Инициирование детонации

Распространение детонационных волн изучено довольно подробно. Определены стационарные скорости детонации газовых смесей, размеры ячеек, концентрационные пределы распространения детонации. Однако как в первой половине XX-го века, так и в настоящее время наибольший научный интерес представляет инициирование детонации. Различают несколько способов инициирования детонации.

Сильное или прямое инициирование.

Прямое инициирование детонации с помощью сильных ударных волн заключается в том, что ударная волна, инициирующая детонацию, может быть создана в канале при мощном выделении энергии [11]. В том случае, если амплитуда ударной волны выше, чем амплитуда детонационной волны, детонационная волна формируется сразу за ударной волной. Если скорость ударной волны меньше, но превышает 0,5 скорости детонации Чепмена-Жуге, то скорость такой ударной волны непрерывно увеличивается до возникновения детонационной волны. При этом минимальная энергия инициирования станет зависящей от мощности источника и времени выделения энергии, химические реакции должны завершиться за время роста давления в волне сжатия.

Для многих смесей найдены критические энергии инициирования детонации в одномерной, двумерной и трехмерной постановках [12]. Получены выражения для величины критической энергии инициирования детонации [3,4].

Слабое инициирование, ускорение пламени.

Механизм возникновения детонации при таком инициировании в неподвижном газе описан в [13]. При поджигании горючей смеси возникает фронт нормального горения, движущийся с дозвуковой скоростью относительно газа впереди него. Расширяющиеся (ускоряющиеся) продукты горения порождают волны сжатия и вызывают движение в газе перед фронтом пламени. Волны сжатия догоняют друг друга, образуя ударные волны. Состояние газа перед фронтом пламени изменяется: повышаются температура, давление, скорость газа, возникает турбулентность, происходит искривление фронта горения и увеличение площади его поверхности, приводящее к возрастанию скорости нормального горения. Сложное взаимодействие многочисленных волн в образовавшемся турбулентном потоке приводит в некоторый момент времени к возникновению детонации. Детонация почти всегда возникает непосредственно перед фронтом ускоряющегося пламени [6]. Одновременно от точки, где произошел переход в детонацию, в обратном направлении начинает распространяться волна, называемая ретонационной волной. Эта волна дожигает смесь. Наиболее ярко это проявляется при движении в трубах, где существенно влияние стенок.

В неограниченном объеме также может происходить ускорение пламени. Экспериментальные и теоретические исследования [11,13,14] показывают, что возможны случаи, когда ускорение пламени заканчивается стабилизацией скорости горения на дозвуковом уровне, и когда ускорение пламени приводит к скачкообразному переходу горения в детонацию.

Работа [15] посвящена явлению самовоспламенения смеси за ударной волной – идея «взрыва во взрыве». Механизм градиентного ускорения пламени рассматривается в работе [16]. Исследовано также влияние возбуждения электронного состояния молекул кислорода с помощью электрического разряда на переход от дефлаграции к детонации. Во всех этих работах начальная скорость горючей смеси принималась равной нулю.

Сокращение преддетонационного расстояния может быть достигнуто повышением вкладываемой в инициатор энергии. В предельном случае, когда энергия превышает критическую энергию инициирования детонации, преддетонационное расстояние равно нулю. Выделяемая инициатором энергия определяет скорость ударной волны, движущейся по детонационноспособному газу. В работе [3,4] показано, что в покоящихся средах существует предельная скорость такой ударной волны, которая разделяет формирование детонации на два сценария: дальнейшее ускорение до возникновения детонационной волны и ослабление с последующим ускорением до возникновения детонационной волны. Также преддетонационное расстояние может быть сокращено посредством внесения диафрагмы. В данной работе получены результаты исследования этой ситуации.