این فایل با فرمت Word بوده و قابل ویرایش است و همچنین آماده پرینت می باشد
موضوع : تحقیق درمورد انفجار انرژی
انفجار انرژي
دتونيشن يك واكنش شيميائي «خود منتشر شونده»است كه در طي آن مواد منفجره اعم از مواد جامد، مايع، مخلوطهاي گازي، در مدت زمان بسيار كوتاه در حد ميكروثانيه. به محصولات گازي شكل داغ و پرفشار با دانسيته بالا و توانا براي انجام كار تبديل مي‌شود. فرض بگيريد قطعه‌اي از مواد منفجره، منفجر گردد. به نظر مي‌رسد كه همه آن در يك لحظه و بدون هيچ تاخير زماني نابود مي‌گردد. البته در واقع دتونيشن از يك نقطه آغازين شروع شده و از ميان ماده بطرف انتهاي آن حركت مي‌كند. اين عمل بخاطر آن آني بنظر مي‌رسد كه سرعت رخداد آن بسيار بالاست.
از نظر تئوري دتونيشن ايده‌ال واكنشي است كه در مدت زمان صفر (با سرعت بي‌نهايت) انجام شود. در اينحالت انرژي ناشي از انفجار فوراً آزاد مي‌شود اصولاً زمان واكنش بسيار كوتاه يكي از ويژگيهاي مواد منفجره است. هر چه اين زمان كمتر باشد، انفجار قويتر خواهد بود. از نظر فيزيكي امكان ندارد كه زمان انفجار صفر باشد. زيرا كليه واكنشهاي شيميائي براي كامل شدن به زمان نياز دارند.
پديده دتونيشن با تقريبي عالي مستقل از شرايط خارجي است و با سرعتي كه در شرايط پايداربراي هر تركيب، فشار و دماي ماده انفجاري اوليه ثابت است منتشر مي‌شود. ثابت بودن سرعت انفجار، يكي از خصوصيات فيزيكي مهم براي هر ماده منفجره مي‌باشد در اثر دتونيشن، فشار، دما و چگالي افزايش مي‌يابند. اين تغييرات در اثر تراكم محصولات انفجار حاصل مي‌گردند.
پديده‌اي كه مستقل از زمان در يك چارچوب مرجع حركت مي‌كند. «موج» ناميده مي‌شود و ناحيه واكنش دتونيشن، «موج دتونيشن»يا موج انفجار ناميده مي‌شود. در حالت پايدار اين موج انفجار بصورت يك ناپيوستگي شديد فشاري كه با سرعت بسيار زياد و ثابت VD از ميان مواد عبور مي‌كند توصيف مي‌شود واكنش شيميائي در همسايگي نزديك جبهه دتونيشناست كه باعث تشكيل موج انفجار مي‌شود. اين موج با سرعتي بين1 و تا9، بسته به طبيعت فيزيكي وشيميائي ماده منفجره حركت مي‌كند. اين سرعت را مي‌توان با استفاده از قوانين ترموهيدروديناميك تعيين نمود. عواملي كه در سرعت انفجار نقش دارند عبارتند از: انرژي آزاد شده در فرآيند، نرخ آزاد شدن انرژي، چگالي ماده منفجره و ابعاد خرج انفجاري.
يك مدل ساده براي اين پديده مطابق شكل زير از يك «جبهه شوك»و بلافاصله بدنبال آن يك ناحيه انجام واكنش كه در آن فشارهاي بسيار بالا توليد مي‌شود، تشكيل شده است. ضخامت ناحيه واكنش در انفجار ايده‌آل صفر است و هر چه انفجار بحالت ايده‌ال نزديكتر باشد. ضخامت اين ناحيه كمتر است. نقطه پايان اين ناحيه، محل شروع ناحيه فشار دتونيشناست.
فشار دتونيشن با رابطه زير به سرعت دتونيشن و دانسيته مواد منفجره وابسته است
كه P مصرف فشار دتونيشن و P مصرف چگالي محصولات و P0 چگالي ماده منفجره است. بر اساس اين فرض كه چگالي محصولات دتونيشن بزرگتر از چگالي مواد منفجره اوليه است، يك رابطه كاربردي بصورت زير استخراج مي‌گردد از آنجا كه زمان رخداد واكنش شيميائي در يك فرآيند دتونيشن بسيار كوتاه است. انتشار و انبساط گازهاي داغ حاصل در ناحيه واكنش بسيار اندك و غير متحمل است و لذا اين گازها هم حجم مواد منفجره اوليه باقي مي‌مانند. اين مطلب دليل اصلي اين نكته است كه چرا فشار پشت جبهه انفجار بسيار بالاست. اين فشار براي مواد منفجره نظامي در حدود Gpa 19 تا Gpa35 و براي مواد منفجره جاري كمتر است. همانطور كه قبلاً ذكر گرديد، موج دتونيشن مستقل از شرايط خارجي است. عليرغم اين استقلال، جريان محصولات گازي كه در پشت جبهه موج حركت مي‌كنند به زمان و شرايط مرزي وابسته است براي مثال يك بلوك مستطيل بزرگ از يك ماده منفجره را در نظر بگيريد كه بر روي كل يكي از سطوح آن، به طور همزمان دتونيشن آغاز مي‌شود. اين سطح در خلا قرار دارد و هيچ مانعي براي انبساط گازها وجود ندارد. موج صفحه‌اي دتونيشن با سرعت ثابت بدرون ماده پيشروي مي‌كند و گازهاي حاصل از انفجار كه بلافاصله در پشت اين جبهه موج قرار دارند با سرعتي كمتر از سرعت موج كه سرعت جرم نام دارد در همان جهت حركت مي‌كنند. اما در سطح عقبي، گازها مشغول فرار در جهت مخالف هستند (در اثر خلا). همچنين فشار گاز در پشت جبهه موج بسيار بالاست، ولي در خلا پشت سر، صفر است لذا فشار بصورت منحن وار بين ايندو موقعيت تغيير مي‌كند. نموداري از تغييرات فشار و سرعت جرم براي يك ماده منفجره جامد در شكل زير نشان داده شده است.
همانطور كه ملاحظه مي‌شود ناحيه همسايه منطقه واكنش بسيار كم تحت تاثير تغيير شرايط مرزي قرار مي‌گيرد.
آغاز همزمان دتونيشن از روي كل يك سطح مشكل است. در عمل آسانتر است كه آغاز انفجار از يك نقطه باشد. در اينحالت موج دتونشين از يك نقطه درون ماده منفجره گسترش يافته و گراديان فشار در اينحالت از آنچه در شكل صفحه قبل نشان داده شده، تيزتر خواهد بود.
وقتي از مواد منفجره براي راندن و بحركت در آوردن ساير مواد و سازمان‌ها استفاده مي‌شود محاسبه دقيق پروفيل فشار و سرعت جرم، وروديهاي لازم براي محاسبات حركت سازه رانده شده مي‌باشد. شكل اين پروفيلها به معادله حالت محصولات انفجار وابسته‌اند، معادلاتي كه تلاشهاي بسياري براي بدست آوردن آنها انجام شده و در دست انجام است.
يك موج شوك، جبهه شوك يا مختصراً يك شوك، موجي است كه در ماده يك جهشفشاري (يا تنشي) ناگهاني و تقريباً ناپيوسته ايجاد مي‌كند، اين موج بسيار سريعتر از امواج صوتي منتشر مي‌شود، بدين معني كه اين موج نسبت به محيط پيرامون خود فرا صوتي است و اين خاصيت خود را بدون تغيير حفظ مي‌كند.
موج شوك از جمله خواص اغلب مواد است و از خاصيتي از ماده كه بر اساس آن سرعت انتقال صوت در ماده بصورت مي‌باشد منتج مي‌شود. انديس s معرف حالت آنتروپي پاياست. اين موج از نظر ترموديناميكي برگشت ناپذير است. و لذا آنتروپي سيستم در جبهه شوك در اثر لزجت و هدايت حرارتي افزايش مي‌يابد. امواج شوك كه امواج فشاري نيز ناميده مي‌شوند، عامل شتابگيري ذرات ماده، در جهت انتشار خود هستند.
بر اساس مطالب بالا اكنون به تشريح دقيقتر موج شوك در پديده دتونيشن و نيز در قطعه كار (ورق فلزي) مي‌پردازيم.
1-3- موج شوك در فرآيند دتونشين:
موج شوك عبارتست از يك ناپايداري شديد فشاري (هيدروديناميكي) كه با سرعت ثابت و بسيار بالا، از ميان مواد منفجره عبور مي‌كند. واكنش شيميائي در پشت و در همسايگي بسيار نزديك آن رخ داده و موج شوك را پشتيباني مي‌كند. موج شوك و ناحيه واكنش مجموعاً «جبهه انفجار» را تشكيل مي‌دهند. ضخامت موج شوك در حدود mm001/0 و ضخامت ناحيه واكنش در حدود mm1 تا cm1 است. شكل زير ساختمان يك جبهه انفجار را نشان مي‌دهد.
3-2- موج شوك در سطح قطعه كار:
يك بلوك بزرگ از ماده منفجره را در نظر بگيريد كه داراي دو سطح موازي هم است، در نظر بگيريد. يكي از اين سطوح در تماس با يك ورق بزرگ و تخت فلزي است و از روي سطح موازي آن، بطور همزمان يك دتونشين صفحه‌اي آغاز مي‌شود. بدين ترتيب يك جبهه انفجار تخت درون بلوك پيشروي خواهد كرد. هنگاميكه هنوز اين جبهه به سطح ورق فلزي نرسيده است، فشار در اين سطح برابر فشار اوليه باقي خواهد ماند. اما درست در لحظه‌اي كه موج دتونيشن به اين سطح مي‌رسد يك پرش ناپيوسته فشار، به فشار دتونشين كه بالغ بر چند صد هزار اتمسفر مي‌شود، بر روي سطح رخ مي‌دهد. اين فشار عظيم باعث مي‌شود كه فلز وادار به حركت مي‌شود. اين حركت در ابتدا از سطح تماس ورق و مواد منفجره آغاز شده و سپس در كل ضخامت ورق پيشروي مي‌كند كه مطابق شكل صفحه بعد مرز بين فلز متحرك با فلزي كه هنوز شروع به حركت ننموده است. موج شوك نام دارد. توجه كنيد همانطور كه در دتونشين، موج شوك مرز مشترك ناحيه آرام و مغشوش است. در سطح فلز نيز مرز بين سكون و حركت فلز است. هر دو موج يك ناپيوستگي شديد در محيط مربوط به خود بوجود مي‌آورند. ولي يك تفاوت عمده بين موج شوك منتشر شده در فلز با موج شوك دتونيشن وجود دارد و آن اين است كه برخلاف موج شوك دتونيشن، سرعت و فشار خود را از دست مي‌دهد. علت اين امر به تفضيل در بخش
در پشت شوك، فلز در حال حركت است و به دانسيته‌اي بزرگتر از مقدار اوليه خود متراكم مي‌شود. حتي موادي كه معمولاً تراكم ناپذير در نظر گرفته مي‌شوند، بطور محسوسي در برابر اين موج متراكم مي‌شوند. تراكم فلز آنرا گرمتر خواهد ساخت. بنابراين موج شوك مرز بين فلز داغ و سرد نيز خواهد بود.
4-3- معادلات و روابط حاكم در دتونيشن يك بعدي
در اثر واكنش شيميايي با سرعت خيلي زياد (چند كيلومتر بر ثانيه) كه با درجه حرارت و فشار بالا انجام مي‌شود و در پشت سر خود محصولات گازي داغ و پر فشار را ايجاد مي‌كند، مي‌گويند انفجار انجام شده است انفجار حالت دائم در ماده منفجره با سرعت ثابت حركت ولي انفجار ايده‌آل انفجاري است كه در آن واكنش در زمان صفر (با سرعت بي‌نهايت زياد) انجام شود. چون طبق تعريف زمان انجام واكنش برابر صفر است انرژي ناشي از انفجار فوراً آزاد مي‌شود و فشار بسيار بالايي توليد مي‌كند همانطور كه مي‌دانيد يكي از علتهايي كه مواد انفجاري فشار بالايي را تولدي مي‌كنند مربوط به زمان كوتاه واكنش آنها مي‌باشد. البته از نظر فيزيكي چنين چيزي امكان ندارد زيرا كليه واكنشهاي شيميايي براي كامل شدن به زمان محدودي نياز دارند، بنابراين مرز بين مواد واكنش يافته و مواد اوليه دقيقاً بر هم منطبق نيست و ناحيه‌اي با ضخامت محدود بين اين دو مرز وجود دارد كه اين ناحيه را ناحيه واكنش گويند. اگر دستگاه مختصات بر روي جبهه انفجار قرار داده شود. در آن صورت اين ناحيه از نظر هندسي بدون تغيير باقي مي‌ماند. علت اصلي اين كار اين است كه با قرار دادن دستگاه مختصات بر روي جبهه انفجار، فرايند از نظر رياضي حالت پايدار پيدا مي‌كند ولي اگر مبدا مختصات در روي يك نقطه ثابت قرار داشته باشد فرآيند غيردائم است و تجزيه تحليل آن مشكل مي‌شود). چون انرژي‌اي كه مي‌كند، ثابت بودن سرعت انفجار يك مشخصه فيزيكي و مهم براي ماده منفجره مي‌باشد با استفاده از اين خاصيت (همانطور كه در شكل زير نشان داده شده است) مي‌توان آن را به شبيه به يك ناپيوستگي تيز دانست كه با سرعت صابت انفجار در طول ماده منفجره حركت مي‌كند.
در سمت راست جبهه انفجار مواد منفجره واكنش نيافته با مشخصات و P0 و T0 و E0 وجود دارند و در سمت چپ جبهه انفجار محصولات گازي با خواص و P و T و E قرار دارند. البته فرض شده است كه تمام مواد منفجره در واكنش شركت كرده‌اند. در اثر انفجار گازهايي در دماي بالاي T و فشار زياد P به وجود آمده است و در اثر فشرده شدن گازها دانسيته آنها به P رسيده است كه از P0 بيشتر مي‌باشد و سرعت جريان (U) و در جهت راست مي‌باشد.
انفجار در زمان محدود و معيني انجام مي‌شود، اين نوع انفجار را انفجار واقعي گوييم.
باعث پيشرفت انفجار در طول ماده منفجره مي‌شود از اين ناحيه سرچشمه مي‌گيرد. ماهيت اين ناحيه مهم است و تاثير زيادي روي سرعتهاي انفجار و ابعاد و كارآيي مواد منفجره دارد. ضخامت ناحيه انفجار براي مواد منفجره مختلف با هم تفاوت دارد كه اين امر باعث تفاوت سرعت انفجار آنها مي‌شود. ضخامت ناحيه انفجار در انفجار ايده‌آل برابر صفر است و هر چه انفجار به حالت ايده‌آل نزديكتر باشد ضخامت اين ناحيه كمتر است.
در بررسي فرآيند دتونيشناصطلاح منحني هوگونيت زياد به چشم مي‌خورد. منحني هوگونيت روابطي را كه شرايط موجود در جبهه شوك را توصيف مي‌كنند بيان مي‌كند. اين معادلات را معادلات رانكين- هوگونيت مي‌نامند. از رسم اين معادلات در صفحه P-V منحني‌هاي هوگونيت بدست مي‌آيد .
قوانين بقاي جرم و اندازه حركت را بايد از ديد ناظري كه با سرعت موج حركت مي‌كند و بر روي جبهه موج قرار دارد بررسي كرد، براي نوشتن معادلات حجم كنترلي را در نظر گرفته و روابط مربوطه نوشته مي‌شود.
براي داشتن يك ايده كلي از معادلات دتونيشن ابتدا به بررسي معادلات كلي انفجار پرداخته مي‌شود و سپس معادلات رانكين- هوگونيت انفجار توضيح داده مي‌شود.
شكل ديفرانسيلي اين معادلات بصورت زير مي‌باشد.
معادلات، معادله حالت گازهاي حاصل از انفجار و نيز تعيين مكانيزم واكنش شيميايي لازم است. همانطور كه از شكل معادلات پيداست، حل تحليلي براي آنها وجود ندارد و حل عددي آنها حتي با فرض اينكه معادلات حالت و مكانيزم واكنش معلوم باشد. بسيار مشكل است، (براي بدست آوردن معادله حالت بايد فشار و دما و حجم را اندازه‌گيري كرد و با ارتباط دادن آنها به هم معادله حالت را بدست آورد، چون فشار و دماي ناشي از انفجار بسيار زياد است معادله حالت را نمي‌توان به روش معمولي بدست آورد و براي بدست آوردن اين معادله از روشهاي غير مستقيم استفاده مي‌شود). اگر معادلات بالا براي حالت يك بعدي نوشته شود، سيستم معادلات به صورت زير در مي‌آيد.