Лекция №7.

Лекция №7.

Детонация. Механизм возникновения детонации. Экспериментальные закономерности детонационного распространения пламени.

Детонация — это химическое превращение, индуцированное ударной волной.

Возникновение детонационной волны можно описать следующей последовательностью промежуточных состояний.

Слабое возмущение r, Р — распространение со скоростью звука с
Сильное возмущение — распространение со скоростью звука с.
Ударная волна — распространение со скоростью v>c.
Детонационная волна — v>c+a (a=const) ( от 1 000 до 10 000 м/с).

1.Экспериментальные закономерности.

Общие эксперементальные свойсва детонации

Детонация наблюдается в каналах, трубах. (сферическая детонация - редкое явление).
Возможность возникновения детонации зависит от длины трубы L и ее диаметра d.

Существуют критические L_min и d_min.
Скорость детонации является функцией от состава горючей смеси

Скорость детонации является функция начальных условий:
Скорость детонации U_d не зависит от материала стенок, формы канала и способа зажигания смеси.

Наиболее расположены к детонации кислородные смеси; воздушные смеси не для всех газов.

Точка А соответствует эквимолярному соотношению топлива и окислителя (одному молю топлива берется один моль окислителя).

Детонационная волна - есть ударная волна + химическая реакция.

Ударная волна — это волна сжатия в нереакционноспособной смеси.

Детонационная волна распространяется в реакционной смеси.

Схема образования детонационной волны:

1 — 2 - Ударная волна;

2 — 3 - Зона химической реакции (детонационная волна);

3 — 4 - Зона продуктов горения;

L_дв - Толщина детонационной волны (0,1-1 см);

L_ув - Толщина ударной волны (10-4*L_дв).

Если в результате взрыва в реакционной смеси образовалась ударная волна, то до того места, куда она дошла, смесь воспламенилась, температура повысилась, давление тоже, началась реакция.

2. Преддетонационная длина и преддетонационный период.
Преддетонационная длина L_d— это расстояние, на котором нормальное распространение пламени переходит в детонационную волну.

Преддетонационный период t время, за которое нормальное распространение пламени переходит в детонационную волну.

L_d ~ 1/P₀, d₀, T₀, от шероховатости и наличия "пыли" в смеси.

В шероховатых каналах L_d = (2…4) d₀.

В гладких каналах L_d = (20…40) d₀.

Смесь	L, см	L_d, см	t, с	D, км/с
2H₂+O₂	180	98	0.0012	810
CH₄+2O₂	200	70	0.0013	566

Где L – длина канала; L _d – преддетонационная длина; t – преддетонационный период; D – скорость детонационной волны.

3. Механизм возникновения детонации.

В следствии скачкообразного ускоренного движения “поршня” создалась мощная волна сжатия, т.е. каждая последующая волна возмущения догоняет предыдущую. Волна сжатия – это результат аккумуляции следующих друг за другом малых скачков. Ускорение каждой последующей волны происходит из-за того, что возмущение давлений (в следствии нагревания среды каждым предыдущим возмущением) увеличивает местную скорость звука:

После начала движения фронта пламени перед ним по свежей смеси начинает распространяться слабая волна возмущения. В следствии турбулизации пламени и его скачкообразного ускорения появляется последовательные волны возмущения среды, которые, догоняя первую, складываются в мощную волну сжатия, воспламеняющую смесь и преобразующую волну сжатия в детонационную волну.

Dp — за счет флуктуации давления в продуктах сгорания.

До 10 000 импульсов Dp в секунду. Флуктуация догоняет фронт пламени. Волна сжатия переходит в ударную волну под действием флуктуации Dp. Вибрационное распространение пламени переходит под действием Dp в детонационную волну.

4. Теоретические основы детонации.

Первым правильно рассмотрел теорию детонации Михельсон. Огромный вклад в развитие теории внесли Чепмен, Жуге, Зельдович, Дремин, Щелкин.

где V₀ — начальный удельный объем.

где: а — местная скорость звука.

Условие ослабления и погашения детонации:

Условие существования и развития детонации (условие Жуге-Дремина):

Условие стационарного распространения детонации:

5. Явление детонационного спина.

Явление детонации, характеризующееся спиралевидным движением фронта пламени, называется - спиновой детонацией.

Воспламенение во фронте волны происходит не по всему сечению фронта, а только в определенной части его, вблизи от стенки. Имеется головная часть (ядро) воспламенения, которая движется в трубе по спирали, за ней в виде спирали тянется светящийся хвост пламени (шлейф).

Экспериментально доказанные особенности детонационного спина:

в трубах круглого сечения ядро движется по спирали вдоль стенки;
для данной горючей смеси шаг спина пропорционален диаметру трубы;
спиновая детонация осуществляется в смесях, близких к детонационным пределам или в трудно детонирующих смесях (все детонирующие смеси с кислородом, некоторые смеси водорода, метана, этана, этилена, а также смеси водорода с воздухом и др.)
в трубах не круглого сечения в вышеперечисленных смесях также наблюдается спиновая детонация;
средняя скорость спиновой детонационной волны почти равна теоретической;
во время распространения фронта спиновой детонации наблюдаются колебания давления, соответствующие периоду спина;
в смесях, не предрасположенных к спиновой детонации, спин временно может появиться в начальной фазе обычной детонации;
спин развивается полностью только в условиях стационарной детонации, т.е. при U_d=const

Природа детонационного спина связана с интерференцией ударных волн (прямых и отряженных). f = 10 кГц.

0 — 1 - смесь не зажигается;

1 — 2 - смесь зажигается, но не распространяется;

2 — 3 - пределы вибрационного распространения пламени;

5 — 6 - пределы детонационного распространения пламени;

7 — 8 - различные виды детонации.

8 --- 8 взрыв (самопроизвольное возникновение детонации).

Назад | Содержание | Вперед