Дефлаграция

Горение, приводящее к взрыву

Пиротехнические дефлаграции

Дефлаграция (лат. de + flagrare , «сжигать») — дозвуковое горение , при котором предварительно смешанное пламя распространяется через взрывчатое вещество или смесь топлива и окислителя. ^{[1] [2]} Дефлаграции в высоко- и низкотемпературных взрывчатых веществах или смесях топлива и окислителя могут перейти в детонацию в зависимости от ограничения и других факторов. ^{[3] [4]} Большинство пожаров, встречающихся в повседневной жизни, представляют собой диффузионное пламя . Дефлаграции со скоростями пламени в диапазоне 1 м/с отличаются от детонаций , которые распространяются сверхзвуковыми со скоростями детонации в диапазоне км/с. ^[5]

Приложения

Дефлаграции часто используются в инженерных приложениях, когда сила расширяющегося газа используется для перемещения объекта, такого как снаряд вниз по стволу или поршень в двигателе внутреннего сгорания . Системы и продукты дефлаграции также могут использоваться в горнодобывающей промышленности, сносе и добыче камня с помощью газового взрыва под давлением в качестве выгодной альтернативы бризантным взрывчатым веществам.

Терминология взрывобезопасности

При изучении или обсуждении взрывобезопасности или безопасности систем, содержащих взрывчатые вещества, термины дефлаграция, детонация и переход дефлаграции в детонацию (обычно называемый DDT) должны пониматься и использоваться надлежащим образом для передачи соответствующей информации. Как объяснялось выше, дефлаграция является дозвуковой реакцией, тогда как детонация является сверхзвуковой (больше скорости звука материала) реакцией. Различение дефлаграции и детонации может быть трудным или невозможным для случайного наблюдателя. Скорее, для уверенного различения между ними требуются приборы и диагностика для определения скорости реакции в затронутом материале. Поэтому, когда происходит непредвиденное событие или авария с взрывчатым материалом или системой, содержащей взрывчатое вещество, обычно невозможно узнать, дефлаграция или детонация взрывчатого вещества, поскольку и то, и другое может выглядеть как очень бурные, энергичные реакции. Поэтому сообщество специалистов по энергетическим материалам ввело термин «сильная взрывчатая реакция» или «HEVR» для описания сильной реакции, которая, ввиду отсутствия диагностики для измерения скорости звука, могла быть либо дефлаграцией, либо детонацией. ^{[6] [7]}

Физика пламени

Основную физику пламени можно понять с помощью идеализированной модели, состоящей из однородной одномерной трубки несгоревшего и сгоревшего газообразного топлива, разделенной тонкой переходной областью шириной , в которой происходит горение. Область горения обычно называют пламенем или фронтом пламени . В равновесии тепловая диффузия через фронт пламени уравновешивается теплом, поставляемым горением. ^{[8] [9] [10] [11]} ${\displaystyle \delta \;}$

Здесь важны две характерные временные шкалы. Первая — это временная шкала термодиффузии , которая примерно равна ${\displaystyle \tau _{d}\;}$

$${\displaystyle \tau _{d}\simeq \delta ^{2}/\kappa ,}$$

где - температуропроводность . Второе - это шкала времени горения , которая сильно уменьшается с температурой, как правило, как ${\displaystyle \kappa \;}$ ${\displaystyle \tau _{b}}$

$${\displaystyle \tau _{b}\propto \exp[\Delta U/(k_{B}T_{f})],}$$

где - активационный барьер для реакции горения, - температура, развивающаяся в результате горения; значение этой так называемой «температуры пламени» можно определить из законов термодинамики. ${\displaystyle \Delta U\;}$ ${\displaystyle T_{f}\;}$

Для стационарно движущегося фронта дефлаграции эти два временных масштаба должны быть равны: тепло, выделяемое при горении, равно теплу, уносимому теплопередачей . Это позволяет рассчитать характерную ширину фронта пламени: ${\displaystyle \delta \;}$

$${\displaystyle \tau _{b}=\tau _{d}\;,}$$

таким образом

$${\displaystyle \delta \simeq {\sqrt {\kappa \tau _{b}}}.}$$

Теперь тепловой фронт пламени распространяется с характерной скоростью , которая просто равна ширине пламени, деленной на время горения: ${\displaystyle S_{l}\;}$

$${\displaystyle S_{l}\simeq \delta /\tau _{b}\simeq {\sqrt {\kappa /\tau _{b}}}.}$$

Эта упрощенная модель не учитывает изменение температуры и, следовательно, скорость горения по фронту дефлаграции. Эта модель также не учитывает возможное влияние турбулентности . В результате этот вывод дает только скорость ламинарного пламени — отсюда и обозначение . ${\displaystyle S_{l}\;}$

Разрушительные события

Повреждение зданий, оборудования и людей может быть результатом крупномасштабной кратковременной дефлаграции. Потенциальный ущерб в первую очередь зависит от общего количества топлива, сожженного в событии (общая доступная энергия), максимальной скорости реакции, которая достигается, и способа, которым сдерживается расширение газов сгорания. Вентилируемые дефлаграции, как правило, менее интенсивны или разрушительны, чем сдерживаемые дефлаграции. ^[12]

При дефлаграции в свободном воздухе наблюдается непрерывное изменение эффектов дефлаграции относительно максимальной скорости пламени. Когда скорости пламени низкие, эффект дефлаграции заключается в высвобождении тепла, например, при вспышке пламени . При скоростях пламени, близких к скорости звука , высвобождаемая энергия находится в форме давления, и возникающее в результате высокое давление может повредить оборудование и здания. ^[13]

Смотрите также

• Пожар
• Переход дефлаграции в детонацию
• Напорное забивание свай

Ссылки

1. О'Коннер, Брайан (27 марта 2023 г.). «Взрывы, дефлаграции и детонации». Национальная ассоциация противопожарной защиты . Архивировано из оригинала 28 марта 2023 г. Получено 31 мая 2023 г.
2. Справочник по технике противопожарной защиты (5-е изд.). Общество инженеров противопожарной защиты. 2016. С. 373.
3. Макдоноу, Гордон (1 апреля 2017 г.). «Что такое взрывчатое вещество высокой степени опасности». Музей науки Брэдбери, Национальная лаборатория Лос-Аламоса . Архивировано из оригинала 2017-05-02 . Получено 31 мая 2023 г.
4. Росас, Камило; Дэвис, Скотт; Энгель, Дерек; Миддха, Пранкул; ван Вингерден, Кис; Маннан, М.С. (июль 2014 г.). «Переходы дефлаграции в детонацию (ДДТ): прогнозирование ДДТ при взрывах углеводородов». Журнал по предотвращению потерь в перерабатывающей промышленности . 30 : 263–274. doi :10.1016/j.jlp.2014.03.003 . Получено 31 мая 2023 г.
5. Справочник по технике противопожарной защиты (5-е изд.). Общество инженеров противопожарной защиты. 2016. С. 390.
6. Сквайрс, Джесс (22.01.2023). «High Explosive Violent Reaction (HEVR) — Директивы, руководства и полномочия Министерства энергетики». www.directives.doe.gov . Архивировано из оригинала 29.09.2022 . Получено 08.06.2023 .
7. «В чем разница между взрывом и детонацией?». www.lanl.gov . Получено 08.06.2023 .
8. Уильямс, ФА (2018). Теория горения . CRC Press.
9. Ландау, Л. Д. и Лифшиц, Э. М. (1959). Механика жидкости . Курс теоретической физики, 6.
10. Линан, А. и Уильямс, ФА (1993). Фундаментальные аспекты горения .
11. Зельдович И.А., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. (1985). Математическая теория горения и взрыва .
12. Tarver, CM; Chidester, SK (2004-02-09). «О силе взрывчатых реакций». Journal of Pressure Vessel Technology . 127 : 39–48. doi :10.1115/1.1845474. OSTI  15013892.
13. Стандарт NFPA 68 по защите от взрывов с помощью дефлаграционного сброса. Национальная ассоциация противопожарной защиты. 2018. стр. 5.