Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В динамике жидкости , А взрывная волна является увеличением давления и расхода в результате осаждения большого количества энергии в небольшом, очень локализованный объеме. Поле течения можно представить как свинцовую ударную волну , за которой следует автомодельное дозвуковое поле течения. Проще говоря, взрывная волна - это область давления, сверхзвукового расширения наружу от ядра взрывчатого вещества. Имеет передний ударный фронт сжатых газов. За взрывной волной следует порывистый ветер с отрицательным манометрическим давлением , который засасывает предметы обратно к центру. Взрывная волна вредна, особенно когда она находится очень близко к центру или в месте конструктивного вмешательства. Взрывчатые вещества, которые взрываются, генерируют взрывные волны.

Источники [ править ]

Взрывчатые вещества высокого порядка (HE) более мощные, чем взрывчатые вещества низкого порядка (LE). ОФ взрывается, создавая определяющую сверхзвуковую ударную волну избыточного давления. Некоторые источники HE включают тринитротолуол , C-4 , семтекс , нитроглицерин и мазут из нитрата аммония ( ANFO ). LE сгорает для создания дозвукового взрыва и отсутствия волны избыточного давления HE. Источники LE включают самодельные бомбы, порох и зажигательные бомбы на основе самой чистой нефти, такие как коктейли Молотова или самолеты, импровизированные в качестве управляемых ракет. HE и LE вызывают разные модели травм. Только HE производят настоящие взрывные волны.

История [ править ]

Классическое решение для потока - так называемое решение для взрывной волны Тейлора – фон Неймана – Седова - было независимо разработано Джоном фон Нейманом [1] [2] и британским математиком Джеффри Инграмом Тейлором [3] [4] во время Второй мировой войны . После войны, решение подобия была опубликована тремя другими authors- Л. И. Седов , [5] Р. последних, [6] и J. Lockwood-Тейлора [7] -кто обнаружил его независимо друг от друга. [8]

С момента первых теоретических работ более 50 лет назад продолжаются как теоретические, так и экспериментальные исследования взрывных волн. [9] [10]

Характеристики и свойства [ править ]

Форма волны Фридлендера - это простейшая форма взрывной волны.

Простейшая форма взрывной волны была описана и названа формой волны Фридлендера. [11] Это происходит, когда взрывчатое вещество детонирует в свободном поле, то есть в отсутствии поверхностей поблизости, с которыми оно могло бы взаимодействовать. Взрывные волны обладают свойствами, предсказанными физикой волн . Например, они могут дифрагировать через узкое отверстие и преломляться при прохождении через материалы. Подобно свету или звуковым волнам, когда взрывная волна достигает границы между двумя материалами, часть ее передается, часть поглощается, а часть отражается. В импедансы двух материалов определяют , сколько каждый имеет место.

Уравнение для формы волны Фридлендера описывает давление взрывной волны как функцию времени:

где P s - пиковое давление, а t * - время, в которое давление впервые пересекает горизонтальную ось (перед отрицательной фазой).

Взрывные волны будут обволакивать объекты и здания. [12] Следовательно, люди или объекты за большим зданием не обязательно защищены от взрыва, который начинается на противоположной стороне здания. Ученые используют сложные математические модели, чтобы предсказать, как объекты будут реагировать на взрыв, чтобы спроектировать эффективные барьеры и более безопасные здания. [13]

Формирование ствола Маха [ править ]

Взрывная волна, отражающаяся от поверхности и образующая ствол машины.

Формирование ствола Маха происходит, когда взрывная волна отражается от земли и отражение догоняет первоначальный ударный фронт, создавая зону высокого давления, которая простирается от земли до определенной точки, называемой тройной точкой на краю взрывной волны . Все, что находится в этой области, испытывает пиковое давление, которое может в несколько раз превышать пиковое давление первоначального фронта ударной волны.

Конструктивная и деструктивная интерференция [ править ]

Пример конструктивного вмешательства.

В физике интерференция - это встреча двух коррелированных волн и увеличение или уменьшение суммарной амплитуды, в зависимости от того, является ли интерференция конструктивной или деструктивной. Если гребень волны встречается с гребнем другой волны в той же точке, гребни конструктивно интерферируют, и результирующая амплитуда гребневой волны увеличивается; образуя гораздо более мощную волну, чем любая из начальных волн. Точно так же две впадины образуют впадину повышенной амплитуды. Если вершина волны встречает впадину другой волны, тогда они деструктивно интерферируют, и общая амплитуда уменьшается; таким образом создавая волну, которая намного меньше любой из родительских волн.

Формирование стержня станка - один из примеров конструктивного вмешательства. Всякий раз, когда взрывная волна отражается от поверхности, например стены здания или внутренней части транспортного средства, различные отраженные волны могут взаимодействовать друг с другом, вызывая повышение давления в определенной точке (конструктивная интерференция) или уменьшение (разрушающая интерференция). ). Таким образом, взрывные волны взаимодействуют так же, как звуковые волны или волны на воде.

Ущерб [ править ]

Взрывные волны вызывают повреждение из-за сочетания значительного сжатия воздуха перед волной (образуя ударный фронт ) и последующего ветра, который следует за ним. [14]Взрывная волна распространяется быстрее скорости звука, и прохождение ударной волны обычно длится всего несколько миллисекунд. Подобно другим типам взрывов, взрывная волна также может причинить вред объектам и людям порывами ветра, обломков и пожаров. Оригинальный взрыв пошлет фрагменты, которые летят очень быстро. Мусор, а иногда и люди, могут попасть в взрывную волну, что приведет к большему количеству травм, таких как проникающие раны, пронзание на кол, переломы костей или даже смерть. Взрывной ветер - это область низкого давления, из-за которой обломки и фрагменты фактически устремляются обратно к первоначальным взрывам. Взрывная волна также может вызывать пожары или даже вторичные взрывы в результате сочетания высоких температур, возникающих в результате детонации и физического разрушения объектов, содержащих топливо.

Приложения [ править ]

Бомбы [ править ]

В ответ на запрос британского комитета MAUD Дж. И. Тейлор оценил количество энергии, которое будет высвобождено при взрыве атомной бомбы в воздухе. Он постулировал, что для идеализированного точечного источника энергии пространственные распределения переменных потока будут иметь одинаковую форму в течение заданного временного интервала, причем переменные различаются только масштабом. (Отсюда и название «решение подобия».) Эта гипотеза позволила преобразовать уравнения в частных производных в терминах r (радиус взрывной волны) и t (время) в обыкновенное дифференциальное уравнение в терминах переменной подобия. ,

где - плотность воздуха, а - энергия, выделяемая при взрыве. [15] [16] [17] Этот результат позволил Тейлору оценить мощность первого атомного взрыва в Нью-Мексико в 1945 году, используя только фотографии взрыва, которые были опубликованы в газетах и ​​журналах. [8] Выход взрыва был определен с помощью уравнения: ,

где - безразмерная константа, которая является функцией отношения удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении к удельной теплоемкости воздуха при постоянном объеме. На значение C также влияют радиационные потери, но для воздуха значения C, равные 1,00–1,10, обычно дают разумные результаты. В 1950 году Дж. Тейлор опубликовал две статьи, в которых раскрыл мощность Е первого атомного взрыва [3] [4], которая ранее была засекречена и поэтому публикация этой статьи стала источником споров. [ необходима цитата ]

В то время как ядерные взрывы являются одними из ярких примеров разрушительной силы взрывных волн, взрывные волны, генерируемые взрывом обычных бомб и другого оружия, сделанного из фугасных взрывчатых веществ, использовались в качестве оружия войны из-за их эффективности в нанесении политравматических повреждений. Во время Второй мировой войны и участия США в войне во Вьетнаме взрыв легкого был обычным и часто смертельным ранением. Усовершенствования в транспортных средствах и средствах индивидуальной защиты помогли снизить частоту взрыва легких. Однако по мере того, как солдаты лучше защищены от проникающих ранений и выживания после смертельного воздействия, травмы конечностей, глаз и ушей, а также черепно-мозговые травмы стали более распространенными.

Воздействие взрывных нагрузок на здания [ править ]

Поведение конструкции во время взрыва полностью зависит от материалов, использованных при строительстве здания. При попадании в фасад здания ударный фронт от взрыва мгновенно отражается. Это воздействие на конструкцию придает импульс внешним компонентам здания. Связанная кинетическая энергия движущихся компонентов должна поглощаться или рассеиваться, чтобы они выжили. Обычно это достигается путем преобразования кинетической энергии движущегося компонента в энергию деформации в сопротивляющихся элементах. [18]

Обычно сопротивляющиеся элементы, такие как окна, фасады зданий и опорные колонны, выходят из строя, вызывая частичные повреждения вплоть до постепенного обрушения здания.

Астрономия [ править ]

Так называемое решение Седова-Тейлора (см. § Бомбы ) стало полезным в астрофизике . Например, его можно применять для количественной оценки результатов от взрывов сверхновых . Расширение Седова-Тейлора также известно как фаза «взрывной волны», которая представляет собой фазу адиабатического расширения в жизненном цикле сверхновой. Температура материала в оболочке сверхновой снижается со временем, но внутренняя энергия материала всегда составляет 72% от E 0 , исходной выделяемой энергии. Это полезно для астрофизиков, заинтересованных в предсказании поведения остатков сверхновых.

Исследование [ править ]

Взрывные волны генерируются в исследовательских средах с использованием ударных труб, приводимых в действие взрывчатым веществом или сжатым газом, в попытке воспроизвести среду военного конфликта, чтобы лучше понять физику взрывов и травм, которые могут возникнуть, и разработать лучшую защиту от воздействия взрыва. [19] Взрывные волны направлены против конструкций (например, транспортных средств) [20], материалов и биологических образцов [21] или суррогатов. Высокоскоростные датчики давления и / или высокоскоростные камеры часто используются для количественной оценки реакции на воздействие взрывной волны. Антропоморфные тестовые устройства (ATD или тестовые манекены)), первоначально разработанные для автомобильной промышленности, используются, иногда с дополнительными приборами, для оценки реакции человека на события взрыва. Например, с помощью этих ATD были смоделированы личный состав транспортных средств и персонал бригад по разминированию. [22]

В сочетании с экспериментами были построены сложные математические модели взаимодействия взрывных волн с неодушевленными и биологическими структурами. [23] Проверенные модели полезны для экспериментов типа «что, если» - предсказания результатов для различных сценариев. В зависимости от моделируемой системы может быть сложно получить точные входные параметры (например, свойства материала чувствительного к скорости материала при скорости взрыва нагружения). Отсутствие экспериментальной проверки серьезно ограничивает полезность любой численной модели.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Нойман, Джон фон, "Решение точечного источника", Джон фон Нейман. Собрание сочинений под редакцией А. Дж. Тауба, Vol. 6 [Элмсфорд, Нью-Йорк: Permagon Press, 1963], страницы 219–237.
  2. ^ Бете, HA и др., BLAST WAVE, Los Alamos Report LA-2000, Ch. 2, (1947). читать онлайн
  3. ^ a b Тейлор, сэр Джеффри Ингрэм (1950). «Образование взрывной волны при очень сильном взрыве. I. Теоретическая дискуссия». Труды Королевского общества А . 201 (1065): 159–174. Bibcode : 1950RSPSA.201..159T . DOI : 10.1098 / RSPA.1950.0049 . S2CID 54070514 .  CS1 maint: discouraged parameter (link)
  4. ^ a b Тейлор, сэр Джеффри Ингрэм (1950). «Образование взрывной волны при очень сильном взрыве. II. Атомный взрыв 1945 года» . Труды Королевского общества А . 201 (1065): 175–186. Bibcode : 1950RSPSA.201..175T . DOI : 10.1098 / RSPA.1950.0050 . CS1 maint: discouraged parameter (link)
  5. ^ Седов, Л.И., "Распространение сильных ударных волн", Журнал прикладной математики и механики , Vol. 10, страницы 241 - 250 (1946); на русском языке: Седов Л. И. "Распространение сильных взрывных волн ", Прикладная математика и механика, т. Х, № 2, С. 241-250.
  6. ^ Латтер, Р. , "Решение подобия для сферической ударной волны", Журнал прикладной физики , Vol. 26, страницы 954 - 960 (1955).
  7. ^ Локвуд-Тейлор, Дж., "Точное решение проблемы сферической взрывной волны", Philosophical Magazine , Vol. 46, страницы 317 - 320 (1955).
  8. ^ a b Бэтчелор, Джордж, Жизнь и наследие Дж. И. Тейлора , [Кембридж, Англия: издательство Кембриджского университета, 1996], страницы 202–207.
  9. ^ Дьюи JM. 53 года исследований взрывных волн, личный анамнез. 21-й Международный симпозиум по вооруженным силам и взрывам, Израиль, 2010 г.
  10. ^ Rinehart EJ, et al. Тестирование эффектов оружия DTRA: перспектива на тридцать лет. 21-й Международный симпозиум по вооруженным силам и взрывам, Израиль, 2010 г. читать онлайн. Архивировано 13 марта 2012 г., Wayback Machine.
  11. ^ Дьюи JM. ФОРМА ВЗРЫВНОЙ ВОЛНЫ: ИССЛЕДОВАНИЯ УРАВНЕНИЯ ФРИДЛЕНДЕРА. Представлено на 21-м Международном симпозиуме по военным аспектам взрыва и удара, Израиль, 2010 г. читать онлайн
  12. ^ Реммеников AM. Моделирование взрывных нагрузок на здания в сложных геометрических формах города. Компьютеры и конструкции, 2005, 83 (27), 2197-2205. читать онлайн
  13. ^ например, Cullis IG. Взрывные волны и их взаимодействие со строениями. JR Army Med Corps 147: 16-26, 2001
  14. ^ Нефф М. Визуальная модель взрывных волн и разрушения. Магистерская работа, Университет Торонто, Канада, 1998 г.
  15. ^ Обсуждение решений подобия, в том числе Г. И. Тейлора: теорема Букингема Пи
  16. ^ Вывод решения подобия Г.И. Тейлора: http://www.atmosp.physics.utoronto.ca/people/codoban/PHY138/Mechanics/dimensional.pdf
  17. ^ Обсуждение исследования GI Taylor, включая его решение подобия: http://www.deas.harvard.edu/brenner/taylor/physic_today/taylor.htm
  18. ^ Дюзенберри, Дональд. «Справочник по взрывобезопасному проектированию зданий», 2010 г., страницы 8–9.
  19. ^ Райнхарт, д-р EJ, Хенни, д-р RW, Томсен, JM, Дюрей, JP Испытание эффектов оружия DTRA: Тридцатилетняя перспектива. Прикладные исследования и сотрудники, Отдел физики ударов
  20. ^ например, Бауман, Р.А., Линг, Г., Тонг, Л., Янушкевич, А., Агостон, Д., Деланеролл, Н., Ким, Ю., Ритцель, Д., Белл, Р., Эклунд, Дж., Армонда, Р., Бандак, Ф., Паркс, С. Вводная характеристика модели закрытой травмы головы свиней, имеющей отношение к боевым действиям и оказанию помощи пострадавшим, в результате воздействия взрывного удара. Journal of Neurotrauma, июнь 2009 г., Mary Ann Liebert, Inc.
  21. ^ Cernak, I. Важность систематического ответа в патобиологии бласт-индуцированной нейротравмы. Границы неврологии, декабрь 2010 г.
  22. ^ Макрис, А. Nerenberg J., Дион, ДП, бас, CR, Чичестер. Снижение скорости взрыва головы при разминировании противопехотных мин. Med-Eng Systems Inc.
  23. ^ например, Stuhmiller JH. Математическое моделирование в поддержку военной оперативной медицины Заключительный отчет J3150.01-06-306, подготовленный для Командования медицинских исследований и материальных средств армии США Форт-Детрик, Мэриленд 21702-5012 OMB № 0704-0188, июль 2006 г.

Внешние ссылки [ править ]

  • «Образование взрывной волны при очень сильном взрыве» Решение Г.И. Тейлора.