Количество просмотров публикации Детонация - 385
Преждевременная вспышка смеси
Преждевременная вспышка происходит вследствие самопроизвольного, чересчур раннего воспламенения смеси от какого-либо постороннего источника, к примеру, накаленных выхлопных клапанов, электродов свечи и т. п., а не от электрической искры. При этом процесс сгорания протекает с нормальной скоростью, но смещается по времени и происходит при иных положениях поршня, чем при нормальном процессе. Преждевременные вспышки возникают чаще всего при ненормальном температурном режиме двигателя, к примеру перегреве головок цилиндров вследствие недостаточного охлаждения и т. д.
По своему характеру преждевременная вспышка имеет сходство со чересчур ранним опережением зажигания. При преждевременной вспышке (то же самое и при чрезмерном опережении зажигания) смесь воспламеняется в точке и сгорает до прихода поршня в ВМТ, при этом происходит значительное повышение давления, что обусловливает увеличение работы, затрачиваемой на сжатие, и весьма ʼʼжесткуюʼʼ работу двигателя (со стуками). Работа же расширения при этом уменьшается в результате больших потерь тепла в стенки, происходящих из-за продолжительного пребывания в цилиндре газов, имеющих большую температуру.
Детонацией принято называть такое сгорание смеси, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ происходит с очень большой скоростью, достигающей 1500—2000 м/сек, что соответствует скорости сгорания взрывчатых веществ. Детонация происходит вследствие того, что при высоких температурах и давлениях в камере сгорания в несгоревшей части ТВС температура смеси повышается до температуры самовоспламенения (tс/в) и условия для горения возникают, практически, во всем объёме ТВС одновременно. Детонации способствует образование в ТВС нестойких химические соединения углеводородов топлива с кислородом воздуха, так называемых перекисей, которые повышают химическую активность ТВС. Образование перекисей начинается еще во время такта сжатая, но особенно быстрое накопление их в смеси происходит после воспламенения, когда сгоревшая часть смеси, расширяясь, сжимает несгоревшую часть и повышает ее температуру (рис. 1-14). В этом случае в несгоревшей части смеси содержание перекисей может достигнуть высокой концентрации, при которой произойдет ее самовоспламенение, при этом пламя от места воспламенения будет распространяться со скоростью 1500÷2000 м/сек, т. е. начнется детонационное сгорание. При незначительной концентрации перекисей детонация не наблюдается.
Наибольшее влияние на возникновение детонации оказывают следующие факторы:
— повышение давления и температуры ТВС в конце такта сжатия;
— величина коэффициента избытка воздуха смеси;
— сорт применяемого бензина.
Рис. 1-14. Сгорание топливовоздушной смеси
Давление и температура смеси в конце процесса сжатия зависят от давления и температуры всасываемого воздуха и степени сжатия. По этой причине повышение давления и температуры всасываемого воздуха, а также повышение степени сжатия увеличивают склонность смеси к детонации. При большом давлении на впуске и малых числах оборотов двигателя возможность возникновения детонации возрастает. Способствует детонации и применение нагнетателей, т.к. последние значительно повышают давление и температуру смеси на впуске.
Состав смеси, на котором работает двигатель, сильно влияет на ее склонность к детонации. Обычно богатые смеси (α = 0,6 ÷ 0,7) значительно менее склонны к детонации, чем более бедные смеси (α = 0,85÷ 0,95).
Авиационные бензины различных марок исходя из способа их получения и сорта нефти, из которой они получены, обладают различной стойкостью по отношению к детонации.
Детонационная стойкость топлива оценивается его октановым числом, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ определяют испытанием топлива на специальном двигателе: чем больше октановое число топлива, тем выше его детонационная стойкость. В современных авиационных (двигателях с нагнетателями должны применяться топлива с октановым числом не ниже 93÷95).
Основные признаки детонации следующие:
1. Из выхлопных патрубков двигателя периодически выбрасываются хлопки черного дыма. Чем сильнее детонация, тем чаще хлопки.
2. В цилиндрах двигателя слышен нерегулярный металлический стук (звон), получающийся в результате вибрации стенок цилиндра, вызываемой ударными волнами.
3. Нарушается устойчивая работа двигателя, появляется тряска.
4. Двигатель перегревается, что можно установить по повышению температуры масла, охлаждающей жидкости или головок цилиндров.
Для борьбы с детонацией применяются как профилактические меры, т. е. предотвращающие ее появление, так и меры, направленные на устранение уже возникшей детонации.
Профилактические меры заключаются в следующем:
1. Не допускать перегрева двигателя при работе.
2. Правильно (по продолжительности) использовать режимы максимальной мощности.
3. Не допускать работы двигателя с большим давлением на запуске при малых оборотах.
4. Применять только рекомендованное для данного двигателя топливо.
5. Исключить работу двигателя с недопустимо большими углами опережения зажигания.
В случае возникновения детонации в полете для ее прекращения крайне важно принять следующие меры:
1. Облегчить режим работы двигателя, снизив подачу топлива.
2. Понизить температуру двигателя путем более интенсивного охлаждения.
3. Обогатить состав смеси (если есть ручной корректор).
referatwork.ru
Детонационное сгорание
Скорость нормального горения рабочей смеси в цилиндре двигателя имеет определенную скорость - 30-40 м/с. Горение начинается в зоне разряда свечи зажигания, и пламя быстро распространяется по объему цилиндра. В какой-то момент времени определенная часть смеси сгорает. Другая часть, до которой фронт пламени доходит в последнюю очередь, нагревается в результате поджатия (увеличение давления от сгорания) до температуры, превышающей температуру самовоспламенения. Если же фронт нормального пламя успеет дойти до того, как эта часть смеси самовоспламенится, то сгорание пройдет нормально. Если фронт пламени будет идти дольше, то в оставшейся смеси, начавшиеся выделяться различные перекиси (и что-то еще), активируют смесь и при определенной их концентрации произойдет детонационное сгорание. В результате детонации определенного объема смеси возникает ударная волна, которая в зависимости от объема смеси ее вызвавшую, может иметь такую интенсивность, что своей энергией заставит сдетонировать весь оставшийся в цилиндре заряд. Скорость ударных волн может достигать 1500 м/с. При отражении ударных волн от стенки камеры сгорания возникает звонкий металлический звук. При сильной детонации стуки становятся громче, мощность двигателя падает, в отработавших газах появляется черный дым. При сильной детонации двигатель испытывает большие тепловые и механические нагрузки на некоторые детали. Могут обгореть кромки поршней и прокладки ГБЦ, электроды свечей. Ударные волны разрушают масляную пленку в верхней части цилиндра, тем самым вызывают повышенный износ.
Влияние конструкции двигателя на детонацию
Исходя из положения, что детонация в двигателе есть результат накопления перекисей в несгоревшей части смеси, то влияние того или иного фактора следует рассматривать с точки зрения воздействия его на интенсивность образования этих самых перекисей, т.е. на давление и температуру смеси и время, располагаемое для процесса. Можно выделить следующие конструкционные факторы:
Подробнее:
Степень сжатия
Степень сжатия является основной величиной, влияющей на детонацию. Характерная зависимость на картинке.
Форма камеры сгорания и ее охлаждение
Чем больше время, в течении которого фронт пламени от свечи может достигнуть до наиболее отдаленных точек камеры сгорания и чем хуже охлаждаются эти точки, тем вероятнее возникновение детонации. Отсюда следует, что наиболее рацональной формой камеры сгорания является полисферическая и шатровая.
Здесь же можно отметить, что определенные дивиденды может принести механическая обработка камеры сгорания. Как то - скругление различных очагов детонации в виде кромок и углов, полировка.
Размеры цилиндра
При увеличении размеров цилиндра возрастает длина пути, проходимого фронтом пламени и, следовательно, вероятность возникновения детонации.
На фиг. 6 приведены значения наивысшей полезной степени сжатия в зависимости от диаметра цилиндра, полученные Рикардо. Верхняя кривая получена на двигателе с золотниковым распределением и свечей, расположенной в центре головки, а нижняя на двигателе с нормальным клапанным распределением. Меньшие значения степени сжатия во втором случае объясняются влиянием на детонацию горячего выхлопного клапана.
Число и расположение свечей
Увеличение числа свечей сокращает расстояние, проходимое фронтом пламени и тем самым уменьшает вероятность возникновения детонации. При существующих размерах цилиндров увеличение числа свечей свыше двух нерационально. Свечи располагают обычно так, чтобы обеспечить возможно малое расстояние до наиболее удаленной от них точки камеры сгорания.
На фиг. 7 представлено влияние числа свечей на детонацию. Опыты производились при регулировке состава смеси на максимальную мощность (сплошные линии) и максимальную экономичность (пунктир). Нижние кривые в обоих случаях соответствуют работе на одной свече, расположенной со стороны выхлопа, а верхние — на двух диаметрально противоположных свечах. Двигатель доводился наддувом до начала детонации. Как видно, в обоих случаях среднее индикаторное давление, соответствующее началу детонации, получалось при двух свечах, примерно, на 15% выше. Сами свечи, точнее, их электроды, часто служат источником возникновения детонации и преждевременного воспламенения. Поэтому при конструировании свечей для сильно форсированных двигателей обращают особое внимание на возможность надежного их охлаждения.
Выпускной клапан
Наиболее горячей деталью в головке блока цилиндров является выпускной клапан, температура которого может достигать 750-800 градусов. Влияние выпускного клапана на образование перекисей, а следовательно, и детонацию, весьма значительно.
Большой эффект в смысле снижения температуры клапана и возможности соответствующего повышения степени сжатия или наддува дало применение выпускных клапанов, охлаждаемых изнутри металлическим натрием.
Влияние режима работы двигателя на детонацию
Из величин, определяющих режим работы двигателя, влияют на детонацию главным образом следующие:
Состав смеси
Изменение состава смеси влияет на скорость распространения пламени и величину максимальных давлений и температур в цилиндре. Изменение этих величин, а также соотношения между кислородом и топливом в смеси сказывается и на образовании перекисей. Опытом установлено, что при условии отсутствия перегрева двигателя максимальная детонация получается при составе смеси, лежащем в пределах между составами, соответствующими регулировке на максимальную мощность и максимальную экономичность.
НА фиг. 8 представлена зависимость среднего индикаторного давления (эквивалентно мощности), соответствующего началу детонации, от коэффициента избытка воздуха. Опыты проводились на двигателе воздушного охлаждения. Как видно, обогащение смеси от а = 0,9 до a = 0,65 (AFR 13.3 - 9.6) позволило повысить среднее индикаторное давление (наддувом) от 10,5 до ~ 17 кг/см2. Обогащение смеси до значений а =0,65 - 0,70 (AFR 9,6 - 10,4) является в настоящее время общепринятым методом устранения детонации при форсировании двигателей.
Температура смеси и стенок цилиндра
Увеличение температуры стенок цилиндра или смеси точно так же способствует образованию перекисей и, следовательно, детонации смеси.
На фиг. 9 представлены опыты, проведенные на одноцилиндровом двигателе Вокеша с переменной степенью сжатия. Опыты были проведены на четырех различных топливах при двух температурах охлаждающей жидкости — 100 и 145°, так что линейная зависимость степени сжатия от температуры является условной. Как видно, увеличение температуры охлаждающей жидкости на 45° снижает степень сжатия, соответствующую определенной интенсивности детонации, приблизительно на 12-16%.
Влияние температуры поступающего воздуха на детонацию представлено на фиг. 10. При повышении температуры от 310 до 410°К (37-137°С) среднее индикаторное давление, соответствующее началу детонации, понизилось от 15,3 до 9,5 кг/см2 при а =0,9(AFR =13,3) и от 13,5 до 11,5 кг/см" при а = 0,67(AFR =9,9 ). Следует отметить сильное отличие в характере падения среднего давления при различных значениях коэффициента избытка воздуха. Опыты были проведены на двигателе авиационного типа воздушного охлаждения.
Давление смеси
Изменение давления смеси влияет на давления, при которых протекает процесс в двигателе, а следовательно, на концентрацию перекисей и обусловливаемую ею детонацию. Установка на двигатель нагнетателя повышает давление и температуру смеси на впуске, а следовательно, увеличивает вероятность появления детонации. Однако при данном топливе, путем наддува, двигатель можно форсировать, не опасаясь детонации, до значительно больших мощностей, чем путем увеличения степени сжатия. Так как одинаковому повышению мощности соответствует при наддуве значительно меньший рост давления в конце сжатия, и максимального давления при сгорании.
Это положение хорошо подтверждается опытами А. Ротрок(J.S.A.E. February 1941. Rothrock А М : „Fuel rating—its relation to engine performance"), проведенными на одноцилиндровом двигателе с размерами D = 120 мм, S = 146 мм при n = 2500 об/мин, температуре охлаждающей жидкости Тж = 120°С и регулировке состава смеси на максимум детонации. Результаты обработки данных этих опытов, произведенной автором для топлива с октановым числом 95, приведены на фиг. 12. Кривые 1 и 2 представляют собой зависимость давления наддува, соответствующего началу детонации, от степени сжатия, при двух температурах на всасывании.
Как видно, снижение степени сжатия от 9,0 до 6,0 позволяет увеличить давление наддува от 0,71 до 1,27 бар при температуре 127°С(400К) и от 0,83 до 1,45 бар при температуре 67°С(340К), т.е. на 75-80%.
Относительное изменение индикаторной мощности и давления в конце сжатия представлено на той же диаграмме кривыми 3 и 5 для T = 340K(67°С) и 4 и 6 для Т = 400К(127°С).
Как видно, уменьшение степени сжатия от 9,0 до 6,0 дает возможность при работе на топливе с той же детонационной стойкостью увеличить мощность двигателя, примерно, на 50%. Интересно отметить, что давление в конце сжатия остается при всех степенях сжатия практически постоянным.
Угол опережения зажигания
Изменение момента зажигания смещает сгорание рабочей смеси по отношению к положению поршня в цилиндре двигателя, вследствие чего изменяются давления и температуры процесса. Опыт показывает, что уменьшение опережения зажигания уменьшает детонацию рабочей смеси. Максимальная интенсивность детонации получается обычно при опережении зажигания несколько большем, чем соответствующее регулировке на максимальную мощность двигателя.
На фиг. 13 приведены опыты автора(А. А. Добрынина) по влиянию угла опережения зажигания на максимальную мощность двигателя при работе на данном топливе. Опыт был проведен на авиадвигателе воздушного охлаждения. При постоянном составе смеси и различных углах опережения зажигания, определяли мощность двигателя, соответствующую началу детонации.
Впрыск воды и меры борьбы с детонацией
Наиболее простым способом устранения детонации и обеспечения возможности дальнейшего форсирования является применение более детонационностойких топлив. Однако стоит учитывать ограниченную распространенность таких топлив. Да и их октановое число в конечном итоге имеет предел. Кроме того, октановое число это лишь одна сторона вопроса, другая - сам двигатель, его конструкция и степень совершенства, с которой он использует детонационную стойкость топлива.
Эффективными средствами, устраняющими детонацию, являются уменьшение угла опережения зажигания и обогащения смеси. Уменьшение УОЗ ограничивается увеличением температуры выхлопа. Обогащение смеси - чрезвычайно мощное средство подавления детонации. Однако сильное обогащение не соответствует мощностному составу смеси, а перерасход топлива будет значительным.
Охлаждение наддувочного воздуха также действенный способ воздействия на детонацию. Охлаждать можно как в воздушном так и в жидкостном теплообменнике или последовательно в двух. Хотя охлаждение наддувочного воздуха преследует главным образом увеличение наполнения цилиндра зарядом, но в то же время снижение температуры воздуха уменьшает вероятность возникновения детонации.
Впрыск воды (водометанола)
Еще один способ состоит во впрыске воды во впускную систему или смеси воды и метилового спирта(метанола). По данным книги, о которой я упоминал раньше ("Детонация в двигателях", А.А. Добрынин, 1947 год, Военно-Воздушная Инженерная Академия им. Н.Е. Жуковского), количество впрыскиваемого вещества составляет обычно около 20-30% от расхода топлива.
При впрыске воды резко понижаются рабочие температуры двигателя, причем одновременно удается получить устранение детонации без чрезмерного обогащения смеси. При работе совпрыском воды на средних режимах представляется в некоторых случаях возможным обеднять смесь до значений, при которых суммарный расход топлива и воды получается меньшим, чем расход топлива, необходимый для работы без детонации, при отсутствии впрыска воды.
Влияние впрыска воды на возможность форсирования двигателя Хорошо иллюстрируется данными, приведенными на фиг. 35 и 36.
На фиг. 35 дана зависимость увеличения допустимого давления наддува от количества впрыскиваемой воды, полученная на основании испытаний, проведенных в НИИ ВВС КА и ЦИАМ, а также по данным испытаний некоторых иностранных двигателей. Как видно, увеличение допустимого наддува возрастает пропорционально расходу воды вплоть до расходов, соответствующих 40—50% от расхода топлива. Увеличение допустимого давления наддува составляет около 60— 70 мм рт. ст.(примерно 0,1 бар) на 10% впрыскиваемой воды для бензинов прямой гонки и около 100 мм рт. ст.(0,13 бар) для синтетического бензина Б-100.
myunivercity.ru
Количество просмотров публикации Детонация - 44
Часть рабочей смеси, до которой фронт пламени доходит в последнюю очередь нагревается в результате роста давления со стороны фронта пламени. При достижении температуры самовоспламенения очаги горения в этих зонах, тем не менее, не возникают из-за местного недостатка кислорода и времени протекания первой фазы сгорания, продолжительное протекание которой характерно для пререферийных зон.
При этом несгоревшая смесь в этих зонах чрезвычайно активизируется и оказывается на границе теплового взрыва. Любое местное повышение давления и температуры вызывает самовоспламенение этой части заряда, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ носит взрывной характер.
Ударные волны со стороны таких очагов самовоспламенения вызывают в свою очередь самовоспламенение хорошо подготовленной к этому смеси. Это вызывает еще большее повышение давления, под действием которого фронт пламени принудительно ускоряется. Скорость его может превысить скорость звука и достичь 1500—2300 м/с, что характерно для взрывного горения.
Сгорание в цилиндрах двигателя с искровым зажиганием последних порций заряда после его объёмного самовоспламенения, сопровождающееся возникновением ударных волн, принято называть детонационным.
При отражении ударных волн от стенок камеры сгорания возникает звонкий металлический стук, который является внешним проявлением детонации.
На индикаторных диаграммах на возникновение детонации указывает колебание давления (рис. 14).
При сильной детонации мощность двигателя падает, растет расход топлива, в отработавших газах появляется черный дым. Ударные волны разрушают масляную пленку на поверхности верхней части цилиндра, что приводит к его интенсивному износу. В дальнейшем могут обгореть кромки поршней, электроды свечей зажигания, прокладки головки блока цилиндров, произойти выкрашивание антифрикционного сплава в подшипниках коленчатого вала и иные разрушения деталей кривошипно-шатунного механизма (KШM). Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, детонационное сгорание отрицательно влияет на рабочий процесс и долговечность деталей КШМ.
Рис. 14. Индикаторная диаграмма работы карбюраторного двигателя при детонационном сгорании
Возникновению детонации способствуют следующие факторы:
1. Сорт топлива — характеризуется октановым числом, который оценивает антидетонационную стойкость бензина. Чем выше октановое число, тем выше антидетонационные свойства топлива. Октановое число легких фракций бензина меньше, чем у средних и тяжелых фракций. При быстром открытии дроссельной заслонки (к примеру, при интенсивном разгоне) тяжелые фракции поступают в цилиндр с некоторой задержкой, что приводит к детонации в начале разгона из-за временного снижения октанового числа топлива, поступившего в цилиндр. Размещено на реф.рфОктановое число автомобильных бензинов (ГОСТ 2084—77) составляет от 76 до 98 единиц.
2. Частота вращения коленчатого вала. Увеличение частоты вращения коленчатого вала приводит к росту турбулизации заряда, что влечет за собой увеличение скорости распространения пламени. В результате времени на развитие предпламенных процессов в последних частях заряда становится недостаточно, и детонация снижается. Вместе с тем, с увеличением частоты вращения коленчатого вала увеличивается содержание остаточных газов в рабочей смеси, что также снижает интенсивность предпламенных процессов и приводит к снижению детонации.
3. Нагрузка. Уменьшение нагрузки сопровождается прикрытием дроссельной заслонки карбюратора, вследствие чего давление и температура заряда в конце процесса сжатия снижается, а коэффициент остаточных газов γг увеличивается. Кроме этого уменьшается количество вводимого рабочего тела, а значит и выделяемая теплота͵ вследствие чего снижается давление в цилиндре. По этой причине уменьшение нагрузки приводит к снижению детонации и наоборот.
4. Угол опережения зажигания. Увеличение угла опережения зажигания приводит к более раннему тепловыделению относительно прихода поршня в ВМТ. В результате резко повышается давление,что способствует возрастанию степени сжатия смеси перед фронтом пламени и вызывает появление очагов самовоспламенения. По этой причине с увеличением угла опережения склонность к детонации возрастает и наоборот.
5. Тепловое состояние двигателя. С ростом температуры деталей камеры сгорания увеличивается вероятность возникновения очагов самовоспламенения и детонации.
6. Температура и давление воздуха на впуске в цилиндр. Увеличение температуры и давления окружающей среды усиливает вероятность детонации. По этой причине применение наддува в двигателях с принудительным воспламенением затруднительно.
7. Степень сжатия. Увеличение степени сжатия ε приводит к увеличению температуры и давления в конце процесса сжатия. Следовательно, увеличение е ограничивается и ее максимально допустимое значение выбирается исходя из сорта топлива, формы камеры сгорания, материала поршня, головки блока цилиндров, быстроходности двигателя и способа его охлаждения.
8. Форма и размеры камеры сгорания. Двигатели с формой камеры сгорания, обеспечивающей наибольшую турбулизацию смеси, более защищены от детонации. С этой точки зрения наиболее рациональными являются камеры сгорания в поршне или клиновые и плоскоовальные камеры с вытеснителями.
Уменьшение пути пламени от свечи до периферийных зон камеры сгорания сокращает время его распространения и тем самым снижает вероятность возникновения детонации. Следовательно, детонацию ограничивает применение двух свечей зажигания вместо одной и уменьшение диаметра цилиндра.
9. Материал поршня и головки блока цилиндров. Материал этих деталей во многом определяет теплоотвод от рабочего тела. Применение алюминиевых сплавов, обладающих высокой теплопроводностью, позволяет снизить требования к октановому числу бензина на 5—7 единиц.
Не следует путать детонационное сгорание с преждевременным самовоспламенением, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ может произойти во время процесса сжатия еще до момента появления искры в результате разогрева от горячей поверхности центрального электрода свечи зажигания, головки выпускного клапана или нагара. Такое воспламенение носит название калильного зажигания.
Воспламенившаяся от накаленных поверхностей рабочая смесь затем сгорает с нормальной скоростью, однако, момент самовоспламенения неуправляем и со временем наступает все раньше и раньше. При этом давление и температура достигают своего максимума задолго до прихода поршня в ВМТ, что приводит к уменьшению мощности двигателя и его перегреву. Устранить это явление выключением зажигания нельзя, в связи с этим в таких случаях крайне важно просто прекратить подачу горючей смеси.
В некоторых случаях аналогично калильному зажиганию возникает воспламенение топлива, но от сжатия — явление дизилинга. Такое воспламенение наблюдается при выключении зажигания, когда прогретый карбюраторный двигатель не останавливается и продолжает работать с пониженной частотой вращения коленчатого вала, большой нестабильностью и вибрациями. Это явление имеет место при ε > 8,5. Для его устранения применяют автоматическое перекрытие в карбюраторе канала холостого хода при выключении зажигания.
referatwork.ru
(Назад) (Cкачать работу)
Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!
Реферат
Ударная волна и детонация
Введение
ударный детонация волна термодинамика
В успешном развитии космической и авиационной техники, энергетики, химии, современного машиностроения, а также физики ударных волн огромное значение имеют фундаментальные исследования быстропротекающих процессов. Теоретические и экспериментальные исследования в этой области необходимы для разработки методов решения разнообразных динамических задач, связанных с ударноволновым нагружением гомогенных и гетерогенных, газообразных, жидких и твердых сред, для изучения и практического применения процессов распространения ударных волн в твердых телах, для анализа электромагнитных явлений, имеющих место при ударе и взрыве. Далее будем рассматривать вещества при высоких давлениях и температурах, возникающих в результате ударно-волнового нагружения.
1. Термодинамика ударных волн С макроскопической точки зрения ударная волна представляет собой воображаемую поверхность, на которой термодинамические величины среды (которые, как правило, изменяются в пространстве непрерывно) испытывают устранимые особенности: конечные скачки. При переходе через фронт ударной волны меняются давление, температура, плотность вещества среды, а также скорость её движения относительно фронта ударной волны. Все эти величины изменяются не независимо, а связаны с одной-единственной характеристикой ударной волны, числом Маха. Математическое уравнение, связывающее термодинамические величины до и после прохождения ударной волны, называется ударной адиабатой, или адиабатой Гюгонио.
Ударные волны не обладают свойством аддитивности в том смысле, что термодинамическое состояние среды, возникающее после прохождения одной ударной волной нельзя получить последовательным пропусканием двух ударных волн меньшей интенсивности. . Происхождение ударных волн Звук представляет собой колебания плотности среды, распространяющиеся в пространстве. Уравнение состояния обычных сред таково, что в области повышенного давления скорость звука (то есть скорость распространения возмущений) возрастает (то есть звук является нелинейной волной). Это неизбежно приводит к явлению опрокидывания решений, которые и порождают ударные волны.
В силу этого механизма, ударная волна в обычной среде - это всегда волна сжатия.
Описанный механизм предсказывает неизбежное превращение любой звуковой волны в слабую ударную волну. Однако в повседневных условиях для этого требуется слишком большое время, так что звуковая волна успевает затухнуть раньше, чем нелинейности становятся заметны. Для быстрого превращения колебания плотности в ударную волну требуются сильные начальные отклонения от равновесия. Этого можно добиться либо созданием звуковой волны очень большой громкости, либо механически, путём околозвукового движения объектов в среде. Именно поэтому ударные волны легко возникают при взрывах, при около- и сверхзвуковых движениях тел, при мощных электрических разрядах и т.д. . Структура ударной волны Ширина ударных волн большой интенсивности имеет величину порядка длины свободного пробега молекул газа (более точно - ~10 длин свободного пробега, и не может быть менее 2 длин свободного пробега; данный результат получен Чепменом в начале 1950-х). Так как в макроскопической газодинамике длина свободного пробега должна рассматриваться равной нулю, чисто газодинамические методы непригодны для исследований внутренней структуры ударных волн большой интенсивности.
Для теоретического изучения микроскопической структуры ударных волн применяется кинетическая теория. Аналитически задача о структуре ударной волны не решается, но применяется ряд упрощённых моделей. Одной из таких моделей является модель Тамма-Мота-Смита. . Скорость распространения ударной волны Скорость распространения ударной волны в среде превышает скорость звука в данной среде. Превышение тем больше, чем выше интенсивность ударной волны (отношение давлений перед и за фронтом волны): (pуд.волны - pсп.среды)/ pсп.среды.
Например, недалеко от центра ядерного взрыва скорость распространения ударной волны во много раз выше скорости звука. При удалении с ослаблением ударной волны, скорость её быстро снижается и на большой дистанции ударная волна вырождается в звуковую (акустическую) волну, а скорость её распространения приближается к скорости звука в окружающей среде. Ударная волна в воздухе при ядерном взрыве мощностью 20 килотонн проходит дистанции: 1000 м за 1,4 с, 2000 м - 4 с, 3000 м - 7 с, 5000 м - 12 с. Поэтому у человека, увидевшего вспышку взрыва, есть какое-то время для укрытия (складки местности, канавы и пр.) и тем самым уменьшения поражающего воздействия ударной волны (если, конечно, человек не ослепнет от вспышки).
Ударные волны в твёрдых телах (например, вызванные ядерным или обычным взрывом в скальной породе, ударом метеорита или кумулятивной струёй) при тех же скоростях имеют значительно большие давления и температуры. Твёрдое вещество за фронтом ударной волны ведёт себя как идеальная сжимаемая жидкость, то есть в нём как бы отсутствуют межмолекулярные и межатомные связи, и прочность вещества не оказывает на волну никакого воздействия. В случае наземного и подземного ядерного взрыва ударная волна в грунте не может рассматриваться, как поражающий фактор, так как она быстро затухает; радиус её распространения невелик и будет целиком в пределах размеров взрывной воронки, внутри которой и без того достигается полное поражение прочных подземных целей.
. ДетонацияДетонация - это режим горения, в котором по веществу распространяется ударная волна, инициирующая химические реакции горения, в свою очередь, поддерживающие движение ударной волны за счёт выделяющегося в экзотермических реакциях тепла. Комплекс, состоящий из ударной волны и зоны экзотермических химических реакций за ней, распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью и называется детонационной волной. Фронт детонационной волны - это поверхность гидродинамического нормального разрыва.
Скорость распространения фронта детонационной волны относительно исходного неподвижного вещества называется скоростью детонации. Скорость детонации зависит только от состава и состояния детонирующего вещества и может достигать нескольких километров в секунду как в газах, так и в конденсированных системах (жидких или твёрдых взрывчатых веществах). Скорость детонации значительно превышает скорость медленного горения, которая всегда существенно меньше скорости звука в веществе и не превышает десятков сантиметров в секунду или нескольких метров в секунду (при горении водород-кислородных смесей).
Многие вещества способны как к медленному горению, так и к детонации. В таких веществах для распространения детонации её необходимо инициировать внешним воздействием (механическим или тепловым). В определённых условиях медленное горение может самопроизвольно переходить в детонацию.
Детонацию, как физико-химическое явление, не следует отождествлять со взрывом.
Взрыв - это процесс, в котором за короткое время в ограниченном объёме выделяется большое количество энергии и образуются газообразные продукты взрыва, способные совершить значительную механическую работу или вызвать разрушения в месте взрыва. Взрыв может иметь место и при воспламенении и быстром сгорании газовых смесей или взрывчатых веществ в ограниченном пространстве, хотя при этом детонационная волна не образуется. Так, быстрое (взрывное) сгорание пороха в стволе артиллерийского орудия в процессе выстрела не является детонацией. Стук, возникающий в двигателях внутреннего сгорания при взрывном сгорании топлива, также называют детонацией.
6. Механизм детонацииДетонация может возникать в газах, жидкостях, конденсированных веществах и гетерогенных средах. При прохождении фронта ударной волны вещество нагревается. Если ударная волна достаточно сильная, то температура за фронтом ударной волны может превысить температуру самовоспламенения вещества, и в веществе начинаются химические реакции горения. В ходе химических реакций выделяется энергия, подпитывающая ударную волну. Такое взаимодействие газодинамических и
referat.co
