Теория горения и взрыва

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос 51. Ударная волна

Ударная волна, скачок уплотнения, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и скорости вещества. Ударные  волны возникают при взрывах, при сверхзвуковых движениях тел, при мощных электрических разрядах и т.д. Например, при взрыве ВВ образуются высоко нагретые продукты взрыва, обладающие большой плотностью и находящиеся под высоким давлением. В начальный момент они окружены покоящимся воздухом при нормальной плотности и атмосферном давлении. Расширяющиеся продукты взрыва сжимают окружающий воздух, причём в каждый момент времени сжатым оказывается лишь воздух, находящийся в определённом объёме; вне этого объёма воздух остаётся в невозмущённом состоянии. С течением времени объём сжатого воздуха возрастает. Поверхность, которая отделяет сжатый воздух от невозмущённого, и представляет собой ударную  волну  (или, как говорят, — фронт ударной  волны). В ряде случаев сверхзвукового движения тел в газе (артиллерийские снаряды, спускаемые космические аппараты) направление движения газа не совпадает с нормалью к поверхности фронта ударной волны, тогда возникают косые ударные волны.

Математически физические явления,  п

Под ударной волной (УВ) будем понимать распространяющуюся со сверхзвуковой скоростью тонкую переходную область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и скорости вещества. Величина изменений этих параметров зависит от теплопроводности, вязкости, а также от размера зерен и степени однородности материала.

Используя представления механики сплошных сред, зону ударного перехода можно представить как геометрическую поверхность, на которой терпят разрыв функции параметров, характеризующие состояние и движение этой среды. В этом случае говорят о разрыве нулевого порядка. Если сами функции и их производные до (n-1)-го порядка непрерывны, а n-е производные терпят разрыв, то говорят о разрыве n-ого порядка.

Прохождение ударной волны через вещество может приводить к изменению его физического состояния. Некоторые изменения кратковременны и должны изучаться в процессе ударного нагружения, другие изменения остаточные и могут быть изучены в сохраненном образце. В случае остаточных ударных эффектов большинство явлений (за исключением фазовых превращений) можно объяснить в терминах микроскопической пластической деформации, произведенной ударной волной. Увеличение давления и температуры при прохождении ударного фронта может помогать или препятствовать производству данных эффектов. Если поверхность разрыва является гладкой, а скорость ее распространения - непрерывная и дифференцируемая функция времени и координат, то параметры среды перед и за волной и их производные должны удовлетворять определенным соотношениям, которые называют условиями совместимости. Различают геометрические, кинематические и динамические условия совместимости. Если условия совместимости не выполняются, то произойдет распад разрыва на два или большее количество разрывов.

Законы ударного сжатия. При прохождении газа через ударную  волну его параметры меняются очень резко и в очень узкой области. Толщина фронта ударной  волны   имеет порядок длины свободного пробега молекул, однако при многих теоретических исследованиях можно пренебречь столь малой толщиной и с большой точностью заменить фронт ударной  волны   поверхностью разрыва, считая, что при прохождении через неё параметры газа изменяются скачком (отсюда название «скачок уплотнения»).

 Если известны термодинамические  свойства вещества, то есть функции  или , то ударная адиабата даёт зависимость конечного давления p1 от конечного объёма V1 при ударном сжатии вещества из данного начального состояния p0, V0, то есть зависимость p1 = H (V1, p0,V0). При переходе через ударную  волну   энтропия вещества S меняется, причём скачок энтропии S1 — S0 для данного вещества определяется только законами сохранения (1), которые допускают существование двух режимов: скачка сжатия (ρ1 > ρ0, p1 > p0) и скачка разрежения (ρ1 < ρ0, p1 < p0). Однако в соответствии со вторым началом термодинамики реально осуществляется только тот режим, при котором энтропия возрастает. В обычных веществах энтропия возрастает только в ударноволновом сжатии, поэтому ударная волна разрежения не реализуется (теорема Цемплена).

 Ударная волна распространяется  по невозмущённому веществу со  сверхзвуковой скоростью υ0 > a0 (где a0 — скорость звука в невозмущённом веществе) тем большей, чем больше интенсивность ударной волны, то есть чем больше . При стремлении интенсивности ударной волны  к 0 скорость её распространения стремится к a0. Скорость ударной волны относительно сжатого газа, находящегося за ней, является дозвуковой: υ1 < a1 (a1— скорость звука в сжатом газе за ударной волной)

 

 

 

 

 

Вопрос 40.ГОРЕНИЕ ТВЁРДЫХ ВЕЩЕСТВ

В соответствии с классификацией пожаров по стандарту различают виды горения веществ.

А1 – горение твердых веществ, сопровождающееся тлением (дерева, бумаги, угля, текстильных изделий)

А2 – не сопровождающееся тлением (пластмасс и полимеры)

D1 – легких металлов, за  исключением щелочных (Al, Mg, Be)

D2 – горение щелочных  металлов (Na, K, Li)

D3 – горение металлосодержащих  соединений, металлоорганических соединений, гидридов металлов.

 

 

 

 

 

Вопрос 52.Ударная  волна  в идеальном газе с постоянной теплоёмкостью

Это наиболее простой случай распространения ударной  волны. Ударная адиабата, или адиабата Гюгонио Н, отличается от обычной адиабаты Р (адиабаты Пуассона), для которой p1/p0 = (V0/V1)γ   .При ударном сжатии вещества для данного изменения V необходимо большее изменение р, чем при адиабатическом сжатии. Это является следствием необратимости нагревания при ударном сжатии, связанного, в свою очередь, с переходом в тепло кинетической энергии потока, набегающего на фронт ударной  волны.

Скорость ударной  волны   определяется наклоном прямой, соединяющей точки начального и конечного состояний .Сколь угодно сильная ударная волна   не может сжать газ более чем в (γ + 1)/( γ — 1) раз. Предельное сжатие тем выше, чем больше теплоёмкость газа (меньше γ).

Вязкий скачок уплотнения. Необратимость ударного сжатия свидетельствует о наличии диссипации механической энергии во фронте ударной  волны. Диссипативные процессы можно учесть, приняв во внимание вязкость и теплопроводность газа. При этом оказывается, что сам скачок энтропии в ударной  волне не зависит ни от механизма диссипации, ни от вязкости и теплопроводности газа. Последние определяют лишь внутреннюю структуру фронта волны и его толщину. В ударной волне  не слишком большой интенсивности все величины — υ, р, ρ и Т монотонно изменяются от своих начальных до конечных значений . Энтропия же S меняется не монотонно и внутри ударной достигает максимума в точке перегиба скорости, то есть в центре волны. Возникновение максимума S в волне связано с существованием теплопроводности. Вязкость приводит только к возрастанию энтропии, так как благодаря ей происходит рассеяние импульса направленного газового потока, набегающего на ударную волну и превращение кинетической энергии направленного движения в энергию хаотического движения, то есть в тепло. Благодаря же теплопроводности тепло необратимым образом перекачивается из более нагретых слоев газа в менее нагретые.

 

 

 

 

 

 

Вопрос 53. Ударные волны в реальных газах. В реальном газе при высоких температурах происходят возбуждение молекулярных колебаний, диссоциация молекул, химические реакции, ионизация и т.д., что связано с затратами энергии и изменением числа частиц. При этом внутренняя энергия ε сложным образом зависит от р и ρ .

Для перераспределения энергии газа, сжатого и нагретого в сильном скачке уплотнения, по различным степеням свободы требуется обычно очень много соударений молекул. Поэтому ширина слоя Δх, в котором происходит переход из начального в конечное термодинамически равновесное состояние, то есть ширина фронта ударной волны, в реальных газах обычно гораздо больше ширины вязкого скачка и определяется временем релаксации наиболее медленного из процессов: возбуждения колебаний, диссоциации, ионизации и т.д. В ударных волнах, за фронтом которых газ сильно ионизован или которые распространяются по плазме, ионная и электронная температуры не совпадают. В скачке уплотнения нагреваются только тяжёлые частицы, но не электроны, а обмен энергии между ионами и электронами происходит медленно вследствие большого различия их масс. Релаксация связана с выравниванием температур. Кроме того, при распространении ударной волны в плазме существенную роль играет электронная теплопроводность, которая гораздо больше ионной и благодаря которой электроны

прогреваются перед скачком уплотнения. В электропроводной среде в присутствии внешнего магнитного поля распространяются магнитогидродинамические ударные волны. Их теория строится на основе уравнений магнитной гидродинамики аналогично теории обычных ударных волн. При температурах выше нескольких десятков тысяч градусов на структуру ударной волны существенно влияет лучистый теплообмен. Длины пробега световых квантов обычно гораздо больше газокинетических пробегов, и именно ими определяется толщина фронта. Все газы непрозрачны в более или менее далёкой ультрафиолетовой области спектра, поэтому высокотемпературное излучение, выходящее из-за скачка уплотнения, поглощается перед скачком и прогревает несжатый газ. За скачком газ охлаждается за счёт потерь на излучение. В этом случае ширина фронта — порядка длины пробега излучения (~ 102 — 10-1 см в воздухе нормальной плотности). Чем выше температура за фронтом, тем больше поток излучения с поверхности скачка и тем выше температура газа перед скачком. Нагретый газ перед скачком не пропускает видимый свет, идущий из-за фронта ударной волны экранируя фронт. Поэтому яркостная температура ударной волны не всегда совпадает с истинной температурой за фронтом.

 

 

 

 

 

 

Вопрос 54. Ударные волны в твёрдых телах

Энергия и давление в твёрдых телах имеют двоякую природу: они связаны с тепловым движением и с взаимодействием частиц (тепловые и упругие составляющие). Теория между частичных сил не может дать общей зависимости упругих составляющих давления и энергии от плотности в широком диапазоне для разных веществ и, следовательно, теоретически нельзя построить функцию ε(р /ρ). Поэтому ударные адиабаты для твёрдых (и жидких) тел определяются из опыта или полуэмпирически. Для значительного сжатия твёрдых тел нужны давления в миллионы атмосфер, которые сейчас достигаются при экспериментальных исследованиях. На практике большое значение имеют слабые ударные волны с давлениями 104 — 105 атм. Это давления, которые развиваются при детонации, взрывах в воде, ударах продуктов взрыва о преграды и т.д. Повышение энтропии в ударных волнах с такими давлениями невелико, В ряде веществ — железе, висмуте и др. в ударных волнах происходят фазовые переходы — полиморфные превращения. При небольших давлениях в твёрдых телах возникают упругие волны, распространение которых, как и распространение слабых волн сжатия в газах, можно рассматривать на основе законов акустики.

Ударные волны в металле всегда играли важную роль в военных и промышленных прикладных программах. Прохождение ударной волны через твердое тело (и последующее снижение давления) может приводить к изменению физического состояния материала. Некоторые изменения кратковременны и должны изучаться в процессе ударного нагружения; другие изменения остаточные и могут быть изучены в сохраненном образце. В случае остаточных ударных эффектов, один вопрос достаточно ясен; увеличение давление и температуры при прохождении ударного фронта может помогать и наоборот препятствовать производству любого данного эффекта. Соответственно часть статьи посвящена сравнительному изучению произведенных ударных эффектов, с одной стороны, и изменений при квазистатической деформации при атмосферном давлении, с другой. Основное отличие этих двух типов экспериментов - в их характере.

Представляет интерес также то, что большинство остаточных изменений в металле, произведенных ударной волной аналогичны изменениям, произведенным холодной прокаткой. Большую осторожность нужно проявлять приписывая какой-либо эффект действию ударного нагружения, так как возникают трудности при сохранении образца с известной историей напряжения и температуры. Ударные волны возникают при большом ускорении поверхности слоя металла. Способ получения таких ускорений - детонация взрывчатого вещества, находящегося в контакте с материалом либо контакт с быстролетящим снарядом. Ударный фронт математически представляет собой скачок плотности, энергии и энтропии. Физически, конечно, эти величины должны изменятся в течение времени подъема давления, определяемого такими параметрами как теплопроводность, вязкость, а также размером зерна и однородностью металла. В случае сильных ударных нагружений в однородном изотропном металле, время подъема давления не разрешимо представленными методами и может быть меньше 10-8 секунды. Для неоднородных материалов типа камней время подъема давления зависит от масштабов неоднородностей.  Определяется возможная верхняя граница скорости деформации при конкретном ударном нагружении. Для такой двухволновой системы фронт ударной волны выражен плохо и появляется относительно большое время подъема давления. Время подъема обоих фронтов зависит от действующего давления. Волна, уменьшающая величину напряжений называется волной разгрузки. При проходе этой волны уменьшается давление в одном участке твердого тела по отношению к другим. Процесс разгрузки является адиабатическим, и путь разгрузки обычно называется адиабатой разгрузки. Вообще волновой фронт этой волны удлиняется по мере ее распространения.

 

Вопрос 55. Начальный импульс для возбуждения детонации взрывчатых веществ

Для начала реакции взрывчатого превращения ВВ ему необходимо сообщить извне некоторое минимальное количество энергии. Интенсивность воздействия или величина минимального начального импульса, необходимого для возбуждения реакции взрывчатого превращения, для разных ВВ различна и зависит от их чувствительности к тому или иному виду внешнего импульса. Из числа используемых ВВ, наиболее чувствительными к таким внешним импульсам, как луч огня, накол, удар, являются инициирующие. Главной особенностью инициирующих ВВ является то, что в результате этих воздействий они легко поджигаются и их горение практически мгновенно переходит в детонацию. Вторичные ВВ в обычных условиях не способны детонировать от поджигания. Для возбуждения в них детонации необходим более мощный начальный импульс, например от капсюля-детонатора (КД), представляющего собою устройство из инициирующего ВВ и определенной навески бризантного ВВ. Поскольку, КД является сложным инициирующим устройством, в нем различают первичный инициирующий заряд, в качестве которого используют азид свинца, гремучую ртуть и другие, и вторичный, в качестве которого применяют тетрил, тэн, гексоген.  Инициирующее ВВ в КД поджигают огнепроводным шнуром или электровоспламенителем. От поджигания инициирующее ВВ детонирует и вызывает детонацию вторичного ВВ в капсюле-детонаторе, детонация которого уже является начальным импульсом для возбуждения детонации основного заряда ВВ в патроне-боевике. Дальше детонация распространяется по всему заряду ВВ, если при этом отсутствуют факторы, способные ее прервать. В случае применения малочувствительных ВВ для возбуждения в них детонации применяют КД или ДШ в сочетании с промежуточным детонатором — небольшим зарядом из более чувствительного к начальному импульсу мощного ВВ (шашки-детонаторы типа Т-400, ТЕТ-150, ТГ-500, ПТ-300, аммонита, детонита и др.). Восприимчивость к начальному импульсу ВВ зависит от их плотности, содержания влаги и других физико-химических характеристик. Чувствительность промышленного ВВ не должна быть слишком высокой из-за опасности их изготовления и применения, но она не должна быть и слишком малой. В практических условиях возможны случаи изменения состояния ВВ, приводящие к снижению их чувствительности к начальному импульсу. Необходимо, чтобы ВВ имело определенный минимум чувствительности и взрывалось бы устойчиво от обычного импульса.