Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория горения и взрыва. Учебник
.pdf
ряда, приблизительно равной двум диаметрам. Дальнейшее увеличение длины заряда уже не сказывается на длине активной его части.
Таким образом, при заданном диаметре детонатора эффективная
глубина волны должна быть пропорциональна длине активной части
детонатора l
Кроме того, пропорционально значению l
акт
.
возрастает продолжи-
акт
тельность действия продуктов взрыва детонатора на основной заряд и
величина импульса взрыва, что будет препятствовать сильному падению параметров инициирующей ударной волны на начальной стадии
ее распространения, когда тепловой эффект химической реакции еще
небольшой.
Возникновению детонации в инициируемом заряде при заданной
его плотности могут способствовать следующие факторы:
1) увеличение степени дисперсности кристаллов. Чем меньше
величина зерна, тем больше активных центров возникает в единице
объема и быстрее завершается химическая реакция, а соответственно
меньше ширина зоны превращения. Данный фактор может привести
к существенному повышению восприимчивости к детонации;
2) погружение детонатора в ВВ инициируемого заряда, что приводит к увеличению очага взрыва и уменьшает возможность проникновения волны разрежения в этот очаг, так как уводит его от поверхности в глубь заряда;
3) увеличение диаметра заряда и заключение его в оболочку.
Это ограничивает распространение боковых волн разрежения
в зону реакции и способствует повышению восприимчивости заряда
к детонации.
151
РАЗДЕЛ 5. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПРОЦЕССОВ
ВЗРЫВЧАТОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ
ТЕМА 14. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ДЕТОНАЦИИ
В ГАЗАХ
14.1. Основные положения одномерной
гидродинамической модели детонации газов
Газовые взрывчатые смеси состоят из равномерно перемешанных
горючих газов (содержащих горючие элементы – углерод, водород и
др.) и окислителя. В качестве окислителя может выступать кислород
или воздух.
Детонация газовых смесей изучалась в XIX в. Бертло, Вьелем,
Малляром и Ле-Шателье. В Советском Союзе подробные исследования в этой области проводились главным образом К.И Щелкиным,
Я.Б. Зельдовичем и А.С. Соколиком.
В результате экспериментальных исследований газовых взрывчатых смесей установлены следующие основные положения:
1. В газовых смесях скорость распространения детонации изменяется от 1000 до 3500 м/с, что в несколько раз превышает скорость звука в этих смесях при обычных температурах и давлениях.
2. Скорость распространения детонации мало зависит от расположения трубки, в которой заключен газ (вертикальное или горизонтальное), материала (резина, стекло, свинец и др.) и толщины стенок
трубки. При изменении диаметра трубки скорость детонации остается постоянной при условии, что диаметр не уменьшается ниже некоторого предела (предельного диаметра).
Скорость детонации не зависит от условий позади фронта волны
(т.е. не существенно, производится ли инициирование с закрытого
или открытого конца трубки) и вида источника инициирования (пламя, искра, детонатор и т.д.). Указанные факторы сказываются лишь на
длине участка переходного состояния процесса.
Данные положения теории были установлены еще Бертло и Вье-
лем при экспериментах со стехиометрической смесью водорода и
кислорода (2H2 + O2). Опыты проводили в резиновой трубке диаметром 5 мм и длиной 40 м. Для возбуждения детонации применяли электродетонатор с прессованной гремучей ртутью. При распро-
152
странении детонации происходил обрыв двух полосок из оловянной
фольги, включенных в электрическую цепь хронографа. По величине
промежутка времени между разрывами рассчитывали скорость детонации (~ 2810 м/с).
3. Скорость детонации зависит от состава газовой смеси. Каждой
газовой смеси отвечает оптимальное соотношение компонентов, при
котором скорость детонации достигает своего максимального значения.
Например, смесь водорода с кислородом детонирует при концентрации водорода в смеси от 15,5 до 92,9 %. Причем максимальная
скорость детонации наблюдается на верхнем концентрационном пределе распространения детонации (рис. 14.1).
Рис. 14.1. Зависимость скорости детонации смеси водорода
с кислородом от соотношения компонентов (по данным Л.Н. Хитрина)
При разбавлении газовой смеси одним из компонентов (горючее
или окислитель) можно достигнуть предела, ниже которого устойчивая детонация становится невозможной. Так, если концентрация
водорода снизится до 15,5 %, то скорость детонации такой смеси
достигнет своего минимального значения. При этом следует иметь
в виду, что нижний концентрационный предел воспламенения для
этой смеси достигается при содержании водорода, равном около
4,1 %, т.е. при концентрации водорода от 4,1 до 15,5 % данная смесь
будет воспламеняться от постороннего источника зажигания и гореть
с более низкой, чем при нормальной детонации скоростью.
Существует также и верхний предел распространения детонации
(для смесей с избытком горючего компонента), лежащий значительно
ниже верхнего концентрационного предела воспламенения.
153
Зависимость скорости детонации кислородных смесей ацетилена
и пропана по данным Л.Н. Хитрина представлена на рис. 14.2, 14.3.
Рис. 14.2. Зависимость скорости детонации смеси ацетилена
с кислородом от соотношения компонентов (по данным Л.Н. Хитрина)
Рис. 14.3. Зависимость скорости детонации смеси пропана
с кислородом от соотношения компонентов (по данным Л.Н. Хитрина)
Концентрационные пределы распространения детонации для
ряда смесей по данным К.К. Андреева, А.Ф. Беляева представлены
в табл.14.1.
Таблица 14.1
Концентрационные пределы распространения детонации по данным
К.К. Андреева, А.Ф. Беляева (p
Концентрация
Смесь
H
+ O
2
H
+ воздух 18,2 58,9 C2H4 + воздух 5,5 11,5
2
горючего в смеси, %
Нижний
предел
2
15,5 92,9 C2H4 + O
Верхний
предел
154
= 105 Па, T = 293 К)
0
Смесь
горючего в смеси, %
Нижний
предел
2
Концентрация
Верхний
предел
3,5 93
æö
èø
Окончания табл. 14.1
CH
C
C
4H10
Смесь
+ O
4
+ O
3H8
+ O
Концентрация
горючего в смеси, %
Нижний
предел
2
2
8,25 55,8 С3H6 + O
2,50 42,5 C2H2 + воздух 4,2 50
2,05 37,95 Si(CH3)4 + O
2
Верхний
предел
Смесь
2
2
Концентрация
горючего в смеси, %
Нижний
предел
2,5 50,0
1,8 48
Верхний
предел
4. Скорость детонации слабо зависит от начальной температуры
газовой смеси, незначительно уменьшаясь при увеличении температуры (табл. 14.2).
Таблица 14.2
Влияние начальной температуры на скорость детонации газов (по данным А.С.
Соколика)
Начальная температура, °С
10 2821 2581
100 2790 2538
Скорость детонации, м/с
2H
+ O
2
2
CH4 + 3O
2
Незначительное снижение скорости детонации при повышенной
температуре объясняется некоторым уменьшением плотности газовой
смеси, поскольку эксперименты проводились при атмосферном давлении.
5. С ростом начального давления (плотности) газовой смеси скорость детонации возрастает: медленно при сравнительно низких давлениях и более заметно при повышенных давлениях.
По данным М.А. Кука, в интервале давлений от 0,1 до 10 МПа зависимость скорости детонации от давления для некоторых смесей
имеет вид
p
÷
ç
÷
lgβ
,
ç
÷
0
ç
÷
ç
p
0
соответственно; β – ко-
0
где
DD
= +×
pp
D и
D – скорости детонации при p и p
p
p
0
эффициент, численно равный приросту скорости детонации при десятикратном увеличении давления.
Значения констант для некоторых смесей приведены в табл. 14.3.
155
Константы для некоторых газовых смесей
Таблица 14.3
p
,
0
Смесь
МПа
D ,
p
0
м/с
Смесь водорода с кислородом
β, м/с Смесь
Смесь водорода с кислородом и инертных
,
p
0
МПа
примесей
D ,
p
0
м/с
β, м/с
6H2 + 1O20,07 3800 – 2H2 + 1O2 + 1/2Ar 0,07 2460 130
4H
+ 1O20,07 3220 325 2H2 + 1O2 + 1N20,07 2420 60
2
3H
+ 1O20,07 3100 250 2H2 + 1O2 + 2N20,07 2220 50
2
2H
+ 1O20,07 2850 160 Смесь ацетилена с кислородом
2
1H
+ 1O20,07 2300 100 3C2H2 + 1O20,105 2520 0
2
1H
+ 2O20,07 1920 10 2C2H2 + 1O20,105 2660 45
2
1H
+ 3O20,07 1890 –240 1C2H2 + 1O20,105 2920 160
2
2C
+ 3O20,105 2720 150
2H2
1C
+ 9O20,105 2200 120
2H2
На рис. 14.4 показано изменение скорости детонации в зависимости от давления для смесей ацетилена с кислородом в различных соотношениях.
Рис. 14.4. Зависимость скорости детонации от давления смесей
ацетилена с кислородом различного состава:
1 – 3C2H2 + 1O2; 2 – 2C2H2 + 1O2; 3 – 1C2H2 + 1O2; 4 – 2C2H2 + 3O2;
5 – 1C2H2 + 9O
2
6. На скорость детонации газовой смеси существенно влияют при-
меси инертных и других газов, не принимающих участия в химиче-
156
ской реакции. Однако это в зависимости от природы добавляемого
газа может быть различным.
Так, разбавление стехиометрической смеси 2H
+ O2 аргоном сни-
2
жает скорость детонации, в то время как введение в смесь равного количества молей гелия повышает, хотя оба эти газа оказывают одинаковое влияние на температуру газовой смеси (табл. 14.4).
Таблица 14.4
Влияние гелия и аргона на скорость детонации гремучего газа
Состав смеси Температура взрыва, К Скорость детонации, м/с
2H
+ O
2
(2H
(2H
(2H
(2H
2
2
2
2
2
+ O2) + 3Ar 3265 1800
+ O2) + 5Ar 3097 1700
+ O2) + 3He 3265 3130
+ O2) + 5He 3097 3160
3583 2819
Это связано с тем, что скорость детонации обратно пропорциональна корню квадратному из средней молекулярной массы продуктов детонации:
RkT
+
1
k
=
D
k
2
.
µ
Поэтому при добавлении, в некоторых пределах, к газовой взрывчатой смеси компонента, уменьшающего среднюю молекулярную
массу продуктов взрыва и несмотря на некоторое снижение температуры в зоне химической реакции, скорость детонации возрастает.
14.2. Пульсирующая детонация газов
Одномерная гидродинамическая модель детонации удовлетворительно объясняет приведенные экспериментальные факты. Однако
она дает немного завышенные (на 1–2 %) значения скорости для легко детонирующих смесей в гладкостенных трубках. Это различие обусловлено потерями энергии по следующим причинам:
1. Энергетические потери вследствие теплоотдачи в стенки трубок. Охлаждающее действие стенок трубок не характерно для детонации – для заметного снижения температуры реагирующей среды
вследствие теплоотвода в стенки трубки требуется достаточно много
времени.
2. Энергетические потери вследствие трения в пограничном
слое. Возникающий в продуктах детонации на границе с трубкой
157
пограничный слой тормозит периферийные участки фронта, что
11
éù
êú
-³
êú
êú
êú
ëû
приводит к образованию искривленного детонационного фронта,
обращенного выпуклостью в сторону распространения детонационной волны.
3. Энергетические потери вследствие турбулентных пульсаций.
Анализируя результаты экспериментальных и теоретических исследований, К.И. Щелкин предложил следующий критерий неустойчивости плоской детонационной волны:
1
kk
-
( )
æö
E
RT p
где T
и p1 – температура и давление в зоне реакции; p2 – давление
1
p
÷
2
ç
÷
ç
÷
ç
÷
ç
èø
11
,
в продуктах реакции.
Хотя энергия активации E при высоких температурах известна недостаточно точно, почти все взрывчатые смеси газов характеризуются
значениями критерия, большими единицы, что означает неустойчивость плоского детонационного фронта.
Неустойчивость приводит к образованию поперечных волн, движущихся по ударно сжатому газу вдоль фронта и вместе с ним. В результате формируется сложный трехмерный многофронтовой детонационный комплекс. В этом комплексе газовая смесь реагирует
в поперечных волнах и за изломом переднего фронта, возникающего
вследствие детонации газовой смеси за поперечной волной, поскольку именно там достигаются более высокие температуры.
Основным элементом детонационного комплекса является тройная
конфигурация (рис. 14.5), состоящая из маховской волны – излома переднего фронта (пересжатая детонационная волна), передней или падающей волны (затухающая детонационная волна) и примыкающей
к ним в тройной точке отраженной (поперечной) волны.
Столкновения поперечных волн, движущихся вдоль фронта, приводят к воспроизводству структуры детонационного фронта в процессе распространения детонации. Таким образом, передний фронт
детонационной волны периодически изменяется: выпуклости фронта сменяются на вогнутости и, наоборот, – фронт как бы пульсирует.
Траектории тройных точек представляют собой пересекающиеся семейства линий, которые образуют сетку из ромбовидных ячеек. Эти
траектории и ромбовидные ячейки отчетливо проявляются на закопченных боковых стенках трубы.
158
Рис. 14.5. Диаграмма детонационной структуры
яч яч
1, 6аb=×
(детонация распространяется слева направо)
Поперечный размер ячейки bяч является характерным размером
структуры детонационной волны. Он уменьшается приблизительно
обратно пропорционально увеличению давления. Ячейки вытянуты
в направлении распространения детонации:
(аяч – продольный размер ячейки). Некоторые данные по продольным размерам детонационных ячеек для стехиометрических смесей приведены
в табл. 14.5.
Таблица 14.5
Длина детонационной ячейки различных газовых смесей при начальном
давлении 0,1 МПа
Газовая смесь а
C
+ 2,5O
2H2
CH
C
2H2
H
+ воздух 15,9 ± 2
2
2
+ 2O
4
2
+ воздух 13,6 ± 1,6 C2H6 + воздух 88 ± 14
, мм Газовая смесь аяч, мм
яч
0,3 C2H4 + воздух 39 ± 6
4,5 C3H8 + воздух 72 ± 12
Пульсирующий характер детонационного фронта обнаружен и
у ряда жидких ВВ.
4. Энергетические потери вследствие незавершенности химиче-
ских реакций.
Разлет в окружающую среду периферийной части заряда из непрореагировавшего или неполностью прореагировавшего ВВ, находящегося под большим давлением, мешает нормальному завершению химической реакции.
159
Толщину слоя ВВ δ, разлетающегося и не участвующего в реакции
кр
δαd=×
в детонационной волне, можно оценить по формуле
,
где α – коэффициент, для насыпных и прессованных ВВ α ≈ 0,4; для
литых α ≈ 0,055.
Однако следует иметь в виду, что в процессе разлета часть ВВ может дореагировать в продуктах взрыва в ходе вторичных химических
реакций. Догорание продуктов неполного превращения отделено от
детонации интервалом времени θ и происходит в окружающей среде
много позже ее ударного сжатия. Именно способность углерода к реакции окисления при турбулентном смешивании продуктов взрыва с
окружающим воздухом является вероятной причиной вторичных (по
отношению к детонации) повышений давления в замкнутом объеме.
5. Энергетические потери вследствие фазовых переходов.
160
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]