История открытия явления детонации в газовых смесях

Также существует градиентный механизм инициирования детонации, предложенный теоретически Я. Б. Зельдовичем. Согласно этой гипотезе, для формирования стационарной детонационной волны на коротких расстояниях и за короткие времена необходимо создать в горючей смеси градиент времени задержки воспламенения. Такой градиент может быть создан, например, в неравномерно нагретой смеси. В этом случае смесь сначала воспламеняется в точке с наименьшим временем задержки и, соответственно, с наивысшей температурой. Из этой точки начинает распространяться волна спонтанного воспламенения. Момент воспламенения в каждой точке определяется исходным значением времени задержки при начальных условиях, а также интенсивностью волны сжатия, распространяющейся из области, где смесь уже воспламенена. Скорость распространения волны спонтанного воспламенения определяется формой исходного градиента. В случае, когда ее величина лежит в интервале между скоростью звука и скоростью Чепмена-Жуге, происходит ее существенное ускорение и формирование детонационной волны. Однако, эта гипотеза до сих пор не была экспериментально проверена в условиях, близких к параметрам газа в камере сгорания. Это связано с необходимостью создания градиента времени задержки за интервал, короткий по сравнению с характерными временами химических превращений, и на расстоянии, достаточном для формирования детонационной волны.

Явление вырождения детонации

Тепловые потери из зоны реакции детонационной волны  в стенках трубы приводят к отклонениям от закономерностей детонации. При наличии потерь часть теплового эффекта реакции, расходуемого при адиабатическом процессе только на нагревание и ударное сжатие взрывчатой среды, отводится в стенки трубы. Величина скорости детонации и соответствующие ей давление и температура во фронте детонационной волны будут определяться уже не полным тепловым эффектом реакции, а его частью, соответствующей тепловыделению к моменту достижения точки Жуге на ударной адиабате. Эта адиабата описывает сжатие при таком процессе, когда достигается равенство скоростей выделения и отвода тепла. Таким образом, в точке Жуге освобождается не все тепло реакции, и, кроме того, соответствующее состояние достигается до ее завершения, т.е. при освобождении еще меньшего количества тепла. В результате этого скорость детонационной волны, а с нею давление и температура в точке Жуге оказываются меньше теоретических.

Снижение скорости детонационной волны и температуры  сжатого газа способствует увеличению потерь и дальнейшему замедлению реакции во фронте волны. При достаточной  интенсивности потерь охлаждение сжатого  газа, уменьшение скорости ударной волны и скорости реакции, взаимоусиливающие друг друга, становятся прогрессирующими. Стационарное распространение детонационной волны оказывается невозможным, и она разрушается. Так устанавливаются предельные условия распространения детонации.

При адиабатическом процессе скорость детонации и состояние газа во фронте детонационной волны зависят только от термодинамических характеристик взрывчатой среды, но не от кинетических закономерностей реакции в сжатом газе. Однако интенсивность потерь из зоны реакции детонирующей среды, а значит, и состояние реагирующего в неадиабатическом режиме вещества существенным образом связаны с особенностями кинетики реакции. Потери определяют, возможно, ли распространение детонации, т.е. от них зависят условия для ее пределов. Очевидно, что пределы распространения детонации для труб различного диаметра должны существенно отличаться, поскольку само существование предела детонации обусловлено потерями, связанными с влиянием стенок трубы. Таким образом, потери из зоны реакции детонационной волны должны быть обусловлены влиянием  стенок, либо излучением в бесконечное пространство.

Области применения явления детонации в газовых смесях

Несмотря на то, что исследования в области  детонационных процессов в смесях газов проводятся несколько десятков лет, до конца природа многомерных детонационных структур не изучена. Между тем, более глубокое понимание данных процессов позволило бы решить ряд прикладных задач для использования управляемой детонации в энергетических установках и технологических горелках, а также разработать эффективные методы для обеспечения взрывобезопасности на производстве.

На данный момент огромную помощь в изучении детонационных  процессов оказывают различного рода математические оболочки, которые  позволяют ещё более углубиться в понимание природы явлений детонации. Сегодня многофункциональные вычислительные комплексы являются неотъемлемым атрибутом изучения вышеописанной задачи. Более того, современные вычислительные машины позволяют исследовать более тонкие эффекты и явления с высокой точностью, что в натуральном эксперименте сделать практически невозможно.

Как уже можно  понять детонация имеет как созидательную  сторону, так и разрушительную, и  порой граница между ними бывает очень размытой. Если разрушительную силу детонации человечество использует уже на протяжении более двух сотен лет, то для того, чтобы использовать детонацию в мирных целях ушло гораздо больше времени.

Сейчас и  в России и за рубежом появляется всё больше разработок, основанных на принципах детонации смесей газов. Ниже приведены примеры таких разработок.

Детонационное напыление

Одним из важнейших  хорошо развитых в настоящее время  приложений газовой детонации является нанесение износостойких, теплозащитных, электроизоляционных и других порошковых покрытий на наружные поверхности деталей самого различного назначения. Суть метода, впервые предложенного в середине XX века, состоит в нагреве и метании порошковых частиц на обрабатываемую поверхность с помощью газовой детонации.

Последовательная концепция формирования детонационных покрытий появилась лишь к концу 80-х годов. При ударе разогретой и, как правило, расплавленной частицы о поверхность детали вдоль контактной поверхности за время остывания частицы успевает произойти взаимодиффузия на глубину порядка нескольких межатомных расстояний.

Характерный размер напыляемых частиц составляет десятки  микрон. Чтобы диффузия успела произойти, температура контактной поверхности  должна быть не ниже 0,9 температуры  плавления более низкоплавкого  из материалов частицы и подложки. Для этого частица должна иметь достаточный запас тепловой или кинетической энергии. При использовании детонации Чепмена–Жуге скорость метаемых частиц составляет сотни метров в секунду и их основная энергия - тепловая. Чтобы обеспечить необходимую температуру контактной поверхности частица перед ударом должна быть расплавлена и сильно перегрета (иногда, вплоть до температуры кипения).

При напылении  используют, как правило, углеводородо-кислородные, реже, водородо-кислородные смеси. Для напыления тугоплавких материалов в качестве топлива используется ацетилен, для остальных материалов выбор топлива ограничен возможностями инициирования детонации. Для пропано-кислородных смесей с отклонением от стехиометрического соотношения более чем на 30-50 % и метано-кислородных смесей.

Установка для  детонационного поверхностного напыления  является своего рода смесителем, не представляя  с технической точки зрения ничего сложного. 

Рисунок 3 –  Детонационное напыление

В зависимости  от конструкции установки частота  циклов может достигать 8-10 Гц, но в  большинстве случаев она равна 3-4 Гц. Кроме ацетилена, в качестве горючего могут использоваться другие газы, например, метан или пропан-бутан. При этом протяжённость зоны перехода горения в детонацию увеличивается. Для снижения температуры нагрева частиц напыляемого материала взрывчатая смесь разбавляется азотом или воздухом. Нагрев частиц до пластического состояния в сочетании с приобретаемой значительной кинетической энергией позволяет получать покрытия с высокой прочностью сцепления (до 250МПа) и низкой пористостью (менее 2%).

Производительность  детонационного напыления (10 - 60 см²/мин) ниже плазменного (до 100 см²/мин). Повышение производительности связывают с дальнейшим совершенствованием процесса детонационного напыления и его оборудования.

Детонационное напыление применяют для упрочнения различных видов инструмента, штампов, коленчатых валов и блоков цилиндров двигателей. Для восстановления изношенных деталей детонационное напыление пока применяют ограниченно, главным образом для нанесения покрытий на посадочные места под подшипники.

Пульсирующие  детонационные двигатели

Детонационное сгорание на нынешнем уровне развития техники в области двигателестроения не применяется ввиду несовершенства конструкции всех нынешних типов двигателей внутреннего сгорания. Однако поиск оптимальной конструкции двигателя и состава смеси, который бы позволил безопасно эксплуатировать данные устройства ведётся очень активно, как отечественными, так и зарубежными учёными.  

Для того чтобы  получить эффективно действующий двигатель  внутреннего (или внешнего) сгорания, использующий детонационное сгорание топлива, и который превосходит самые форсированные традиционные поршневые двигатели, нужно в подобном двигателе соблюсти несколько важных условий. 

- камера сгорания должна не иметь движущихся частей, которые еще и нуждаются в смазке, и камера сгорания желательно не должна иметь потребности в охлаждении;

- камера сгорания должна не некоторое время запираться, чтобы создавать замкнутый объем, в котором в условиях резко нарастающего давления и повышающейся температуры (изохорный процесс), могли полностью на все 100% сгорать пары топлива, даже при рабочей смеси очень бедного состава (мало паров бензина – много воздуха);

- главный рабочий орган двигателя должен двигаться очень быстро и легко – без необходимости осуществления чередующихся циклов «разгона- торможения» с преодолением сил инерции, чтобы успевать полноценно «утилизировать» и без разрушительных перегрузок (т.е. без старта с неподвижного положения) воспринимать энергию газов рабочего тела очень высокого давления[9].

В настоящий  момент ведутся активные разработки конструкции двигателя внутреннего  сгорания, использующие детонационное  горение топлива.

 В 2012 году  группа американских учёных из Военно-морской исследовательской лаборатории в качестве альтернативы газовым турбинам разрабатывала пульсирующие детонационные двигатели. В этих двигателях горение топливной смеси происходит в режиме детонации: горючее в камере сгорания взрывается.

Новые турбины радикально отличались от имеющихся, в которых происходит дефлаграция по циклу Брайтона, имеющая место при горении топливно-воздушных смесей во всех сегодняшних серийных турбинах. Дефлаграцией называют процесс дозвукового горения, при котором образуется быстро перемещающийся фронт химических превращений. При ней передача энергии от зоны реакции в направлении движения фронта происходит за счёт переноса тепла. А вот во время детонации зона превращений распространяется со сверхзвуковой, а не с дозвуковой скоростью, и за передачу энергии отвечает ударное сжатие - значительно более быстрое, чем теплопередача. Благодаря тому, что сгорание в этом случае происходит при постоянном объёме и резко возрастающем давлении, детонационный пульсирующий двигатель должен иметь термический КПД выше, чем у любой турбины, используемой сегодня на американском флоте.

Моделирование и проработка двигателя у флотских учёных прошли первую фазу. Согласно её итогам, использование ротационных  детонирующих двигателей постоянной детонации  приведёт (при сохранении массы и  габаритов нынешних турбин, работающих по циклу Брайтона) к росту мощности на 10% и снижению расхода топлива — за счёт увеличения термического КПД — на 25%. Более того, моделирование показало, что в идеальных условиях такой цикл может иметь термический КПД до 85–89% (при углеводородном топливе). Готовые детонационные двигатели планируется использовать не столько на новых кораблях, сколько для модернизации уже существующих судов с газовыми турбинами[8].

Пока главной  проблемой нового двигателя является недостаточное понимание всех процессов, которые происходят при движении по кругу детонационной волны.

Заключение

Несмотря на то, что явление детонации было открыто уже давно, окончательной  теории, которая позволила бы описать  с достаточной точностью все  процессы, происходящие при ней нет. Великие ученые умы занимались данной проблемой и каждый из них внёс вклад в общее дело понимания детонации. До сих пор ведутся активные исследовательские работы в этой области, и скорее всего, всё идёт к тому, что стройная и четкая теория будет разработана.

В данной работе я рассматривал детонацию газовых  смесей, показав при этом, насколько  данный процесс многосложен и какая практическая польза заложена в его изучении. Безопасное использование энергии детонации откроет новые горизонты в развитии техники, в частности двигателестроении. Также не стоит забывать о том, что более глубокое понимание процессов, происходящих при детонации, позволит выработать эффективные меры по борьбе с несчастными случаями, связанными  с взрывами на различных производствах (горнодобывающая промышленность, химическое машиностроение и др.).

Библиографический список

1. А.Ю. Долгобородов. К истории открытия явления детонации. Пленарное заседание ИХФ РАН, Москва, 2012.
2. Ф.А. Баум., К.П. Станюкович., Б.И. Шехтер. Физика взрыва. – М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959.- 800 с.
3. Я.Б. Зельдович. Теория горения и детонации газов. Ин-т хим. физики. - Москва; Ленинград : Изд-во Акад. наук СССР, 1944. – 72 с.
4. И.В. Семёнов., П.С. Уткин. Научно-образовательный курс., Численное моделирование детонационных процессов в газах., Москва, 2011.
5. Л.Н. Хитрин. Физика горения и взрыва.  – М.: Издательство Московского университета, 1957. – 452 с.
6. Н.Р.Шевцов, П.Я.Таранов, В.В.Левит, А.Г.Гудзь /Под общ.ред. Н.Р.Шевцова. Разрушение горных пород взрывом: Учебник для вузов.-4-е издание, переработанное и дополненное Донецк: ООО "Лебедь",2003.-279с.
7. Физика взрыва. / Под ред. Л. П. Орленко. — Изд. 3-е, переработанное. — В 2 т. Т. 1. - М.: Физматлит, 2002. – 832 с.
8. Интернет-журнал Компьюлента [Электронный ресурс] – Режим доступа - http://compulenta.computerra.ru/tehnika/devices/10001829/, свободный.
9. Интернет-сайт Роторные двигатели [Электронный ресурс] – Режим доступа - http://rotor-motor.ru/page13-1.htm, свободный.