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

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=А(n 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:
(оD=((D-U); (1)
P= (оDU; (2)
(-(о-QV=1/2P(Vo-V); (3)
Р=А(n (4)
(5) где (о и (— плотность заряда ВВ и ПД соответственно;
Vо и V — удельный объем ВВ и ПД; D — скорость детонации; U — массовая скорость ПД; ( и (о — 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=(оDU= (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 (, 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 (D, 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

(D((,— -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 (Dn не являются
.постоянными величинами (зависят от времени), .поэтому в расчетах попользуются средние значения этих величин.

Найдя толщину пластины (l=b), в которой происходит затухание химпика от
ВВ в материале, и зная скорость процесса, можно вычислить ширину ЗХР.
Условие равенства времен для ВВ по t—x — диаграмме может быть записано
(25)
Откуда
(26) где a — ширина зоны химической реакции.
То же условие для материала пластин по t-x - диаграмме может быть записано следующим, образом:
(27)
Избавимся от знаменателей в правой части равенства (27)

Отсюда
(28)
Подставив выражение для ( (28) в выражение для ЗХР, получим (26)
(29)

Скорость ударной волны и скорость звука в материале пластины определяется по известному значению скорости движения и ударной адиабате, которая обычно задается в виде двучлена
Dn=A+BUn (30) где А и В — постоянные,
Для наиболее часто используемых материалов (Mg, Си, А1) выражение ударных адиабат имеет вид
Dn(Мg)=4,78+1,16Un (31)
Для давлений 6,0—40 ГПа
Dn(Cu)=3,64+l,96Un (32)
Для давлений 17—52 ГПа
Dn(Al)=5,15+l,50Un (33)
Коэффициент пропорциональности ( находится как
где — средняя массовая скорость в области химпика.
Обычно

В тех случаях, когда точность измерения массовой скорости допускается в пределах 3—5%, а определение ЗХР не требуется, зависимость W=W(l) можно не строить, а лишь измерить скорость движения свободной поверхности пластины шириной, равной или несколько большей b.
Для металлов b обычно меньше 3 мм.

Точность и воспроизводимость эксперимента обеспечивается лишь при наличии плоского детонационного фронта и при проведении измерения в области однократно сжатой пластины, не затронутой волной разгрузки с боковой поверхности. На кинетику химической реакции в ЗХР может оказывать существенное влияние отраженная ударная волна, особенно при малых плотностях ВВ., что может привести к занижению ширины ЗХР и завышению параметров в плоскости Чепмёна-Жуге.
2.1.2. Электромагнитный метод определения параметров детонации.

Сущность электромагнитного метода измерения массовой скорости движения вещества состоит в следующем: при движении проводника в магнитном поле на его концах наводится ЭДС индукции, которая связана со скоростью движения проводника, его длиной и напряженностью магнитного поля соотношением
где Н — напряженность магнитного поля, А/м; U — скорость движения проводника, м/с; / — длина проводника, см.

Скорость движения проводника легко найти, если известны Н. I и (.
Проводник, называемый датчиком, представляет собой полоску алюминиевой фольги, толщиной 0,15—0,25 мм и шириной 10 мм в форме буквы П, перекладина которой и является рабочей длиной датчика.

Датчик располагается в заряде перпендикулярно его оси, а затем вместе с зарядом помещается в постоянное магнитное поле так, Чтобы при движения рабочая плоскость датчика пересекала силовые линии магнитного поля.
Расположение заряда с датчиком в магнитном поле показано на рис. 6.

При прохождении детонационной волны по заряду датчик вовлекается в движение веществом, перемещающимся за фронтом детонационной волны. При постоянных Н и I ЭДС 10 будет функцией только скорости датчика, которая совпадает со скоростью движения вещества.

Метод измерения предполагает наличие достаточно сильного магнитного поля, которое в течение опыта должно оставаться постоянным. Минимальная напряженность поля должна быть достаточно высокой по отношению к помехам.
Кроме достаточной напряженности, магнитное поле должно обладать необходимой степенью однородности по крайней мере в том объеме, в котором происходит движение датчика.

Определение значения массовой скорости и времени химической реакции в плоскости Чепмёна-Жуге производится в соответствии с выводами теории по точке излома профиля U==U(t).

Расчет значения массовой скорости производится при помощи тарировочного графика (( — высота сигнала