Содержание статьи
УДАРНАЯ ВОЛНА –этораспространяющийся по среде фронт резкого, почти мгновенного, изменения параметров среды: плотности, давления, температуры, скорости. Ударные волны называют также сильными разрывами или скачками. Причины возникновения ударных волн в газах – полеты со сверхзвуковыми скоростями (звуковой удар), истечения с большими скоростями через сопла, мощные взрывы, электрические разряды, интенсивное горение.
Ударные волны в воде носят название гидравлического удара. С этим явлением пришлось столкнуться при устройстве первых водопроводов: первоначально водопроводные задвижки перекрывали воду слишком быстро. Резкое прекращение тока воды вызывало ударную волну (гидравлический удар), распространявшуюся в трубе водопровода и часто вызывавшую разрыв такой трубы. Для решения этой проблемы в России был привлечен Жуковский, и она была успешно решена (1899). Ударные волны существуют и на поверхности воды: при открывании ворот шлюзов, при «запирании» течения реки (бора).
Ударные волны могут возникать и из первоначально непрерывных течений. Любая достаточно интенсивная волна сжатия порождает ударную волну из-за того, что в этих волнах задние частицы движутся быстрее впереди бегущих (нелинейное укручение фронта волны).
Ударные волны являются частью детонационных волн, волн конденсации (хорошо известным примером этого явления служат шлейфы тумана, остающиеся за самолетом при пролете через участки атмосферы с повышенной влажностью), могут возникать при взаимодействии лазерного излучения с веществом (светодетонационные волны). Сход снежной лавины также может рассматриваться как ударная волна.
В твердых телах ударные волны возникают при высокоскоростном соударении тел, в астрофизических условиях – при взрывах звезд.
Одним из примеров ударной волны является катастрофическое нарастание давки в охваченной паникой толпе, протискивающейся через узкий проход. Родственным явлением приходится затор в потоке транспорта. Ударные волны в газах были обнаружены в середине 19 в. в связи с развитием артиллерии, когда возросшая мощь артиллерийских орудий позволила метать снаряды со сверхзвуковой скоростью.
Введение понятия ударной волны приписывают немецкому ученому Бернхарду Риману (1876).
Условия на фронте ударной волны.
При переходе через ударную волну должны выполняться общих законов сохранения массы, импульса и энергии. Соответствующие условия на поверхности волны – непрерывность потока вещества, потока импульса и потока энергии:
(r – плотность, u – скорость, p – давление, h – энтальпия, теплосодержание) газа. Индексом «0» отмечены параметры газа перед ударной волной, индексом «1» – за ней. Эти условия носят название условий Ренкина – Гюгонио, поскольку первыми из опубликованных работ, где были сформулированы эти условия, считаются работы британского инженера Вильяма Ренкина (1870) и французского баллистика Пьера Анри Гюгонио (1889).
Условия Ренкина – Гюгонио позволяют получить давление и плотность за фронтом ударной волны в зависимости от начальных данных (интенсивности ударной волны и давления и плотности перед ней):
h – энтальпия газа (функция r и p ). Эта зависимость носит название адиабаты Гюгонио, или ударной адиабаты (рис. 1).
Фиксируя на адиабате точку, соответствующую начальному состоянию перед ударной волной, получаем все возможные состояния за волной заданной интенсивности. Состояниям за скачками сжатия отвечают точки адиабаты, расположенные левее выбранной начальной точки, за скачками разрежения – правее.
Анализ адиабаты Гюгонио показывает, что давление, температура и скорость газа после прохождения скачка сжатия неограниченно возрастают при увеличении интенсивности скачка. В это же время плотность возрастает лишь в конечное число раз, сколь бы ни была велика интенсивность скачка. Количественно увеличение плотности зависит от молекулярных свойств среды, для воздуха максимальный рост 6 раз. При уменьшении амплитуды УВ она вырождается в слабый (звуковой) сигнал.
Из условий Ренкина – Гюгонио также можно получить уравнение прямой в плоскости , p
называемой прямой Рэлея – Михельсона. Угол наклона прямой определяется значением скорости газа перед ударной волной u 0 , сечение адиабаты Гюгонио этой прямой дает параметры газа за фронтом ударной волны. Михельсон (в России) ввел это уравнение при исследовании воспламенения гремучих газовых смесей в 1890, работы британца лорда Рэлея по теории ударных волн относятся к 1910.
Скачки разрежения.
В воздухе наблюдаются только скачки уплотнения. В этом случае по отношению к среде перед ее фронтом ударной волны движется со скоростью, превышающей скорость звука в этой среде, по среде за ее фронтом волна движется с дозвуковой скоростью. Звуковые волны могут нагнать ударную волну сзади, сама же волна надвигается бесшумно. Привлечение законов термодинамики позволило теоретически обосновать это свойство ударных волн для сред с обычными термодинамическими свойствами (теорема Цемплена). Однако, в средах со специальными термодинамическими свойствами скачки разрежения возможны: известны скачки такого рода в средах с фазовыми переходами, например, пар – жидкость.
Структура ударной волны.
Типичная ширина ударной волны в воздухе – 10 –4 мм (порядка нескольких длин свободного пробега молекул). Малая толщина такой волны дает возможность во многих задачах считать ее поверхностью разрыва. Но в некоторых случаях имеет значение структура ударной волны. Такая задача представляет и теоретический интерес. Для слабых ударных волн хорошее согласие эксперимента и теории дает модель, учитывающая вязкость и теплопроводность среды. Для ударных волн достаточно большой интенсивности структура должна учитывать (последовательно) стадии установления термодинамического равновесия поступательных, вращательных, для молекулярных газов еще и колебательных степеней свободы, в определенных условиях – диссоциацию и рекомбинацию молекул, химические реакции, процессы с участием электронов (ионизацию, электронное возбуждение).
Контактные разрывы.
Ударные волны следует отличать от контактных разрывов, также являющихся поверхностями раздела сред с различными плотностями, температурами и, может быть, скоростями. Но, в отличие от ударных волн, через контактный разрыв нет протекания вещества и давление с обеих его сторон одинаково. Контактные разрывы называют также тангенциальными.
Распад произвольного разрыва.
Поверхность произвольного разрыва, разделяющая две области среды с заданными давлением, плотностью, скоростью, в последующие моменты времени в общем случае перестает существовать (распадается). В результате такого распада может возникнуть две, одна или ни одной ударной волны, а также волны разрежения (являющиеся непрерывными) и контактный разрыв, что может быть рассчитано по начальным данным. Решение этой задачи впервые было сообщено Н.Е.Кочиным (доклад 1924 на первом международном конгрессе по прикладной механике в г. Дельфте (Нидерланды), опубликовано в 1926).
Легко представить практические случаи, которые приводят к задачам такого рода, например, разрыв диафрагмы, разделяющей газы различного давления и т.д. Решение такой задачи актуально для расчета работы ударной трубы.
Ударная труба.
Простейшая ударная труба состоит из камер высокого и низкого давления, разделенных диафрагмой (рис. 2).
После разрыва диафрагмы в камеру низкого давления устремляется толкающий газ из камеры высокого давления, формируя волну сжатия, которая, быстро увеличивая свою крутизну, образует ударную волну. За ударной волной в камеру низкого давления движется контактный разрыв. Одновременно в камеру высокого давления распространяется волна разрежения.
Первые ударные трубы появились в конце 19 в., с тех пор развитие техники ударных труб позволило превратить ударные волны в самостоятельный инструмент для исследований. В ударной трубе можно получить газ, однородно нагретый до 10 000 ° К и выше. Такие возможности широко используются при изучении многих химических реакций, различных физических процессов. В астрофизических исследованиях основными данными являются спектры звезд. Точность интерпретации этих спектров определяется результатами сравнения со спектрами, полученными на ударных трубах.
С конца 1920-х стала развиваться сверхзвуковая аэродинамика. Первая сверхзвуковая аэродинамическая труба в США (в Национальном консультативном комитете по аэронавтике, NACA) была создана к 1927, в СССР – в 1931–1933 (в Центральном аэрогидродинамическом институте), это открыло новые возможности экспериментального исследования ударных волн. Сверхзвуковое течение качественно отличается от дозвукового, в первую очередь, наличием ударных волн. Возникновение ударных волн приводит к значительному повышению сопротивления движущихся тел (столь значительному, что возник термин – волновой кризис), а также к изменению действующих на эти тела тепловых нагрузок. Вблизи ударных волн эти нагрузки очень велики и, если не предприняты соответствующие меры защиты, может произойти прогорание корпуса летательного аппарата и его разрушение. Крайне важная проблема в аэродинамике – предотвращение бафтинга (появления нестационарных ударных волн у поверхности летательного аппарата). При бафтинге действие динамических и тепловых нагрузок становится переменным по времени и месту приложения, противостоять таким нагрузкам намного сложнее.
Косые и прямые ударные волны.
В поле течения ударная волна может быть перпендикулярной невозмущенному течению (прямая ударная волна) или составлять с невозмущенным течением некоторый угол (косая ударная волна). Прямые ударные волны обычно создаются в специальных экспериментальных устройствах – ударных трубах. Косые ударные волны возникают, например, при сверхзвуковом обтекании тел, при истечении газа из сверхзвуковых сопел и т.п.
Есть еще одна классификация ударных волн. Примыкающие к твердой поверхности волны носят название присоединенных, не имеющие точек соприкосновения – отошедших. Отошедшие ударные волны возникают при сверхзвуковом обтекании затупленных тел (например, сферы), присоединенные волны имеют место в случае остроконечных тел (клина, конуса); такие волны не столько тормозят течение, сколько резко разворачивают его, так что и за ударной волной течение остается сверхзвуковым.
В ряде случаев газодинамическая теория допускает оба случая течения за фронтом присоединенной волны и сверхзвуковое (в этом случае ударная волна называется слабой), и дозвуковое течение (сильная ударная волна).
Экспериментально наблюдаются только такие ударные волны.
Регулярное и маховское отражение волн.
В зависимости от угла падения ударной волны на препятствие волна может отражаться непосредственно на поверхности препятствия или на некотором расстоянии от него. Во втором случае отражение называется трехволновым, поскольку в этом случае возникает третья ударная волна, соединяющая падающую и отраженную волны с поверхностью препятствия.
Впервые зафиксированное австрийским ученым Эрнстом Махом в 1878, трехволновое отражение получило также название маховского, для отличия от двухфронтового (или регулярного) отражения.
Выполненный Махом эксперимент, позволивший обнаружить трехволновой режим отражения, заключался в следующем (рис. 5): в двух точках, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, одновременно проскакивали две искры, порождавшие две сферических ударных волны.
Распространяясь над поверхностью, зачерненной сажей, эти волны оставляли отчетливый след точек их пересечения, начинающийся посередине между точками инициализации волн, а затем идущий по срединному перпендикуляру отрезка, соединяющего эти точки инициализации. Далее отрезок на концах разделялся на две симметрично расходящиеся линии. Полученная картина соответствует тому, что на ранней стадии взаимодействия ударные волны отражаются друг от друга так, как будто происходит отражение в регулярном режиме от воображаемой плоскости, расположенной посередине между точками инициализации волн. Затем образуется скачок Маха, соединяющий соответствующие точки кривых, приведенных на рис. 3. Поскольку на зачерненной поверхности остаются лишь траектории точек пересечения волн, Мах продемонстрировал впечатляющую проницательность, сумев расшифровать смысл полученных следов.
Задача о сильном взрыве.
К 1945 было создано мощное оружие разрушения – атомная бомба. Оценка последствий ядерного взрыва во многом связана с расчетом воздействия образовавшейся в результате взрыва ударной волны. Такая задача, называемая задачей о сильном взрыве, впервые была решена Л.И.Седовым в СССР (опубликовано в 1946), получившим точное аналитическое решение поставленной задачи (в виде конечных формул). В 1950 опубликовал свое исследование этой же задачи (с использованием приближенных численных методов) Дж. Тейлор (США).
Сходящаяся ударная волна.
Впервые задача о фокусировке ударной волны была сформулирована и решена Г.Гудерлеем в Германии (1942) и независимо Л.Д.Ландау и К.П.Станюковичем в СССР (опубликовано в 1955). По мере приближения волны к центру фокусировки происходит концентрация энергии и ударная волна усиливается. В моменты, близкие к фокусировке, волна выходит на некоторый предельный (называемый автомодельным) режим, когда предшествующие условия создания и распространения ударной волны не важны. Сходящиеся ударные волны позволяют получать гигантские давления и температуры в точке фокусировки, в настоящее время изучение таких волн – одно из перспективных направлений создания управляемого термоядерного синтеза.
Устойчивость ударной волны.
Если условия течения таковы, что его малые возмущения имеют тенденцию к росту, то со временем рост этих возмущений может привести к изменению режима течения или даже к полному его разрушению. Специальные исследования устойчивости УВ в среде с общими свойствами впервые проведены в СССР (С.П.Дьяков, 1954, и В.М.Конторович, 1957 – уточнение результатов Дьякова). Были определены области устойчивости (затухание возмущений) и неустойчивости (рост возмущений), нейтральной устойчивости (ударная волна не реагирует на возмущения), а также обнаружена область спонтанного излучения звука поверхностью ударной волны. Простые расчеты, основанные на полученных результатах, показали, что в воздухе ударная волна абсолютно устойчива. Вместе с тем, неустойчивость проявляется, например, у детонационных волн, что приводит к особенностям распространения волн такого рода: галопирующая и спиновая детонация, ячеистая структура детонационных волн.
Тенденция даже слабых волн сжатия к опрокидыванию приводит к тому, что звуковые волны переходят в слабые скачки и более уже не распространяются со звуковой скоростью – скорость слабого скачка равна полусумме скоростей звука в среде до скачка и после него. В этом сложность экспериментального определения точной скорости звука. Теория дает следующие результаты – в воздухе (при нормальных условиях) 332 м/с, в воде (при 15 ° С) 1490 м/с.
Число Маха.
Отношение скорости течения к скорости звука – важная характеристика течения и носит название числа Маха:
u – скорость газа, a – скорость звука. При сверхзвуковом течении число Маха больше единицы, при дозвуковом – меньше единицы, при течении со звуковой скоростью – равно единице.
Предложил название «число Маха» швейцарский ученый Якоб Аккерет в знак признания заслуг Э.Маха в области исследования сверхзвуковых течений.
Угол Маха.
Для источника слабых возмущений, обтекаемого сверхзвуковым потоком, наблюдается интересное явление: четко выраженные границы поля возмущений – линии Маха (рис. 6). При этом синус образованного линией Маха и направлением основного течения угла есть обратное число Маха: .
Этого и следовало ожидать, так как скорость распространения слабых возмущений поперек направления набегающего потока есть скорость звука. Чем больше скорость набегающего потока, тем уже делается угол Маха.
Взаимодействие ударных волн с пограничным слоем.
В пограничном слое, возникающем вблизи ограничивающих поток стенок, происходит торможение потока до нулевых скоростей на стенке (условие «прилипания»). Фронт ударной волны, взаимодействующей с пограничным слоем, претерпевает изменения: образуется, так называемый, l -образный скачок (лямбда-образный скачок, по сходству конфигурации такого скачка с греческой буквой лямбда, рис. 7).
При течении в канале с развитыми пограничными слоями у стенок прямой скачок заменяется Х -образным скачком, составленным двумя l -образными скачками (обычным и перевернутым). За фронтом такого скачка происходит нарастание толщины пограничного слоя, пограничный слой турбулизуется, могут образовываться другие Х -образные скачки и, в конце концов, может возникнуть ситуация, когда падение скорости потока от сверхзвуковой до дозвуковой происходит в сложной системе скачков и неодномерного течения – псевдоскачке.
Теория мелкой воды.
Сверхзвуковое течение, как оказалось, аналогично течению воды (или другой несжимаемой жидкости) в открытом водоеме, глубина которого достаточно мала («мелкая» вода) и на жидкость действует сила тяжести. Формально аналогия проявляется в том, что уравнения, описывающие соответствующие движения и газа, и воды, оказываются одинаковыми. Используя это свойство можно совершенно ясно наблюдать явления, происходящие в сверхзвуковом потоке. Например, в обычном быстротекущем ручейке отчетливо видны аналоги отошедших и присоединенных ударных волн, картины процесса возникновения ударной волны при обтекании криволинейной стенки, пересечения и отражения ударных волн, распространения возмущений от точечного источника – линий Маха, картины истечения сверхзвуковых струй в область покоящегося газа, Х -образных скачков и т.п. Впервые обратившим внимание на такую аналогию считается Д.Рябушинский (Франция, 1932).
Андрей Богданов
Ударная волна. Источники образования ударной волны.
Ударная волна -это область сжатия среды, которая в виде сферического слоя распространяется со сверхзвуковой скоростью во все стороны от источника ее образования. В зависимости от того, в какой среде распространяется ударная волна (в воздухе, воде или грунте), она соответственно называется воздушной ударной волной, ударной волной в воде, сейсмовзрывной волной в грунте.
Различают ударную волну природного и антропогенного происхождения. К природным волнам относятся ударные волны, вызываемые извержением вулканов, землетрясениями, ураганами, смерчами, паданием метеоритов и т.д. Кантропогенным относятся ударные волны, которые возникают в результате взрывов ядерных устройств, химических взрывов, взрывов на объектах атомной энергетики, взрывов на предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, взрывов веществ при их перевозке на транспорте, взрывов газовоздушных смесей или смесей горючих жидкостей и газов с воздухом. На данный момент широко изучено действие ударной волны при взрыве ядерных устройств. В этом случае проявляются все стороны поражающего действия ударной волны и наблюдаются все ее основные параметры.
Ударная волна является основным поражающим фактором взрывов ядерных устройств (ядерных взрывов). Большинство разрушений и повреждений зданий и сооружений, оборудования промышленных объектов, а также поражение людей, как правило, обусловлено действием ударной волны.
Наряду с ударными волнами другими поражающими факторами взрыва ядерных устройств являются световое излучение, проникающая радиация, радиоактивное заражение, электромагнитный импульс . Распределение энергии между поражающими факторами зависит от вида взрыва и условий, в которых он происходит. Приназемном и воздушном взрыве до 50% расходуется на образование избыточного давления ударной волны, около 30% на световое излучение, до 15% на радиоактивное заражение и около 5% на проникающую радиацию.
Характер распространения ударной волны в воздухе, воде и грунте. Основные параметры ударной волны.
Воздушная ударная волна образуется за счет огромной энергии, выделяемой в зоне ядерной реакции, где температура достигает 10000С, а давление - 10 5 -10 6 Па.
Раскаленные пары и газы расширяются, производя тем самым резкий удар по окружающим слоям воздуха, в результате чего происходит сжатие этих воздушных слоев до высокого давления и большой плотности, а также нагрев до высоких температур. Сжатие и перемещение воздуха происходит от одного слоя к другому во все стороны от места взрыва, образуя тем самым ударную волну. Расширение раскаленных газов действует на небольших расстояниях от центра взрыва. На более значительных расстояниях действует воздушная ударная волна (в основном). Возле центра взрыва скорость ударной волны значительно превышает скорость звуковых волн. С увеличением расстояния от центра взрыва скорость ударной волны быстро убывает, а действие самой ударной волны быстро ослабевает. На больших расстояниях она, как правило, переходит в звуковую волну. Воздушная ударная волна при взрывах средней мощности проходит примерно 1000 м за 1.4с, 2000 м за 4с, 3000м за 7с и 5000 м за 12с.
|
На графике показан характер изменения давления с течением времени в какой-либо фиксированной точке пространства. С приходом в? точку фронта ударной волны давление воздуха резко возрастает, также резко возрастает плотность воздуха, температура и скорость внешней среды. После того, как фронт ударной волны пройдет данную точку пространства, давление в ней постепенно снижается и через некоторый промежуток времени становится равным атмосферному Р 0 . Образовавшийся слой сжатого воздуха являетсяфазой сжатия (τ+ ) , в этот период времени ударная волна обладает наибольшим разрушающим действием. По мере удаления от центра взрыва давление во фронте ударной волны уменьшается, а толщина слоя сжатия со временем возрастает. |
Последнее происходит за счет привлечения новых масс воздуха. Далее давление становится ниже атмосферного, воздух начинает двигаться в направлении, противоположном распространению ударной волны, то есть к центру взрыва. Эта зона пониженного давления называется фазой разряжения (τ- ). Вфазе разряжения ударная волна производит гораздо меньшее разрушение, чем в фазе сжатия, так как максимальное отрицательное давление-ΔР значительно меньше максимального избыточного давления во фронте ударной волны. После окончания периода действия фазы разрушения, когда давление достигает значения атмосферного, прекращается движение фаз воздуха, и следовательно, разрушающего воздействия ударной волны. Непосредственно за фронтом ударной волны в области сжатия движутся массы воздуха.
Вследствие торможения этих масс воздуха при встрече с преградой возникает давление скоростного напора. Основными параметрами ударной волны, определяющими ее поражающее действие, являются
избыточное давление во фронте ΔР Ф ,
скоростной напор ΔР ск ,
время действия Т ув .
Избыточное давление во фронте ударной волны это разница между максимальным давлением во фронте ударной волны и нормальным атмосферным давлением перед фронтом.
ΔР Ф =Р Ф -Р 0
Единицей измерения избыточного давления в системе Си является Па. Значение избыточного давления в какой-либо точке зависит от расстояния до центра взрыва, мощности и вида взрыва.
Скоростной напор -это динамические нагрузки, создаваемые потоком воздуха во фронте ударной волны. Как и избыточное давление, измеряется в Па. Скоростной напор зависит от плотности воздуха, скорости движения воздушных масс и связан с избыточным давлением. Разрушающее действие скоростного напора сказывается в областях с избыточным давлением> 50 кПа.
Время действия УВ – это время действия избыточного давления. Зависит, главным образом, от избыточного давления и скорости воздуха.
УДАРНАЯ ВОЛНА
Примером возникновения и распространения У. в. может служить газа в трубе поршнем. Если поршень вдвигается в медленно, то по газу со скоростью звука а бежит акустич. (упругая) волна сжатия. Если же поршня не мала по сравнению со скоростью звука, возникает У. в., скорость распространения к-рой по невозмущённому газу больше, чем скорость движения ч-ц газа (т. н. массовая скорость), совпадающая со скоростью поршня. Расстояния между ч-цами в У. в. меньше, чем в невозмущённом газе, вследствие сжатия газа. Если поршень сначала вдвигают в газ с небольшой скоростью и постепенно ускоряют, то У. в: образуется не сразу. Вначале возникает волна сжатия с непрерывными распределениями плотности r и давления р. С течением времени крутизна передней части сжатия нарастает, т. к. возмущения от ускоренно движущегося поршня догоняют её и усиливают, вследствие чего возникает резкий скачок всех гидродинамич. величин, т. е. У. в.
Законы ударного сжатия. При прохождении газа через У. в. его параметры меняются очень резко и в очень узкой области. Толщина фронта У. в. имеет порядок длины свободного пробега молекул, однако при многих теоретич. исследованиях можно пренебречь столь малой толщиной и с большой точностью заменить фронт У. в. поверхностью разрыва, считая, что при прохождении через неё параметры газа изменяются скачком (отсюда назв. « »). Значения параметров газа по обе стороны скачка связаны . соотношениями, вытекающими из законов сохранения массы, импульса и энергии:
r1v1 =r0v0, р1+p1v21 =p0+r0v20, e1+p1/r1 +v21/2=e0+ p0/r0+v20/2, (1)
Органические растворители - химические соединения для растворения твердых веществ (смол, пластмасс, красок и т.д.). В эту группу входят спирты, эфиры, хлорированные углеводороды, кетоны, углеводороды и т.п.
Понятие об ударной волне, ее характеристики
Быстрое и неконтролируемое высвобождение энергии порождает взрыв.
Высвобождаемая энергия проявляется в виде теплоты, света, звука и механической ударной волны. Источником взрыва чаще служит химическая реакция. Но взрывом могут быть высвобождения механической и ядерной энергии (паровой котел, ядерный взрыв). Горючие, пыль, газ и пар в смеси с воздухом (веществом, поддерживающим горение) способны взрываться при зажигании. В технологических процессах невозможно полностью исключить вероятность образования взрывоопасной ситуации. Одним из основных поражающих факторов взрыва является ударная волна.
Ударная волна - это область резкого сжатия среды, которая в виде сферического слоя распространяется во все стороны от места взрыва со сверхзвуковой скоростью.
Ударная волна образуется за счет энергии, выделяемой в зоне реакции. Возникшие при взрыве пары и газы, расширяясь, производят резкий удар по окружающим слоям воздуха, сжимают их до больших давлений и плотностей и нагревают до высоких температур. Эти слои воздуха приводят в движение последующие слои. И так, сжатие и перемещение воздуха происходит от одного слоя к другому, образуя ударную волну. Величина давления изменяется во времени в точке пространства при прохождении через нее ударной волны. С приходом ударной волны в данную точку давление достигает максимального Рф = Ро + ΔРф, где Ро атмосферное давление. Образовавшиеся слои сжатого воздуха называют фазой сжатия. После прохождения волны давление уменьшается, становится ниже атмосферного. Эта зона пониженного давления называется фазой разрежения.
Непосредственно за фронтом ударной волны движутся массы воздуха. Вследствие торможения этих масс воздуха при встрече с преградой возникает давление скоростного напора воздушной ударной волны.
Основными характеристиками поражающего действия ударной волны являются:
- Избыточное давление во фронте ударной волны (Рф) - это разность между максимальным давлением во фронте ударной волны и нормальным атмосферным давлением (Ро), измеряется в Паскалях (Па). Избыточное давление во фронте ударной волны рассчитывается по формуле:
где: ΔРф - избыточное давление, кПа;
qэ - тротиловый эквивалент взрыва (qэ = 0,5q, q - мощность взрыва, кг);
R - расстояние от центра взрыва, м.
- Давление скоростного напора - это динамическая нагрузка, создаваемая потоком воздуха; скоростной напор Рек зависит от скорости и плотности воздуха.
где V - скорость частиц воздуха за фронтом ударной волны, м/с;
ρ - плотность воздуха, кг/куб.м.
-Длительность фазы сжатия, то есть время действия повышенного давления.
τ = 0,001 q1/6 R1/2,
где R в метрах, q в килограммах и τ - в секундах.
Ударная волна в воде отличается от воздушной тем, что на одних и тех же расстояниях давление во фронте ударной волны в воде гораздо больше, чем в воздухе, а время действия меньше. Волны сжатия в грунте в отличие от ударной волны в воздухе характеризуются менее резким увеличением давления во фронте волны и более медленным ослаблением за фронтом.
Ударная волна может нанести человеку травматические поражения и быть причиной его гибели. Поражение может быть непосредственным или косвенным. Непосредственное поражение возникает от действия избыточного давления и скоростного напора воздуха. Ударная волна подвергает человека сильному сжатию в течение нескольких секунд. Скоростной напор может привести к перемещению тела в пространстве. Косвенное поражение человека может быть результатом ударов обломков, летящих с большой скоростью.
Характер и степень поражения человека зависят от мощности и вида взрыва, расстояния, а также от места нахождения и положения человека. Крайне тяжелые контузии и травмы возникают при избыточном давлении более 100 кПа (1 кгс/кв.см): разрывы внутренних органов, переломы гостей, внутренние кровотечения и т.п. При избыточных давлениях от 60 до 100 кПа (от 0,6 до 1 кгс/кв.см) имеют место тяжелые контузии и травмы: потеря сознания, переломы костей, кровотечение из носа и ушей, возможны повреждения внутренних органов. Средней тяжести поражения возникают при избыточном давлении 40-60 кПа (0,4-0,6 кгс/кв.см): вывихи, повреждения органов слуха и т.п. И легкие поражения при давлении, 20-40 кПа (0,2-0,4 кгс/кв.см). Ударная волна оказывает механическое воздействие на здания, сооружения, может вызвать их разрушение. Здания с металлическим каркасом получают средние разрушения при 20-40 кПа и полные при 60-80 кПа, здания кирпичные при 10-20 кПа и 30-40, здания деревянные при 10 и 20 кПа.
При ядерном взрыве в атмосфере примерно 50% энергии взрыва расходуется на образование ударной волны. В зоне реакции давление достигает миллиардов атмосфер (до 10 млрд. Па). Воздушная ударная волна ядерного взрыва средней мощности проходит 1000 м за 1,4 с, а 5000 за 12 С. Избыточное давление во фронте ударной волны составляет на расстоянии от взрыва 2,2 км 100 кПа (1 кгс/кв.см), 5,3 км 30 кПа (0,3 кгс/кв.см).
Защитное заземление
Существуют следующие способы защиты, применяемые отдельно или в сочетании друг с другом: защитное заземление, зануление, защитное отключение, электрическое разделение сетей разного напряжения, применение малого напряжения, изоляция токоведущих частей, выравнивание потенциалов.
В электроустановках (ЭУ) напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью и в ЭУ постоянного тока с изолированной средней точкой применяют защитное заземление в сочетании с контролем изоляции или защитное отключение.
В этих электроустановках сеть напряжением до 1000 В, связанную с сетью напряжением выше 1000 В через трансформатор, защищают от появления в этой сети высокого напряжения при повреждении изоляции между обмотками низшего и высшего напряжения пробивным предохранителем, который может быть установлен в каждой фазе на стороне низшего напряжения трансформатора.
В электроустановках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью или заземленной средней точкой в ЭУ постоянного тока применяется зануление или защитное отключение. В этих ЭУ заземление корпусов электроприемников без их заземления запрещается.
Защитное отключение применяется в качестве основного или дополнительного способа защиты в случае, если не может быть обеспечена безопасность применением защитного заземления или зануления или их применение вызывает трудности.
При невозможности применения защитного заземления, зануления или защитного отключения допускается обслуживание ЭУ с изолирующих площадок.
Ударная волна - это область резкого сжатия среды, которая в виде сферического слоя распространяется во все стороны от места взрыва со сверхзвуковой скоростью.
В зависимости от среды распространения различают ударную волну в воздухе, в воде или грунте.
Ударная волна в воздухе образуется за счет огромной энергии, выделяемой в зоне взрыва, где высокая температура и большой давление. Например, при ядерном взрыве давление в зоне реакции достигает миллиардов атмосфер.
Раскаленные пары и газы стремясь расшириться, производят резкий удар по окружающим слоям воздуха, сжимают их до больших давлений и плотности и нагревают до очень высокой температуры. Эти слои приводят в движение последующие слои воздуха. Таким образом сжатие и перемещение воздуха происходит от одного слоя к другому во все стороны от центра взрыва, образуя воздушную ударную волну. Основным носителем действия взрыва является воздушная ударная волна, скорость распространения которой вблизи центра взрыва в несколько раз превышает скорость звука в воздухе и уменьшается по мере удаления от места взрыва до скорости звука - 340 м/с.
Например, при ядерном взрыве средней мощности воздушная ударная волна проходит 5000 м за 12 секунд. Поэтому человек, увидев вспышку ядерного взрыва до прихода ударной волныможет укрыться (в складке местности, канаве и пр.).
Передняя граница ударной волны называется фронтом ударной волны. После прохождения ударной волной данной точки пространства давление в этой точке снижается до атмосферного. Фронт ударной волны движется вперед. Образовавшийся слой сжатого воздуха называется фазой сжатия.
С удалением от центра взрыва давление во фронте ударной волны уменьшается, а толщина слоя сжатия из-за вовлечения новых масс воздуха возрастает, в то же время давление снижаясь, становится ниже атмосферного и воздух начинает движение к центру взрыва. Эта зона пониженного давления называется фазой разрежения.
Разрушительное действие большее в фазе сжатия.
С фронтом ударной волны в области сжатия движутся массы воздуха, которые при встрече с преградой тормозятся и при этом моментально возрастают до максимума: скоростной напор воздушной ударной волны и избыточное давление во фронте ударной волны.
Избыточное давление измеряется в Паскалях (Па) или в кг-сила на квадратный сантиметр: 1 Па - 1 Н/м2 (Ньютон на метр квадратный) = 0. 102 кгс/м2 = 1. 02 * 10^(-5) кгс/см2 ; 1 кгс/см2 = 98. 1 кПа или 1 кгс/см2 примерно равен 100 кПа.
Таким образом, основные параметры ударной волны, характеризующие ее разрушающее и поражающее действие: избыточное давление, во фронте ударной волны, давление скоростного напора, продолжительность действия волны - длительность фазы сжатия и скорость фронта ударной волны. Величина этих параметров в основном зависит от мощности, вида взрыва и расстояния.
При наземном взрыве энергия взрыва распределяется в полусфере и ударная волна перемещается вдоль поверхности земли, при этом на поверхности земли действует такое давление, до которого сжат воздух в соответствующей части воздушной ударной волны.
При воздушном взрыве падающая ударная волна вызывает при встрече с поверхностью земли отраженную ударную волну.
Рассмотрим термины (рис. 84).
Эпицентр воздушного взрыва - точкана поверхности земли под центром взрыва.
Зона регулярного отражения - зона с расстоянием от эпицентра, не превышающим высоты взрыва.
Зона нерегулярного отражения - зона с расстоянием от эпицентра более высоты взрыва.
В зоне регулярного отражения на предмет, расположенный на некотором расстоянии от земли, воздействует давление падающей волны, а через некоторое время - давление отраженной волны. В зоне нерегулярного отражения падающая волна опережает отраженную, последняя распространяясь в нагретом воздухе и сжатом падающей волной, движется быстрее падающей волны. В результате происходит слияние этих волн и образуется общий фронт головной ударной волны, перпендикулярной поверхности земли, высота которого по мере удаления от центра взрыва увеличивается.
Предметы, находящиеся в области действия головной ударной волны испытывают ее воздействие, а расположенные выше (верх высотных домов) - два удара - от падающей и отраженной волн.
Давление во фронте головной ударной волны значительно выше, чем во фронте падающей волны и зависит не только от мощности взрыва и расстояния от эпицентра, но и от высоты ядерного взрыва.
Оптимальной высотой взрыва считается такая, при которой наибольшая площадь разрушения. Например, для взрыва мощностью в 1 мегатонну эта высота равна 2100 м (при этом на постройки воздействует давление 20-30 кПа (0. 2-0. 3 кг/см2).
При наземном взрыве радиус поражения на сравнительно больших расстояниях больше, чем радиус поражения воздушной ударной волны, а на более удаленных - меньше, так как сказывается влияние совместного воздействия падающих и отраженных волн - головной ударной волны.
Давление (избыточное) во фронте ударной волны можно определить расчетом (см. В. Г. Атаманюк и др. Гражданская оборона. -М7: Высшая школа, 1986. с. 26).
Ударная волна в воде при подводном ядерном взрыве качественно напоминает ударную волну в воздухе, но давление во фронте ударной волны в воде больше, а время действия меньше. Например, давление на расстоянии 900 м от центра ядерного взрыва мощностью 100 кт в воде составляет 19000 кПа, а при взрыве в воздухе - около 100 кПа.
При наземном взрыве часть энергии взрыва расходуется на образование сжатия в грунте.
При взрыве в грунте происходит мощное сотрясение грунта землетрясение.
02.05.2013 23:20
Лента новостей
- 20:32
- 19:32
- 14:25
- 13:22
- 12:24
- 17:02
- 16:22
- 16:24
- 15:32
- 14:23
- 13:32
- 20:02
- 19:02
