Авиация Горение и взрыв газа

23 января 2011


Оглавление:
1. Горение и взрыв газа
2. Самовоспламенение или детонация
3. Что происходит в цилиндре двигателя внутреннего сгорания

Горение и взрыв газов

Горение и взрыв газов — это с точки зрения химии одинаковые процессы превращения смеси горючих газов и окислителя в продукты сгорания, а с точки зрения физики — принципиально различные процессы, имеющие существенно различные внешние проявления.

Под взрывом в физике понимают широкий круг явлений, связанных с выделением большого количества энергии в ограниченном объёме за очень короткий промежуток времени. Кроме взрывов обычных, конденсированных химических и ядерных взрывчатых веществ, к взрывным явлениям относятся также мощные электрические разряды, когда в разрядном промежутке выделяется большое количество тепла, под воздействием которого среда превращается в ионизированный газ с высоким давлением; взрыв металлических проволочек при протекании через них мощного электрического тока, достаточного для быстрого превращения проводника в пар; внезапное разрушение оболочки, удерживающей газ под высоким давлением; столкновение двух твердых космических тел, движущихся навстречу одно другому со скоростью, измеряемой десятками километров в секунду, когда в результате столкновения телá полностью превращаются в пар с давлением в несколько миллионов атмосфер, и т. д. Общим признаком для всех этих разнообразных по своей физической природе явлений взрыва служит образование в локальной области зоны повышенного давления с последующим распространением по окружающей эту область среде со сверхзвуковой скоростью взрывной/ударной волны, представляющей собой прямой скачок давления, плотности, температуры и скорости среды.

При воспламенении горючих газообразных смесей и аэрозолей по ним распространяется пламя, представляющее собой волну химической реакции в виде слоя толщиной менее 1 мм, называемого фронтом пламени. Однако, как правило, эти процессы происходят недостаточно быстро для образования взрывной волны. Поэтому процесс сгорания большинства газовых горючих смесей и аэрозолей нельзя называть взрывом, а широкое распространение такого названия в технической литературе, по-видимому, связано с тем, что, если такие смеси воспламеняются внутри оборудования или помещений, то в результате значительного повышения давления происходит разрушение последних, которое по своей природе и по всем своим внешним проявлениям носит характер взрыва. Поэтому, если не разделять процессы горения и собственно разрушения оболочек, а рассматривать всё явление в целом, то такое название аварийной ситуации в известной мере можно считать оправданным. Поэтому, называя горючие газовые смеси и аэрозоли «взрывоопасными» и определяя некоторые показатели «взрывоопасности» веществ и материалов, следует помнить об известной условности этих терминов.

Итак, если в некотором сосуде воспламенилась горючая газовая смесь, но сосуд выдержал образовавшееся вследствие этого давление, то — это не взрыв, а простое сгорание газов. С другой стороны, если сосуд разорвался, то — это взрыв, и при этом не имеет значения быстро или очень медленно происходило в нём сгорание газа; более того, — это взрыв, если в сосуде и вовсе не было горючей смеси, а он разорвался, например, вследствие превышения давления воздуха или даже без превышения расчетного давления, а вследствие потери прочности сосуда в результате коррозии его стенок.

Для того чтобы любое физическое явление можно было назвать взрывом, необходимо и достаточно, чтобы по окружающей среде распространялась ударная волна. А ударная волна может распространяться только со сверхзвуковой скоростью, иначе это не ударная, а акустическая волна, которая распространяется со скоростью звука. И никаких промежуточных явлений в сплошной среде в этом смысле не существует.

Другое дело — детонация. Несмотря на общую химическую природу с дефлаграцией, она сама распространяется вследствие распространения ударной волны по горючей газообразной смеси и представляет собой комплекс ударной волны и волны химической реакции в ней.

В литературе часто встречается термин «взрывное горение», под которым понимают дефлаграцию со скоростью распространения турбулентного пламени порядка 100 м/с. Однако такое название лишено всякого физического смысла и ничем не оправданно. Горение газообразных смесей бывает дефлаграционным и детонационным, и никакого «взрывного горения» не бывает. Введение в практику этого понятия, очевидно, было вызвано желанием авторов особо выделить высокотурбулентное дефлаграционное горение, одним из важных поражающих факторов которого является скоростной напор газа, который сам по себе может и разрушить, и опрокинуть объект.

Известно, что при некоторых условиях дефлаграция может переходить в детонацию. Условия, способствующие такому переходу, — это обычно наличие длинных вытянутых полостей, например, труб, галерей, горных выработок и проч., особенно если они содержат препятствия, служащие турбулизаторами газового потока. Если горение начинается как дефлаграция, а заканчивается как детонация, то кажется логичным предположить наличие некоторого промежуточного по своей физической природе переходного режима, который некоторые авторы и называют взрывным горением. Однако и это не так. Переход дефлаграционного горения в длинной трубе в детонацию можно представить следующим образом. Вследствие турбулизации и соответствующего увеличения поверхности пламени скорость его распространения увеличивается, и оно толкает впереди себя горючий газ с большей скоростью, что в свою очередь ещё больше увеличивает турбулентность горючей смеси впереди фронта пламени. Процесс распространения пламени становится самоускоряющимся с усиливающимся поджатием горючей смеси. Поджатие горючей смеси в виде волны давления и повышенной температуры распространяется вперед со скоростью звука. А всякое новое дополнительное возмущение со стороны ускоряющегося фронта турбулентного пламени распространяется по уже нагретому поджатием газу с большей скоростью, и поэтому оно вскоре догоняет фронт предыдущего возмущения и суммируется с ним. А обогнать фронт предыдущего возмущения оно не может, так как местная скорость звука в холодном горючем газе, расположенном в невозмущённом газе, значительно ниже. Таким образом, на переднем фронте первого акустического возмущения происходит сложение всех последующих возмущений, амплитуда давления на фронте акустической волны увеличивается, а сам фронт из первоначально пологого становится все более крутым и в конечном итоге из акустического превращается в ударный. При дальнейшем росте амплитуды ударного фронта температура в нём по адиабате Гюгонио достигает температуры самовоспламенения горючей смеси, что и означает возникновение детонации. Детонация — это ударная волна, в которой происходит самовоспламенение горючей смеси.

Рассматривая описанный механизм возникновения детонации, важно отметить, что его нельзя понимать как непрерывный переход от дефлаграции в результате постоянного ускорения фронта пламени: детонация возникает скачкообразно впереди дефлаграционного пламени, даже на существенном расстоянии от него, когда там создаются соответствующие критические условия. В дальнейшем детонационная волна, представляющая собой единый комплекс ударной волны и волны химической реакции, распространяется стационарно с постоянной скоростью по невозмущенному горючему газу, независимо от породившего её дефлаграционного пламени, которое при подходе к продуктам детонации вскоре вообще перестает существовать.

Таким образом, ударная волна, волна химической реакции и волна разрежения в продуктах сгорания движутся с одинаковой скоростью и вместе представляют собой единый комплекс, обусловливающий распределение давления в зоне детонации в виде острого короткого пика. Строго говоря, зона химической реакции отстоит на некотором расстоянии от фронта ударной волны, так как процесс самовоспламенения возникает не сразу же после ударного сжатия горючей смеси, а по истечении определённого периода индукции и имеет некоторую протяжённость, поскольку химическая реакция происходит хотя и быстро, но не мгновенно. Однако ни начало химической реакции, ни её конец на экспериментальной кривой пика давления никаких характерных изломов не определяют. При экспериментах датчики давления фиксируют детонацию в виде очень острых пиков, причем часто инерционность датчиков и их линейные размеры не позволяют проводить достоверных измерений не только профиля волны, но даже и её амплитуды. Для грубых оценок амплитуды давления в детонационной волне можно считать, что оно в 2-3 раза превышает максимальное давление взрыва данной горючей смеси в замкнутом сосуде. Если детонационная волна подходит к закрытому торцу трубы, то происходит её отражение, в результате которого давление ещё увеличивается. Этим и объясняется большая разрушительная сила детонации. Воздействие детонационной волны на препятствие очень специфично: оно носит характер жесткого удара.

По аналогии с конденсированными взрывчатыми веществами, которые принято делить на метательные и бризантные, можно отметить, что детонация в этом смысле оказывает, условно говоря, бризантное действие на препятствие, а дефлаграция — метательное.

Возвращаясь к вопросу о возможности и условиях перехода дефлаграции в детонацию, следует отметить, что для этого необходимы не только турбулизаторы газового потока, но существуют также и концентрационные пределы возможности детонации, которые существенно ýже концентрационных пределов дефлаграционного распространения пламени. А что касается возможности детонации газового облака в открытом пространстве, то на это способны далеко не все горючие газообразные смеси: известны экспериментальные исследования, показавшие, например, что, когда в центре метановоздушного облака стехиометрического состава инициировали детонацию, то есть взрывали небольшую навеску конденсированного взрывчатого вещества, то начавшаяся детонация облака затухала и переходила в дефлаграцию. Поэтому, когда есть необходимость заставить газообразное облако сдетонировать в открытом пространстве, то, во-первых, следует выбрать вещество, способное детонировать в смеси с воздухом в открытом пространстве, например, окись этилена, а во-вторых, не просто поджечь его, а изначально взорвать хотя бы небольшую навеску конденсированного взрывчатого вещества.

Просмотров: 4110

<<< Гиперзвуковая скорость

Граунд-эффект >>>