تحقیق بررسی انفجار انرژی

تحقیق بررسی انفجار انرژی در 54 صفحه ورد قابل ویرایش 

مبانی تئوری انفجار:

1- مقدمه:

در طول حداقل 200 سال گذشته، كاربرد واژه انفجار متداول بوده است. در زمانهای قبل از آن این واژه به تجزیه[1] ناگهانی مواد و مخلوطهای انفجاری با صدای قابل توجهی نظیر «رعد» اطلاق شده است. این مطلب از دیرباز شناخته شده است كه انفجار تجزیه سریع مقدار معینی ماده است كه به محض رخداد یك ضربه یا گرمایش اصطكاكی اتفاق می‌افتد. بنابراین تجزیه این مواد در شرایط مناسب می‌تواند بصورت ساكت و آرام رخ دهد.

كلمه انفجار[2] از نظر فنی به معنی انبساط ماده به حجمی بزرگتر از حجم اولیه است. آزاد شدن ناگهان انرژی كه لازمه این انبساط است. غالباً از طریق احتراق سریع، دتونیشن[3] (كه در فارسی همان انفجار معنی می‌شود)، تخلیه الكتریكی با فرایندهای كاملاً مكانیكی صورت می‌گیرد. خاصیت متمایز كننده انفجار، همانا انبساط سریع ماده است. به نحویكه انتقال انرژی به محیط تقریباً بطور كامل توسط حركت ماده (جرم) انجام می‌شود. در جدول زیر مقایسه‌ای بین چند فرآیند آزادسازی انرژی انجام شده است:

جدول (بالا) مقایسه‌ای بین سه فرایند آزاد سازی انرژی

برای شعله تقریباً هیچ انتقال جرمی به اطراف رخ نمی دهد در حالیكه نیروی پیشرانش یك اسلحه قادر به راندن گلوله است و یك ماده منفجره قوی[4] هر چیز در تماس با خود را تغییر شكل داده و یا ویران می‌كند. قدرت منهدم كننده این مواد را «ضربه انفجار»[5] نامیده می‌شود كه مستقیماً با حداكثر فشار تولید شده مرتبط است. توجه كنید كه در جدول (بالا)، هیچگونه توصیفی از محل رخداد (تونیشن ماده منفجره قوی ارائه نشده است. این بدان معناست كه فرایند دتونیشن از محدودیتهای فیزیكی مستقل است.

با توجه به مطالب بالا واضح است كه دتونیشن تنها یكی از انواع حالات پدیده انفجار است بعبارت دیگر واژه دتونیشن تنها باید به فرآیندی اطلاق شود كه در طی آن یك «موج شوك»[6] انتشار یابد.

متاسفانه بعلت قفرلفات مناسب فنی در زبان فارسی، دتونیشن به معنی عام انفجار ترجمه می‌شود و بنابراین در ادامه این مبحث برای پرهیز از اشتباه و رسا بودن مطلب همان واژه دتونیشن را به كار برده خواهد شد.

سرآغاز تحقیقات اخیر بر روی دتونیشن به سالهای 45-1940 م. كه «زلدویچ» و «ون نیومان» هر یك به طور جداگانه مدل یك بعدی ساختار امواج دتونیشن را فرمولبندی كردند باز می‌گردد، گرچه یك مدل واقعی سه بعدی تا اواخر سال 1950 م به تاخیر افتاد.

2- پدیده دتونیشن:

دتونیشن یك واكنش شیمیائی «خود منتشر شونده»[7] است كه در طی آن مواد منفجره اعم از مواد جامد، مایع، مخلوطهای گازی، در مدت زمان بسیار كوتاه در حد میكروثانیه. به محصولات گازی شكل داغ و پرفشار با دانسیته بالا و توانا برای انجام كار تبدیل می‌شود. فرض بگیرید قطعه‌ای از مواد منفجره، منفجر گردد. به نظر می‌رسد كه همه آن در یك لحظه و بدون هیچ تاخیر زمانی نابود می‌گردد. البته در واقع دتونیشن از یك نقطه آغازین شروع شده و از میان ماده بطرف انتهای آن حركت می‌كند. این عمل بخاطر آن آنی بنظر می‌رسد كه سرعت رخداد آن بسیار بالاست.

از نظر تئوری دتونیشن ایده‌ال واكنشی است كه در مدت زمان صفر (با سرعت بی‌نهایت) انجام شود. در اینحالت انرژی ناشی از انفجار فوراً آزاد می‌شود اصولاً زمان واكنش بسیار كوتاه یكی از ویژگیهای مواد منفجره است. هر چه این زمان كمتر باشد، انفجار قویتر خواهد بود. از نظر فیزیكی امكان ندارد كه زمان انفجار صفر باشد. زیرا كلیه واكنشهای شیمیائی برای كامل شدن به زمان نیاز دارند.

3-2- موج شوك در سطح قطعه كار:

یك بلوك بزرگ از ماده منفجره را در نظر بگیرید كه دارای دو سطح موازی هم است، در نظر بگیرید. یكی از این سطوح در تماس با یك ورق بزرگ و تخت فلزی است و از روی سطح موازی آن، بطور همزمان یك دتونشین صفحه‌ای آغاز می‌شود. بدین ترتیب یك جبهه انفجار تخت درون بلوك پیشروی خواهد كرد. هنگامیكه هنوز این جبهه به سطح ورق فلزی نرسیده است، فشار در این سطح برابر فشار اولیه باقی خواهد ماند. اما درست در لحظه‌ای كه موج دتونیشن به این سطح می‌رسد یك پرش ناپیوسته فشار، به فشار دتونشین كه بالغ بر چند صد هزار اتمسفر می‌شود، بر روی سطح رخ می‌دهد. این فشار عظیم باعث می‌شود كه فلز وادار به حركت می‌شود. این حركت در ابتدا از سطح تماس ورق و مواد منفجره آغاز شده و سپس در كل ضخامت ورق پیشروی می‌كند كه مطابق شكل صفحه بعد مرز بین فلز متحرك با فلزی كه هنوز شروع به حركت ننموده است. موج شوك نام دارد. توجه كنید همانطور كه در دتونشین، موج شوك مرز مشترك ناحیه آرام و مغشوش است. در سطح فلز نیز مرز بین سكون و حركت فلز است. هر دو موج یك ناپیوستگی شدید در محیط مربوط به خود بوجود می‌آورند. ولی یك تفاوت عمده بین موج شوك منتشر شده در فلز با موج شوك دتونیشن وجود دارد و آن این است كه برخلاف موج شوك دتونیشن، سرعت و فشار خود را از دست می‌دهد. علت این امر به تفضیل در بخش

در پشت شوك، فلز در حال حركت است و به دانسیته‌ای بزرگتر از مقدار اولیه خود متراكم می‌شود. حتی موادی كه معمولاً تراكم ناپذیر در نظر گرفته می‌شوند، بطور محسوسی در برابر این موج متراكم می‌شوند. تراكم فلز آنرا گرمتر خواهد ساخت. بنابراین موج شوك مرز بین فلز داغ و سرد نیز خواهد بود.

4-3- معادلات و روابط حاكم در دتونیشن یك بعدی

در اثر واكنش شیمیایی با سرعت خیلی زیاد (چند كیلومتر بر ثانیه) كه با درجه حرارت و فشار بالا انجام می‌شود و در پشت سر خود محصولات گازی داغ و پر فشار را ایجاد می‌كند، می‌گویند انفجار انجام شده است انفجار حالت دائم در ماده منفجره با سرعت ثابت حركت ولی انفجار ایده‌آل انفجاری است كه در آن واكنش در زمان صفر (با سرعت بی‌نهایت زیاد) انجام شود. چون طبق تعریف زمان انجام واكنش برابر صفر است انرژی ناشی از انفجار فوراً آزاد می‌شود و فشار بسیار بالایی تولید می‌كند همانطور كه می‌دانید یكی از علتهایی كه مواد انفجاری فشار بالایی را تولدی می‌كنند مربوط به زمان كوتاه واكنش آنها می‌باشد. البته از نظر فیزیكی چنین چیزی امكان ندارد زیرا كلیه واكنشهای شیمیایی برای كامل شدن به زمان محدودی نیاز دارند، بنابراین مرز بین مواد واكنش یافته و مواد اولیه دقیقاً بر هم منطبق نیست و ناحیه‌ای با ضخامت محدود بین این دو مرز وجود دارد كه این ناحیه را ناحیه واكنش گویند. اگر دستگاه مختصات بر روی جبهه انفجار قرار داده شود. در آن صورت این ناحیه از نظر هندسی بدون تغییر باقی می‌ماند. علت اصلی این كار این است كه با قرار دادن دستگاه مختصات بر روی جبهه انفجار، فرایند از نظر ریاضی حالت پایدار پیدا می‌كند ولی اگر مبدا مختصات در روی یك نقطه ثابت قرار داشته باشد فرآیند غیردائم است و تجزیه تحلیل آن مشكل می‌شود). چون انرژی‌ای كه می‌كند، ثابت بودن سرعت انفجار یك مشخصه فیزیكی و مهم برای ماده منفجره می‌باشد با استفاده از این خاصیت (همانطور كه در شكل زیر نشان داده شده است) می‌توان آن را به شبیه به یك ناپیوستگی تیز دانست كه با سرعت صابت انفجار  در طول ماده منفجره حركت می‌كند.