প্রকৌশল শব্দবিজ্ঞান/বিস্ফোরণ
বিস্ফোরণ
[সম্পাদনা]বিস্ফোরণ তরঙ্গ হলো একটি দহন তরঙ্গ যা শব্দের গতির চেয়েও বেশি গতিতে বিস্তার লাভ করে। এটি একটি অগ্রবর্তী ঝাঁকুনির দ্বারা গঠিত হয় যা রুদ্ধতাপীয় উপায়ে প্রতিক্রিয়াশীল পদার্থগুলোকে সংকুচিত করে। এরপর একটি প্রতিক্রিয়া অঞ্চল থাকে যেখানে প্রতিক্রিয়াশীল পদার্থগুলো পণ্য পদার্থে রূপান্তরিত হয়। এই প্রক্রিয়ায় প্রচুর পরিমাণে তাপ উৎপন্ন হয়। যার ফলে তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায় এবং চাপ ও ঘনত্ব কমে যায়। প্রতিক্রিয়া অঞ্চলে উৎপন্ন পণ্য পদার্থ প্রসারিত হয় যার ফলে বিস্ফোরণ তরঙ্গ সামনের দিকে ধাক্কা দেয় বা ঠেলতে থাকে।
এর বিপরীতে আকস্মিক দহন তরঙ্গ যা একটি চলমান শিখার মতো ধরা যায়। সেটি একটি দহন তরঙ্গ যা শব্দের গতির চেয়ে কম গতিতে বিস্তার লাভ করে। একটি আকস্মিক দহনে একটি পূর্ববর্তী ঝাঁকুনি থাকে যার পরে থাকে প্রতিক্রিয়া অঞ্চল। আকস্মিক দহন তরঙ্গ তাপ ও ভরের বিস্তার/ছড়িয়ে পড়ার মাধ্যমে প্রতিক্রিয়া অঞ্চল থেকে সামনে থাকা প্রতিক্রিয়াশীল পদার্থকে জ্বালিয়ে ছড়িয়ে পড়ে। যেহেতু এটি একটি সাবসনিক তরঙ্গ তাই তরঙ্গের নিচের দিক থেকে তথ্য ওপরে যেতে পারে এবং প্রতিক্রিয়াশীল পদার্থের প্রাথমিক উষ্ণতাত্ত্বিক অবস্থা পরিবর্তন করতে পারে।
এই দুটি দহন প্রক্রিয়ার মধ্যে গুণগত পার্থক্য নিচের ছকে দেখানো হলো।
| বিস্ফোরণ | আকস্মিক দহন | |
|---|---|---|
| ম্যাক সংখ্যা | ৫-১০ | ০.০০০০১-০.০৩ |
| বেগের অনুপাত | ০.৪-০.৭ | ৪-৬ |
| চাপের অনুপাত | ১৩-৫৫ | ০.৯৮ |
| তাপমাত্রার অনুপাত | ৮-২১ | ৪-১৬ |
| ঘনত্বের অনুপাত | ১.৭-২.৬ | ০.০৬-০.২৫ |
এই ছকের তথ্য অনুযায়ী, বিস্ফোরণ তরঙ্গের মাধ্যমে যখন দহন ঘটে, তখন দহন তরঙ্গের তুলনায় পণ্য পদার্থের বেগ কমে যায়। অন্যদিকে আকস্মিক দহনে পণ্য পদার্থের বেগ বৃদ্ধি পায়। বিস্ফোরণ তরঙ্গের মাধ্যমে চাপ ও ঘনত্ব বৃদ্ধি পায় এজন্য একে সংকোচন তরঙ্গ বলা হয়। এর বিপরীতে আকস্মিক দহন তরঙ্গের ক্ষেত্রে সামান্য পরিমাণে চাপ কমে যায় এজন্য একে সম্প্রসারণ তরঙ্গ হিসেবে ধরা হয়।
রেলি রেখা ও হিউজোনিয়ট বক্ররেখা
[সম্পাদনা]প্রথমে ধরি, বিস্ফোরণ একটি ব্ল্যাক বক্স যা বিক্রিয়ককে ০ অবস্থা থেকে উৎপাদ পদার্থকে অবস্থা ১ রূপান্তর করে।

মূল সংরক্ষণ সমীকরণগুলো ব্যবহার করে অবস্থা ০ থেকে অবস্থা ১ এ যাওয়ার সম্পর্ক স্থাপন করা হয়। যদি একটি এক-মাত্রিক স্থির প্রবাহকে ধরা হয় যা একটি দহন তরঙ্গের মধ্য দিয়ে যায়, তাহলে প্রয়োগযোগ্য মৌলিক সমীকরণগুলো হলো:
ভরের সংরক্ষণ:
গতির পরিমাণের সংরক্ষণ:
শক্তির সংরক্ষণ:
এখানে ρ, p, u, h এবং q যথাক্রমে ঘনত্ব, চাপ, বেগ, এনথ্যালপি এবং বিক্রিয়ক ও উৎপাদ পদার্থের গঠনের এনথ্যালপির পার্থক্য বোঝায়।
ভর ও গতির পরিমাণের সংরক্ষণ একত্র করলে নিচের সমীকরণ পাওয়া যায়:
,
যেখানে হলো নির্দিষ্ট আয়তন এবং হলো প্রতি একক ক্ষেত্রফলে ভরের প্রবাহ। ভরের প্রবাহকে আবার এভাবে প্রকাশ করা যায়:
।
মনে রাখতে হবে, ভরের প্রবাহ অবশ্যই একটি বাস্তব সংখ্যা হতে হবে। সেক্ষেত্রে যদি লব ধনাত্মক হয় তবে হর ও ধনাত্মক হতে হবে। একইভাবে উভয়ই ঋণাত্মক হতে পারে।
যদি আমরা এবং নির্দিষ্ট করে দেই তাহলে নিচের সমীকরণ পাওয়া যায়:
বিক্রিয়ক পদার্থের শব্দের বেগের সূত্র এবং দহন তরঙ্গের ম্যাক সংখ্যা বসিয়ে উপরের সমীকরণটি পুনরায় লেখা যায়:
উপরের সমীকরণটি যে উষ্ণতাত্ত্বিক পথ দেখায় যা অবস্থা ০ থেকে অবস্থা ১ এ নিয়ে যায় সেটিই রেলি রেখা নামে পরিচিত। নীচের সমীকরণ থেকে যদি আমরা বা আলাদা করি:
তাহলে আমরা বেগ সম্পর্কিত পদগুলিকে শক্তি সংরক্ষণের সমীকরণ থেকে বাদ দিতে পারি এবং নিচের হিউজোনিয়ট বক্ররেখার সমীকরণ পেতে পারি:
।
হিউজোনিয়ট বক্ররেখা বোঝায় একটি নির্দিষ্ট আগত অবস্থার জন্য সম্ভাব্য সব প্রস্থান অবস্থার স্থানাঙ্ক। এই বক্ররেখাকেও রেলি রেখার মতো করে x ও y চলক ব্যবহার করে প্রকাশ করা যায়:
।
মনে রাখতে হবে, যখন q=0 হয়, তখন এটি একটি অবিক্রিয়ক ঝাঁকুনি তরঙ্গ নির্দেশ করে এবং হিউজোনিয়ট বক্ররেখাটি x-y সমতলে (১,১) বিন্দু দিয়ে অতিক্রম করবে। যখন রেলি রেখা হিউজোনিয়ট বক্ররেখাকে স্পর্শ করে, তখন স্পর্শ বিন্দুগুলোকে চ্যাপম্যান-জুয়ে (Chapman-Jouguet বা CJ) বিন্দু বলা হয়। উপরের CJ বিন্দু বিস্ফোরণ সমাধান নির্দেশ করে এবং নিচের CJ বিন্দু আকস্মিক দহন সমাধান নির্দেশ করে।

মনে রাখতে হবে, CJ তত্ত্ব বিস্ফোরণ তরঙ্গের বিশদ গঠনকে বিবেচনায় নেয় না। এটি কেবলমাত্র এক-মাত্রিক স্থির সংরক্ষণ সূত্র ব্যবহার করে আগত এবং প্রস্থান অবস্থার মধ্যে সম্পর্ক স্থাপন করে।
বিস্ফোরণ তরঙ্গের গঠন
[সম্পাদনা]ZND মডেল
[সম্পাদনা]একটি একমাত্রিক স্থির প্রবাহ ধরে নিয়ে জেলডোভিচ, ভন নিউম্যান এবং ডোরিং (ZND) মডেল একটি আদর্শীকৃত বিস্ফোরণ তরঙ্গের উপস্থাপন। এই মডেলটি মূলত বিস্ফোরণ তরঙ্গকে একটি অগ্রবর্তী শক হিসেবে বর্ণনা করে যার পরেই রাসায়নিক প্রতিক্রিয়া ঘটে। অগ্রবর্তী শকটি বিক্রিয়ককে রুদ্ধতাপীয়ভাবে সংকুচিত করে ফলে তাপমাত্রা, চাপ এবং ঘনত্ব বৃদ্ধি পায়। এরপর একটি ইনডাকশন অঞ্চল আসে যেখানে বিক্রিয়কগুলি র্যাডিক্যালসে বিভক্ত হয় এবং মুক্ত র্যাডিক্যাল উৎপন্ন হয়। ইনডাকশন অঞ্চলটি তাপীয়ভাবে নিরপেক্ষ অর্থাৎ থার্মোডাইনামিক বৈশিষ্ট্যগুলি তুলনামূলকভাবে অপরিবর্তিত থাকে। যখন পর্যাপ্ত সক্রিয় মুক্ত র্যাডিক্যাল উৎপন্ন হয় তখন বিক্রিয়কগুলি উৎপাদে রূপান্তরিত হওয়ার জন্য একটি প্রতিক্রিয়া ধারা শুরু হয়। রাসায়নিক শক্তি মুক্তি পায় যার ফলে তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায় এবং চাপ ও ঘনত্ব হ্রাস পায়। প্রতিক্রিয়া অঞ্চলে চাপের এই হ্রাস আরও কমে যায় সম্প্রসারণ তরঙ্গের মাধ্যমে এবং এটি অগ্রবর্তী শক ফ্রন্টকে সমর্থন করার জন্য একটি সামনের ঠেলা সৃষ্টি করে। অন্যভাবে বললে বিস্ফোরণ তরঙ্গের প্রস্তাবিত বিস্তার প্রক্রিয়া হল অগ্রবর্তী শকের দ্বারা স্বয়ং-প্রজ্বলন যা উৎপাদের সম্প্রসারণ দ্বারা প্রদত্ত ঠেলা দ্বারা সমর্থিত।
থার্মোডাইনামিক বৈশিষ্ট্যগুলির পরিবর্তন নিম্নলিখিত চিত্রে চিত্রিত হয়েছে।

যদিও ZND বিস্ফোরণ তরঙ্গের গঠন বর্ণনা করে এটি কোনও সীমানা শর্ত বিবেচনা করে না। বাস্তবে প্রাথমিক শর্তগুলি (থার্মোডাইনামিক অবস্থা মিশ্রণের সংমিশ্রণ) পাশাপাশি সীমানা শর্তগুলি (জ্যামিতি, সীমাবদ্ধতার ডিগ্রি, প্রাচীরের প্রকৃতি) বিস্ফোরণ গতি প্রভাবিত করে। নির্দিষ্ট শর্তগুলির অধীনে প্রাথমিক এবং সীমানা শর্তগুলি এমনকি বিস্ফোরণের বিস্তারকেও অসম্ভব করে তুলতে পারে। আজ পর্যন্ত কোনও পরিমাণগত তাত্ত্বিক মডেল সঠিকভাবে বিস্ফোরণের সীমা পূর্বাভাস দিতে পারে না।
পরীক্ষামূলক পর্যবেক্ষণ
[সম্পাদনা]যদিও ZND মডেলটি বিস্ফোরণকে একমাত্রিক কাঠামোতে রূপান্তর করে পরীক্ষামূলক পর্যবেক্ষণগুলি নির্দেশ করে যে বিস্ফোরণ ফ্রন্ট প্রকৃতপক্ষে ত্রিমাত্রিক এবং অস্থিতিশীল। অস্থিতিশীলতা উভয় অনুদৈর্ঘ্য (স্পন্দিত বিস্ফোরণ) এবং পার্শ্বিক দিকগুলিতে প্রকাশ পায়। ফ্রন্টটি অনেক বাঁকা শক নিয়ে গঠিত যা ম্যাক স্টেম এবং ইনসিডেন্ট শক দ্বারা গঠিত। এই বাঁকা শকগুলির ছেদবিন্দুতে প্রতিফলিত শক যা পার্শ্বিক তরঙ্গ হিসেবেও পরিচিত প্রতিক্রিয়াশীল মিশ্রণে প্রসারিত হয়। এই তিনটি শকের ছেদবিন্দুকে ট্রিপল পয়েন্ট বলা হয়। এই পার্শ্বিক তরঙ্গগুলি সামনে পিছনে চলে পুরো ফ্রন্ট জুড়ে। এই ট্রিপল পয়েন্টগুলির গতিপথ একটি ধোঁয়ায় আচ্ছাদিত পৃষ্ঠে রেকর্ড করা যেতে পারে যখন বিস্ফোরণটি পাশ দিয়ে যায়। তরঙ্গ ব্যবধান ধোঁয়াযুক্ত ফয়েল থেকে পরিমাপ করা যায় এবং এটি কোষের আকার হিসাবে পরিচিত।
একটি সরলীকৃত কোষীয় বিস্ফোরণ গঠনের একটি চিত্র নিচে দেখানো হয়েছে। λ কোষের আকারকে উপস্থাপন করে।

কিভাবে একটি বিস্ফোরণ শুরু করবেন
[সম্পাদনা]বিস্ফোরণ শুরু করার কয়েকটি উপায় রয়েছে। এখানে কিছু উদাহরণ দেওয়া হল:
- আকস্মিক দহন থেকে বিস্ফোরণে রূপান্তর: ধরে নেওয়া হয় যে একটি আকস্মিক দহন ইতিমধ্যে গঠিত হয়েছে। এটি টার্বুলেন্সের মাধ্যমে একটি নির্দিষ্ট গতি পর্যন্ত ত্বরান্বিত হতে হবে। যখন শর্তগুলি অনুমতি দেয় তখন আকস্মিক দহন হঠাৎ করে একটি বিস্ফোরণে রূপান্তরিত হয়। বিস্ফোরণ তরঙ্গের বিকাশের কয়েকটি মূল প্রক্রিয়া নিম্নরূপ:
- ছড়িয়ে পড়া শিখার সামনে সংকোচন তরঙ্গের সৃষ্টি
- সংকোচন তরঙ্গের একত্রিত হয়ে একটি শক তরঙ্গ গঠন
- টার্বুলেন্সের সৃষ্টি
- প্রতিক্রিয়া অঞ্চলে একটি স্থানীয় বিস্ফোরণ থেকে বিস্ফোরণ "বুদবুদ" তৈরি হওয়া। একটি বিস্ফোরণ বুদবুদ পূর্ববর্তী শককে ধরে ফেলে এবং একটি অতিরিক্ত চালিত বিস্ফোরণ গঠিত হয়। পার্শ্বিক চাপ তরঙ্গ উৎপন্ন হয়।
- সরাসরি সূচনা: আকস্মিক দহন পর্যায় এড়িয়ে একটি বিস্ফোরণ শুরু করার পদ্ধতি। একটি শক্তিশালী ইগনিশন উৎস ব্যবহার করে সরাসরি একটি বিস্ফোরণ গঠিত হতে পারে।
- একটি বৃহত্তর ভলিউমে একটি সমতল বিস্ফোরণের বিচ্ছুরণ করে একটি গোলাকার বিস্ফোরণ গঠন।
বিস্ফোরণের সীমা
[সম্পাদনা]বিস্ফোরণের সীমা সেই সমালোচনামূলক শর্তগুলিকে বোঝায় যার বাইরে একটি স্ব-সমর্থিত বিস্ফোরণ আর বিস্তার করতে পারে না। বিস্ফোরণের গতি প্রকৃতপক্ষে বিস্ফোরক মিশ্রণের প্রাথমিক শর্তগুলি (থার্মোডাইনামিক অবস্থা, সংমিশ্রণ, পাতলা করা ইত্যাদি) এবং সীমানা শর্তগুলি (সীমাবদ্ধতার ডিগ্রি, জ্যামিতি এবং সীমাবদ্ধতার মাত্রা, প্রাচীরের ধরণ ইত্যাদি) দ্বারা প্রভাবিত হয়। উদাহরণস্বরূপ, একটি নির্দিষ্ট থার্মোডাইনামিক অবস্থা এবং একটি নির্দিষ্ট পরীক্ষামূলক যন্ত্রপাতি দেওয়া হলে, আমরা মিশ্রণের সংমিশ্রণ সমৃদ্ধ বা পাতলা করতে পারি। একটি নির্দিষ্ট জ্বালানী ঘনত্বে বিস্ফোরণ বিস্তার বন্ধ হয়ে যাবে। এই ধরনের সীমা পদ্ধতি একটি বিস্ফোরক মিশ্রণের সংমিশ্রণ সীমা প্রকাশ করে। নির্দিষ্ট প্রাথমিক শর্তগুলির জন্য, আমরা পরীক্ষামূলক যন্ত্রপাতির মাত্রাগুলিও পরিবর্তন করতে পারি। একটি সমালোচনামূলক নল ব্যাসের নিচে একটি নলের ভিতরে বিস্ফোরণ বিস্তার করতে পারে না। এটি সমালোচনামূলক নল ব্যাস প্রদান করে। উল্লেখযোগ্য যে, যখন বিস্ফোরণের সীমার কাছাকাছি আসা যায়, তখন একটি বিস্ফোরণ শুরু করা আরও কঠিন হয়ে যায়। সূচনার জন্য প্রয়োজনীয় সমালোচনামূলক শক্তি সূচকীয়ভাবে বৃদ্ধি পায়। সীমাটি বিস্ফোরক মিশ্রণের একটি বৈশিষ্ট্যগত বৈশিষ্ট্য নয় কারণ এটি উভয় প্রাথমিক এবং সীমানা শর্ত দ্বারা প্রভাবিত হয়।
যেহেতু বিস্ফোরণের স্থির বিস্তার গতি প্রাথমিক এবং সীমানা শর্তগুলির উপর নির্ভর করে, একটি সাধারণ পর্যবেক্ষণ হল যে বিস্ফোরণের সীমার কাছাকাছি আসার সাথে সাথে গতি ঘাটতি দেখা যায়। গোলাকার নলে গবেষণায় দেখা যায় যে বিস্ফোরণ তরঙ্গ ব্যর্থ হওয়ার আগে CJ গতির প্রায় ১৫% গতি ঘাটতি থাকে। সীমার কাছাকাছি, গতি পরিবর্তনের অনুদৈর্ঘ্য ফ্লাকচুয়েশনও দেখা গেছে। এই ফ্লাকচুয়েশনগুলির মাত্রা এবং সময়কাল অনুযায়ী, বিভিন্ন অস্থিতিশীল আচরণ যেমন স্তব্ধতা এবং গলপিং প্রকাশ পেতে পারে।
সীমার কাছাকাছি আসার আরেকটি বৈশিষ্ট্য হল বিস্ফোরণ কোষের আকার নলের মাত্রার সাথে তুলনা করা। সীমা থেকে দূরে, বিস্ফোরণ কোষের আকার নলের মাত্রার তুলনায় ছোট। সীমার কাছাকাছি আসার সাথে সাথে, কম পার্শ্বিক তরঙ্গ থাকে এবং তরঙ্গ ব্যবধান বৃদ্ধি পায় যতক্ষণ না একটি একক পার্শ্বিক তরঙ্গ নলের পরিধি জুড়ে বিস্তার করে, যা একটি স্পিনিং বিস্ফোরণের সূচক। সীমার কাছাকাছি আসার সাথে সাথে পার্শ্বিক চাপ তরঙ্গের দোলনাগুলির মাত্রা আরও বড় হয়ে যায়।
প্রতিরোধ
[সম্পাদনা]যেহেতু একটি আকস্মিক দহন শুরু করতে কম শক্তি লাগে এটি শিল্প দুর্ঘটনায় সবচেয়ে সম্ভাব্য দহন মোড। যদিও একটি বিস্ফোরণ বা আকস্মিক দহন গঠনের জন্য প্রয়োজনীয় মূল কারণগুলি (বিস্ফোরক মিশ্রণ এবং ইগনিশন উৎস) একটি রাসায়নিক প্ল্যান্টে নির্মূল করা যায় না তবে কিছু প্রতিরোধমূলক প্রক্রিয়া বিকাশ করা যায় যা একটি আকস্মিক দহন বিস্তার বন্ধ করতে এবং একটি বিস্ফোরণ গঠন প্রতিরোধ করতে পারে। এই প্রতিরোধমূলক কৌশলগুলি মূলত শিখার বিস্তার থামানো এবং দহন ফ্রন্টকে ধীর করা ও শক্তিহীন করার উদ্দেশ্যে তৈরি করা হয়েছে। প্রধান প্রতিরোধমূলক ব্যবস্থাগুলি নিচে দেওয়া হলো:
- বিস্ফোরণ-প্রতিরোধী প্রাচীর: এমন ধাতব জাল বা ছিদ্রযুক্ত প্লেট যা দহন তরঙ্গের শক্তি ছড়িয়ে দেয় এবং তার গতি কমিয়ে দেয়। রাসায়নিক পদার্থ বা তরল স্প্রে ব্যবহারের মাধ্যমে বিস্ফোরণ তরঙ্গ নিঃশেষ করা হয়।
- শিখা নিরোধক: শিখার বিস্তার রোধে ব্যবহৃত বাধা বা যন্ত্রপাতি যেমন ধাতব জাল, ছিদ্রযুক্ত ডিস্ক বা স্পার্ক অ্যারেস্টার। কোনও বদ্ধ ব্যবস্থায় চাপ দ্রুত বেড়ে গেলে তা বাইরে নিষ্কাশন করে বিস্ফোরণ রোধ করে।
- সংমিশ্রণ সীমার বাইরে অপারেশন: একটি বিপজ্জনক বিস্ফোরক মিশ্রণ গঠনের জন্য অপর্যাপ্ত অথবা অতিরিক্ত জ্বালানী বা অক্সিডাইজার ব্যবহার করে মিশ্রণটিকে অপ্রতিক্রিয়াশীল রাখা। উচ্চ তাপমাত্রা, ঘর্ষণ, বৈদ্যুতিক স্পার্ক বা উন্মুক্ত শিখা ইত্যাদি সম্ভাব্য ইগনিশন উৎসগুলি নিয়ন্ত্রণ ও নির্মূল করা।
সূত্র
[সম্পাদনা]- Lee, J.H.S., The Detonation Phenomenon, Cambridge University Press, 2008
- Kuo, K.K., Principles of Combustion, John Wiley and Sons, Inc. 2005, 2nd ed.
- Fickett, W. and Davis, W.C., Detonation, University of California Press, 1979
অন্যান্য লিঙ্ক
[সম্পাদনা]একটি বিস্ফোরণ তথ্যভান্ডার অনলাইনে পাওয়া যায় যেখানে বিস্ফোরণ সম্পর্কিত বিভিন্ন পরীক্ষামূলক তথ্য সংরক্ষিত রয়েছে।