Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва




Скачать 95.23 Kb.
НазваниеИнститут механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва
Дата12.12.2012
Размер95.23 Kb.
ТипЛабораторная работа
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

« МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. П. ОГАРЕВА»

(ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева»)


ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ И ЭНЕРГЕТИКИ

КАФЕДРА ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ


Теория горения и взрыва


Специальность – 330600 «Защита в чрезвычайных ситуациях – 65»

Направление подготовки специалиста – 656500 «Безопасность жизнедеятельности»


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5


ДЕТОНАЦИЯ В ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ

Исследование распространения пламени

Распространение и скорость детонационного горения

Гидродинамическая теория детонации


Саранск 2011


Лабораторная работа № 5


ДЕТОНАЦИЯ В ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ

Цель работы:

Исследование скорости распространения пламени в газовых смесях.

Детонация, характерные свойства детонации. Исследование распространения детонационной волны. Зависимость скорости детонации от состава горючей смеси.


1. Общие сведения

Распространение пламени в газовых смесях происходит с постоянной скоростью только на расстоянии (0.5÷1.0) м от точки воспламенения. После этого пламя резко ускоряется и достигает скорости (2÷3) км/с. Сгорание газовой смеси с такой скоростью называется детонацией. Отметим характерные свойства детонации.

  • Детонационная волна распространяется с постоянной сверхзвуковой скоростью.

  • Скорость детонации зависит от состава горючей смеси.

  • При диаметре трубки более 2 см скорость детонации не зависит от ее диаметра.

  • Большая скорость сгорания смеси при детонации приводит к повышению давления.


Гидродинамическая теория детонации была создана академиком Я.Б. Зельдовичем. Рассмотрим механизм возникновения детонации в полузакрытой трубке (рис. 5.11).





Рис. 5.11. Схема возникновения детонации


При воспламенении взрывчатой смеси у закрытого конца трубки сначала наблюдается равномерное распространение пламени со скоростью u. Ускорение пламени возникает в результате горения смеси и расширения продуктов сгорания у закрытого конца трубки. Расширение газов вызывает сжатие свежей смеси и ее движение перед фронтом пламени. Скорость образующейся ударной волны в (4 ÷ 9) раз больше нормальной скорости пламени.


2. Возникновение ударной волны


Сплошная среда – твердая, жидкая или газообразная способна передавать колебательное движение в виде звуковых волн. Всякое неравномерное, а значит и колебательное движение происходит под воздействием некоторых сил. В отсутствие сил тела бы двигались только равномерно и прямолинейно. Колебания среды вызываются силами упругости в ней.

Если сжать некоторый объем воздуха V0 и затем дать ему возможность расширяться, то этот объем расширится до конечного объема Vk > V0. Работа, затраченная на сжатие, перейдет в кинетическую энергию движения E. Эта энергия будет в свою очередь затрачена на сжатие окружающего слоя воздуха. Этот слой также будет расширяться и сжимать следующий слой. В результате по воздуху побежит звуковая волна, то есть будет наблюдаться периодическое изменение плотности ρ и давления р (рис. 5.12).

Отметим, что скорость звуковой волны намного больше, чем скорость движения самого газа. Звуковая волна будет распространяться со скоростью звука с = const до полного затухания за счет диссипативных процессов (рис. 5.13).




Рис. 5.12. Изменение давления и плотности в звуковой волне:

а – в заданной точке, б – в заданный момент времени




Рис. 5.13. Затухание звуковой волны

(р0, ρ0 – давление и плотность невозмущенного воздуха)


Для выяснения причины образование ударной волны рассмотрим одномерный случай – вдвигание поршня в цилиндр.




Рис. 5.14. Вдвигание поршня в цилиндр

При медленном движении поршня передняя граница сжатого воздуха побежит по несжатому газу со скоростью звука. В волне сжатия воздух адиабатически нагрет и движется со скоростью w в сторону движения поршня. В нагретом воздухе скорость звука больше, поэтому возмущение из волны сжатия нагонит ее передний фронт. Тем более, что скорость звука с складывается со скоростью газа w. Следовательно, фронт сжатия «узнает» о том, что поршень движется ускоренно, сжимая газ.

Рассмотрим профиль волны сжатия, то есть распределение давления по длине цилиндра (рис. 5.15). Допустим, что на профиль р(х) накладывается небольшой выступ давления А (рис. 5.15, а). Этот выступ не будет оставаться на месте и как всякое сжатие газа, будет двигаться со скоростью звука. Отметим, что любую точку профиля р(х), например, точку В (рис. 5.15, б) можно рассматривать как небольшой выступ давления.

Таким образом, каждое сжатие газа распространяется по нему с местной скоростью звука, причем большее возмущение давления Δр1 будет догонять меньшее возмущение Δр2. Но при этом возникает абсурдная ситуация, когда в одной и той же точке цилиндра С могут быть одновременно несколько значений давления – два значения (рис. 5.15, в) или даже три значения (рис. 5.15, г). Но такая ситуация физически невозможна. Рассмотрим механизм, с помощью которого природа преодолевает это противоречие.
















Рис. 5.15. Схема развития детонации


Прежде чем возникнет физически невозможное «перехлестывание», в некоторой точке профиля должен образоваться очень маленький вертикальный участок (рис. 5.16). В зависимости от закона движения поршня этот участок может образоваться как в передней точке волны сжатия (рис. 5.16, а), так и в промежуточной (рис. 5.16, б). Давление с левой стороны будет повышаться за счет сжатия поршня. Но как бы оно не повышалось, вертикаль аб (рис. 5.16,) не наклонится вправо, иначе будет наблюдаться неправдоподобная ситуация. Следовательно, единственный выход состоит в образовании разрыва (скачка) давления.







Рис. 5.16. Схема образования ударной волны


Таким образом, в волне сжатия неминуемо должен наступить такой момент, когда движение не может больше оставаться непрерывным – в газе возникнет скачок аб (рис. 5.17). Такой скачок называется ударной волной. Скорость образующейся ударной волны на порядок больше скорости движения газа.







Рис. 5.17. Схема развития детонации в разные моменты времени


Возникновение детонации


Рассмотрим теперь физику образования детонационной волны на примере горения смеси „метан-кислород” в узкой трубке. При поджигании смеси слабой искрой пламя распространяется по трубке с постоянной скоростью u ~ (10÷20) м/с. В случае поджигания смеси мощным источником – сильной искрой или взрывом заряда взрывчатого вещества – скорость распространения пламени может превышать 2 км/с.

Выше было показано, что процесс стационарного горения обусловлен процессами теплопроводности и диффузии компонентов, то есть относительно медленными молекулярными процессами. При этом нормальная скорость распространения пламени намного меньше скорости звука (un с).

Скорость детонации превышает в сотни раз нормальную скорость распространения пламени (D un), поэтому механизм детонации нельзя объяснить медленными процессами переноса – теплопроводностью и диффузией. Детонация – это газодинамическое явление, связанное с образованием и распространением ударной волны. В ударной волне, распространяющейся по горючей смеси со скоростью D ~ 2 км/с, наблюдается резкое повышение давления (в 40÷60 раз) и температуры (в 6÷7 раз) газа. При этом температура газа достигает Т ~ 20000С. При таких высоких значениях температуры резко возрастает скорость протекания химической реакции горения в соответствии с законом Аррениуса.

Теплота, выделившаяся в ходе протекания экзотермической реакции Q, возмещает необратимую потерю энергии, происходящую при ударном сжатии горючей смеси, еще не вступившей в реакцию. Таким образом, образовавшаяся детонационная волна поддерживает сама себя за счет реакции горения на ее фронте. Скорость распространения детонационной волны пропорциональна квадратному корню из теплового эффекта реакции и практически не зависит от начального давления газа:


~ .


Детонация может возникать только при определенном составе смеси. Например, смесь „водород-кислород” детонирует в пределах содержания (27÷35)% водорода, смесь „ацетилен-воздух” – в пределах содержания (6÷15)% ацетилена. Явление детонации может возникать в двигателях внутреннего сгорания. Для предотвращения детонации в бензин вводятся антидетонационные присадки – тетраэтилсвинец Pb(C2H5)4, тетракарбонил никеля Ni(CO)4, пентакарбонил железа Fe(CO)5.


Содержание отчета

1. Теоретические сведения о сущности вопроса и ходе выполнения работы (опыта).

2. Краткое описание лабораторной установки, технические и метрологические характеристики средств измерений, краткие пояснения проводимых опытов

3. Данные эксперимента, занесенные в таблицу, расчеты, рисунки.

4. Анализ результатов эксперимента, выводы по работе и анализ результатов.


Библиографический список


      1. Безуглов П.Т. Справочные таблицы огнеопасных веществ. – М.-Л.: Гостоптехиздат, 1950. – 108 с.

      2. Белоус Д.А. Радиация, биосфера, технология. – М.: ДЕАН, 2004. – 448 с.

      3. Взрывное дело / С.А. Ловля, Б.Л. Каплин, В.В. Майоров и др. – М.: Недра, 1976.   272 с.

      4. Взрывные явления. Оценка и последствия / У.Бейкер, П. Кокс, П. Уэстайн и др. – М.: Мир, 1986. – 319 с.

      5. Вильямс Ф.А. Теория горения. – М.: Наука, 1971. – 615 с.

      6. Гришин А.М. Моделирование и прогноз катастроф. Томск: ТГУ, 2004. – 524 с.

      7. Гришин А.М, Фильков А.И. Прогноз возникновения и распространения лесных пожаров. Кемерово: Практика, 2005. – 201 с.

      8. Демидов П.Г. Основы горения веществ. – М.: МКХ РСФСР, 1951. – 296 с.

      9. Единые правила безопасности при взрывных работах. – М.: Недра, 1972.   320 с.

      10. Захаров Л.Н. Техника безопасности в химических лабораториях. – Л.: Химия, 1985. – 184 с.

      11. Зельдович Я.Б. Теория ударных волн и введение в газодинамику. – Москва-Ижевск: НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика”, 2004. – 188 с.

      12. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.Н., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. – М.: Наука, 1980. – 478 с.

      13. Злобинский Б.М., Иоффе В.Г., Злобинский В.Б. Воспламеняемость и токсичность металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1972. – 264 с.

      14. Компанеец А.С. Тяготение, кванты и ударные волны. – М.: Знание, 1968. – 158 с.

Похожие:

Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconИнститут механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва
Научиться определять расчетным путем теоретические температуры взрыва – при постоянном давлении Тp и постоянном объеме тv, и давление...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconИнститут механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва
Основными факторами воздействия продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ на окружающую среду являются их бризантное...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconИнститут механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва
Изучение физики процесса и механизма самовоспламенения, овладение методикой определения периода индукции. Работа сводится к решению...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconИнститут механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва
Рассмотрим скорость распространения пламени в смесях горючих газов и паров с воздухом. Зная эту скорость, можно определить безопасные...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconРабочая программа дисциплины «Теория горения и взрыва»
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconКурсовая работа по дисциплине: «Теория горения и взрыва»
Определение количества вещества, которое должно испариться в помещении чтобы в нем создалась наиболее взрывоопасная паровоздушная...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconУчебно-методический комплекс дисциплины «теория горения и взрыва»
Выписка из государственного образовательного стандарта специальности гос с базовыми дидактическими единицами по дисциплине (для специальностей...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconРабочая программа дисциплины опд. Ф. 09 «Теория горения и взрыва»
Учебный план подготовки дипломированных специалистов направления 280100 «Безопасность жизнедеятельности» специальностей 280102 «Безопасность...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва icon1. Цель и задачи дисциплины, ее место в системе подготовки аспиранта, требования к уровню освоения содержания дисциплины
Дисциплина «Газодинамические явления в шахтах» предполагает связь с дисциплинами: «Аэрология горных предприятий», «Теория горения...
Институт механики и энергетики кафедра теплоэнергетических систем теория горения и взрыва iconМетодические указания рассмотрены и одобрены на заседании Методического совета Уральского института гпс мчс россии 19 декабря 2007 года. Протокол № © УрИ гпс мчс россии, 2007 введение изучение дисциплины «Теория горения и взрыва»
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница