликає спотворення рухомої попереду ударної хвилі. Нарешті, при досить низькому тиску здійснюється режим так званої спином Д., при якому на фронті детонаційної хвилі виникає злам, що обертається по гвинтовій лінії . Подальше зниження тиску приводить до загасання детонації

Як висновок можна сказати , що процес детонації дуже складний з точки зору контролю . Потрібно індивідуально підбирати параметри та вибухові речовини , які використовуються . Якщо брати до прикладу двигун внутрішнього згорання авто - там детонація може призвести до повного руйнування двигуна . Принцип роботи таких двигунів розглядати не будемо . Детонація як і гідроудар руйнують двигун , не дивлячись на те , що у даних варіантах використовуються різні речовини , результат один - руйнування камери внутрішнього згорання , поршнів , стінок , прокладки між кришкою циліндрів , йде руйнування клапанів ( гнуться під тиском ) .

Посилання

[1] Детонація «Детонація» в Академічному тлумачному словнику української мови в 11 томах. Т. 2, С. 258.

Література

• Шаблон:МГЕ
• Глосарій термінів з хімії // Й. Опейда, О. Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Донецьк: Вебер, 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0