Детонация: сверхзвуковая скорость и механизмы взрыва в двигателях зажигания от искры.

Введение

Взрыв при сверхзвуковой скорости, детонация в двигателях с искровым зажиганием.

Детонация – это тип горения, включающий сверхзвуковой экзотермический фронт, ускоряющийся в среде, который в конечном итоге вызывает ударный фронт, распространяющийся непосредственно перед ним. Детонации распространяются со сверхзвуковой скоростью посредством ударных волн, со скоростями в диапазоне 1 км/с, и отличаются от дефлаграций, которые имеют скорости подзвукового пламени в диапазоне 1 м/с. Детонация – это взрыв топливно-воздушной смеси. По сравнению с дефлаграцией, для детонации не требуется внешний окислитель. Окислитель и топливо смешиваются в процессе дефлаграции. Детонация более разрушительна, чем дефлаграция. При детонации фронт пламени проходит через топливно-воздушную смесь быстрее скорости звука, в то время как при дефлаграции – медленнее. Детонации происходят как в обычных твердых и жидких взрывчатых веществах, так и в реактивных газах. ТНТ, динамит и C4 – примеры мощных взрывчатых веществ, которые детонируют. Скорость детонации в твердых и жидких взрывчатых веществах значительно выше, чем в газообразных, что позволяет наблюдать волновую систему с большей детализацией (более высоким разрешением). Разнообразные виды топлива могут существовать в виде газов (например, водорода), капельных туманов или пылевых суспензий. Помимо диоксигена, окислителями могут быть соединения галогенов, озон, перекись водорода и оксиды азота. Газовые детонации часто связаны со смесью топлива и окислителя в составе, несколько ниже обычных пределов воспламеняемости. Чаще всего они происходят в замкнутых системах, но иногда наблюдаются в больших облаках паров. Другие материалы, такие как ацетилен, озон и перекись водорода, могут детонировать в отсутствие окислителя (или восстановителя). В этих случаях выделяемая энергия является результатом перестройки молекулярного состава материала. Детонация была открыта в 1881 году четырьмя французскими учеными: Марселеном Бертело, Полем Мари Эженом Виейлем, Эрнестом Франсуа Маллардом и Анри Луи Ле Шателье. Математические предсказания распространения были впервые выполнены Дэвидом Чапманом в 1899 году и Эмилем Жуге в 1905 году. Следующий шаг в понимании детонации был сделан Джоном фон Нейманом. Эта теория, известная как теория ZND, допускает конечное время химических реакций и, таким образом, описывает детонацию как бесконечно тонкую ударную волну, за которой следует зона экзотермической химической реакции. В системе отсчета неподвижной ударной волны последующий поток является дозвуковым, поэтому акустическая зона реакции следует непосредственно за лидирующим фронтом – условие Чапмана-Жюге. Есть также данные, свидетельствующие о том, что зона реакции в некоторых взрывчатых веществах обладает полуметаллическими свойствами. Обе теории описывают одномерные и стационарные волновые фронты. Однако в 1960-х годах эксперименты показали, что газофазные детонации чаще всего характеризуются неустойчивыми трехмерными структурами, которые могут быть предсказаны только в среднем смысле с помощью одномерных стационарных теорий. Действительно, такие волны гасятся при разрушении их структуры. Теория детонации Вуда-Кирквуда может устранить некоторые из этих ограничений. Экспериментальные исследования выявили некоторые условия, необходимые для распространения таких фронтов. В замкнутом пространстве диапазон состава смесей топлива и окислителя, а также саморазлагающихся веществ с инертными добавками, находится немного ниже пределов воспламеняемости, а для сферически расширяющихся фронтов – значительно ниже. Влияние увеличения концентрации разбавителя на расширяющиеся отдельные детонационные ячейки было наглядно продемонстрировано. Аналогично, их размер увеличивается при снижении начального давления. Поскольку ширина ячейки должна соответствовать минимальному размеру ограничивающего пространства, любая волна, перегруженная инициатором, будет погашена. Математическое моделирование постоянно совершенствуется для прогнозирования сложных полей течения за ударными волнами, вызывающими реакции. На сегодняшний день ни одна модель не смогла адекватно описать формирование и поддержание структуры за неконфайнными волнами.

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.

Приложения

При использовании во взрывных устройствах основной причиной повреждений от детонации является сверхзвуковой фронт взрыва (мощная ударная волна) в окружающем пространстве. Это существенное отличие от дефлаграций, где экзотермическая волна является дозвуковой, а максимальное давление для неметаллических частиц пыли составляет приблизительно в 7–10 раз больше атмосферного. Таким образом, детонация используется для разрушительных целей, в то время как дефлаграция предпочтительнее для разгона снарядов огнестрельного оружия. Однако детонационные волны могут также применяться для менее разрушительных задач, включая нанесение покрытий на поверхность, очистку оборудования (например, удаление шлака) и даже взрывную сварку металлов, которые иначе не поддаются сплавлению. Импульсные детонационные двигатели используют детонационную волну для аэрокосмической тяги. Первый полёт самолёта, оснащённого импульсным детонационным двигателем, состоялся 31 января 2008 года в аэропорту Мохаве.

В двигателях и огнестрельном оружии

Непреднамеренная детонация вместо желаемой дефлаграции является проблемой в некоторых устройствах. В двигателях внутреннего сгорания, работающих по циклу Отто, или бензиновых двигателях, это называется детонацией или "звоном", и приводит к потере мощности. Это также может вызывать перегрев и резкий механический удар, который может привести к выходу двигателя из строя. В огнестрельном оружии это может привести к катастрофическому и потенциально смертельному разрушению. Импульсные детонационные двигатели – это разновидность импульсного реактивного двигателя, который неоднократно подвергался испытаниям, поскольку он обладает потенциалом для высокой топливной эффективности.