Детона́ция (от фр. détoner — «взрываться» и лат. detonare — «греметь» ) — режим горения, при котором по веществу распространяется ударная волна , инициирующая химические реакции горения , в свою очередь, поддерживающие движение ударной волны за счёт выделяющегося в экзотермических реакциях тепла. Комплекс, состоящий из ударной волны и зоны экзотермических химических реакций за ней, распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью и называется детонационной волной . Фронт детонационной волны — это поверхность гидродинамического .

Скорость распространения фронта детонационной волны относительно исходного неподвижного вещества называется скоростью детонации . Скорость детонации зависит только от состава и состояния детонирующего вещества и может достигать нескольких километров в секунду как в газах, так и в конденсированных системах (жидких или твёрдых взрывчатых веществах). Скорость детонации значительно превышает скорость медленного горения , которая всегда существенно меньше скорости звука в веществе и не превышает нескольких метров в секунду.

Многие вещества способны как к медленному (дефлаграционноному) горению, так и к детонации. В таких веществах для распространения детонации её необходимо инициировать внешним воздействием (механическим или тепловым). В определённых условиях медленное горение может самопроизвольно переходить в детонацию.

Детонацию, как физико-химическое явление, не следует отождествлять со взрывом . Взрыв — это процесс, в котором за короткое время в ограниченном объёме выделяется большое количество энергии и образуются газообразные продукты взрыва, способные совершить значительную механическую работу или вызвать разрушения в месте взрыва. Взрыв может иметь место и при воспламенении и быстром сгорании газовых смесей или взрывчатых веществ в ограниченном пространстве, хотя при этом детонационная волна не образуется. Так, быстрое (взрывное) сгорание пороха в стволе артиллерийского орудия в процессе выстрела не является детонацией.

Стук , возникающий в двигателях внутреннего сгорания, также называют детонацией ( англ. knock ), однако это не детонация в строгом смысле этого слова. Стук вызывается преждевременным самовоспламенением топливовоздушной смеси с последующим быстрым её сгоранием в режиме взрывного горения, но без образования ударных волн. Детонационные волны в работающем двигателе ( англ. superknock ) возникают крайне редко и только при нарушении условий эксплуатации, например из-за нештатного низкооктанового топлива. При этом двигатель очень быстро выходит из строя из-за разрушения конструкционных элементов ударными волнами.

История исследований явления

Вероятно, впервые термин «детонация» был введён в научный обиход Лавуазье в «Трактате по элементарной химии» ( фр. Traité élémentaire de chimie ), опубликованном в Париже в 1789 году . Во второй половине XIX века были синтезированы вторичные взрывчатые вещества , в основе действия которых лежит явление детонации. Однако из-за большой скорости детонационной волны и разрушительного действия взрыва научное изучение детонации оказалось чрезвычайно затруднено и началось с публикаций исследований явления детонации газовых смесей в трубах в 1881 году французскими химиками Малляром и Ле Шателье и независимо от них Бертло и Вьелем . В 1890 году русский учёный В. А. Михельсон , опираясь на работы Гюгонио по ударным волнам, вывел уравнения для распространения детонационной волны и получил выражение для скорости детонации . Дальнейшее развитие теории было выполнено в 1899 году и Жуге в 1905 году . В теории Чепмена—Жуге, названной гидродинамической теорией детонации, детонационная волна рассматривалась как поверхность разрыва, а условие для определения скорости детонации, названное их именами ( ), было введено как постулат .

В 1940-е годы Я. Б. Зельдович разработал теорию детонации, в которой учитывается конечное время протекания химической реакции вслед за нагревом вещества ударной волной. В этой модели условие Чепмена—Жуге получило ясный физический смысл как правило отбора скорости детонации , а сама модель была названа — по именам Зельдовича, Неймана и Дёринга , так как независимо от него к схожим результатам пришли фон Нейман в США и Дёринг в Германии.

Модели Чепмена—Жуге и ZND позволили существенно продвинуться в понимании явления детонации, однако они по необходимости были одномерными и упрощёнными. С ростом возможностей экспериментального исследования детонации в 1926 году английскими исследователями Кэмпбеллом и Вудхедом был открыт эффект спирального продвижения фронта детонации по газовой смеси . Это явление получило название «спиновой детонации» и впоследствии было обнаружено и в конденсированных системах .

В 1959 году сотрудники ИХФ АН СССР Ю. Н. Денисов и Я. К. Трошин открыли явление ячеистой структуры и пульсирующих режимов распространения детонационной волны .

Механизм детонации

Детонация может возникать в газах, жидкостях, конденсированных веществах и гетерогенных средах. При прохождении фронта ударной волны вещество нагревается. Если ударная волна достаточно сильная, то температура за фронтом ударной волны может превысить температуру самовоспламенения вещества, и в веществе начинаются химические реакции горения. В ходе химических реакций выделяется энергия, подпитывающая ударную волну. Такое взаимодействие газодинамических и физико-химических факторов приводит к образованию комплекса из ударной волны и следующей за ней зоны химических реакций, называемого детонационной волной. Механизм превращения энергии в детонационной волне отличается от механизма в волне медленного горения ( дефлаграции ), движущейся с дозвуковой скоростью, в которой передача энергии в исходную смесь осуществляется в основном теплопроводностью .

Гидродинамическая теория детонации

Если характерные размеры системы заметно превышают толщину детонационной волны, то её можно считать поверхностью нормального разрыва между исходными компонентами и продуктами детонации. В этом случае законы сохранения массы, импульса и энергии по обеим сторонам разрыва в системе координат, где фронт волны неподвижен, выражаются следующими соотношениями:

• ${\displaystyle \rho _{0}D=\rho (D-u)}$ — сохранение массы,
• ${\displaystyle P_{0}+\rho _{0}D^{2}=P+\rho (D-u)^{2}}$ — сохранение импульса,
• ${\displaystyle P_{0}D+\rho _{0}D(e_{0}+D^{2}/2)=P(D-u)+\rho (D-u)(e+(D-u)^{2}/2)}$ — сохранение энергии.

Здесь D — скорость детонационной волны, ( D — u ) — скорость продуктов относительно детонационной волны, P — давление, ρ — плотность, e — удельная внутренняя энергия. Индексом 0 обозначены величины, относящиеся к исходному веществу. Исключая из этих уравнений u , имеем:

• ${\displaystyle P-P_{0}=(\rho _{0}D)^{2}(V_{0}-V)}$ ,
• ${\displaystyle e-e_{0}={\frac {1}{2}}(P+P_{0})(V_{0}-V)}$ .

Первое соотношение выражает линейную зависимость между давлением P и удельным объёмом V=1/ρ и называется прямой Михельсона (в зарубежной литературе — прямой Рэлея ). Второе соотношение называется детонационной адиабатой или кривой Гюгонио (в зарубежной литературе также — Рэнкина —Гюгонио). Если известно уравнение состояния вещества, то внутренняя энергия может быть выражена через давление и объём, и кривая Гюгонио может быть также представлена как линия в координатах P и V .

Модель Чепмена—Жуге

Система двух уравнений (для прямой Михельсона и кривой Гюгонио) содержит три неизвестных ( D , P и V ), поэтому для определения скорости детонации D требуется дополнительное уравнение, которое невозможно получить только из термодинамических соображений. Поскольку детонационная волна устойчива, звуковые возмущения в продуктах не могут догонять фронт детонационной волны, иначе он будет разрушаться. Таким образом, скорость звука в продуктах детонации не может превышать скорость течения за фронтом детонационной волны.

На плоскости P , V прямая Михельсона и кривая Гюгонио могут пересекаться не более чем в двух точках. Чепмен и Жуге предположили, что скорость детонации определяется по условию касания прямой Михельсона и кривой Гюгонио для полностью прореагировавших продуктов (детонационной адиабаты). В этом случае прямая Михельсона является касательной к детонационной адиабате, и эти линии пересекаются ровно в одной точке, названной точкой Чепмена-Жуге ( CJ ). Это условие соответствует минимальному наклону прямой Михельсона и физически означает, что детонационная волна распространяется с минимально возможной скоростью, и скорость течения за фронтом детонационной волны в точности равна скорости звука в продуктах детонации .

Модель Зельдовича, Неймана и Дёринга (ZND)

Модель Чепмена-Жуге позволяет описать распространение детонационной волны как гидродинамического разрыва, но не даёт ответов на вопросы, связанные со структурой зоны химических реакций. Эти вопросы стали особенно актуальными в конце 1930-х годов в связи с быстрым развитием военной техники, боеприпасов и взрывчатых веществ. Независимо друг от друга Я. Б. Зельдович в СССР, Джон фон Нейман в США и Вернер Дёринг в Германии создали модель, названную впоследствии по их именам моделью ZND. Аналогичные результаты были получены и в кандидатской диссертации А. А. Гриба «Гидродинамическая теория взрывных волн», выполненной в 1940 году в Томске , к тому же Гриб решил задачу о нестационарном движении продуктов взрыва .

В этой модели считается, что при распространении детонации вещество сначала нагревается при прохождении фронта ударной волны, а химические реакции начинаются в веществе спустя некоторое время, равное задержке самовоспламенения. В ходе химических реакций выделяется тепло, которое приводит к дополнительному расширению продуктов и увеличению скорости их движения. Таким образом, зона химических реакций выступает в роли своего рода поршня, толкающего ведущую ударную волну и обеспечивающего её устойчивость .

На диаграмме P , V эта модель условно отображается в виде процесса, первой стадией которого будет скачок по адиабате Гюгонио для исходного вещества в точку с максимальным давлением, с последующим постепенным спуском по прямой Михельсона до её касания с адиабатой Гюгонио для прореагировавшего вещества, то есть до точки Чепмена-Жуге . В этой теории правило отбора скорости детонации и гипотеза Чепмена-Жуге получают своё физическое обоснование. Все состояния выше точки Чепмена-Жуге оказываются неустойчивыми, так как в них скорость звука в продуктах превышает скорость течения за фронтом детонационной волны. В состояния ниже точки Чепмена-Жуге попасть невозможно, так как скачок давления на фронте ударной волны всегда больше конечной разности давлений между продуктами детонации и исходным веществом .

Однако такие режимы могут наблюдаться в эксперименте при искусственном ускорении детонационной волны, и они называются соответственно пересжатой или недосжатой детонацией .

Детонация в технике

В двигателях внутреннего сгорания детонацией часто называют взрывное горение в цилиндре (см. Стук в двигателе ). Двигатели внутреннего сгорания, реализующие цикл Отто , рассчитаны на медленное горение горючей смеси без резких скачков давления. Быстрое сгорание смеси резко повышает давление в камере сгорания, что приводит к ударным нагрузкам на детали конструкции двигателя и быстрому выходу двигателя из строя. Топливо с более высоким октановым числом допускает большую степень сжатия и лучше противостоит детонации .

Детонационное горение является наиболее термодинамически выгодным способом сжигания топлива и преобразования химической энергии топлива в полезную работу . Поэтому детонация может применяться в рабочем процессе в камерах сгорания перспективных энергетических установок, таких как импульсный детонационный двигатель .

Явление детонации лежит в основе действия взрывчатых веществ , широко применяемых как в военном деле , так и в гражданской хозяйственной деятельности при производстве взрывных работ .

См. также

• Давление детонации
• Скорость детонации

Примечания

Литература

• Детонация // Большой Энциклопедический словарь (рус.) . — 2000. // Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров . — 1-е изд. — М. : Большая российская энциклопедия , 1991. — ISBN 5-85270-160-2 .
• Зельдович Я. Б., Компанеец А. С. Теория детонации. — М. : Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1955. — 268 с.
• Хитрин Л. Н. Глава IV. Процесс распространения пламени. Детонация // Физика горения и взрыва. — М. : Издательство Московского университета, 1957. — С. 255—314. — 452 с. — 20 000 экз.
• Щёлкин К. И. , Трошин Я. К. Газодинамика горения. — М. : Издательство Академии наук СССР, 1963. — 254 с.
• Дрёмин А. Н., Савров С. Д., Трофимов В. С., Шведов К. К. Детонационные волны в конденсированных средах. — М. : Наука, 1970. — 164 с.
• Ландау Л. Д. , Лифшиц Е. М. § 129. Детонация // Гидродинамика. — Издание 5-е, стереотипное. — М. : Физматлит, 2001. — С. 668. — 736 с. — (« Теоретическая физика », том VI). — ISBN 5-9221-0121-8 .
• Dremin A. N. . — New York: Springer, 1999. — 156 p. — ISBN 978-1-4612-0563-0 . — doi : . от 17 декабря 2013 на Wayback Machine