Detonasjon - Detonation

Detonasjon av TNT og sjokkbølge

Detonasjon (fra latinsk detonare  'til å tordne nedover / fremover') er en type forbrenning som involverer en supersonisk eksoterm front som akselererer gjennom et medium som til slutt driver en sjokkfront som forplanter seg rett foran den. Detonasjoner forekommer i både konvensjonelle faste og flytende eksplosiver, så vel som i reaktive gasser. Den Detonasjonshastigheten i faste og flytende sprengstoffer er meget høyere enn i de gassformige, som tillater bølgesystemet som skal observeres med større detalj (høyere oppløsning ).

Et veldig bredt utvalg av drivstoff kan forekomme som gasser, dråpetåker eller støvsuspensjoner. Oksidanter inkluderer halogener, ozon, hydrogenperoksid og nitrogenoksider . Gassformede detonasjoner er ofte assosiert med en blanding av drivstoff og oksidant i en sammensetning noe under konvensjonelle brennbarhetsforhold. De forekommer oftest i begrensede systemer, men noen ganger forekommer de i store dampskyer. Andre materialer, som acetylen , ozon og hydrogenperoksid, kan detoneres i fravær av dioksygen .

Detonasjon ble oppdaget i 1881 av to par franske forskere Marcellin Berthelot og P. Vieille og Ernest-François Mallard og Henry Louis Le Chatelier . De matematiske spådommene om forplantning ble utført først av David Chapman i 1899 og av Émile Jouguet i 1905, 1906 og 1917. Det neste fremskrittet i forståelsen av detonasjon ble gjort av Zel'dovich , von Neumann og W. Doering på begynnelsen av 1940-tallet.

Teorier

Den enkleste teorien for å forutsi oppførselen til detonasjoner i gasser er kjent som Chapman-Jouguet (CJ) teori, utviklet rundt begynnelsen av det 20. århundre. Denne teorien, beskrevet av et relativt enkelt sett med algebraiske ligninger, modellerer detonasjonen som en forplantende sjokkbølge ledsaget av eksoterm varmeutslipp. En slik teori begrenser kjemien og diffusive transportprosesser til en uendelig tynn sone.

En mer kompleks teori ble fremmet under andre verdenskrig uavhengig av Zel'dovich , von Neumann og W. Doering . Denne teorien, nå kjent som ZND-teori , innrømmer endelige hastighets kjemiske reaksjoner og beskriver således en detonasjon som en uendelig tynn sjokkbølge etterfulgt av en sone med eksotermisk kjemisk reaksjon. Med en referanseramme av et stasjonært støt er følgende strømning lyd, slik at en akustisk reaksjonssone følger umiddelbart bak blyfronten , Chapman-Jouguet-tilstanden . Det er også bevis for at reaksjonssonen er semi-metallisk i noen eksplosiver.

Begge teoriene beskriver endimensjonale og jevne bølgefronter. Imidlertid avslørte eksperimenter på 1960-tallet at detonasjoner av gassfaser oftest var preget av ustabile, tredimensjonale strukturer, som bare i gjennomsnittlig forstand kan forutsies av endimensjonale jevne teorier. Slike bølger slukkes faktisk når strukturen deres ødelegges. Wood-Kirkwood-detonasjonsteorien kan korrigere for noen av disse begrensningene.

Eksperimentelle studier har avdekket noen av forholdene som trengs for forplantning av slike fronter. I inneslutning er sammensetningsområdet for blandinger av drivstoff og oksidant og selvnedbrytende stoffer med inerte litt under brennbarhetsgrensene og for sfærisk ekspanderende fronter godt under dem. Påvirkningen av å øke konsentrasjonen av fortynningsmiddel på ekspanderende individuelle detonasjonsceller er elegant demonstrert. På samme måte vokser størrelsen når begynnertrykket faller. Siden cellebredder må matches med minimum dimensjon av inneslutning, vil enhver bølge som er overkjørt av initiatoren bli slukket.

Matematisk modellering har jevnlig avansert til å forutsi de komplekse strømningsfeltene bak støt som induserer reaksjoner. Til dags dato har ingen beskrevet tilstrekkelig hvordan strukturen dannes og opprettholdes bak ukonstruerte bølger.

applikasjoner

Når den brukes i eksplosive enheter, er den viktigste årsaken til skader fra en detonasjon den supersoniske eksplosjonsfronten (en kraftig sjokkbølge ) i området rundt. Dette er et betydelig skille fra deflagrasjoner der den eksoterme bølgen er subsonisk og maksimalt trykk maksimalt er en åttendedel så stort. Derfor er detonasjon en funksjon for destruktivt formål mens deflagrasjon er favorisert for akselerasjon av skytevåpenprosjektiler . Detonasjonsbølger kan imidlertid også brukes til mindre destruktive formål, inkludert avsetning av belegg til en overflate eller rengjøring av utstyr (f.eks. Fjerning av slagg) og til og med eksplosivt sveising av metaller som ellers ikke vil smelte. Pulsdetonasjonsmotorer bruker detonasjonsbølgen for fremdrift i luftfart. Den første flyturen av et fly drevet av en puls detonasjonsmotor fant sted i Mojave Air & Space Port 31. januar 2008.

I motorer og skytevåpen

Utilsiktet detonasjon når deflagrasjon er ønsket er et problem i noen enheter. I Otto-syklus , eller bensinmotorer, kalles det motor banking eller pinging eller pinking, og det forårsaker tap av kraft, overdreven oppvarming og hardt mekanisk støt som kan føre til eventuell motorfeil. I skytevåpen kan det forårsake katastrofal og potensielt dødelig svikt.

Pulsdetonasjonsmotorer er en form for pulserende jetmotor som det har blitt eksperimentert med ved flere anledninger, da dette gir potensialet for god drivstoffeffektivitet.

Se også

Referanser

Eksterne linker