Räjähdys

Räjähdys ( ranskasta  détoner  - "räjähtää" ja latinaksi  detonare  - "räjähdys" [1] ) on palamistapa, jossa iskuaalto etenee aineen läpi käynnistäen kemiallisia palamisreaktioita , mikä puolestaan ​​tukee iskuaallon liikettä. eksotermisissa lämpöreaktioissa vapautuviin . Kompleksi, joka koostuu shokkiaallosta ja sen takana olevasta eksotermisten kemiallisten reaktioiden vyöhykkeestä , etenee aineen läpi yliääninopeudella ja sitä kutsutaan räjähdysaalloksi [1] . Räjähdysaaltorintama on hydrodynaamisen normaalin epäjatkuvuuden pinta .

Räjähdysaaltorintaman etenemisnopeutta suhteessa alkuperäiseen paikallaan olevaan aineeseen kutsutaan räjähdysnopeudeksi . Räjähdysnopeus riippuu vain räjähtävän aineen koostumuksesta ja tilasta ja voi saavuttaa useita kilometrejä sekunnissa sekä kaasuissa että kondensoituneissa järjestelmissä (nestemäiset tai kiinteät räjähteet). Räjähdysnopeus on paljon suurempi kuin hitaan palamisen nopeus, joka on aina paljon pienempi kuin äänen nopeus aineessa eikä ylitä muutamaa metriä sekunnissa.

Monet aineet kykenevät sekä hitaasti palamaan (sytytys) että räjähtämään. Tällaisissa aineissa, jotta räjähdys etenee, sen on saatava käyntiin ulkoinen vaikutus (mekaaninen tai lämpö). Tietyissä olosuhteissa hidas palaminen voi muuttua spontaanisti räjähdykseksi.

Räjähdystä ei fysikaalisena ja kemiallisena ilmiönä pidä tunnistaa räjähdyksestä . Räjähdys on prosessi, jossa vapautuu suuri määrä energiaa lyhyessä ajassa rajoitetussa tilavuudessa ja muodostuu kaasumaisia ​​räjähdystuotteita, jotka voivat suorittaa merkittävää mekaanista työtä tai aiheuttaa tuhoa räjähdyspaikalla. Räjähdys voi tapahtua myös kaasuseosten tai räjähdysaineiden syttyessä ja nopeassa palamisessa suljetussa tilassa, vaikka räjähdysaaltoa ei tällöin muodostukaan. Joten ruudin nopea (räjähtävä) palaminen tykistöaseen piipussa ampumisen aikana ei ole räjähdys.

Polttomoottoreissa esiintyvää nakutusta kutsutaan myös räjähdykseksi ( eng.  knock ), mutta se ei ole räjähdys sanan varsinaisessa merkityksessä. Koputus johtuu ilma-polttoaineseoksen ennenaikaisesta itsesyttymisestä, jota seuraa sen nopea palaminen räjähdysmäisessä palamistilassa, mutta ilman iskuaaltojen muodostumista. Räjähdysaaltoja käyvässä moottorissa ( superknock  ) [2] esiintyy erittäin harvoin ja vain silloin, kun käyttöolosuhteita rikotaan esimerkiksi epänormaalin matalaoktaanisen polttoaineen takia. Tässä tapauksessa moottori epäonnistuu erittäin nopeasti johtuen rakenneosien tuhoutumisesta shokkiaaltojen vaikutuksesta.

Ilmiön tutkimuksen historia

Todennäköisesti Lavoisier otti ensimmäistä kertaa tieteelliseen käyttöön termin "räjähdys" Traité élémentaire de chimie -tutkimuksessa , joka julkaistiin Pariisissa  vuonna 1789 [3] . 1800-luvun jälkipuoliskolla syntetisoitiin toissijaisia ​​räjähteitä , jotka perustuvat räjähdysilmiöön. Räjähdysaallon suuren nopeuden ja räjähdyksen tuhoavan vaikutuksen vuoksi räjähdyksen tieteellinen tutkimus osoittautui kuitenkin erittäin vaikeaksi ja alkoi vuonna 1881 julkaistulla tutkimuksilla putkissa olevien kaasuseosten räjähdysilmiöstä. ranskalaiset kemistit Mallard ja Le Chatelier sekä heistä riippumatta Berthelot ja Viel [4] . Vuonna 1890 venäläinen tiedemies V. A. Mikhelson perustui Hugoniotin töihin shokkiaaltoja koskeviin töihin, ja hän johti yhtälöt räjähdysaallon etenemiselle ja sai lausekkeen räjähdysnopeudelle [5] . Chapman kehittivät teoriaa edelleen vuonna 1899 [6] ja Jouguet vuonna 1905 [7] . Chapman-Jouguet'n teoriassa, jota kutsutaan hydrodynaamiseksi räjähdusteoriaksi, räjähdysaaltoa pidettiin epäjatkuvuuspinnana ja niiden mukaan nimetty ehto räjähdysnopeuden määrittämiselle ( Chapman-Jouguet'n ehto ) otettiin käyttöön mm. postulaatti . _

Ya. B. Zel'dovich kehitti 1940-luvulla räjähdysteorian, joka ottaa huomioon kemiallisen reaktion rajallisen ajan, joka seuraa aineen kuumenemista shokkiaallon vaikutuksesta. Tässä mallissa Chapman–Jouguet-ehto sai selkeän fyysisen merkityksen räjähdysnopeuden valintasäännönä [8] , ja itse mallia kutsuttiin ZND-malliksi  Zeldovichin, Neumannin ja Döringin mukaan , koska von Neumann saapui itsenäisesti [9] Yhdysvalloissa ja Döringissä [10] Saksassa.

Chapman-Jouguet- ja ZND-mallit edistyivät merkittävästi räjähdysilmiön ymmärtämisessä, mutta ne olivat välttämättä yksiulotteisia ja yksinkertaistettuja. Räjäytyksen kokeellisen tutkimuksen mahdollisuuksien kasvaessa vuonna 1926 englantilaiset tutkijat Campbell ja Woodhead havaitsivat räjähdysrintaman spiraalisen etenemisen vaikutuksen kaasuseoksen läpi [11] . Tätä ilmiötä kutsuttiin "spin detonaatioksi" ja se löydettiin myöhemmin tiivistyneistä järjestelmistä [12] .

Vuonna 1959 Yu. N. Denisov ja Ya. K. Troshin , Neuvostoliiton tiedeakatemian kemiallisen fysiikan instituutin jäsenet, löysivät solurakenteen ilmiön ja räjähdysaallon etenemisen sykkivän järjestelmän [13] [14] .

Räjähdysmekanismi

Räjähdys voi tapahtua kaasuissa, nesteissä, kondensoituneissa aineissa ja heterogeenisissä väliaineissa. Iskuaaltorintaman läpikulun aikana aine lämpenee. Jos iskuaalto on riittävän voimakas, voi paineaaltorintaman takana oleva lämpötila ylittää aineen itsesyttymislämpötilan ja aineessa alkavat kemialliset palamisreaktiot. Kemiallisten reaktioiden aikana vapautuu energiaa, joka ruokkii shokkiaaltoa. Tällainen kaasudynaamisten ja fysikaalis-kemiallisten tekijöiden vuorovaikutus johtaa shokkiaallon kompleksin ja sitä seuraavan kemiallisten reaktioiden vyöhykkeen muodostumiseen, jota kutsutaan räjähdysaalloksi. Räjähdysaallon energian muuntomekanismi eroaa aliääninopeudella liikkuvan hitaan palamisen ( deflagraatio ) aallon mekanismista, jossa energian siirto lähtöseokseen tapahtuu pääasiassa lämmönjohtavuuden avulla [15] .

Hydrodynaaminen räjähdysteoria

Jos järjestelmän ominaismitat ylittävät huomattavasti räjähdysaallon paksuuden, sitä voidaan pitää normaalin epäjatkuvuuden pinnana alkukomponenttien ja räjähdystuotteiden välillä. Tässä tapauksessa massan, liikemäärän ja energian säilymislainsäädäntö molemmilla puolilla epäjatkuvuutta koordinaattijärjestelmässä, jossa aaltorintama on paikallaan, ilmaistaan ​​seuraavilla suhteilla:

Tässä D  on räjähdysaallon nopeus, ( D - u ) on tuotteiden nopeus suhteessa räjähdysaaltoon, P  on paine, ρ  on tiheys ja e  on ominaissisäinen energia. Indeksi 0 ilmaisee alkuperäiseen aineeseen liittyviä määriä. Eliminoimalla sinut näistä yhtälöistä , meillä on:

Ensimmäinen relaatio ilmaisee lineaarisen suhteen paineen P ja ominaistilavuuden V=1/ρ välillä ja sitä kutsutaan Michelsonin suoraksi (ulkomaisessa kirjallisuudessa - Rayleighin suora ). Toista suhdetta kutsutaan räjähdysadiabaatiksi tai Hugoniot-käyräksi (tunnetaan myös nimellä Rankine -Hugoniot ulkomaisessa kirjallisuudessa ). Jos aineen tilayhtälö tunnetaan, niin sisäinen energia voidaan ilmaista paineena ja tilavuutena, ja Hugoniot-käyrä voidaan esittää myös suorana P- ja V -koordinaateilla [17] .

Chapman-Jouguet malli

Kahden yhtälön järjestelmä (Michelsonin viivalle ja Hugoniot-käyrälle) sisältää kolme tuntematonta ( D , P ja V ), joten räjähdysnopeuden D määrittämiseen tarvitaan lisäyhtälö, jota ei voida saada pelkästään termodynaamisista näkökohdista. Koska räjähdysaalto on vakaa, tuotteiden äänihäiriöt eivät voi ohittaa räjähdysaaltorintamaa, muuten se romahtaa. Näin ollen äänen nopeus räjähdystuotteissa ei voi ylittää virtausnopeutta räjähdysaaltorintaman takana.

Tasolla P , V Michelsonin viiva ja Hugoniotin käyrä voivat leikata enintään kahdessa pisteessä. Chapman ja Jouguet ehdottivat, että räjähdysnopeus määräytyy Michelson-viivan ja Hugoniot-käyrän välisen kosketuksen olosuhteista täysin reagoineille tuotteille (räjähdysadiabaatti). Tässä tapauksessa Michelson-viiva on tangentti räjähdysadiabaatille, ja nämä viivat leikkaavat täsmälleen yhdessä pisteessä, jota kutsutaan Chapman-Jouguet-pisteeksi ( CJ ). Tämä ehto vastaa Michelsonin suoran minimikaltevuutta ja tarkoittaa fyysisesti, että räjähdysaalto etenee pienimmällä mahdollisella nopeudella ja virtausnopeus räjähdysaaltorintaman takana on täsmälleen sama kuin äänen nopeus räjähdystuotteissa [18] .

Zeldovichin, Neumannin ja Döringin (ZND) malli

Chapman-Jouguet-malli mahdollistaa räjähdysaallon etenemisen kuvaamisen hydrodynaamisena epäjatkuvuudena, mutta ei anna vastauksia kemiallisen reaktioalueen rakenteeseen liittyviin kysymyksiin. Nämä kysymykset tulivat erityisen merkittäviksi 1930-luvun lopulla sotilasvarusteiden, ammusten ja räjähteiden nopean kehityksen vuoksi. Ya. B. Zel'dovich Neuvostoliitossa, John von Neumann USA:ssa ja Werner Döring Saksassa loivat toisistaan ​​riippumatta mallin, jota myöhemmin nimitettiin ZND-malliksi. Samanlaisia ​​tuloksia saatiin A. A. Gribin tohtoritutkimuksessa, joka valmistui vuonna 1940 Tomskissa [19] .

Tässä mallissa oletetaan, että räjähdyksen etenemisen aikana aine lämpenee ensin, kun iskuaaltorintama ohittaa, ja kemialliset reaktiot alkavat aineessa jonkin ajan kuluttua, joka vastaa itsesyttymisviivettä. Kemiallisten reaktioiden aikana vapautuu lämpöä, mikä johtaa tuotteiden lisälaajenemiseen ja niiden liikkumisnopeuden lisääntymiseen. Siten kemiallisten reaktioiden vyöhyke toimii eräänlaisena mäntänä, joka työntää johtavaa iskuaaltoa ja varmistaa sen vakauden [20] .

P , V -kaaviossa tämä malli esitetään ehdollisesti prosessina , jonka ensimmäinen vaihe on alkuaineen hyppy Hugoniot adiabattia pitkin pisteeseen, jossa on maksimipaine, jota seuraa asteittainen laskeutuminen Michelsonin suoraa pitkin. kunnes se koskettaa reagoineen aineen Hugoniot-adiabaattia, eli Chapman-Jouguet'n pisteisiin asti [21] . Tässä teoriassa räjähdysnopeuden valintasääntö ja Chapman-Jouguetin hypoteesi saavat fyysisen perustelunsa. Kaikki Chapman-Jouguet-pisteen yläpuolella olevat tilat osoittautuvat epävakaiksi, koska niissä tuotteiden äänen nopeus ylittää räjähdysaallon etuosan takana olevan virtauksen nopeuden. On mahdotonta päästä Chapman-Jouguet-pisteen alapuolelle, koska paineaallon rintaman painehyppy on aina suurempi kuin lopullinen paine-ero räjähdystuotteiden ja lähtöaineen välillä [22] .

Tällaisia ​​järjestelmiä voidaan kuitenkin havaita kokeessa räjähdysaallon keinotekoisella kiihtyvyydellä, ja niitä kutsutaan vastaavasti yli- tai alikompressoiduksi räjähdykseksi [23] .

Räjähdys tekniikassa

Polttomoottoreissa nakutusta kutsutaan usein räjähdysmäiseksi palamiseksi sylinterissä (katso moottorin nakutus ). Otto-sykliä toteuttavat polttomoottorit on suunniteltu palavan seoksen hitaaseen polttamiseen ilman äkillisiä painepiikkejä. Seoksen nopea palaminen lisää dramaattisesti painetta polttokammiossa, mikä johtaa moottorin rakenneosien iskukuormitukseen ja nopeaan moottorihäiriöön. Korkeamman oktaaniluvun polttoaineet mahdollistavat suuremman puristuksen ja paremman iskunkestävyyden [24] .

Räjähdyspoltto on termodynaamisesti edullisin tapa polttaa polttoainetta ja muuttaa polttoaineen kemiallinen energia hyödylliseksi työksi [25] . Siksi räjäytystä voidaan käyttää työprosessissa lupaavien voimalaitosten, kuten pulssiräjäytysmoottorin , polttokammioissa [26] [27] .

Räjähdysilmiö on räjähteiden toiminnan taustalla , ja niitä käytetään laajalti sekä sotilasasioissa että siviilitaloudessa räjäytystyön tuotannossa [28] .

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ 1 2 BES, , Räjähdys ..
  2. ↑ Wang Z., Liu H., Song T., Qi Y., He X., Shuai S., Wang J. Super-knockin ja esisytytyksen välinen suhde // International Journal of Engine Research. - 2014. - Vol. 16. - s. 166-180. — ISSN 1468-0874 . - doi : 10.1177/1468087414530388 .
  3. ↑ Dolgoborodov A. Yu. Räjähdysilmiön "löydön" historiasta  // Poltto ja räjähdys nro 6. - 2013. - S. 329-332 .
  4. ↑ Shchelkin, Troshin, Palamisen kaasudynamiikka, 1963 , s. 13.
  5. ↑ Khitrin, Physics of Combustion and Explosion, 1957 , s. 262.
  6. ↑ Chapman DL Kaasujen räjähdysnopeudesta // Philosophical Magazine. - 1899. - T. 47. - 189 . - S. 90-104 .
  7. ↑ Jouguet E. Sur la propagation des réactions chimiques dans les gaz // Journal des Mathématiques Pures et Appliquées. - 1905. - T. 1 . - S. 347-425 .
  8. ↑ Zeldovich Ya. B. Räjähdyksen etenemisen teoriasta kaasumaisissa järjestelmissä // Journal of Experimental and Theoretical Physics . - 1940. - T. 10 , no. 5 . - S. 542-568 .
  9. ↑ von Neumann, J. John von Neumann: Kokoelmat teokset, 1903-1957  (englanniksi) / Taub, AH. - New York: Pergamon Press, 1963. - Voi. 6. - ISBN 978-0-08-009566-0 .
  10. ↑ Döring, W. Über Detonationsvorgang in Gasen  (saksa)  // Annalen der Physik . - 1943. - Bd. 43 , no. 6-7 . - S. 421-436 . — ISSN 0003-4916 . - doi : 10.1002/andp.19434350605 .
  11. ↑ Shchelkin, Troshin, Palamisen kaasudynamiikka, 1963 , s. 44.
  12. ↑ Dremin et ai., Detonation waves in condensed media, 1970 , s. 69.
  13. ↑ Denisov Yu. N., Troshin Ya. K. Kaasusekoitusten sykkivä ja pyörivä räjähdys putkissa // Neuvostoliiton tiedeakatemian raportit. - 1959. - T. 125 , nro 1 . - S. 110-113 .
  14. ↑ Denisov Yu. N., Troshin Ya. K. Räjähdyspolttomekanismi  // Sovellettu mekaniikka ja tekninen fysiikka. - 1960. - T. 1 , nro 1 . - S. 21-35 .
  15. ↑ Landau, Lifshitz. T. 6. Hydrodynamics, 2001 , § 129. Detonation, s. 668.
  16. ↑ Zel'dovich, Kompaneets, Detonation Theory, 1955 , s. kymmenen.
  17. ↑ Zel'dovich, Kompaneets, Detonation Theory, 1955 , s. yksitoista.
  18. ↑ Zel'dovich, Kompaneets, Detonation Theory, 1955 , s. 71.
  19. ↑ Baudun G. La detonation: chronologie des travaux de modélisation dans les explosifs condensés (linkki ei ole käytettävissä) . Sixiemes journées scientifiques Paul Vieille, ENSTA, Pariisi 7.-8. lokakuuta 2009 27 (2009). Haettu 22. huhtikuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 6. maaliskuuta 2016. 
  20. ↑ Zel'dovich, Kompaneets, Detonation Theory, 1955 , s. 64.
  21. ↑ Zel'dovich, Kompaneets, Detonation Theory, 1955 , s. 69.
  22. ↑ Zel'dovich, Kompaneets, Detonation Theory, 1955 , s. 75.
  23. ↑ Zel'dovich, Kompaneets, Detonation Theory, 1955 , s. 74.
  24. ↑ Oktaaniluku - artikkeli tietosanakirjasta "Maailman ympäri"
  25. ↑ Frolov S. M. Polttotiede ja nykyaikaisen energian ongelmat  // Russian Chemical Journal (D. I. Mendeleevin mukaan nimetty Russian Chemical Societyn lehti). - 2008. - T. LII , nro 6 . - S. 129-134 .
  26. ↑ Kailasanath, K. Räjähdysaaltojen propulsiosovellusten katsaus  // AIAA  Journal : päiväkirja. - 2000. - Voi. 39 , ei. 9 . - P. 1698-1708 . - doi : 10.2514/2.1156 . - .
  27. ↑ Norris, G. Pulssivoima  : Pulssiräjähdysmoottorilla toimiva lentoesittelyn merkkipaalu Mojavessa  // ​​Aviation Week & Space Technology :lehti. - 2008. - Voi. 168 , no. 7 . — s. 60 .
  28. ↑ Räjähteet - artikkeli tietosanakirjasta "Maailman ympäri"

Kirjallisuus

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa