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폭파

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목차

1. 개요

폭발은 기체 내에서 급격한 부피 팽창을 동반하는 현상으로, 다양한 이론으로 설명된다. 샤프만-주게(CJ) 조건은 간단한 대수 방정식으로 폭발을 모델링하며, ZND 이론은 유한 속도의 화학 반응을 고려한다. 이론들은 1차원적 파면을 가정하지만, 실제 폭발은 3차원 구조를 가지며, 우드-커크우드 폭발 이론이 이러한 한계를 보완할 수 있다. 폭발은 폭발물 제거, 폭발 용접, 코팅 및 표면 처리 등 다양한 분야에 응용되며, 펄스 디토네이션 엔진과 같은 기술에도 활용된다.

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폭파
폭파
설명초음속 속도로 진행되는 폭발
특징
속도초음속
반응폭발
관련 항목엔진 노킹
어원
라틴어detonare (천둥이 아래로/앞으로 울리다)
참고 문헌
Oxford Living Dictionariesdetonate
Handbook of Fire Protection Engineering2016년, 소방 방재 공학자 협회, 390쪽
Detonation와일돈 피켓, 윌리엄 C. 데이비스, 캘리포니아 대학교 출판부, 1979년
Fundamentals of fire and explosion대니얼 리처드 스툴, 미국 화학 공학 연구소, 모노그래프 시리즈 10권, 73쪽, 1977년
Bretherick's Handbook of Reactive Chemical Hazards피터 어벤, 레슬리 브레더릭, 버터워스, 런던, 2006년

2. 이론

기체 내 폭발 현상을 설명하고 예측하기 위해 다양한 이론들이 발전해 왔다. 20세기 초에 개발된 샤프만-주게(CJ) 조건은 폭발을 발열 반응을 동반하는 전파 충격파로 모델링하는 비교적 간단한 이론이다. 제2차 세계 대전 중에는 젤도비치, 폰 노이만, 되링이 독립적으로 더 복잡한 ZND 이론을 제시했다.[10][11][12] 이 이론은 유한 속도의 화학 반응을 고려하여 폭발을 무한히 얇은 충격파와 그 뒤를 잇는 발열 화학 반응 영역으로 설명한다.

CJ 이론과 ZND 이론은 모두 1차원적이고 정상적인 파면을 가정하지만, 1960년대 실험에 따르면 실제 기체상 폭발은 대부분 비정상적인 3차원 구조를 보인다.[16][17] 이러한 파동은 구조가 파괴될 때 소멸된다.

밀폐된 환경에서 연료와 산화제의 혼합물 및 불활성 물질과 자체 분해 물질의 조성 범위는 가연성 한계보다 약간 낮고, 구형으로 팽창하는 파면의 경우 훨씬 낮다는 것이 실험적으로 밝혀졌다.[19]

수학적 모델링은 충격파에 의해 유도되는 반응 뒤 복잡한 유동장을 예측하는 데 꾸준히 발전해 왔다.[22][23]

일반적으로 폭발적인 연소를 일으키는 물질을 폭약이라고 부른다. 폭발적인 연소에서는 열전도 속도를 넘어서는 연소가 일어나기도 하는데, 이는 충격파에 의한 단열 압축에 의해 연소하기 때문이다.

공기 중에 가연성 가스(기화된 휘발유 등)가 있을 때 폭굉이 일어날지는 다음 요소에 따라 달라진다.

조건
기체의 농도
공간의 밀폐 강도
점화 시 가해지는 에너지의 크기


2. 1. 샤프만-주게(CJ) 조건

샤프만-주게(CJ) 조건은 20세기 초에 개발된 가장 간단한 폭발 이론이다. 이 이론은 폭발을 발열 반응을 동반하는 전파 충격파로 모델링하며, 비교적 간단한 대수 방정식 집합으로 설명된다. 충격파가 통과할 때 화학 반응과 확산 수송 과정이 급격하게 발생하는 것으로 설명한다.[10][11][12]

데이비드 레너드 채프먼과 자크 쥐구에가 제창한 CJ 이론은 기체의 폭발 현상을 예측하는 가장 고전적인 방법으로 오랫동안 활용되어 왔다.

원자폭탄 개발 과정에서 더 정교한 계산이 필요해지면서, 존 폰 노이만과 야코프 젤도비치가 고안한 더 복잡한 ZND 이론이 사용되기 시작했다. 그러나 ZND 이론은 매우 복잡하고 고도의 계산을 필요로 하므로, 일반적으로는 간편한 CJ 이론이 현재도 널리 사용되고 있다.

2. 2. ZND 이론

제2차 세계 대전 중 젤도비치, 폰 노이만, 되링이 독립적으로 더 복잡한 이론을 제시했다.[10][11][12] 이 이론은 현재 ZND 이론으로 알려져 있으며, 유한 속도의 화학 반응을 고려한다. ZND 이론은 폭발을 무한히 얇은 충격파와 그 뒤를 잇는 발열 화학 반응 영역으로 설명한다. 정지 충격파의 기준 좌표계에서, 다음 흐름은 아음속이며, 음향 반응 영역이 선두 전면인 샤프만-주게 조건 바로 뒤에 따른다.[13][14]

일부 폭발물에서 반응 영역이 준금속이라는 증거도 있다.[15]

2. 3. 우드-커크우드 폭발 이론

샤프만-주게(CJ) 조건과 ZND 이론의 한계를 일부 보완할 수 있는 이론으로 알려져 있다.[18]

2. 4. 기타 이론 및 연구 동향

가스 내에서의 폭발 현상을 예측하는 가장 간단한 이론은 20세기 초에 개발된 샤프만-주게(CJ) 조건이다. 이 이론은 비교적 간단한 대수 방정식 집합으로 설명되며, 폭발을 발열 반응을 동반하는 전파 충격파로 모델링한다. 이러한 이론은 충격파가 통과할 때 화학 반응과 확산 수송 과정이 급격하게 발생하는 것으로 설명한다.

2차 세계 대전 중에는 젤도비치, 폰 노이만, 되링에 의해 독립적으로 더 복잡한 이론이 제시되었다.[10][11][12] 현재 ZND 이론으로 알려진 이 이론은 유한 속도의 화학 반응을 허용하므로, 폭발을 무한히 얇은 충격파와 그 뒤를 잇는 발열 화학 반응 영역으로 설명한다. 정지 충격파의 기준 좌표계에서, 다음 흐름은 아음속이므로, 음향 반응 영역이 선두 전면인 샤프만-주게 조건 바로 뒤에 따른다.[13][14]

이 두 이론은 모두 1차원적이고 정상적인 파면을 설명한다. 그러나 1960년대의 실험에 따르면 기체상 폭발은 대부분 비정상적인 3차원 구조를 특징으로 하며, 이는 1차원 정상 이론으로 평균적인 의미에서만 예측할 수 있다. 실제로 이러한 파동은 구조가 파괴될 때 소멸된다.[16][17]

실험 연구를 통해 이러한 파면의 전파에 필요한 조건 중 일부가 밝혀졌다. 밀폐된 환경에서 연료와 산화제의 혼합물 및 불활성 물질과 자체 분해 물질의 조성 범위는 가연성 한계보다 약간 낮고, 구형으로 팽창하는 파면의 경우 훨씬 낮다.[19]

수학적 모델링은 충격파에 의해 유도되는 반응 뒤 복잡한 유동장을 예측하는 데 꾸준히 발전해 왔다.[22][23]

3. 폭발의 조건

공기 중에 가연성 가스(기화된 휘발유 등)가 가득 차 있을 때, 점화에 의해 폭발(폭굉)이 일어날지는 다음 요소에 따라 결정된다.[1]


  • 기체의 농도
  • 공간의 밀폐 강도
  • 점화 시 가해지는 에너지의 크기

4. 응용

폭발은 파괴적인 특성을 지니지만, 다양한 분야에서 활용되기도 한다. 폭발파는 표면에 코팅을 증착하거나,[25] 장비 청소(예: 슬래그 제거[26]) 등에 사용될 수 있으며, 용융되지 않는 금속을 폭발 용접하는 데에도 사용된다. 펄스 디토네이션 엔진은 항공 우주 추진에 폭발파를 이용하며,[27] 2008년 1월 31일 모하비 공항 및 우주항에서 이 엔진을 사용하는 항공기의 첫 비행이 이루어졌다.[28]

4. 1. 폭발물 제거

2006년 이라크에서의 통제된 폭발물 제거. 폭발물 폭발로 인해 불과 연기가 위로 치솟는다.


폭발 장치에 사용될 때, 폭발로 인한 피해의 주요 원인은 주변 지역의 초음속 폭발 전면(강력한 충격파)이다. 이는 발열파가 아음속이고 비금속 먼지 입자의 최대 압력이 대기압의 약 7~10배인 폭연과는 상당한 차이가 있다.[24] 폭발은 파괴적인 목적으로 사용되는 특징인 반면, 폭연은 화기의 발사체 가속에 유리하다. 그러나 폭발파는 표면에 코팅을 증착하거나,[25] 장비 청소(예: 슬래그 제거[26]), 심지어 용융되지 않는 금속을 폭발 용접하는 등 파괴적인 목적 이외에도 사용될 수 있다. 펄스 디토네이션 엔진은 항공 우주 추진을 위해 폭발파를 사용한다.[27] 펄스 디토네이션 엔진으로 추진되는 항공기의 첫 비행은 2008년 1월 31일 모하비 공항 및 우주항에서 이루어졌다.[28]

4. 2. 폭발 용접

폭발파는 표면에 코팅을 증착하거나,[25] 장비 청소(예: 슬래그 제거[26]) 등에 사용될 수 있으며, 용융되지 않는 금속을 폭발 용접하는 데에도 사용될 수 있다.

4. 3. 코팅 및 표면 처리

폭발파는 표면에 코팅을 증착하거나,[25] 장비를 청소(예: 슬래그 제거[26])하는 등 파괴적인 목적 이외에도 사용될 수 있다. 심지어 용융되지 않는 금속을 폭발 용접하는 데에도 사용된다. 펄스 디토네이션 엔진은 항공 우주 추진을 위해 폭발파를 사용한다.[27] 펄스 디토네이션 엔진으로 추진되는 항공기의 첫 비행은 2008년 1월 31일 모하비 공항 및 우주항에서 이루어졌다.[28]

4. 4. 엔진

펄스 디토네이션 엔진은 폭발파를 추진력으로 사용하는 엔진이다.[27] 2008년 1월 31일, 모하비 공항 및 우주항에서 펄스 디토네이션 엔진으로 추진되는 항공기의 첫 비행이 이루어졌다.[28]

5. 엔진 노킹

오토 사이클 또는 가솔린 엔진에서 발생하는 엔진 노킹은 핑잉이라고도 불리며, 동력 손실을 야기한다. 또한 과도한 발열과 심한 기계적 충격을 일으켜 결국 엔진 고장으로 이어질 수 있다.[29]

참조

[1] 웹사이트 detonate https://en.oxforddic[...] Oxford University Press 2019-02-21
[2] 서적 Handbook of Fire Protection Engineering https://www.sfpe.org[...] Society of Fire Protection Engineers 2016
[3] 서적 Detonation University of California Press
[4] 서적 Fundamentals of fire and explosion https://books.google[...] American Institute of Chemical Engineers
[5] 서적 Bretherick's Handbook of Reactive Chemical Hazards https://www.scienced[...] Butterworths
[6] 간행물 Sur la vitesse de propagation des phénomènes explosifs dans les gaz
[7] 간행물 Sur les vitesses de propagation de l’inflammation dans les mélanges gazeux explosifs
[8] 간행물 VI. On the rate of explosion in gases
[9] 서적 L'Œuvre scientifique de Pierre Duhem Doin
[10] 서적 Theory of Detonation Academic Press
[11] 보고서 Progress report on "Theory of Detonation Waves" http://oai.dtic.mil/[...]
[12] 학술지 Über den Detonationsvorgang in Gasen
[13] 학술지 On the rate of explosion in gases https://books.google[...] 1899-01
[14] 학술지 Sur la propagation des réactions chimiques dans les gaz http://math-doc.ujf-[...]
[15] 학술지 A transient semimetallic layer in detonating nitromethane
[16] 학술지 The Diffraction of a Planar Detonation Wave at an Abrupt Area Change
[17] 학술지 Diffraction of a Planar Detonation in Various Fuel-Oxygen Mixtures at an Area Change
[18] 학술지 Improved Wood–Kirkwood detonation chemical kinetics https://zenodo.org/r[...]
[19] 학술지 Detonation and flammability limits of gases in confined and unconfined situations
[20] 학술지 Fluctuating Detonation in Gases
[21] 학술지 Predicted Spacings in Hydrogen-Oxygen-Argon Detonations
[22] 서적 Numerical Simulation of Reactive Flows Elsevier Publishers
[23] 학술지 Nonlinear cellular dynamics of the idealized detonation model: Regular cells http://eprints.white[...]
[24] 서적 Handbook of Fire Protection Engineering Society of Fire Protection Engineers 2016
[25] 학술지 Gas Detonation and its Application in Engineering and Technologies (Review)
[26] 학술지 Application of pulse detonation technology for boiler slag removal
[27] 학술지 Review of Propulsion Applications of Detonation Waves
[28] 뉴스 Pulse Power: Pulse Detonation Engine-powered Flight Demonstration Marks Milestone in Mojave http://archive.aviat[...]
[29] 웹사이트 Don't Waste Your Time Listening for Knock... https://www.hpacadem[...]
[30] 기타 2024-08-24

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