Определение параметров детонации заряда ВВ (стр. 1 из 5)
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, V1и Pо, Vо. Состояние Р1, V1на 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, V1и 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;
Vои 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: