Experimental study of Deflagration-to-Detonation Transition over Sintered Wire Mesh walls
यह प्रयोगात्मक अध्ययन प्रदर्शित करता है कि चैनल की दीवारों को सिन्टरड वायर मेश (SWM) से बदलना प्रिकर्सर शॉक वेव और डिटोनेशन आरंभ करने के लिए आवश्यक स्थानीय दबाव वृद्धि, दोनों को कम करके, डिफ्लेग्रेशन-टू-डिटोनेशन ट्रांज़िशन (DDT) को प्रभावी रूप से दबाता है या विलंबित करता है, जिसमें महीन मेश आकार (#40 और #300) मोटे आकारों (#20) की तुलना में अधिक प्रभावी सिद्ध होते हैं।
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सीमित गैसों की छिपी हुई दुनिया में, एक धीमी, स्थिर जलन अचानक और विनाशकारी रूप से सुपरसोनिक विस्फोट में बदल सकती है। यह बदलाव, जिसे 'डेफ़्लैग्रेशन-टू-डिटोनेशन ट्रांज़िशन' (दहन से विस्फोट संक्रमण) के रूप में जाना जाता है, एक ऐसी प्रक्रिया है जहाँ एक लौ, जो शुरू में ध्वनि की गति या उससे कम गति से चलती है, तब तक त्वरित होती है जब तक कि वह एक ऐसी शॉक वेव (आघात तरंग) पैदा न कर दे जो अपने आगे के ईंधन को तुरंत प्रज्वलित कर सके। यह घटना केवल प्रयोगशाला की जिज्ञासा नहीं है; यह कोयला खदानों और परमाणु ऊर्जा संयंत्रों की कूलिंग सिस्टम में होने वाली विनाशकारी दुर्घटनाओं के पीछे का तंत्र है। इंजीनियरों और सुरक्षा विशेषज्ञों के लिए, यह समझना अत्यंत महत्वपूर्ण है कि यह परिवर्तन ठीक कहाँ और कैसे शुरू होता है। वे जानते हैं कि एक संकीली नली में, इस प्रक्रिया को पूरा होने के लिए एक निश्चित दूरी की आवश्यकता होती है, और कंटेनर की दीवारें इसमें महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं। दीवार की खुरदरापन लौ की गति बढ़ा सकती है, जबकि छिद्रयुक्त (पोरस) सामग्रियां कभी-कभी विस्फोट को रोक सकती हैं क्योंकि वे उन शॉक वेव्स की ऊर्जा को सोख लेती हैं जो इसे बनाए रखती हैं। हालाँकि, दीवार के ठीक बगल में विस्फोट को ट्रिगर करने के लिए आवश्यक सटीक स्थितियाँ क्या हैं, और इसे वहाँ कैसे रोका जाए, यह स्पष्ट करना कठिन बना हुआ है।
योकोहामा नेशनल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक लंबी, संकीली नली बनाकर और उसके निचले हिस्से की एक दीवार को एक विशेष सामग्री से बदलकर इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया: एक सिंटर्ड वायर मेश (sintered wire mesh)। यह धातु का एक ठोस ब्लॉक है जिसे हजारों सूक्ष्म तारों को आपस में जोड़कर बनाया गया है, जिससे एक ऐसी सतह बनती है जो दिखने में स्पंज जैसी है लेकिन महसूस पत्थर जैसी होती है। उन्होंने नली को एथिलीन और ऑक्सीजन के मिश्रण से भर दिया, जो एक अत्यधिक प्रतिक्रियाशील गैस है, और एक छोर पर इसे प्रज्वलित किया। यह सुनिश्चित करने के लिए कि विस्फोट सही स्थान पर हो, उन्होंने लौ के मार्ग में एक छोटा धातु का शिम (shim) और छेदों वाली एक प्लेट रखी ताकि लौ को तेज होने के लिए प्रोत्साहित किया जा सके। प्रति सेकंड लाखों फ्रेम कैप्चर करने में सक्षम हाई-स्पीड कैमरों का उपयोग करते हुए, टीम ने अदृश्य शॉक वेव्स और चमकती हुई लौ को नली में दौड़ते हुए देखा। उन्होंने तीन अलग-अलग प्रकार के वायर मेश का परीक्षण किया, जिसमें कुल खुले स्थान को लगभग समान रखते हुए छेदों के आकार में भिन्नता की गई।
परिणामों ने एक नाजुक संतुलन का खुलासा किया—शॉक वेव को रोकने और लौ को उत्तेजित करने के बीच का संतुलन। जब शोधकर्ताओं ने सबसे छोटे छेदों वाले मेश का उपयोग किया, तो पूर्ण विस्फोट (detonation) में संक्रमण पूरी तरह से रुक गया। लौ अभी भी त्वरित हुई, और शॉक वेव्स भी बनीं, लेकिन अंतिम विनाशकारी विस्फोट कभी नहीं हुआ। मध्यम आकार के छेदों वाले मेश ने भी अत्यधिक प्रभाव दिखाया, और हर एक परीक्षण में विस्फोट को रोकने में सफल रहा। हालाँकि, सबसे बड़े छेदों वाले मेश विस्फोट को रोकने में विफल रहे। वास्तव में, विस्फोट अभी भी हुआ, बस एक चिकनी दीवार की तुलना में नली में थोड़ा आगे की ओर। इस विरोधाभासी परिणाम ने दिखाया कि केवल छिद्रयुक्त दीवार होना ही पर्याप्त नहीं है; छिद्रों का आकार बहुत मायने रखता है।
हाई-स्पीड छवियों ने एक स्पष्ट दृश्य प्रदान किया कि ऐसा क्यों हुआ। उन मामलों में जहाँ विस्फोट को रोका गया था, शॉक वेव मेश की दीवार से टकराने पर अपनी तीव्रता खो देती थी और छिद्रयुक्त सतह के साथ चलते हुए एक स्थिर कोण पर झुक जाती थी। शॉक वेव के इस कमजोर होने का अर्थ था कि लौ के सामने की गैस इतनी संकुचित या गर्म नहीं हुई कि अंतिम, अनियंत्रित प्रतिक्रिया को ट्रिगर कर सके। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इन रुके हुए मामलों में दबाव और तापमान इतना कम था कि संक्रमण को बनाए रखना संभव नहीं था। लेकिन सबसे बड़े छेदों वाले मामले में कहानी अलग थी। हालाँकि मेश ने शॉक वेव को कमजोर किया, लेकिन इसकी मोटी संरचना ने एक खुरदरी सतह की तरह काम किया जिसने गैस में विक्षोभ (turbulence) पैदा कर दिया। इस विक्षोभ ने लौ को अधिक तेजी से और अधिक तीव्रता से जलाया, जिससे दीवार के ठीक बगल में गर्मी और दबाव के तीव्र स्थानीय केंद्र बन गए। ये 'हॉट स्पॉट्स' इतने शक्तिशाली थे कि वे मेश के कमजोर करने वाले प्रभाव को पार कर गए, जिससे विस्फोट फिर भी शुरू हो गया।
अध्ययन ने यह भी पुष्टि की कि ये विस्फोट लगभग हमेशा ट्यूब के कोनों में शुरू होते हैं, जहाँ लौ और शॉक वेव्स सबसे हिंसक रूप से परस्पर क्रिया करती हैं। भले ही मेश ने विस्फोट को सफलतापूर्वक रोक दिया हो, कैमरों ने कोनों में प्रकाश की हल्की चमक दिखाई, जो यह संकेत देती है कि सामग्री उन स्थानीय दबाव स्पाइक्स (pressure spikes) को भी कम कर रही थी जो आमतौर पर प्रज्वलन का कारण बनते हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि इन खतरनाक संक्रमणों को प्रभावी ढंग से रोकने के लिए, केवल शॉक वेव्स को सोखने पर निर्भर नहीं रहा जा सकता; सामग्री इतनी बारीक भी होनी चाहिए कि वह लौ को बहुत अधिक विक्षुब्ध होने से रोक सके। सबसे प्रभावी अवरोध मध्यम आकार के छेदों वाला मेश था, जिसने लौ को उन्माद में डाले बिना शॉक वेव को कमजोर करने का काम किया। यह कार्य उन भौतिक स्थितियों की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है जो दीवार के पास विस्फोट शुरू होने के लिए आवश्यक हैं और एक सही प्रकार की छिद्रयुक्त सामग्री चुनने के माध्यम से सुरक्षित प्रणालियों को डिजाइन करने के लिए एक व्यावहारिक रणनीति भी देता है।
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