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폭발 시스템에서 기폭 동력학

전문가 제언: ○ 유체역학은 매우 비선형인 Navier-Stoke 방정식을 기반으로 하는 매우 복잡한 이론인데 여기에 열을 방출 또는 흡수하는 화학반응이 개입되면 더 복잡해진다. 열의 방출과 소비는 온도 구배를 만들고 이에 따라 밀도의 구배, 자연 대류의 창출 등 여러 가지 현상이 한꺼번에 일어나기 때문이다.

○ 화학적으로 반응하는 유체의 대표로서 연소 문제가 있다. 그런데 여기에 이 연소가 매우 빠르게 일어나서 폭연(Deflagration)을 지나 부피가 단 시간에 증가하는 기폭(detonation) 단계에 이르면 문제는 더 복잡해진다. 본문에서도 고체 고분자 폭약이 수십 개의 작은 기체 분자로 분해되는 경우를 다루었다.

○ 이 경우 매우 빠른 계산 능력이 필수적이다. 컴퓨터의 한계가 컸던 1960, 70년대의 연구가 연소 문제에 국한되어 있었던 것은 바로 이 계산 능력의 한계 때문이었다. 1990년대 이후에 이르러 기폭 문제를 수치 해석적으로 다루고 있으나 아직도 계산 능력과 계산 비용이 중요한 고려 사항이 되고 있음은 본문에서 지적한 그대로이다.

○ 본문에서 본대로 초기의 폭발로 생성된 충격파가 미-반응 물질 층을 통과하며 온도와 압력을 극단적으로 상승시키면 연속 폭발이 일어나고 기폭 작용은 스스로 지원(self-support)된다. 이때 또 다른 충격파들이 2차, 3차로 복잡하게 생성되어 실험적 관찰도 어렵게 한다. 그러나 이제 수치 해석적 모사의 결과로 실험적 관찰이 어려운 점을 보충할 수준에 이르렀다는 것은 이 분야의 장족의 발전을 말해준다.

○ 연소에서 기폭으로의 전환을 DDT(Deflagration-to-Detonation Transition)이라 하는데 충격파와 화염의 상호작용은 DDT가 생길 수 있는 조건을 창출하는데 중요하다. 화염은 특히 밀폐된 공간과 장애물이 존재할 때 충격파를 만들고 충격파의 강도를 강화하여 난류 화염을 통과하게 한다. 반대로 충격파는 화염과 상호작용 하여 화염 안에 보통 연소 불안정성보다 훨씬 더 동적인 난류를 창출하고 작동시킨다. 난류는 더 많은 에너지 방출과 배경 물질의 동요를 의미한다.

저자: Bdzil, JB; Stewart, DS; AF Bdzil, John B.; Stewart, D. Scott
자료유형: 학술정보