3.5. ДЕТОНАЦИЯ В ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ

Распространение пламени в газовых смесях происходит с постоянной скоростью только на расстоянии (0.5÷1.0) м от точки воспламенения. После этого пламя резко ускоряется и достигает скорости (2÷3) км/с. Сгорание газовой смеси с такой скоростью называется детонацией. Отметим характерные свойства детонации.

·     Детонационная волна распространяется с постоянной сверхзвуковой скоростью.

·     Скорость детонации зависит от состава горючей смеси.

·     При диаметре трубки более 2 см скорость детонации не зависит от ее диаметра.

·     Большая скорость сгорания смеси при детонации приводит к повышению давления.

Гидродинамическая теория детонации была создана академиком Я.Б. Зельдовичем. Рассмотрим механизм возникновения детонации в полузакрытой трубке (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Схема возникновения детонации

При воспламенении взрывчатой смеси у закрытого конца трубки сначала наблюдается равномерное распространение пламени со скоростью u. Ускорение пламени возникает в результате горения смеси и расширения продуктов сгорания у закрытого конца трубки. Расширение газов вызывает сжатие свежей смеси и ее движение перед фронтом пламени. Скорость образующейся ударной волны в (4 ÷ 9) раз больше нормальной скорости пламени.

Возникновение ударной волны

Сплошная среда – твердая, жидкая или газообразная способна передавать колебательное движение в виде звуковых волн. Всякое неравномерное, а значит и колебательное движение происходит под воздействием некоторых сил. В отсутствие сил тела бы двигались только равномерно и прямолинейно. Колебания среды вызываются силами упругости в ней.

Если сжать некоторый объем воздуха V₀ и затем дать ему возможность расширяться, то этот объем расширится до конечного объема V_k > V₀. Работа, затраченная на сжатие, перейдет в кинетическую энергию движения E. Эта энергия будет в свою очередь затрачена на сжатие окружающего слоя воздуха. Этот слой также будет расширяться и сжимать следующий слой. В результате по воздуху побежит звуковая волна, то есть будет наблюдаться периодическое изменение плотности ρ и давления р (рис. 3.12).

Отметим, что скорость звуковой волны намного больше, чем скорость движения самого газа. Звуковая волна будет распространяться со скоростью звука с = const до полного затухания за счет диссипативных процессов (рис. 3.13).

Рис. 3.12. Изменение давления и плотности в звуковой волне:

а – в заданной точке, б – в заданный момент времени

Рис. 3.13. Затухание звуковой волны

(р₀, ρ₀ – давление и плотность невозмущенного воздуха)

Для выяснения причины образование ударной волны рассмотрим одномерный случай – вдвигание поршня в цилиндр.

Рис. 3.14. Вдвигание поршня в цилиндр

При медленном движении поршня передняя граница сжатого воздуха побежит по несжатому газу со скоростью звука. В волне сжатия воздух адиабатически нагрет и движется со скоростью w в сторону движения поршня. В нагретом воздухе скорость звука больше, поэтому возмущение из волны сжатия нагонит ее передний фронт. Тем более, что скорость звука с складывается со скоростью газа w. Следовательно, фронт сжатия «узнает» о том, что поршень движется ускоренно, сжимая газ.

Рассмотрим профиль волны сжатия, то есть распределение давления по длине цилиндра (рис. 3.15). Допустим, что на профиль р(х) накладывается небольшой выступ давления А (рис. 3.15, а). Этот выступ не будет оставаться на месте и как всякое сжатие газа, будет двигаться со скоростью звука. Отметим, что любую точку профиля р(х), например, точку В (рис. 3.15, б) можно рассматривать как небольшой выступ давления.

Таким образом, каждое сжатие газа распространяется по нему с местной скоростью звука, причем большее возмущение давления Δр₁ будет догонять меньшее возмущение Δр₂. Но при этом возникает абсурдная ситуация, когда в одной и той же точке цилиндра С могут быть одновременно несколько значений давления – два значения (рис. 3.15, в) или даже три значения (рис. 3.15, г). Но такая ситуация физически невозможна. Рассмотрим механизм, с помощью которого природа преодолевает это противоречие.

Рис. 3.15. Схема развития детонации

Прежде чем возникнет физически невозможное «перехлестывание», в некоторой точке профиля должен образоваться очень маленький вертикальный участок (рис. 3.16). В зависимости от закона движения поршня этот участок может образоваться как в передней точке волны сжатия (рис. 3.16, а), так и в промежуточной (рис. 3.16, б). Давление с левой стороны будет повышаться за счет сжатия поршня. Но как бы оно не повышалось, вертикаль аб (рис. 3.16,) не наклонится вправо, иначе будет наблюдаться неправдоподобная ситуация. Следовательно, единственный выход состоит в образовании разрыва (скачка) давления.

Рис. 3.16. Схема образования ударной волны

Таким образом, в волне сжатия неминуемо должен наступить такой момент, когда движение не может больше оставаться непрерывным – в газе возникнет скачок аб (рис. 3.17). Такой скачок называется ударной волной. Скорость образующейся ударной волны на порядок больше скорости движения газа.

Рис. 3.17. Схема развития детонации в разные моменты времени

Возникновение детонации

Рассмотрим теперь физику образования детонационной волны на примере горения смеси „метан-кислород” в узкой трубке. При поджигании смеси слабой искрой пламя распространяется по трубке с постоянной скоростью u ~ (10÷20) м/с. В случае поджигания смеси мощным источником – сильной искрой или взрывом заряда взрывчатого вещества – скорость распространения пламени может превышать 2 км/с.

Выше было показано, что процесс стационарного горения обусловлен процессами теплопроводности и диффузии компонентов, то есть относительно медленными молекулярными процессами. При этом нормальная скорость распространения пламени намного меньше скорости звука (u_n << с).

Скорость детонации превышает в сотни раз нормальную скорость распространения пламени (D << u_n), поэтому механизм детонации нельзя объяснить медленными процессами переноса – теплопроводностью и диффузией. Детонация – это газодинамическое явление, связанное с образованием и распространением ударной волны. В ударной волне, распространяющейся по горючей смеси со скоростью D ~ 2 км/с, наблюдается резкое повышение давления (в 40÷60 раз) и температуры (в 6÷7 раз) газа. При этом температура газа достигает Т ~ 2000⁰С. При таких высоких значениях температуры резко возрастает скорость протекания химической реакции горения в соответствии с законом Аррениуса.

Теплота, выделившаяся в ходе протекания экзотермической реакции Q, возмещает необратимую потерю энергии, происходящую при ударном сжатии горючей смеси, еще не вступившей в реакцию. Таким образом, образовавшаяся детонационная волна поддерживает сама себя за счет реакции горения на ее фронте. Скорость распространения детонационной волны пропорциональна квадратному корню из теплового эффекта реакции и практически не зависит от начального давления газа:

~ .

Детонация может возникать только при определенном составе смеси. Например, смесь „водород-кислород” детонирует в пределах содержания (27÷35)% водорода, смесь „ацетилен-воздух” – в пределах содержания (6÷15)% ацетилена. Явление детонации может возникать в двигателях внутреннего сгорания. Для предотвращения детонации в бензин вводятся антидетонационные присадки – тетраэтилсвинец Pb(C₂H₅)₄, тетракарбонил никеля Ni(CO)₄, пентакарбонил железа Fe(CO)₅.