Istraživanje ekstremnog – eksplozivi

Poslijediplomski studij

Autor: Barbara Štimac, mag.geol.

Jedan od ciljeva istraživanja u okviru HRZZ projekta NEIDEMO je razvoj poboljšanog modela neidealne detonacije temeljenog na Wood-Kirkwoodovoj teoriji blago divergentnog toka i termokemijskom računalnom kodu EXPLO5.

Detonacijom eksplozivnog naboja stvara se detonacijski val koji se širi kroz eksploziv brzinom do 10 km/s, dostiže tlak do 40 GPa i temperaturu do 6000 K, u vremenu od nekoliko nanosekundi. Zbog ekstremno kratkog vremena trajanja reakcija i visokog tlaka, energija se prijenosi s vrućih detonacijskih produkata na neizreagirani dio eksploziva gibanjem. Postoje dvije općeprihvaćene teorije detonacije temeljene na zakonima očuvanja i hidrodinamičnoj teoriji: Chapman-Jouguetova (CJ) teorija koja pretpostavlja da se reakcije odvijaju trenutačno (što znači da reakcijska zona ne postoji) i Zeldovich-von Neumann-Doeringova (ZND) teorija koja uzima u obzir postojanje reakcijske zone određene širine i određenog vremena  trajanja reakcija (Slika 1).

Eksplozivi koji se ponašaju u skladu s CJ teorijom nazivaju se „idealni eksplozivi“. Međutim, detonacijska svojstva gospodarskih eksploziva („neidealnih eksploziva“) ne mogu se točno predvidjeti primjenom C-J teorije. Teorijski izračunata detonacijska brzina i tlak gospodarskih eksploziva znatno su viši od eksperimentalno izmjerenih, te detonacijska brzina jako ovisi o promjeru eksplozivnog naboja i svojstvima obloge (Esen, 2004; Souers i ostali, 2004; Minchinton, 2015; Sućeska i ostali, 2019).

 

20200515 1

Slika 1 Pojednostavljeni prikaz CJ detonacijske teorije (gore) i ZND teorije (dolje)

Glavni uzrok neidealnosti detonacije gospodarskih eksploziva je relativno dugo vrijeme trajanja reakcija u zoni kemijskih reakcija (reda veličine mikrosekunda) u usporedbi s vremenom reakcija kod idealnih eksploziva od svega nekoliko desetaka nanosekunda. Kao rezultat sporijih reakcija neidealna detonacija rezultira zakrivljenom frontom udarnog vala, nelinearnom ovisnošću detonacijske brzine o početnoj gustoći, ovisnošću detonacijskih parametara o promjeru naboja i oblozi, nepotpunim kemijskim reakcijama u CJ točki, većim kritični promjer, to jest promjerom ispod kojeg nije moguća uspostava detonacije (Slika 2).

20200515 2

Slika 2 Pojednostavljeni prikaz neidealne detonacije.

Sve to čini numeričko modeliranje neidealnih eksploziva znatno kompleksnijim, ali ne i nemogućim. Za opisivanje neidealne detonacije do sada je predloženo nekoliko teorija, ali jedna od najprihvaćenijih je Wood-Kirkwoodova teorija stacionarnog blago divergentnog toka. Takva teorija neidealne detonacije, nadopunjena odgovarajućim jednadžbama stanja, jednadžbama brzine kemijskih reakcija i sub-modelom radijalne ekspanzije, čine temelj većine postojećih modela neidealne detonacije (Slika 3).

20200515 3

Slika 3 Dijelovi modela neidealne detonacije

Većina postojećih modela ima neke ključne nedostatke, primjerice sadrže određeni stupanj inženjerskog pristupa i empirizma, jednostavne nepotpune jednadžbe stanja detonacijskih produkata, prejednostavne ili pak prekomplicirane jednadžbe brzine kemijskih reakcija, ili im nedostaju informacije o strukturi zone kemijskih reakcija, itd. Nedvojbeno je da postoji potreba za unaprjeđenjem modela neidealne detonacije i razvijanjem modela.

Cilj je ovog istraživanja razviti upravo takav poboljšani model neidealne detonacije temeljen na Wood-Kirkwoodovoj teoriji blago divergentnog toka i termokemijskom računalnom kodu EXPLO5. Inovacija rada uključivati će poboljšani model za brzinu kemijskih reakcija i model za brzinu radijalne ekspanzije. Takav integralni model neidealne detonacije bit će manje ovisan o empirijskim konstantama (više prediktivan) i dat će više informacija o zoni kemijske reakcije nego trenutno postojeći model.

Reference:

Esen, S. (2008) „A new non-ideal detonation code for evaluating the performance of commercial explosives“, Rock Mechanics and Rock Engineering, 41, str. 467–497.

Minchinton, A. (2015) „On the Influence of Fundamental Detonics on Blasting Practice“, u 11th Internation Symposium on Rock Fragmentation by Blasting, str. 41–54.

Souers, P. C. i ostali (2004) „The Effects of Containment on Detonation Velocity“, Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 29(1), str. 19–26. doi: 10.1002/prep.200400028.

Sućeska, M. i ostali (2019) „Equation of State of Detonation Products Based on Exponential-6 Potential Model and Analytical Representation of the Excess Helmholtz Free Energy“, Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 44(5). doi: 10.1002/prep.201800339.

_________________________________________________________________________________

Barbara Štimac, mag. geol. je asistentica na projekti na Zavodu za rudarstvo i geotehniku na Rudarsko-geološko-naftnom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu. Sudjeluje na H2020 projektu (EXERTER), bilateralnom projektu s Leobenom i HRZZ projektu (NEIDEMO). Trenutno dovršava doktorski rad pod nazivom Numeričko modeliranje neidealne detonacije ANFO eksploziva primjenom Wood-Kirkwoodove teorije.

E-portfolio //moodle.srce.hr/eportfolio/user/view.php?id=16098

ResearchGate https://www.researchgate.net/profile/Barbara_Stimac

Google Scholar https://scholar.google.com/citations?user=0Qp51YUAAAAJ&hl=en

CROSBI https://www.bib.irb.hr/pretraga?operators=and|%C5%A0timac,%20Barbara%20%2834418%29|text|profile

 

EXERTER https://cordis.europa.eu/project/id/786805

NEIDEMO https://www.rgn.unizg.hr/hr/poboljsani-model-neidealne-detonacije-gospodarskih-eksploziva