Жарылыс, детонация, қозғалтқыштардағы жану процесі. Детонация – бұл қысқа мерзімді, жоғары жылдамдықты жарылыс, дефлаграциядан өзгеше. Отын-ауа қоспасының жануы.
Explosion at supersonic velocity
detonation in spark ignition engines
Детонация – бұл орта арқылы үдетілетін және соңында оның алдында тікелей таралатын соққы фронтын тудыратын үстірткі экзотермиялық фронтты қамтитын жану түрі. Детонациялар 1 км/сек жылдамдықпен соққы толқындары арқылы үстірткі жылдамдықпен таралады және 1 м/сек жылдамдықпен дыбыс астындағы жалын жылдамдықтарына ие дефлаграциялардан ерекшеленеді. Детонация – отын-ауа қоспасының жарылысы. Дефлаграцияға қарағанда, детонацияға сыртқы тотықтырғыш қажет емес. Дефлаграция кезінде тотықтырғыштар мен отын араласады. Детонация дефлаграциядан гөрі күштірек. Детонацияда жалын фронты ауа-отын арқылы дыбыс жылдамдығынан жоғары жылдамдықпен жүреді; ал дефлаграцияда жалын фронты ауа-отын арқылы дыбыс жылдамдығынан төмен жылдамдықпен жүреді. Детонациялар дәстүрлі қатты және сұйық жарылғыш заттарда, сондай-ақ реактивті газдарда болады. ТНТ, динамит және С4 – детонацияланатын жоғары қуатты жарылғыш заттардың мысалдары. Қатты және сұйық жарылғыш заттардағы детонация жылдамдығы газ тәріздегілерге қарағанда әлдеқайда жоғары, бұл толқын жүйесін егжей-тегжейлі (жоғары ажыратымдылықпен) байқауға мүмкіндік береді. Отын әртүрлі күйлерде болуы мүмкін: газ (мысалы, сутегі), тамшылы тұман немесе шаң суспензиясы. Диоксигеннен басқа, тотықтырғыштарға галогендік қосылыстар, озон, сутек пероксиді және азот оксидтері жатады. Газдық детонациялар көбінесе отын мен тотықтырғыш қоспасының құрамында болады, бұл құрам дәстүрлі жанғыштық қатынастардан сәл төмен. Олар көбінесе шектеулі жүйелерде, бірақ кейде үлкен бу бұлттарында пайда болады. Ацетилен, озон және сутек пероксиді сияқты басқа материалдар тотықтырғыш (немесе тотықсыздандырғыш) болмаған жағдайда детонациялана алады. Бұл жағдайларда босатылған энергия материалдың молекулалық құрамдас бөліктерінің қайта құрылуынан туындайды. Детонацияны 1881 жылы төрт француз ғалымы – Марселин Бертело, Поль Мари Эжен Виейль, Эрнест Франсуа Маллар және Анри Луи Ле Шателье ашқан. Таралудың математикалық болжамдарын алғаш 1899 жылы Дэвид Чапман және 1905 жылы Эмиль Жуге жасаған. Детонацияны түсінудегі келесі қадамды Джон фон Нейман жасады. Қазір ZND теориясы деп аталатын бұл теория шекті жылдамдықты химиялық реакцияларды мойындайды және детонацияны өте жұқа соққы толқыны ретінде сипаттайды, одан кейін экзотермиялық химиялық реакция аймағы келеді. Тұрақты соққының координаттық жүйесінде келесі ағын дыбыс астындағы болады, сондықтан жетекші фронттың артында акустикалық реакция аймағы пайда болады – Чапман-Жуге шарты. Кейбір жарылғыш заттардың реакциялық аймағының жартылай металл қасиеттеріне ие екенін көрсететін дәлелдер де бар. Екі теория да бір өлшемді және тұрақты толқын фронттарын сипаттайды. Алайда, 1960 жылдары жүргізілген тәжірибелер газ фазасындағы детонациялар көбінесе тұрақсыз, үш өлшемді құрылымдармен сипатталатынын көрсетті, оларды тек орташа есеппен бір өлшемді тұрақты теориялар ғана болжауға болады. Шындығында, мұндай толқындар олардың құрылымы бұзылғанда сөнеді. Вуд-Кирквудтың детонация теориясы осы шектеулердің кейбірін түзетуге көмектеседі. Эксперименттік зерттеулер мұндай фронттардың таралуы үшін қажетті жағдайларды анықтады. Шешілген жағдайда, отын мен тотықтырғыш қоспаларының және инертті заттармен араласқан өздігінен ыдырайтын заттардың құрамы жанғыштық шегінен сәл төмен, ал сфералық кеңейіп жатқан фронттар үшін одан да төмен болуы керек. Еріткіш концентрациясын арттырудың жеке детонациялық жасушалардың кеңеюіне тигізетін әсері анық көрсетілген. Сол сияқты, олардың мөлшері бастапқы қысым төмендеген сайын артады. Ұяшық енінің қамтитын кеңістіктің ең кішкентай өлшемімен сәйкес келуі керек болғандықтан, бастаушымен шамадан тыс жүргізілген кез келген толқын сөнеді. Математикалық модельдеу шок толқындарының артындағы күрделі ағын өрістерін болжауға қарай үнемі дамып келеді. Бүгінгі күнге дейін олардың ешқайсысы осы құрылымның қалай қалыптасатынын және шектелмеген толқындардың артында қалай сақталуын толыққанды сипаттаған жоқ.
Detonation is a type of combustion involving a supersonic exothermic front accelerating through a medium that eventually drives a shock front propagating directly in front of it. Detonations propagate supersonically through shock waves with speeds in the range of 1 km/sec and differ from deflagrations which have subsonic flame speeds in the range of 1 m/sec. Detonation is an explosion of fuel air mixture. Compared to deflagration, detonation doesn't need to have an external oxidizer. Oxidizers and fuel mix when deflagration occurs. Detonation is more destructive than deflagrations. In detonation, the flame front travels through the air fuel faster than sound; while in deflagration, the flame front travels through the air fuel slower than sound. Detonations occur in both conventional solid and liquid explosives, as well as in reactive gases. TNT, dynamite, and C4 are examples of high power explosives that detonate. The velocity of detonation in solid and liquid explosives is much higher than that in gaseous ones, which allows the wave system to be observed with greater detail (higher resolution). A very wide variety of fuels may occur as gases (e. g. hydrogen), droplet fogs, or dust suspensions. In addition to dioxygen, oxidants can include halogen compounds, ozone, hydrogen peroxide, and oxides of nitrogen. Gaseous detonations are often associated with a mixture of fuel and oxidant in a composition somewhat below conventional flammability ratios. They happen most often in confined systems, but they sometimes occur in large vapor clouds. Other materials, such as acetylene, ozone, and hydrogen peroxide, are detonable in the absence of an oxidant (or reductant). In these cases the energy released results from the rearrangement of the molecular constituents of the material. Detonation was discovered in 1881 by four French scientists Marcellin Berthelot and Paul Marie Eugène Vieille and Ernest François Mallard and Henry Louis Le Chatelier. The mathematical predictions of propagation were carried out first by David Chapman in 1899 and by Émile Jouguet in 1905, The next advance in understanding detonation was made by John von Neumann This theory, now known as ZND theory, admits finite rate chemical reactions and thus describes a detonation as an infinitesimally thin shock wave, followed by a zone of exothermic chemical reaction. With a reference frame of a stationary shock, the following flow is subsonic, so that an acoustic reaction zone follows immediately behind the lead front, the Chapman–Jouguet condition. There is also some evidence that the reaction zone is semi metallic in some explosives. Both theories describe one dimensional and steady wavefronts. However, in the 1960s, experiments revealed that gas phase detonations were most often characterized by unsteady, three dimensional structures, which can only, in an averaged sense, be predicted by one dimensional steady theories. Indeed, such waves are quenched as their structure is destroyed. The Wood Kirkwood detonation theory can correct some of these limitations. Experimental studies have revealed some of the conditions needed for the propagation of such fronts. In confinement, the range of composition of mixes of fuel and oxidant and self decomposing substances with inerts are slightly below the flammability limits and, for spherically expanding fronts, well below them. The influence of increasing the concentration of diluent on expanding individual detonation cells has been elegantly demonstrated. Similarly, their size grows as the initial pressure falls. Since cell widths must be matched with minimum dimension of containment, any wave overdriven by the initiator will be quenched. Mathematical modeling has steadily advanced to predicting the complex flow fields behind shocks inducing reactions. To date, none has adequately described how the structure is formed and sustained behind unconfined waves.
Қолданбалар
Жарылғыш құрылғыларда қолданылған кезде, жарылыстан туындайтын зақымның басты себебі – қоршаған кеңістіктегі дыбыс жылдамдығынан асып түсетін жарылыс фронты (қуатты соққы толқыны). Бұл, экзотермиялық толқынның дыбыс жылдамдығынан төмен болатын және металл емес шаң бөлшектерінің максималды қысымы шамамен 7-10 атмосфералық қысымға тең болатын дефлаграциядан ерекшеленеді. Сондықтан, детонация – қирату мақсатында қолданылатын нәрсе, ал дефлаграция – атыс қаруларының оқ-дәрілерін үдетуге арналған. Алайда, детонациялық толқындар бұзуға аз әсер ететін мақсаттар үшін де қолданылуы мүмкін, мысалы, бетке жабын жағу немесе жабдықты тазалау (мысалы, шлактан тазалау) және тіпті, әдетте біріктірілмейтін металдарды жарылыс арқылы біріктіру. Импульстік детонациялық қозғалтқыштар аэроғарыш тақырыбында жылдамдату үшін детонациялық толқындарды пайдаланады. Импульстік детонациялық қозғалтқышпен қозғалатын ұшақтың алғашқы ұшуы 2008 жылдың 31 қаңтарында Мохаве әуе және ғарыш портында өтті.
When used in explosive devices, the main cause of damage from a detonation is the supersonic blast front (a powerful shock wave) in the surrounding area. This is a significant distinction from deflagrations where the exothermic wave is subsonic and maximum pressures for non metal specks of dust are approximately 7–10 times atmospheric pressure. Therefore, detonation is a feature for destructive purposes while deflagration is favored for the acceleration of firearms' projectiles. However, detonation waves may also be used for less destructive purposes, including deposition of coatings to a surface or cleaning of equipment (e. g. slag removal) and even explosively welding together metals that would otherwise fail to fuse. Pulse detonation engines use the detonation wave for aerospace propulsion. The first flight of an aircraft powered by a pulse detonation engine took place at the Mojave Air & Space Port on January 31, 2008.
Қозғалтқыштар мен атыс қаруларында
Кейбір құрылғыларда, жарылыс болмай, тек жанғыш процесс қажет болғанда, қасақана емес жарылыс проблема тудырады. Отто циклында, яғни бензин қозғалтқыштарында бұл құбылыс "қозғалтқыш дірілдеуі" немесе "соққы" деп аталады және қуаттың төмендеуіне себеп болады. Сонымен қатар, ол қатты қызуға және қозғалтқыштың бұзылуына әкелетін күшті механикалық соққыға ұшыратады. Оқ ату қаруларында бұл құбылыс катастрофалық және қауіпті ақауларға, тіпті өлімге әкелуі мүмкін. Импульстік жарылыс қозғалтқыштары – бұл импульстік реактивті қозғалтқыштың бір түрі, оның отын тиімділігін арттыру мүмкіндігі бар болғандықтан, бірнеше рет тәжірибеден өтті.
Unintentional detonation when deflagration is desired is a problem in some devices. In Otto cycle, or gasoline engines it is called engine knocking or pinging, and it causes a loss of power. It can also cause excessive heating, and harsh mechanical shock that can result in eventual engine failure. In firearms, it may cause catastrophic and potentially lethal failure. Pulse detonation engines are a form of pulsed jet engine that has been experimented with on several occasions as this offers the potential for good fuel efficiency.