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Para detonación en motores de encendido por chispa, consulte Golpe del motor .
No confundir con Denotación .
Detonación de TNT

La detonación (del latín detonare  'trueno hacia abajo / adelante' [1] ) es un tipo de combustión que involucra un frente exotérmico supersónico que acelera a través de un medio que eventualmente impulsa un frente de choque que se propaga directamente frente a él. Las detonaciones se producen tanto en explosivos convencionales sólidos como líquidos, [2] así como en gases reactivos. La velocidad de detonación en explosivos sólidos y líquidos es muy superior a la de los gaseosos, lo que permite observar con mayor detalle el sistema de ondas (mayor resolución ).

Puede producirse una gran variedad de combustibles en forma de gases, gotitas de niebla o suspensiones de polvo. Los oxidantes incluyen halógenos, ozono, peróxido de hidrógeno y óxidos de nitrógeno . Las detonaciones gaseosas se asocian a menudo con una mezcla de combustible y oxidante en una composición algo por debajo de las relaciones de inflamabilidad convencionales. Ocurren con mayor frecuencia en sistemas confinados, pero a veces ocurren en grandes nubes de vapor. Otros materiales, como el acetileno , el ozono y el peróxido de hidrógeno, son detonables en ausencia de dióxido de carbono . [3] [4]

La detonación fue descubierta en 1881 por dos pares de científicos franceses Marcellin Berthelot y P. Vieille [5] y Ernest-François Mallard y Henry Louis Le Chatelier . [6] Las predicciones matemáticas de la propagación fueron realizadas primero por David Chapman en 1899 [7] y por Émile Jouguet en 1905, [8] 1906 [9] y 1917. [10] El siguiente avance en la comprensión de la detonación fue realizado por Zel 'dovich , von Neumann y W. Doering a principios de la década de 1940.

Teorías [ editar ]

La teoría más simple para predecir el comportamiento de las detonaciones en gases se conoce como teoría de Chapman-Jouguet (CJ), desarrollada a principios del siglo XX. Esta teoría, descrita por un conjunto relativamente simple de ecuaciones algebraicas, modela la detonación como una onda de choque que se propaga acompañada de una liberación de calor exotérmica. Tal teoría confina los procesos de transporte químico y difusivo a una zona infinitesimalmente delgada.

Durante la Segunda Guerra Mundial , Zel'dovich , von Neumann y W. Doering propusieron una teoría más compleja de forma independiente . [11] [12] [13] Esta teoría, ahora conocida como teoría ZND , admite reacciones químicas de velocidad finita y, por lo tanto, describe una detonación como una onda de choque infinitesimalmente delgada seguida de una zona de reacción química exotérmica. Con un marco de referencia de un choque estacionario, el siguiente flujo es subsónico, de modo que una zona de reacción acústica sigue inmediatamente detrás del frente principal, la condición de Chapman-Jouguet . [14] [15] También hay alguna evidencia de que la zona de reacción es semimetálica en algunos explosivos. [dieciséis]

Ambas teorías describen frentes de onda unidimensionales y estables. Sin embargo, en la década de 1960, los experimentos revelaron que las detonaciones en fase gaseosa se caracterizaban con mayor frecuencia por estructuras tridimensionales inestables, que solo en un sentido promedio pueden predecirse mediante teorías estables unidimensionales. De hecho, esas olas se apagan a medida que se destruye su estructura. [17] [18] La teoría de la detonación de Wood-Kirkwood puede corregir algunas de estas limitaciones. [19]

Los estudios experimentales han revelado algunas de las condiciones necesarias para la propagación de tales frentes. En confinamiento, el rango de composición de mezclas de combustible y sustancias oxidantes y autodescomponentes con inertes está ligeramente por debajo de los límites de inflamabilidad y para frentes de expansión esférica muy por debajo de ellos. [20] Se ha demostrado elegantemente la influencia del aumento de la concentración de diluyente en la expansión de las células de detonación individuales. [21] De manera similar, su tamaño aumenta a medida que cae la presión inicial. [22] Dado que los anchos de las celdas deben coincidir con la dimensión mínima de contención, cualquier ola sobrepasada por el iniciador se apagará.

El modelado matemático ha avanzado constantemente para predecir los complejos campos de flujo detrás de las reacciones que inducen a los choques. [23] [24] Hasta la fecha, ninguno ha descrito adecuadamente cómo se forma y se sostiene la estructura detrás de ondas no confinadas.

Aplicaciones [ editar ]

Cuando se usa en artefactos explosivos, la principal causa de daño de una detonación es el frente de explosión supersónico (una poderosa onda de choque ) en el área circundante. Esta es una distinción significativa de las deflagraciones donde la onda exotérmica es subsónica y las presiones máximas son como máximo un octavo [ cita requerida ] tan grande. Por lo tanto, la detonación es una característica con fines destructivos, mientras que la deflagración se favorece para la aceleración de los proyectiles de armas de fuego . Sin embargo, las ondas de detonación también pueden utilizarse con fines menos destructivos, incluida la deposición de revestimientos en una superficie [25] o la limpieza de equipos (por ejemplo, eliminación de escoria [26] ) e inclusosoldar explosivamente metales que de otra manera no se fusionarían. Los motores de detonación por pulsos utilizan la onda de detonación para la propulsión aeroespacial. [27] El primer vuelo de una aeronave propulsada por un motor de detonación por pulsos tuvo lugar en el puerto aéreo y espacial de Mojave el 31 de enero de 2008. [28]

En motores y armas de fuego [ editar ]

La detonación involuntaria cuando se desea la deflagración es un problema en algunos dispositivos. En el ciclo Otto , o en los motores de gasolina, se le llama golpeteo del motor o picado o picado, y causa una pérdida de potencia, un calentamiento excesivo y un fuerte choque mecánico que puede resultar en una eventual falla del motor. [29] [ referencia circular ] [30] En armas de fuego, puede causar fallas catastróficas y potencialmente letales.

Los motores de detonación por impulsos son una forma de motor a reacción de impulsos con el que se ha experimentado en varias ocasiones, ya que ofrece el potencial para una buena eficiencia de combustible.

Ver también [ editar ]

  • Detonación de carbono
  • Detonador
  • Detonación de una carga explosiva
  • Diamante de detonación
  • Pararrayos de detonación
  • Detonación simpática
  • Prueba nuclear
  • Predetonación
  • Condición de Chapman-Jouguet
  • Golpeteo del motor
  • Quemación rápida
  • Factor de efectividad relativa

Referencias [ editar ]

  1. ^ Diccionarios de Oxford Living . "detonar" . Inglés británico y mundial . Prensa de la Universidad de Oxford . Consultado el 21 de febrero de 2019 .
  2. ^ Fickett; Davis (1979). Detonación . Univ. Prensa de California. ISBN 978-0-486-41456-0.
  3. ^ Stull (1977). Fundamentos de fuego y explosión . Serie de monografías. 10 . AIChem.E. pag. 73.
  4. ^ Urben, Peter; Bretherick, Leslie (2006). Manual de Bretherick's Handbook of Reactive Chemical Hazards (7ª ed.). Londres: Butterworths. ISBN 978-0-12-372563-9.
  5. ^ 6 M. Berthelot y P. Vieille, "Sobre la velocidad de propagación de procesos explosivos en gases", Comp. Desgarrar. Hebd. Séances Acad. Sci., Vol. 93, págs.18-21, 1881
  6. ^ 5 E. Mallard y HL Le Chatelier, "Sobre la velocidad de propagación de la combustión en mezclas explosivas gaseosas", Comp. Desgarrar. Hebd. Séances Acad. Sci., Vol. 93, págs.145-148, 1881
  7. ↑ Chapman, DL (1899). VI. Sobre la tasa de explosión de gases. Revista y Revista de Ciencia de Londres, Edimburgo y Dublín, 47 (284), 90-104.
  8. ^ Jouguet, E. (1905). Sobre la propagación de reacciones químicas en gases. J. de mathiques Pures et Appliquees, 1 (347-425), 2.
  9. ^ Jouguet, EJ (1906). Mathem. Puras Appl. 1. 1905. P. 347-425. Y 2.
  10. ^ Jouguet, É. (1917). L'œuvre scientifique de Pierre Duhem. Doin.
  11. ^ Zel'dovich; Kompaneets (1960). Teoría de la detonación . Nueva York: Academic Press. ASIN B000WB4XGE . OCLC 974679 .  
  12. ↑ von Neumann, John (1942). Informe de situación sobre la "Teoría de las ondas detonantes" (Informe). Informe OSRD No. 549. Número de ascensión ADB967734. Archivado desde el original el 17 de julio de 2011 . Consultado el 22 de diciembre de 2017 .
  13. ^ Doring, W. (1943). "Über den Detonationsvorgang in Gasen". Annalen der Physik . 43 (6–7): 421–436. Código Bibliográfico : 1943AnP ... 435..421D . doi : 10.1002 / yp.19434350605 .
  14. ^ Chapman, David Leonard (enero de 1899). "Sobre la tasa de explosión de los gases" . Revista filosófica . Serie 5. Londres. 47 (284): 90-104. doi : 10.1080 / 14786449908621243 . ISSN 1941-5982 . LCCN sn86025845 .  
  15. ^ Jouguet, Jacques Charles Emile (1905). "Sur la propagation des réactions chimiques dans les gaz" [Sobre la propagación de reacciones químicas en gases] (PDF) . Journal de Mathématiques Pures et Appliquées . 6. 1 : 347–425. Archivado desde el original (PDF) el 19 de octubre de 2013 . Consultado el 19 de octubre de 2013 . Continuado en Continuado en Jouguet, Jacques Charles Emile (1906). "Sur la propagation des réactions chimiques dans les gaz" [Sobre la propagación de reacciones químicas en gases] (PDF) . Journal de Mathématiques Pures et Appliquées . 6. 2 : 5-85. Archivado desde el original (PDF) el 16 de octubre de 2015.
  16. ^ Reed, Evan J .; Riad Manaa, M .; Fried, Laurence E .; Glaesemann, Kurt R .; Joannopoulos, JD (2007). "Una capa semimetálica transitoria en nitrometano detonante". Física de la naturaleza . 4 (1): 72–76. Código Bibliográfico : 2008NatPh ... 4 ... 72R . doi : 10.1038 / nphys806 .
  17. ^ Edwards, DH; Thomas, GO y Nettleton, MA (1979). "La difracción de una onda de detonación plana en un cambio de área abrupto". Revista de Mecánica de Fluidos . 95 (1): 79–96. Código bibliográfico : 1979JFM .... 95 ... 79E . doi : 10.1017 / S002211207900135X .
  18. ^ DH Edwards; Vaya Thomas; MA Nettleton (1981). AK Oppenheim; N. Manson; RI Soloukhin; JR Bowen (eds.). "Difracción de una detonación plana en varias mezclas de oxígeno y combustible en un cambio de área". Progreso en Astronáutica y Aeronáutica . 75 : 341–357. doi : 10.2514 / 5.9781600865497.0341.0357 . ISBN 978-0-915928-46-0.
  19. ↑ Glaesemann, Kurt R .; Fried, Laurence E. (2007). "Cinética química de detonación madera-kirkwood mejorada" . Cuentas de Química Teórica . 120 (1-3): 37-43. doi : 10.1007 / s00214-007-0303-9 . S2CID 95326309 . 
  20. ^ Nettleton, MA (1980). "Límites de detonación e inflamabilidad de gases en situaciones confinadas y no confinadas". Ciencia y tecnología de prevención de incendios (23): 29. ISSN 0305-7844 . 
  21. ^ Munday, G .; Ubbelohde, AR y Wood, IF (1968). "Detonación fluctuante en gases". Proceedings of the Royal Society A . 306 (1485): 171-178. Código Bibliográfico : 1968RSPSA.306..171M . doi : 10.1098 / rspa.1968.0143 . S2CID 93720416 . 
  22. ^ Barthel, HO (1974). "Espaciamientos previstos en detonaciones de hidrógeno-oxígeno-argón". Física de fluidos . 17 (8): 1547-1553. Código Bibliográfico : 1974PhFl ... 17.1547B . doi : 10.1063 / 1.1694932 .
  23. ^ Orán; Boris (1987). Simulación numérica de flujos reactivos . Editores de Elsevier.
  24. ^ Sharpe, GJ; Quirk, JJ (2008). "Dinámica celular no lineal del modelo de detonación idealizado: células regulares" (PDF) . Teoría y modelización de la combustión . 12 (1): 1–21. Código Bibliográfico : 2007CTM .... 12 .... 1S . doi : 10.1080 / 13647830701335749 . S2CID 73601951 .  
  25. ↑ Nikolaev, Yu.A .; Vasil'ev, AA; Ul'yanitskii y B.Yu. (2003). "Detonación de gas y su aplicación en ingeniería y tecnologías (revisión)". Ondas de combustión, explosión y choque . 39 (4): 382–410. doi : 10.1023 / A: 1024726619703 . S2CID 93125699 . 
  26. ^ Huque, Z .; Ali, MR y Kommalapati, R. (2009). "Aplicación de la tecnología de detonación por pulsos para la eliminación de escoria de calderas". Tecnología de procesamiento de combustible . 90 (4): 558–569. doi : 10.1016 / j.fuproc.2009.01.004 .
  27. ^ Kailasanath, K. (2000). "Revisión de aplicaciones de propulsión de ondas de detonación". Revista AIAA . 39 (9): 1698-1708. Código bibliográfico : 2000AIAAJ..38.1698K . doi : 10,2514 / 2,1156 .
  28. ^ Norris, G. (2008). "Pulse Power: Demostración de vuelo impulsado por motor de detonación de pulso marca un hito en Mojave" . Semana de la aviación y tecnología espacial . 168 (7): 60.
  29. ^ Ver artículo sobre golpes de motor
  30. ^ Andre Simon. "No pierda el tiempo escuchando toc ..." Academia de alto rendimiento .

Enlaces externos [ editar ]

  • Vídeo de Youtube que demuestra la física de una onda expansiva
  • Base de datos de detonaciones del laboratorio de dinámica de explosiones GALCIT