폭연(Deflagration)과 폭굉 (Detonation) 의 정의
폭연 (Deflagration)
폭연 은 연소파의 전파 속도가 음속 이하인 연소 과정입니다. 이 과정은 주로 열전도에 의해 전달되며, 상대적으로 느린 속도로 진행됩니다. 폭연에서는 화염이 서서히 확산하여 주변 가스를 가열하고 연소를 지속합니다. 이러한 연소는 압력 상승이 비교적 낮고 점진적으로 일어납니다.
폭굉 (Detonation)
폭굉은 연소파의 전파 속도가 음속을 초과하는 초음속 연소 과정입니다. 이 과정은 강력한 충격파에 의해 추진되며, 매우 빠르고 폭력적인 특성을 지닙니다. 폭굉은 충격파가 물질을 압축하여 온도를 발화점 이상으로 상승시키고, 거의 순간적으로 큰 압력 상승을 일으키며 폭발합니다. 폭굉은 고압과 고속으로 진행되어 큰 파괴력을 가지게 됩니다.
폭연에서 폭굉으로의 전이 과정 (Deflagration-to-Detonation Transition, DDT)
폭연에서 폭굉으로의 전이 과정, 즉 DDT는 복잡한 물리적 과정을 포함합니다. 이 과정은 다음과 같은 단계로 설명할 수 있습니다:
- 점화와 표면 연소: 폭발성 물질의 표면에서 점화가 발생하여 연소가 시작됩니다.
- 대류 연소: 화염이 다공성 구조를 통해 확산하며 연소를 지속합니다. 이때 압력이 증가하여 다공성 구조 내에서 흐름이 막힙니다.
- 고밀도 압축 형성: 압력에 의해 형성된 고밀도 압축은 미연소 물질을 압축합니다.
- 압축 연소 점화: 압축된 물질이 더 높은 압력으로 연소를 시작하여 충격파를 형성합니다.
- 충격파와 폭굉: 충격파가 점차 강해져 폭굉으로 전이됩니다
이 과정에서 발생하는 충격파는 단열 압축을 통해 온도를 발화점 이상으로 상승시켜 폭발을 초래합니다. 이러한 전이 과정은 특히 산업 현장에서 안전 관리와 위험 평가에 중요한 요소입니다
폭연과 폭굉 전이과정의 사례
폭연(Deflagration)에서 폭굉(Detonation)으로의 전이과정(DDT)은 산업 및 과학 연구에서 중요한 현상으로, 여러 실제 사례에서 관찰되었습니다. 몇 가지 대표적인 사례와 그 적용 분야는 다음과 같습니다:
-
산업 재해 사례
- 1970년 포트 허드슨 프로판 증기 폭발: 이 사고는 프로판 가스가 누출되어 폭연이 발생한 후 밀폐된 공간에서 폭굉으로 전이되면서 큰 폭발을 일으킨 사례입니다.
- 1989년 필립스 공장 폭발: 텍사스주 파사데나에 있는 필립스 공장에서 폭연이 폭굉으로 전이되면서 대규모 폭발이 발생하여 많은 사상자가 발생한 사건입니다.
- 2020년 베이루트 폭발: 베이루트 항구에서 발생한 이 폭발은 폭연이 폭굉으로 전이되면서 도시 전체에 큰 피해를 입혔습니다
-
실험적 연구 사례
- 파이프 내 DDT: 파이프 내부에서 폭연이 발생하고, 이 폭연이 가속되어 폭굉으로 전이되는 과정은 여러 실험적 연구에서 관찰되었습니다. 특히, 다양한 연료 혼합물과 파이프 구조(예: 헬리컬 튜브)를 사용하여 실험한 결과, 좁은 관내에서의 전이 과정이 더 명확히 나타났습니다
- 펄스 폭굉 엔진(PDE): 펄스 폭굉 엔진은 연료의 효율적인 연소를 위해 폭연에서 폭굉으로의 빠른 전이를 이용합니다. 이 엔진은 슐켈킨 나선(Shchelkin spiral)을 사용하여 폭연을 가속시키고, 폭굉을 촉진합니다
이러한 DDT 과정은 특히 가연성 가스가 있는 산업 환경에서 큰 위험을 초래할 수 있으므로, 이를 방지하기 위한 안전 장치와 절차가 필요합니다.