Механизм образования взрывной волны и ее распространение

В основе физико-химического превращения взрывно­го характера лежит горение. При спокойном двухфазном диффузионном горении, когда продолжительность химической реакции мала, скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода к горючему веществу в зоне горения.

Распространение пламени при этом происходит со сравнительно малой скоростью. Пожары в большинстве случаев представляют собой диффузионное горение, при котором в не­замкнутом объеме взрыва не происходит.

В перемешанных газовых средах, аэровзвесях и т. п., где могут протекать экзотермические реакции, скорость са­моподдерживающейся волны горения (пламени) во многом зависит от внешних условий и может изменяться в очень широких пределах.

При ламинарном режиме распространение пламени происходит от каждой точки фронта по нормали к его по­верхности. Такое горение и скорость перемещения пламени по неподвижной смеси вдоль нормали к его поверхности называются нормальными. Для смесей углеводородных га­зов с воздухом нормальные скорости горения составляют от 0,3 до 1,5 м/с, для водорода – 2,67 м/с. При таких малых скоростях распространения пламени в газовых смесях (и даже на порядок больших) повышения давления и образо­вания ударной волны перед пламенем не происходит.

Нормальная скорость горения является минимальной скоростью горения для данного газа.

В реальных условиях, вследствие внутренних процес­сов и внешних причин, очень часто происходит значитель­ное возрастание скорости горения.

Процесс ускорения распространения пламени может протекать следующим образом. При зажигании смеси в точ­ке, находящейся в середине объема покоящейся смеси, пер­воначально фронт пламени представляет собой сфериче­скую поверхность и пламя распространяется по нормали к этой поверхности. Однако, начиная с некоторого расстоя­ния, фронт пламени становится неустойчивым, и на нем возникают многочисленные малые возмущения. Начальные возмущения могут возникнуть по случайной причине, на­пример, вследствие неоднородности концентрации и состава смеси. Эти возмущения приводят к местным искривлениям поверхности пламени, а следовательно, и к росту скорости его распространения. Возрастание скорости пламени сопро­вождается дальнейшим увеличением местных искривлений его поверхности и интенсификации горения. Такое самоус­корение распространения пламени принято называть автотурбулизацией горения.

Интенсификацию горения вызывают также стены по­мещения. Влияние стен практически сказывается с момента зажигания смеси, так как на стенах канала зарождается тур­булентность. Затем она охватывает весь фронт пламени. По мере роста турбулизации растет скорость пламени. Особен­но большое влияние на скорость пламени оказывают шеро­ховатости стен и длина помещений. Меньше всего влияют на интенсификацию горения помещения шарообразной формы с гладкими стенами.

Наряду со стенами интенсификацию горения вызыва­ют преграды, размешенные в помещениях. Такими прегра­дами могут быть колонны, лестничные марши, ограждаю­щие решетки, а также технологическое оборудование, нахо­дящееся на пути распространения пламени.

Различают два вида горения взрывного характера: де-флаграционное и детонационное (детонация). По своей природе они имеют много общего, близки и химические процессы, протекающие при этих явлениях.

В основе механизма распространения дефлаграционного горения лежит теплопередача в соседние с зоной горе­ния участки материала. Скорость распространения процесса зависит от теплоемкости материала, его теплопроводности и некоторых других свойств.

При детонации, как и при дефлаграционном горении реакция протекает в узкой зоне, перемещающейся по веще­ству, но механизм ее распространения принципиально дру­гой, потому что он определяется распространением ударной волны во взрывчатом веществе, а не теплопередачей.

Взрывы большинства конденсированных взрывчатых веществ протекают в режиме детонации, при котором взрывная волна распространяется с постоянной скоростью при данной плотности и форме заряда. Значения скоростей детонации находятся в пределах от 1500 м/с (для некоторых промышленных ВВ пониженной мощности) до 8000 м/с для ВВ повышенной мощности. При этом давления взрывов достигают 20-39 ГПа.

Детонация представляет собой волновой процесс, распространение которого обусловливается взрывными (ударными) волнами. Так как скорости реакции взрывчатых превращений могут считаться бесконечно большими, то скорость детонации определяется только законами термо­динамики и гидродинамики, и в этих условиях процесс яв­ляется стационарным.

Скорость распространения детонации зарядов взрыв­чатых веществ с достаточной степенью точности определя­ется на основании теории Чепмена-Жуге. Единственной сложностью при расчете является то, что из-за высокой на­чальной плотности продуктов взрыва в процессе детонации развивается колоссальное давление (порядка 10⁵ МПа), аплотность продуктов детонации достигает плотности твер­дых веществ (1400-1600 кг/м³).В связи с этим непосред­ственные способы измерения детонационных давлений в зоне взрыва в настоящее время реализовать нельзя и эти па­раметры могут быть определены только косвенным путем.

Взрывная волна определяет в основном интенсив­ность почти всех поражающих факторов взрыва. Взрывная волна ослабляется по мере ее распространения и по харак­теру воздействия подразделяется на три зоны:

· ближайшая к источнику сильного взрыва, которая ха­рактеризуется огромными давлениями и температурами;

· промежуточная, в которой избыточное давление дос­таточно велико для тяжелых разрушений;

· зона слабого взрыва, в которой возможно изменение избыточного давления во времени на больших расстояниях.

В перемешанных газовых смесях, аэровзвесях и дру­гих смесях, в которых могут протекать гомогенные экзо­термические реакции, при определенных условиях взрыв­ные волны распространяются в виде самоподдерживающей­ся волны горения (пламени) со звуковой скоростью.

При достижении скоростей распространения пламени, составляющих десятки и сотни метров в секунду, но не пре­вышающих скорость распространения звука в данной среде (300-320 м/с), происходит взрывное или дефлаграционное горение. При взрывном горении продукты горения могут нагреваться до 1500-3000 ⁰С, а давление в закрытых сис­темах увеличивается до 0,6-0,9 МПа. Продолжительность реакции горения до взрывного режима составляет прибли­зительно для газов – 0,1 с, паров – 0,2-0,3 с, пыли – 0,5 с.

Применительно к случайным промышленным взры­вам под дефлаграцией обычно понимают горение облака с видимой скоростью порядка 100-300 м/с, при которой ге­нерируются ударные волны с максимальным давлением 20-100КПа.

При определенных условиях дефлаграционное (взрывное) горение может перейти в детонационный про­цесс, при котором скорость распространения пламени пре­вышает скорость распространения звука и достигает 1000-5000 м/с. Как правило, это происходит вследствие турбулизации материальных потоков, вызывающей сильное искривление и большое увеличение поверхности фронта пламени. При этом возникает ударная волна, во фронте ко­торой резко повышаются плотность, давление и температу­ра смеси. При возрастании этих параметров смеси до значе­ний, приводящих к самовоспламенению горючего вещества, возникает детонационная волна, являющаяся результатом сложения ударной волны и образующейся зоны сжатой, быстрореагирующей (самовоспламеняющейся) смеси. Ско­рость распространения детонационной волны и давление в ней не зависят от скорости реакции в пламени, а определя­ются ее тепловым эффектом и теплоемкостью продуктов сгорания.

В случае промышленных взрывов при огромном мно­гообразии условий, больших массах и объемах парогазовых сред, а также при наличии препятствий движению их пото­ков процессы турбулентного перемешивания оказываются настолько существенными, что возможно непосредственное инициирование детонации парогазовых сред. Возбуждение детонации возможно и многими другими способами: от то­чечных источников взрыва взрывчатых веществ, от элек­трических искр, локальным нагревом некоторой массы ре­акционной смеси до температуры самовоспламенения, ультрафиолетовым излучением, при перемешивании горя­чих потоков с холодными, ускорением движения пламени в закрытых объемах, самовоспламенением по радикальному механизму и др.

В процессах взрыва и детонации парогазовых сред ударные волны достигают высоких параметров, характери­зующих их разрушающую способность. Так, избыточное давление в пределах детонирующего облака смеси этилен оксида с воздухом составляет 2 МПа. Большинство же промышленных зданий разрушаются от значительно меньших давлений: 25-30 КПа при внешних и 20-25 КПа при внутренних взрывах. Разрушающая способность взрывов парогазовых смесей и аэровзвесей при определенных усло­виях в промышленности оказывается сопоставимой с взрывами типичных взрывчатых веществ, применяемых в военных целях.