38. Ударная и детонационная волна. Их характеристики.

ДЕТОНАЦИОННАЯ ВОЛНА - ударная волна, распространяющаяся по взрывчатому веществу со сверхзвуковой скоростью и сопровождающаяся экзотермической химической реакцией превращения взрывчатого вещества. Давление, которое создается при распространении детонационной волны, - сотни кПа (газообразные взрывчатые смеси) и тыс. МПа (жидкие и твердые взрывчатые вещества).

Механизм превращения энергии на фронте детонационной волны существенно отличается от механизма дефлаграции — волны медленного горения, сопровождающейся дозвуковыми течениями.

Принципиальная возможность явления детонации следует из того, что при прохождении через фронт всякой ударной волны вещество нагревается. Если ударная волна достаточно сильна, то это нагревание может поджечь горючую смесь, что и приводит к детонации. Возникающая при этом поверхность нормального разрыва называется детонационной волной. Изменение термодинамических параметров среды при прохождении через фронт детонационной волны описывается детонационной адиабатой.

Чаще всего в обычной жизни детонация встречается в автомобильных моторах. Двигатели внутреннего сгорания, реализующие цикл Отто, быстро разрушаются, так как рассчитаны на медленное горение горючей смеси. Быстрое детонационное сгорание резко повышает давление в камере сгорания, что приводит к быстрому выходу двигателя из строя. При сильной детонации - меньше чем за минуту. Топливо с более высоким октановым числом лучше противостоит детонации.

Явление детонации лежит в основе действия бризантных взрывчатых веществ, широко применяемых как в военном деле, так и в гражданской хозяйственной деятельности при производстве взрывных работ.

Ударная волна — поверхность разрыва, при пересечении которой давление, плотность и температура резко возрастают, а скорость рабочей среды резко уменьшается. Ударная волна есть пример нормального гидродинамического разрыва, и через неё течёт поток вещества (в отличие от тангенциального разрыва, через который вещество не течёт). В стационарных условиях формирования неподвижную относительно источника возмущения ударную волну называют скачком уплотнения.

Термодинамика ударных волн

С макроскопической точки зрения ударная волна представляет собой воображаемую поверхность, на которой термодинамические величины среды (которые, как правило, изменяются в пространстве непрерывно) испытывают устранимые особенности: конечные скачки. При переходе через фронт ударной волны меняются давление, температура, плотность вещества среды, а также скорость её движения относительно фронта ударной волны. Все эти величины изменяются не независимо, а связаны с одной-единственной характеристикой ударной волны, числом Маха.

Ударные волны не обладают свойством аддитивности в том смысле, что термодинамическое состояние среды, возникающее после прохождения одной ударной волн, нельзя получить последовательным пропусканием двух ударных волн меньшей интенсивности.

Происхождение ударных волн

Звук представляет собой колебания плотности среды, распространяющиеся в пространстве. Уравнение состояния обычных сред таково, что в области повышенного давления скорость звука (т. е. скорость распространения возмущений) возрастает (т. е. звук является нелинейной волной). Это неизбежно приводит к явлению опрокидывания решений, которые и порождают ударные волны.

В силу этого механизма, ударная волна в обычной среде — это всегда волна сжатия. Однако в тех системах, в которых скорость распространения возмущений уменьшается с ростом плотности, будет наблюдаться ударная волна разрежения.

Описанный механизм предсказывает неизбежное превращение любой звуковой волны в слабую ударную волну. Однако в повседневных условиях для этого требуется слишком большое время, так что звуковая волна успевает затухнуть раньше, чем нелинейности становятся заметны. Для быстрого превращения колебания плотности в ударную волну требуются сильные начальные отклонения от равновесия. Этого можно добиться либо созданием звуковой волны очень большой громкости, либо механически, путём околозвукового движения объектов в среде. Именно поэтому ударные волны легко возникают при взрывах, при около- и сверхзвуковых движениях тел, при мощных электрических разрядах и т. д.

Микроскопическая структура ударной волны

Ударные волны в специальных условиях

Ударная волна, путём нагрева среды, может вызвать экзотермическую химическую реакцию, что, в свою очередь, отразится и на свойствах самой ударной волны. Такой комплекс «ударная волна + реакция горения» носит название волны детонации.

В астрофизических объектах ударная волна может двигаться со скоростями, близкими к скорости света. В этом случае ударная адиабата модифицируется.

Ударные волны в замагниченной плазме также обладают своими характерными особенностями. При переходе через разрыв, изменяется также и величина магнитного поля, на что тратится дополнительная энергия. Это влечёт за собой существование максимально возможного коэффициента сжатия плазмы при сколь угодно сильных ударных волнах.

Касательные ударные волны представляют собой поверхность разрыва смешанного (нормального и тангенциального) типа.