Лекция № 4 детонация, условия её распространения. Зависимость скорости детонации от различных факторов

В 1881 году французскими учеными было сделано открытие детонации в газах (распространение процесса горения в газах со сверхзвуковыми скоростями 2÷3 км/с. Этот быстрый процесс горения был назван «фальшивым горением», или детонацией (от французского «Detonner»: фальшивить, звучать не в тон).

Детонация - устойчивая форма взрывчатого превращения ВМ, самораспространяющийся физико-химический процесс, механизмом передачи энергии которого является ударная волна.

Особенности ударной волны.

Известно, что в неподвижной среде малые возмущения распространяются во все стороны со скоростью звука. Скорость звука зависит от плотности и других характеристик среды, но не зависит от интенсивности звуковых волн.

Ударная волна – скачкообразное изменение параметров среды и практически мгновенное вовлечение среды в движение. С помощью гидродинамической теории рассмотрено создание ударной волны при движении поршня в трубе с газом.

Под действием поршня в газе возникает ударная волна – область сжатия, распространяющаяся в невозмущенный газ.

В трубу с площадью поперечного сечения f, заполненною сжимаемою газовой средой, с постоянной скоростью u₂ вдвигается поршень. В момент времени t=0 в сечении 0-0 поршень мгновенно начал двигаться с постоянной скоростью u₂. При этом от поршня начнет распространяться фронт ударной волны (2-2) со скоростью D. Среда перед фронтом ударной волны имеет параметры p₁, ρ₁, u₁, T₁. За фронтом ударной волны (в зоне 11-22) параметры обозначим p₂, ρ₂, u₂, T₂.

Для того, чтобы найти связь между параметрами среды до и после фронта ударной волны, воспользуемся законом сохранения массы.

За время t поршень относительно невозмущенного газа переместится на расстояние (u₂-u₁)t, а фронт ударной волны – на расстояние (D-u₁)t. Масса ударно сжатого газа равна ρ₂(D-u₂)ft, с другой стороны, эта масса до сжатия определяется величиной ρ₁(D-u₁). Приравнивая эти выражения, получим

ρ₁(D-u₁) = ρ₂(D-u₂)

Из уравнения сохранения массы можно получить уравнение для скорости потока:

U₂ =

Анализ этого уравнения дает следующее:

- так как ρ₂>ρ₁ (вещество сжимается в ударной волне), то U₂>0 и направлено в ту же сторону, что и D.

- так как <1 , тоU₂<D

Таким образом, следствием сжатия в ударной волне является возникновение потока вещества за фронтом этой волны, движущегося в том же направлении, но с меньшей скоростью.

При сжатии, исходя из закона сохранения количества движения, можно получить зависимость:

Р₂-Р₁=ρ₁DU₂

Это означает, что избыточное давление на фронте ударной волны равно произведению начальной плотности среды, скорости распространения фронта ударной волны и скорости потока вещества непосредственно за фронтом волны.

В отличие от звуковых волн, ударные волны характеризуются следующими особенностями:

1. Скорость распространения ударных волн всегда больше скорости звука в невозмущенной среде;

2. Во фронте ударной волны параметры состояния и движения среды изменяются скачком;

3. Ударные волны сопровождаются перемещением среды в направлении распространения фронта возмущения;

4. Скорость ударной волны зависит от её интенсивности, что не наблюдается для звуковых волн;

5. При образовании ударных волн энтропия среды возрастает, т. е. dS₂>0;

6. Ударная волна не имеет периодического характера, а распространяется в виде одиночного скачка уплотнения.

Если есть ударная волна, то есть и волна разрежения. Они направлены в разные стороны. Поэтому простая ударная волна всегда затухающая.

Структура детонационной волны

В отличие от ударной волны детонационная волна распространяется с постоянной скоростью. Это объясняется тем, что уравнение сохранения энергии детонационной волны имеет вид:

E_J-E₀=½(P_J+P₀)(V₀-V_j)+Q_V

где: Q_V – теплота химических реакций.

Первое слагаемое – изменение внутренней энергии вследствие сжатия (характерно для ударной волны); второе слагаемое – изменение внутренней энергии за счет химического превращения системы.

Остальные закономерности выведенные для ударной волны (закон сохранения массы, количества движения) справедливы для детонационной волны.

Параметры с индексом j принадлежат продуктам детонации в плоскости Чепмена-Жуге.

В структуре детонационной волны:

→W →D W₀=0

Продукты детонации

Зона химической реакции

Исходное ВВ

J

Поверхность, разделяющая зону химической реакции и продуктов детонации при стационарной детонации называются поверхностью Чепмена-Жуге.

Зельдович и другие ученые одновременно теоретически рассчитали существование области повышенных давлений – химического пика. Причем Р₁=2Р_j

Учитывая, что P_j»P₀.

Основные параметры детонационной волны описываются следующими зависимостями:

D=W_j+C_j ; P_j=

Где К – показатель изоэнтропы Кρ

Энергетические характеристики детонации зависят от теплоты взрыва и количества газообразных продуктов детонации, их средней молекулярной массы: для идеальных газов:

D=

Для конденсированных ВВ существует целый ряд приближенных методов.

Например, по методу Авакяна:

D_1,6=643 м/с

Возбуждение и распространение детонации в конденсированном ВВ

Механизм возбуждения детонации ударной волной заключается в следующем. При проникновении ударной волны в заряде ВВ создается зона сжатия, в которой возникает экзотермическая реакция. Для неоднородных ВВ наиболее высокая скорость разложения вещества имеет место в локальных “горячих” точках.

Причинами их возникновения могут быть:

трение между кристаллами ВВ или твердыми частицами;

• вязкостный разогрев в результате быстрого течения вещества;

• трение на поверхности сдвига, под действием касательных напряжений;

• взаимодействие косых ударных волн, возникших из-за неоднородности системы;

• адиабатическое сжатие газовых включений образовавшиеся в горячих точках очага разложения укрупняются и объединяются.

Выделяющаеся в них энергия посредством волн сжатия идет на усиление фронта ударной волны.

Инициирование однородных ВВ затруднено и может происходить либо преимущественно в результате гомогенного разогрева вещества, либо механически. Химическое превращение может быть обусловлено непосредственно деформацией ВВ во фронте ударной волны за счет быстрой резонансной диссоциации молекул. Такое превращение характерно для деформации в монокристаллах при высоких скоростях 3-5 км/с. механическое инициирование реакции, с выделением тепла, создает условия и для термического распада ВВ. поэтому механизм всегда смешанный. При детонации мощных ВВ в результате резонансной диссоциации в области химпика образуется зона холодной плазмы – (заряженные частицы), которые энергично вступают во взаимодействие.

Возбуждение детонации возможно только при одновременном выполнении двух условий:

1. Давление в инициирующей волне должно быть больше некоторого критического значения Р_кр.

2. Диаметр заряда ВВ должен быть больше критического значения d_кр..