Détonation - Detonation

Détonation de TNT et onde de choc

La détonation (du latin detonare  « tonnerre vers le bas/en avant ») est un type de combustion impliquant un front exothermique supersonique s'accélérant à travers un milieu qui finit par entraîner un front de choc se propageant directement devant lui. Les détonations se produisent à la fois dans les explosifs solides et liquides conventionnels, ainsi que dans les gaz réactifs. La vitesse de détonation des explosifs solides et liquides est beaucoup plus élevée que celle des explosifs gazeux, ce qui permet d'observer le système d'ondes avec plus de détails ( résolution plus élevée ).

Une très grande variété de carburants peut se produire sous forme de gaz, de brouillards de gouttelettes ou de suspensions de poussière. Les oxydants comprennent les halogènes, l'ozone, le peroxyde d'hydrogène et les oxydes d'azote . Les détonations gazeuses sont souvent associées à un mélange de combustible et d'oxydant dans une composition légèrement inférieure aux rapports d'inflammabilité conventionnels. Ils se produisent le plus souvent dans des systèmes confinés, mais ils se produisent parfois dans de gros nuages ​​de vapeur. D'autres matériaux, tels que l' acétylène , l' ozone et le peroxyde d'hydrogène sont détonables en l'absence de dioxygène .

La détonation a été découverte en 1881 par deux paires de scientifiques français Marcellin Berthelot et P. Vieille et Ernest-François Mallard et Henry Louis Le Chatelier . Les prédictions mathématiques de la propagation ont d'abord été réalisées par David Chapman en 1899 et par Émile Jouguet en 1905, 1906 et 1917. La prochaine avancée dans la compréhension de la détonation a été réalisée par Zel'dovich , von Neumann et W. Doering au début des années 1940.

Théories

La théorie la plus simple pour prédire le comportement des détonations dans les gaz est connue sous le nom de théorie de Chapman-Jouguet (CJ), développée au tournant du 20e siècle. Cette théorie, décrite par un ensemble relativement simple d'équations algébriques, modélise la détonation comme une onde de choc se propageant accompagnée d'un dégagement de chaleur exothermique. Une telle théorie confine les processus de chimie et de transport diffusif à une zone infiniment mince.

Une théorie plus complexe a été avancée pendant la Seconde Guerre mondiale indépendamment par Zel'dovich , von Neumann et W. Doering . Cette théorie, maintenant connue sous le nom de théorie ZND , admet des réactions chimiques à vitesse finie et décrit ainsi une détonation comme une onde de choc infiniment mince suivie d'une zone de réaction chimique exothermique. Avec un référentiel d'un choc stationnaire, le flux suivant est subsonique, de sorte qu'une zone de réaction acoustique suit immédiatement derrière le front de plomb, la condition de Chapman-Jouguet . Il existe également des preuves que la zone de réaction est semi-métallique dans certains explosifs.

Les deux théories décrivent des fronts d'onde unidimensionnels et stationnaires. Cependant, dans les années 1960, des expériences ont révélé que les détonations en phase gazeuse étaient le plus souvent caractérisées par des structures tridimensionnelles instables, qui ne peuvent être prédites que dans un sens moyen par des théories stables unidimensionnelles. En effet, de telles ondes s'éteignent au fur et à mesure que leur structure est détruite. La théorie de la détonation de Wood-Kirkwood peut corriger certaines de ces limitations.

Des études expérimentales ont révélé certaines des conditions nécessaires à la propagation de tels fronts. En confinement, la gamme de composition des mélanges de combustible et de substances comburantes et autodécomposables avec des inertes est légèrement inférieure aux limites d'inflammabilité et pour les fronts à expansion sphérique bien inférieures à celles-ci. L'influence de l'augmentation de la concentration de diluant sur l'expansion des cellules de détonation individuelles a été élégamment démontrée. De même, leur taille augmente au fur et à mesure que la pression initiale diminue. Étant donné que les largeurs des cellules doivent correspondre à la dimension minimale de confinement, toute onde surchargée par l'initiateur sera éteinte.

La modélisation mathématique n'a cessé de progresser pour prédire les champs d'écoulement complexes à l'origine des chocs induisant des réactions. À ce jour, aucun n'a décrit de manière adéquate comment la structure se forme et se maintient derrière des vagues non confinées.

Applications

Lorsqu'il est utilisé dans des engins explosifs, la principale cause de dommages causés par une détonation est le front de souffle supersonique (une puissante onde de choc ) dans la zone environnante. Il s'agit d'une distinction significative par rapport aux déflagrations où l'onde exothermique est subsonique et les pressions maximales sont au plus égales à un huitième. Par conséquent, la détonation est une caractéristique à des fins destructrices tandis que la déflagration est favorisée pour l'accélération des projectiles des armes à feu . Cependant, les ondes de détonation peuvent également être utilisées à des fins moins destructrices, notamment le dépôt de revêtements sur une surface ou le nettoyage d'équipements (par exemple, l'élimination des scories) et même le soudage par explosion de métaux qui, autrement, ne fusionneraient pas. Les moteurs à détonation par impulsions utilisent l'onde de détonation pour la propulsion aérospatiale. Le premier vol d'un avion propulsé par un moteur à détonation pulsée a eu lieu au Mojave Air & Space Port le 31 janvier 2008.

Dans les moteurs et les armes à feu

La détonation involontaire lorsqu'une déflagration est souhaitée est un problème dans certains dispositifs. Dans le cycle Otto , ou les moteurs à essence, cela s'appelle cliquetis ou cliquetis ou cliquetis du moteur , et cela provoque une perte de puissance, un échauffement excessif et un choc mécanique violent qui peut entraîner une éventuelle panne du moteur. Dans les armes à feu, cela peut provoquer une défaillance catastrophique et potentiellement mortelle.

Les moteurs à détonation pulsée sont une forme de moteur à réaction pulsé qui a été expérimenté à plusieurs reprises car cela offre le potentiel d'un bon rendement énergétique.

Voir également

Les références

Liens externes