Реферат: Определение параметров детонации заряда ВВ
Министерство образования Российской
Федерации
Самарский Государственный Технический Университет
Кафедра "Технология твердых
химических веществ"
Отчет по лабораторным работам
«Определение и расчет параметров
детонации зарядов ВВ»
Студентки 5-ИТ-1 Н. Б. Ивановой
Проверил:
Профессор А. Л. Кривченко
Самара 2001 г.
1.
Цель
лабораторной работы
Целью работы является: изучение современных методик
исследования быстропротекающих процессов, анализ способов теоретического
прогнозирования параметров детонации и определение параметров детонации и
метательной способности зарядов из БВВ.
2.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ДЕТОНАЦИИ ЗАРЯДОВ ВВ
2.1.
Основные явления,
определяющие детонацию
Взрывчатые вещества (ВВ) — это вещества, способные к
экзотермическому превращению, .которое передается от реагирующего слоя .к
близлежащему, распространяясь в виде волны по всему заряду ВВ. Для того чтобы
процесс, именуемый детонацией, оказался принципиально возможным, .необходимо,
чтобы реакция экзотермического превращения протекала за чрезвычайно короткое
время. Такие времена реакции, порядка 1 мкс, возможны лишь при очень высоких
давлениях, при которых волны сжатия всегда трансформируются в ударные волны.
Таким образом, детонацию можно представить себе как совокупное действие ударной
волны и химической реакции, при которой ударный импульс инициирует реакцию, а
энергия реакции поддерживает амплитуду волны, (скорость детонации различных ВВ
составляет от 1500 до 10000 м/с), а давление непосредственно за фронтом волны —
от 1 до 50 ГПа.
Процесс превращения исходного ВВ в конечные продукты
взрыва можно представить следующим образом. Исходное состояние системы
характеризуется начальным давлением Ро и начальным удельным объемом Vо. Под действием ударной волны ВВ сжимается и его исходное
состояние (точка с. координатами Ро, Vо) скачком
изменяется и соответствует точке P1 V1 динамической адиабаты. В сжатом ВВ начинается
химическая реакция. Вследствие реакция выделяется тепло. При этом состояние
системы будет описываться не адиабатой исходных продуктов, а адиабатой
продуктов взрыва, которая лежит выше из-за выделения тепла. Графически этот
процесс .представлен Р—V диаграммой на puc 1.
Если процесс детонации стационарен, то переход от
исходного вещества к адиабате продуктов взрыва совершается по прямой линии,
соединяющей точки Р1, V1 и Pо, Vо. Состояние Р1, V1 на диаграмме, отвечающее ударному фронту,
распространяется по ВВ 'со скоростью детонации D.
При стационарной детонации с такой же скоростью должны
распространяться и другие промежуточные состояния, соответствующие выделению
той или иной доля полной энергии. Следовательно; изменение состояний в процессе
химической реакции должно происходить по прямой, соединяющей точки, так
как только Р1, V1 и Pо,
Vо на этой прямой все
промежуточные состояния распространяются по ВВ со скоростью D. Прямая
равных скоростей распространения на Р—V диаграмме, по которой происходит
.переход с одной адиабаты на другую — эта прямая Михельсона-Релея. Точка
касания прямой Михельсона-Релея с адиабатой конечных продуктов
взрыва —точка Чепмена-Жуге. Она отвечает моменту окончания химической
реакции и выделению максимального количества тепла, идущего на поддержание
процесса детонации.
Для полного описания процесса детонации, помимо знания
давления за фронтом ударной волны и скорости детонации, необходимо знать
распределение скорости потока продуктов детонации (ПД) за фронтом волны во
времени U=U(t) и время существования самой волны. Зная параметры D и U=U{t}, можно, основываясь на выводах гидродинамической теории,
рассчитать давление за фронтом волны Р, показатель политропы процесса п
, определить во многих случаях время химической реакции т и ширину зоны
химической реакции (ЗХР) — а.
Современная гидродинамическая теория детонации
позволяет математически описать процесс детонации ВВ с помощью уравнений
сохранения массы, импульса и энергии, уравнения состояния продуктов детонации
и дополнительного уравнения, так называемого условия касания.
Уравнение состояния ПД в общем виде выглядит следующим
образом:
где f — функция
описывает главным образом тепловое движение;
g — силы,
возникающие при межатомном взаимодействии.
Уравнение Лалдау-Зельдовича вида Р=Аrn имеет
достаточно простой вид и с некоторыми допущения описывает состояние ПД во всем
диапазоне давлений расширяющихся ПД, поэтому оно использовало для вывода
соотношений, определяющих параметры детонации.
В общем виде система уравнений может быть записана
следующая:
rоD=r(D-U); (1)
P= rоDU; (2)
e-eо-QV=1/2P(Vo-V); (3)
Р=Аrn
(4)
(5)
где rо и r— плотность заряда ВВ и ПД соответственно;
Vо и
V — удельный объем ВВ и ПД; D — скорость детонации; U
— массовая скорость ПД; e и eо —
внутренняя энергия ВВ и ПД; Qv — теплота взрыва; А — постоянная; п — показатель
политропы.
Заметим
плотность в уравнении (4) на удельный объем
P=A*1/Vn (6)
и
продифференцируем обе части данного уравнения
(7)
подставив
данное выражение в условие касания (5), получим
(8)
Из
этого следует, что
(9)
или
(10)
Совместным
решением уравнений (1) и (2) получим уравнение прямой Михельсона-Рэлея в виде
(11)
Подставив
в уравнение (4) выражение (8), получим
(12)
Заменив
Р на его выражение из уравнения (2), получим
D/U=n+1 (13)
Используя
уравнения (9) и (13), получим следующие соотношения для параметров детонации:
(14)
P=rоDU= (15)
(16)
(17)
Анализ данных уравнений показывает, что для
определения всех параметров детонации необходимо и достаточно измерить любые
два параметра в точке Чепмена-Жуге, где заканчиваются все химические
превращения.
Теоретический профиль распределения давления или
массовой скорости от времени в детонационной волне, приведен на рис. 2.
Время
t, отвечающее излому профиля давления — время химической реакции, и по
нему можно рассчитать ширину ЗХР-а.
, (18)
где — средняя
скорость потока в ЗХР.
На практике для определения параметров детонации
оказалось удобно измерять D и профиль массовой скорости U=U(t). Для измерения массовой скорости чаще всего пользуются
откольным и электромагнитным методами.
2.1.1
Откольный метод определения массовой скорости ПД.
Идея откольного метода заключается в измерении .
скорости движения свободной поверхности пластины, плотно прижатой к торцу
заряда ВВ. Падающая детонационная волна распространяется по пластине с
затухающими параметрами, при этом скорость движения свободной поверхности
пластины связана с массовой скоростью волны, выходящей на эту поверхность
следующим соотношением:
Wn=2Un, (19)
где W — скорость
свободной поверхности пластины; Un — массовая
скорость ударной волны в пластине.
Затухание параметров ударной волны зависит от
толщины пластины и профиля давления падающей детонационной волны, поэтому
характер изменения скорости свободной поверхности от толщины отражает профиль
самой волны.
На рис.
3 приведена зависимость скорости движения свободной поверхности пластины от ее
толщины. Область А'С' соответствует влиянию на скорость свободной
поверхности ЗХР в детонационной волне. В точке С' химпик
полностью затухает. Поэтому эта точка определяет параметры в плоскости
Чепмена-Жуге падающей детонационной волны.
Условие равенства давлений и массовых скоростей на
границе раздела ВВ — пластина позволяет определить параметры детонации по
параметрам ударной волны в материале пластины. На рис. 4
приведена
схем
а расчета для вывода уравнений;
При падении детонационной волны на границу раздела ВВ
— пластина по материалу последней пойдет затухающая волна, а по продуктам
детонации — отраженная волна, направленная в другую сторону. На границе раздела
имеют место следующие соотношения:
(20)
(21)
Воспользуемся
законом сохранения импульса и запишем:
Используя
акустическое приближение для динамической жесткости падающей и отраженной
волны, получим
(22)
Давление
в детонационной волне будет равно
Заменим U2 на выражение U1-Un, тогда
Согласно
уравнению (2)
Отсюда
Произведя
преобразования, получим
(23)
Разделив
обе части на rD, получим выражение для массовой скорости
(24)
С помощью полученных уравнений (23) и (24), используя
соотношение (21), можно определить давление и массовую скорость в точке излома
профиля, проведя .несколько экспериментов на различных толщинах пластин, а
также найти ширину ЗХР. Для этого рассмотрим t-х диаграмму выхода детонационной волны на границу
раздела BB —пластана и распространение ударной волны в пластине
(рис. 5). Падающая на пластину детонационная волна со скоростью Dо генерирует в материале ударную волну,
распространяющуюся со скоростью
Dn и, вызывает движение
границы раздела со скоростью
aD(a,—
-коэффициент пропорциональности). В момент, когда плоскость Чепмена-Жуге
догонит поверхность раздела, в материале .пластины начинает распространяться
возмущение со скоростью Un+Cn (Cn—скорость звука в пластине). На некотором расстоянии b
это возмущение догонит фронт ударной волны и на зависимости W=W(l) зафиксирует излом
Dn
и aDn не
являются .постоянными величинами (зависят от времени), .поэтому в расчетах
попользуются средние значения этих величин.
Страницы: 1, 2, 3
|