Переход горения газопаровоздушных смесей во взрыв

При определенных условиях процесс горения ГПВС переходит в детонацию и, соответственно, во взрыв. Рассмотрим механизм перехода горения в детонацию. Равномерное распространение пламени с постоянной скоростью происходит при зажигании лишь на начальном этапе. Затем горение идет с непрерывно нарастающей скоростью. Причиной самоускорения процесса является сжатие смеси в предфронтальной зоне горения.

Благодаря непрерывному повышению давления, а следовательно, плотности и температуры реакция в каждом последующем слое газа идет быстрее и заканчивается в более короткий промежуток времени. Повышение давления перед фронтом пламени происходит вследствие возникновения в газе волн сжатия, которые образуются из-за расширения продуктов горения. Пламя приводит в движение находящийся перед ним газ, действуя подобно поршню. Каждая последующая волна сжатия распространяется уже в более плотной среде и догоняет предыдущую. В результате наложения таких элементарных волн постепенно образуется достаточно крутой фронт ударной волны. По мере распространения пламени интенсивность ударной волны растет, а вместе с ней растет и скорость движения газа. Скорость распространения пламени относительно неподвижной смеси определяется скоростью пламени относительно движущегося газа и скоростью газа сжатого ударной волной. Возникновение волн сжатия было доказано экспериментально.

Таким образом, механизм перехода горения в детонацию состоит из нескольких слагаемых. Сначала горение вызывает движение газа и образование ударной волны (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Распределение давления в горящем газе.

Вследствие этого распространение пламени осуществляется в сжатом и движущемся газе. По мере ускорения пламени растет и амплитуда ударной волны, вызывая последующее его ускорение, и т. д. Детонация возникает в тот момент, когда амплитуда (интенсивность) ударной волны достигает критического значения, при котором обеспечиваются воспламенение газа и постоянство режима на фронте волны за счет энергии химической реакции.

В нормальных условиях скорость пламени в самых быстрогорящих смесях не превышает 10 м/с. Однако при переходе горения в детонацию скорость пламени проходит через промежуточные значения порядка сотен метров в секунду. Эта скорость слишком велика для распространения за счет теплопроводности и слишком мала для распространения по детонационному механизму. Объяснить это можно исходя из условий протекания процессов в движущихся газах. Рассмотрим зависимость давления от скорости распространения горения (кривая Гюгония), представленную на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Кривая Гюгония.

Промежуточные значения скорости между детонацией и медленным горением находятся на участке ВС. Точка М соответствует процессу стационарной детонации; точка Т — процессу стационарного медленного горения, если пламя распространяется по газу, имеющему параметры P₀V₀. Когда давление на фронте ударной волны достигнет критического значения Р_кр, при котором скорость ее станет равной скорости детонации, произойдет самовоспламенение сжатого газа, а состояние продуктов реакции будет соответствовать состоянию точки М. Только при этих условиях и следующей за ней реакцией процесс^- распространение ударной волны станет стационарным.

Механизм перехода горения в детонацию для конденсированных систем ВВ принципиально нс отличается от механизма для газовых смесей. Однако переход в детонацию происходит при существенно отличных условиях. При горении конденсированных ВВ практически исключаются возникновение ударной волны и движение вещества впереди фронта пламени, формирование ударной волны происходит позади фронта пламени в горячих газообразных продуктах реакции. Характерной особенностью реакции горения конденсированных ВВ является резкое увеличение объема в зоне пламени при переходе вещества в газообразные продукты. При недостаточно быстром отводе газов давление в зоне реакции и скорость горения будут непрерывно повышаться. Когда скорость горения достигает критического значения, процесс переходит в детонацию. Горение ВВ может быть устойчивым, если газоприход (вследствие реакции) и газоотвод находятся в равновесии. Если скорость газоприхода будет выше газоотвода, то процесс будет ускоряться. Нарушение газового баланса W_rM = 1Е_Г0, где W_in — скорость газоприхода, равная скорости горения; W_ro — скорость газоотвода, — важнейшая причина перехода горения в детонацию.

Согласно Ландау нарушение стационарного горения происходит в тех случаях, когда массовая скорость горения переходит некоторый предел:

где а_к — поверхностное натяжение жидкости; g — ускорение силы тяжести; р — плотность газообразных продуктов; 8_Ж — плотность жидкости.

Для большинства ВВ значение 1К_ГП составляет менее 0,25 г/(см²-с), кроме; нитроглицерина — 0,5−0,7 г/(см²-с); нитрогликоля — 0,096 г/(см²-с); ТЭН — 0,12 г/(см²-с); гексогена — 0,12 г/(см² с); тротила — 0,04 г/(см² с).

В условиях некомпенсированного газоотвода, характерного для заключенных в оболочку зарядов, за фронтом пламени образуется ударная волна с возрастающей в процессе горения амплитудой, вызывающая детонацию.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Дайте характеристику взрывчатых веществ.
• 2. От чего зависит цепной взрыв?
• 3. Каковы существенные особенности теплового взрыва?
• 4. Опишите основные положения теории детонации.
• 5. Охарактеризуйте влияния диаметра заряда, плотности, мощности начального импульса и других факторов па скорость детонации.
• 6. Опишите механизм перехода горения газопаровоздушных смесей в детонацию.