История открытия процесса детонации
При изучении в XIX веке процессов горения газовых смесей в трубах было обнаружено, что в определенных условиях пламя ускоряется и скорость достигает громадных значений. Я.Б. Зельдович писал: «Явление детонации газов было открыто сравнительно поздно, в 1881 г., независимо Малляром и Ле Шателье. а также Бертело и Вьелем в ходе работ по распространению пламени в трубах по заданию горно-промышленного комитета. Работы эти последовали за ужасными катастрофами в шахтах Франции и Бельгии. Применением фотографического метода было открыто распространение горения с огромной скоростью (от 1.5—2 до 4—5 км/с). Первоначально детонации газовых смесей была открыта при поджигании их зарядом взрывчатого вещества (гремучей ртути), в то время как поджигание тепловое, искрой или пламенем, вызывает медленное горение смеси…» [9]. Этот быстрый процесс горения был назван «фальшивым горением», или детонацией (от французского detonner: фальшивить, звучать не в тон)» [10]. Основная масса измерений содержит результаты со скоростями пламен менее 20 м/с. Что же касается детонации, то в работе отмечается, что в случае труб с закрытым концом наблюдается экстремально высокая скорость распространения пламени – «мощная детонация» (forte détonation), для водородо-кислородных смеси удалось определить «эффективную» скорость более 1000 м/с, для водородо-воздушной смеси - более 300 м/с.
Возникновение и распространение детонации. Влияние
Различных факторов.
Если вдвигать поршень в трубу (рис. 14), то впереди поршня со скоростью звука будет распространяться элементарная волна сжатия. Перед волной параметры газа равны начальным, а между поршнем и волной изменяются до значений за волной сжатия, и газ движется со скоростью поршня. При непрерывном и ускоренном движении поршня каждому элементарному приращению скорости соответствует новая волна сжатия, которая следует за предыдущей, но уже по возмущенному газу. Последующие волны сжатия распространяются с большей скоростью, так как температура, а следовательно, и скорость звука в газе непрерывно увеличиваются за счет сжатия и, кроме того, сам газ имеет большую скорость движения. Волны сжатия догоняют одна другую и сливаются вместе, образуя ударную волну. Подобным же образом возникает ударная волна и перед ускоренно движущимся фронтом пламени. При определенных параметрах ударной волны происходит самовоспламенение ударносжатого газа – возникает процесс детонации.
При горении ГВС в замкнутом объемепродукты горения, нагретые до высоких температур, и находящиеся при давлениях, больше, чем исходная смесь, играют роль поршня, сжимающего исходный газ, и приводящего его в движение. Повышения давления в исходной ГВС приводит к увеличению скорости горения. При самоускорении процесса формируются волны сжатия, сложение которых формирует в исходной ГВС ударную волну, способную вызвать быстрое химическое превращение-детонацию.
Для перехода горения в детонацию необходимо, чтобы длина трубы была больше преддетонационного расстояния.
Основной причиной перехода горения в детонацию для конденсированных ВС является увеличение поверхности горения. Это может происходить за счет проникновения раскаленных продуктов горения:
- в технологические поры исходного ВВ (для прессованных зарядов);
- в трещины и поры, возникающие под влиянием температурных и механических воздействий, а также за счет рекристаллизации одного из компонентов и др.
За счет увеличения поверхности горения происходит повышение давления, которое увеличивает скорость горения. Переходу горения в детонацию способствует замкнутость объема, в котором находится заряд ВВ.
В процессе перехода горения в детонацию послойное горение переходит в процесс конвективного горения (рис. 15) – горение в порах, трещинах. Повышенное давление в зоне горения формирует волны сжатия и низкоскоростной режим носит уже волновой характер (процесс химического превращения инициируется слабой ударной волной), распространяющейся со скоростью ~800-3500 м/с.
При определенных условиях (наличие оболочки, большой диаметр заряда) низкоскоростной режим перерастает в детонационный с нормальной скоростью (до 7-9 км/с). Для некоторых систем стадия (2,3) (рис. 15) может и отсутствовать. Изучение переходных процессов зачастую осложнено быстротечностью самого процесса.
Рис. 15-t,x – диаграмма перехода горения в детонацию
для конденсированных ВС.
1 – устойчивое послойное горение
2 – конвективное горение
3 – низкоскоростной режим взрывчатого превращения
4 – стационарная детонация
Пределы детонации
Основное свойство детонационной волны - стационарность сохраняется только в определенных условиях, например в определенных границах концентрации. Так же как и для распространения пламени имеются нижний и верхний концентрационные пределы детонации при атмосферном давлении и зависимость этих пределов от давления. Концентрационные пределы детонации уже, чем пределы распространения пламени.
При дальнейшем уменьшении или увеличении содержания горючего во взрывчатой газовой смеси уменьшается скорость реакции в ударно сжатом газе в зоне реакции детонационной волны. Это приводит к увеличению ширины зоны реакции, возрастанию потерь энергии и уменьшению скорости движения детонационной волны и, следовательно, температуры ударносжатого газа. При некоторых концентрациях горючего (нижний и верхний концентрационные пределы) теплопотери в детонационной волне из зоны реакции превышают некоторое значение и распространение стационарной детонационной волны становится невозможным. Таким образом, появляются концентрационные пределы детонации. Процессы массо- и теплопередачи слишком медленны, чтобы играть существенную роль в механизме детонации.
Кроме концентрационных пределов детонации существуют так называемые взрывные пределы, в области которых возможен самопроизвольный переход горения в детонацию. Эти пределы уже, чем пределы горения и пределы детонации.
При детонации воспламенение реагирующей смеси происходит в результате адиабатического сжатия в ударной волне, которая предшествует зоне химической реакции.
Лекция № 15.