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).
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
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.
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: .
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика . М., «Наука» , 1986
Ударная волна представляет собой область резкого и сильного сжатия среды, распространяющейся во все стороны от центра взрыва
со сверхзвуковой скоростью.
Ударные волны возникают при взрывах практически в любых средах и передают действие взрыва на значительное расстояние.
В зависимости от среды, в которой распространяется ударная волна, различают волны: воздушные (распространяются в воздушной среде); ударные (распространяются в водной среде); сейсмовзрывные
(распространяются в грунте).
2.3. 1. Основные свойства и механизм образования
ударных волн
Процесс образования ударной волны рассмотрим на примере взрыва заряда взрывчатого вещества (ВВ).
При взрыве заряда взрывчатого вещества газообразные продукты взрыва, находящиеся под давлением порядка десятков и даже сотен тысяч атмосфер, расширяются, сжимая окружающую среду (воздух, воду, грунт и т. п.). Развитие процесса взрыва в среде схематически показано на рис. 2.2. После прохождения детонационной волны М1 по заряду ВВ (пунктиром обозначена продетонировавшая часть заря да) начинается расширение продуктов детонации.
Зона расширяюшихся продуктов в данный момент времени огра ничена кривой СМ1 С 1 , фронт ударной волны, возбужденной взры вом, - ВА и А1 В 1 Скорость детонации и связана со скоростями удар
Волна сжатия, вызывающая заметный разогрев среды, может устойчиво существо
вать только в форме ударной волны со скач
кообразным изменением давления во фрон те; фронт с плавным нарастанием давления
неустойчив и быстро превращается в скачко образный с резким изменением давления.
Вслед за ударной волной идет волна разреже-
Рис npouecca . 2.2. Схе ма развития взры ва в среде
188 Раздел 2. Взры в
ния, которая, двигаясь по сжатому и разогретому воздуху, будет наго нять фронт ударной волны.
Схема изменения давления во времени при прохождении удар ной волны показана на рис. 2.3.
1 0 l 1 1 е 1 2
Рис. 2.3. Схема изменения давления во времени при прохождении ударной волны:
1 - фаза сжатия; 2 - фаза разрежения (nри взрывах в плотных средах - фаза рас
тяжения или разгрузки)
В момент прихода волны в определенную точку пространства дав ление в прилегающей к ней области скачком увеличивается от р0 (в невозмущенной среде) до р1 (во фронте ударной волны). За фрон том давление быстро падает и через время /еж (время действия фазы сжатия), после прихода волны в точку, оказывается меньше р0 - фаза сжатия сменяется фазой разрежения.
Время, в течение которого давление в ударной волне сохраняется выше атмосферного, называется фазой сжатия, а время, в течение ко торого давление остается ниже атмосферного, - фазой разрежения.
В момент прихода ударной волны в некоторую точку среда, при легающая к этой точке, начинает двигаться со скоростью и в направ лении распространения этой волны. Характер изменения и(t) схож с характером изменения p(t). В фазе сжатия среда движется в сторону перемещения ударной волны, в фазе разрежения - в обратном на правлении, но с несколько меньшей скоростью.
Фронт ударной волны распространяется со сверхзвуковой скоро
стью (V> с0), а ее хвостовая часть, где р < -р0, движется со скоростью, близкой к скорости звука с0 в невозмушенной среде, поэтому по мере движения ударная волна растягивается во времени. Давление во фронте ударной волны р 1 , скорость перемешения фронта V и скорость потока среды и не являются постоянными. При удалении удар ной волны от очага взрыва она уменьшается, и на больших расстоя-
ниях V приближается к с0, а и - к нулю, т. е. ударная волна вырожда
ется в акустическую (упругую) волну. Следовательно, ударная волна
имеет как область сжатия, так и разрежения. На практике действие
ударной волны определяется фазой сжатия. Действие фазы разреже
ния обычно несущественно, поэтому не учитывается, за исключени
ем некоторых частных эффектов.
2.3.2. Па ра метры ударной волны
Основными параметрами ударной волны являются:
избыточное давление во фронте ударной волны;
скоростной напор ударной волны, действующий на поверхность объекта;
время действия ударной волны;
импульс волны и др.
Избыточное давление во фронте ударной волны характеризуется разностью давления во фронте волны и атмосферного давления.
др = Р1 - Ро,
где р1 - давление во фронте ударной волны;
р 0 - давление в невозмущенной среде (атмосферное давление).
Ударная волна характеризуется скоростью нарастания давления до его максимального значения.
Под максимальным давлением взрыва понимается наибольшее
давление, которое возникает при дефлаграционном сгорании наибо лее взрывоопасной газа- , пара-, пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде при начал ьном давлении 1 0 1 ,3 кПа. Максимальное давление при взрыве аэросмеси можно рассчитать по формуле:
где р0 - начальное давление, при котором находится аэровзвесь, кПа;
Т 0 - начальная температура исходной смеси, К;
Tr - адиабатическая температура горения стехиометрической
смеси с воздухом при постоянном объеме, К; пк - число молей газообразных продуктов сгорания; f/11 - число молей исходной газовой смеси.
Ударная волна характеризуется пиком. Пик - это участок ударной
волны от момента ударного сжатия до завершения химической реакции,
где формируется самое высокое давление.
Параметром ударной волны является импульс волны. Величина имnульса волны будет различной в зависимости от среды, в которой nротекает взрыв. В общем виде имnульс волны оnисывается законом
где G R - масса взрывчатого (горючего) вещества; - расстояние действия ударной волны;
<р - угол отражения волны.
Расnространение ударной волны зависит от множества факторов, оnределяющих ее действие и силу.
Для оценки действия ударной волны необходимо знать характер нагрузки и nараметры системы, на которую эта нагрузка действует. Характер нагрузки обычно оnисывается функцией изменения давле ния ударной волны во времени p(t) в nределах от нуля до времени фазы сжатия tсж· Однако во многих частных случаях действие ударной волны с достаточной точностью оnределяется либо значением избы
Характер воздействия ударной волны на заданную систему зави сит от соотношения между временем действия фазы сжатия tсж и вре-
менем релаксации системы "t, а для уnругих систем - nериодом коле баний Т.
Если fсж >> "t, то действие ударной волны оnределяется величи ной избыточного давления на ее фронте, так как в этом случае систе ма будет деформирована за такой nромежуток времени (nорядка
(1/4- 1/З}t}, в течение которого давление во фронте не усnеет сущест
венно уnасть. Если, наnротив, tсж << "t, то давление за фронтом волны
снижается за столь малый nромежуток времени, что система nракти
чески не усnевает деформироваться и дальнейшие деформации ее оn ределяются nриобретенным ею количеством движения, а следова тельно, удельным имnульсом ударной волны.
Время фазы сжатия зависит от множества факторов: размеров и формы заряда ВВ, среды, в которой nротекает взрыв, nрироды взрыв-
чатого вещества, энергии взрыва и др. Время действия фазы сжатия tсж nри использовании соответствующих форм законов подобия выразит
ся формулами (2.4).
fсж = г0 |
||||
r fсж = WF (} |
||||
fс ж = VE F3 |
||||
где г0 |
Радиус заряда; |
|||
G - масса заряда; |
||||
Расстояние действия ударной волны; |
||||
Е - энергия взрыва; |
||||
F1 , F2, F3 - функциональная зависимость.
Огромное значение для оценки параметров ударных волн и их действия имеет закон подобия при взрывах, позволяющий сравнивать характеристики ударных волн, возбужденных взрывами зарядов раз личной массы, состоящих из разных ВВ, а также взрывами, вызван ными горением взрывоопасных смесей.
Детонационное горение возникает во взрывоопасной среде при прохождении по ней достаточно сильной ударной волны (или волны ударного сжатия). Например, если в замкнутом объеме с горючей га зовой смесью взорван точечный заряд взрывчатого вещества, либо произошло возгорание от источника зажигания, то по всей газовой смеси от точки расположения заряда распространится ударная волна, в которой происходит внезапное скачкообразное повышение пара метров состояния газовой смеси - давления, температуры, плотно сти. Повышение температуры газа при сжатии в ударной волне зна чительно больше, чем при аналогичном адиабатическом сжатии. По этому абсолютная температура газа, сжатого ударной волной,
прr.торциональна давлению ударной волны.
Следовательно, если ударная волна достаточно сильна, то темпе
ратура газа под действием ударной волны может повыситься до темпе ратуры самовоспламенения. Ударная волна характеризуется скоростным напором. Скоростной
напор образуется в результате торможения о какую-либо преграду
движущихся масс воздуха в ударной волне. Скорость движения рас-
ширяющихся газов, образующих скоростной напор, зависит от степе ни сжатия газов и нагревания их ударной волной. Напор вызывает опрокидывание и отбрасывание различных объектов на значительные расстояния.
Ударная волна распространяется в пространстве со сверхзвуковой скоростью. Например, ударная волна при ядерном взрыве проходит первые 1 000 м за 2 с, 2000 м - за 5 с, 3000 м - за 8 с.
Сила ударной волны очень велика и приводит к значительным разрушениям. Если скорость повышения давления относительно не велика, то прежде всего будут разрушаться наименее прочные детали, например, окна и двери. В случае же однородной по прочности кон струкции здания подъем крыши и разрушение всех стен произойдут одновременно. Избыточное давление ударной волны приводит при взрыве к сильным повреждениям. В табл. 2.3 содержатся данные, ука зывающие на степень повреждений.
Таблица 2.3. Повреждения при взрыве от ударной волны
Дамениер в5, ударной Стеnень nовреЖдения
волне к Па
Разрушение стекол в окнах при больших площадях ос- |
|||
текпения |
|||
Громкий звук (1 43 дБ) ; поврежден ия стекол; 5%-ное |
|||
разрушение остекления |
|||
Повреждение обшивки домов; разрушение до 1 0 % |
|||
оконных стекол |
|||
Незначительные повреждения конструкций |
|||
90%-ное разрушение остекления, повреждение |
|||
оконных рам |
|||
Незначит льные повреждения конструкций домов |
|||
Частичное разрушение домов до состояния, при кото- |
|||
ром проживанис в них невозможно |
|||
Разрушение гофрированного асбеста. Гофрированные |
|||
стальные ил и алюминиевые паиели ослабля ются в креп- |
|||
лени и и подвергаются изгибу. Деревян ные паиели раз- | |||
2 .3 . Характеристи ка ударн ых вол н |
|||
Окончание табл. 2.3 |
|||
Степень повреждения
Разрушаются не укреnленные стены из бетона и шлаковых блоков
Н ижни й nредел серьезных nовреждений конструкций
50%-ное разрушение
Тяжелые машины (весом 1 ,35 т) в nромышленных зданиях nодвергаются небольшим nовреждениям. Стальные конструкции изгибаются
Разрушение бескаркасн ых сооружений, склеnанных из |
||
стальных nанелей. Разрушение масляных хранилищ |
||
Отрыв nокрытий легких nромышленных зданий |
||
Растрескивание деревянных столбов (телеграфных и |
||
пр.). Повреждаются высокие гидравлические nрессы |
||
(весом 1 ,8 т) |
||
Почти nолное разрушение домов |
||
Перевертывание тяжелогруженых ж/д вагонов |
||
Кирnичные стены толщи ной 200-300 мм, не укреnлен- |
||
ньrе, теряют n рочность в результате сдви га или изгиба |
||
Тяжелые грузовые железнодорожные вагоны nолностью |
||
разрушаются |
||
Разрушение более 75 % внутренней кирnичной кладки |
||
Возможно общее разрушение зданий. Тяжел ые (>3 т) |
||
машины и станки nередви гаются и сильно nовреждают- |
||
ся. Очен ь тяжелые (>5 т) машины и станки сохраня ются |
||
Разрушение с образованием кратера |
||
Ударная волна с P s = 1 9 кПа вызывает значительные разрушения
городских построек, а при Ps = 98 кПа наступает полное разрушение
зданий и гибель живых организмов.
На степень разрушения влияют особенности конструкции соору жений, а также рельеф местности.
Воздушная ударная волна представляет собой область резкого сжатия воздуха, распространяющуюся во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью. Источником возникновения воздушной ударной волны является высокое давление в центре взрыва, достигающее 10 5 млрд. Па. Основные параметры ударной волны, характеризующие ее разрушающее и поражающее действие: избыточное давление во фронте ударной волны, давление скоростного напора, продолжительность действия ударной волны.
Продукты взрыва, стремясь расшириться, сжимают окружающие их слои воздуха. Эта уплотненная масса воздуха в свою очередь расширяется и передает давление соседним слоям.
Так, давление быстро передается от слоя к слою, образуя ударную волну в воздухе. Передняя граница сжатого слоя воздуха, характеризующаяся резким увеличением давления, называется фронтом ударной волны. В непосредственной близости от центра взрыва скорость распространения ударной волны в несколько раз превышает скорость звука в воздухе. По мере удаления от центра скорость постепенно уменьшается, а ударная волна ослабевает.
Скорость движения и расстояние, на которое распространяется ударная волна, зависят от мощности взрыва. Чем мощнее взрыв, тем больше скорость и радиус действия ударной волны. Кроме того, на радиус действия ударной волны оказывают влияние рельеф местности, метеорологические условия и ветер.
При быстром движении ударной волны происходит также перемещение частиц воздуха в сжатом слое в направлении распространения ударной волны. Воздух движется за фронтом волны со сверхзвуковой скоростью и представляет собой ураган огромной силы.
Направление и скорость движения воздуха за фронтом ударной волны изменяются. Когда фронт ударной волны доходит до какой-либо точки на поверхности земли, то в этой точке мгновенно повышаются избыточное давление и температура, а воздух начинает перемещаться в сторону движения ударной волны.
В дальнейшем, по мере продвижения ударной волны, давление падает ниже атмосферного, и воздух движется в обратную сторону. Следовательно, за фазой сжатия следует фаза разрежения. Характер действия ударной волны зависит от вида взрыва. При воздушном ядерном взрыве образуется сферическая ударная волна, которая в ближней зоне, т. е. на расстоянии, меньшем высоты взрыва (R
1 - падающая волна; 2 - отраженная волна; 3 - головная волна.
Рисунок 6 - Распространение ударной волны при воздушном взрыве.
Таким образом, поражающее действие ударной волны воздушного ядерного взрыва в ближней зоне определяется давлением отраженной волны, а в дальней зоне - давлением головной ударной волны.
При наземном ядерном взрыве ударная волна, имеющая форму непрерывно увеличивающегося полушария, распространяется параллельно поверхности земли (рисунок 7) и не имеет столь сложной картины, как при воздушном взрыве.
Рисунок 7 - Распространение ударной волны при наземном взрыве.
Радиус поражения ударной волной наземного ядерного взрыва примерно на 20% меньше, чем радиус поражения воздушного взрыва одинаковой мощности.
Основными параметрами, определяющими поражающее действие ударной волны, являются избыточное давление, скоростной напор воздуха и время действия избыточного давления (время действия фазы сжатия).
Поражающее действие ударной волны определяется главным образом избыточным давлением.
Избыточное давление - это разность между нормальным атмосферным давлением перед фронтом волны и максимальным давлением во фронте ударной волны. Оно измеряется в ньютонах на квадратный метр (1 H/m 2 s 1 Па). Эта единица давления - паскаль (Па); (1 кПа = 0,01 кгс/см).
Скоростной напор воздуха - это динамическая нагрузка, создаваемая потоком воздуха. Как и избыточное давление, скоростной напор воздуха измеряется в Паскалях (Па). Величина скоростного напора воздуха зависит от скорости и плотности воздуха за фронтом волны и тесно связана со значением максимального избыточного давления ударной волны. Скоростной напор воздуха заметно сказывается при избыточных давлениях свыше 50 кПа.
Продолжительность действия избыточного давления (время действия фазы сжатия) измеряется секундами (с). Чем продолжительнее воздействие ударной волны, тем сильнее ее поражающее действие. С увеличением мощности взрыва время действия фазы сжатия увеличивается. Например, при взрыве мощностью 20 кт время действия фазы сжатия составляет 0,6 с, а при мощности взрыва 1 Мт - 3 с.
Непосредственное поражение человека ударной волной возникает в результате воздействия избыточного давления и скоростного напора воздуха. Ударная волна почти мгновенно охватывает человека и сжимает его со всех сторон. Мгновенное повышение давления в момент прихода ударной волны воспринимается как резкий удар. Скоростной напор воздуха действует с одной стороны, обладает метательным действием и может отбросить человека, причинив ему травмы.
Косвенными поражениями называются поражения, наносимые человеку обломками зданий, деревьев и другими предметами, которые под действием скоростного напора воздуха перемещаются с большой скоростью. Воздействуя на людей, ударная волна вызывает переломы, повреждение внутренних органов, контузии, т. е. вызывает травмы различной тяжести, которые подразделяются на:
а) легкие, возникающие при избыточном давлении 20 - 40 кПа и характеризующиеся ушибами, вывихами, временными повреждениями слуха, общей контузией;
б) средние, появляющиеся при избыточном давлении 40 - 60 кПа, характеризующиеся серьезными контузиями всего организма, повреждениями органов слуха, кровотечением из носа и ушей, а также сильными вывихами конечностей;
в) тяжелые, возникающие при избыточном давлении 60 - 100 кПа, характеризующиеся сильными контузиями всего организма, тяжелыми переломами конечностей и сильными кровотечениями из носа и ушей;
г) крайне тяжелые, наблюдающиеся при избыточном давлении свыше 100 кПа. Эти травмы могут привести к смертельному исходу.
Радиусы поражения ударной волной ядерного взрыва и виды травм зависят от мощности взрыва.
Радиус поражения людей обломками зданий, особенно осколками стекол, разрушающихся при избыточном давлении 2 - 7 кПа, может превышать радиус непосредственного поражения ударной волной.
Для защиты от ударной волны необходимы подземные сооружения -убежища, рассчитанные на сопротивление воздействию ударной волны. При отсутствии убежищ используются построенные укрытия, а также подземные выработки, шахты, естественные укрытия и рельеф местности. Защитные свойства рельефа местности зависят от его характера. Лучшую защиту обеспечивают крупные формы рельефа: возвышенности, лощины, овраги больших размеров. Однако и небольшие курганы, ямы, воронки способны ослабить действие ударной волны.
Воздействие воздушной ударной волны ядерного взрыва на здания и сооружения связано с величиной избыточного давления и скоростного напора воздуха, движущегося за фронтом ударной волны. Однако в зависимости от конструктивных особенностей того или иного сооружения степень его разрушения может определяться либо избыточным давлением, либо скоростным напором.
Большие здания, имеющие значительную площадь стен, разрушаются главным образом под действием избыточного давления. При этом разрушение происходит вследствие первоначального кратковременного удара, возникшего в результате отражения ударной волны. Это происходит потому, что для обтекания ударной волной такого здания требуется некоторое время, а это вызывает сравнительно длительное действие давления отражения ударной волны.
Пока ударная волна движется, не встречая препятствий, она создает изменяющуюся во времени нагрузку, равную избыточному давлению в проходящей ударной волне. При подходе ударной волны к преграде она отражается (образуя давление отражения) и происходит торможение масс движущегося воздуха, избыточное давление повышается. В результате этого преграда испытывает удар огромной силы, увеличившийся вследствие давления отражения.
Такое давление преграда (например, здание) испытывает в первоначальный момент. Вслед за этим ударная волна начинает обтекать здание, оказывая давление на боковые стены и верх, а затем и на заднюю стену. В результате этого здание оказывается охваченным высоким давлением и сжато со всех сторон. Однако наибольшее давление испытывает стена, обращенная к взрыву.
Характер действия ударной волны при обтекании зданий представляет собой сложное взаимодействие потоков, обтекающих здание сверху и с боков и создающих завихрения и зоны повышенного давления. Обтекание ударной волной вертикальной преграды показано на рисунке 8, когда ударная волна отражается от поверхности земли за преградой. Обтекание здания ударной волной с боков создает повышенное давление в результате встречи двух потоков (рисунок 9). По мере обтекания здания ударной волной давление отражения на переднюю стену ослабляется.
а - фронт достиг преграды, и действует полное давление отражения; б -фронт проходит преграду, и частично действует давление отражения; в - заканчивается действие давления отражения, но за преградой ударная волна отражается от поверхности земли
Рисунок 8 - Обтекание ударной волной вертикальной преграды.
а - фронт достиг преграды, создается давление отражения и начинается обтекание; б - фронт прошел преграду, и два потока движутся к тыльной стороне; в - фронт движется далее, за преградой образуется зона повышенного давления вследствие соударения потоков
Рисунок 9 - Обтекание ударной волной преграды (вид в плане).
В большей степени разрушаются отдельно стоящие здания и высокие сооружения, особенно расположенные фасадом к направлению движения ударной волны.
Из наземных зданий и сооружений наиболее устойчивыми являются здания с металлическим каркасом и сооружения антисейсмической конструкции, которые разрушаются при давлении ударной волны 50 - 80 кПа. Жилые кирпичные здания менее устойчивы и полностью разрушаются при давлении ударной волны 30-40 кПа, а деревянные строения полностью разрушаются при давлении 10-20 кПа.
На разрушение зданий и сооружений влияет наличие в стенах проемов (окон, дверей), так как ударная волна, легко разрушая их, быстро проникает внутрь здания, а давление отражения ослабляется вследствие действия избыточного давления изнутри. Полное разрушение остекления различных зданий происходит при избыточном давлении во фронте ударной волны 2-7кПа, а частичное разрушение - при 1-2 кПа, т. е. при значительно меньших давлениях.
Высокие сооружения с малой площадью (телеграфные столбы, заводские трубы, мачты, буровые вышки и другие сооружения) быстро обтекаются ударной волной и сжимаются со всех сторон, а противоположные давления уравновешиваются. Поэтому они менее чувствительны к воздействию избыточного давления. Для этих сооружений разрушающее действие ударной волны определяется действием скоростного напора воздуха.
Скоростной напор воздуха, подобно урагану, действует с одной стороны и вызывает разрушение (срыв с опор) таких сооружений, так как эти сооружения, рассчитанные на действие ветровой нагрузки, разрушаются под действием скоростного напора воздуха, превышающего ветровые нагрузки в несколько раз.
Сооружения, заглубленные в землю, меньше подвержены воздействию ударной волны, так как при своем движении ударная волна не встречает препятствия и не происходит увеличения избыточного давления из-за отражения ударной волны. По этой причине убежища, укрытия и подземные сети коммунального хозяйства, заглубленные в грунт, могут выдержать значительно большие давления, чем наземные здания.
Особенностью действия ударной волны является ее способность (в следствии относительно большой продолжительности ее действия- несколько секунд) затекать внутрь убежищ, укрытий и других сооружений через воздухозаборные трубы, отдушины, наносить там разрушения и поражать людей.
При проникании ударной волны внутрь сооружения там быстро повышается давление, которое может стать причиной гибели людей. Во избежание поражения людей затекающей волной воздухозаборные каналы убежищ снабжаются волногасительными устройствами.
Другой особенностью ударной волны является разряжение, возникающее вслед за высоким давлением. Разряжение значительно слабее ударной волны, но увеличивает эффект воздействия прямого удара и вызывает ряд специфических явлений, которые следует учитывать при проведение спасательных работ.
Степень разряжения, т.е. снижение давления ниже атмосферного, не превышает 300кПа и быстро затухает по мере удаления от центра взрыва и снижения давления на фронте ударной волны. Однако длительность фазы разряжения превышает время фазы сжатия.
Так при взрыве мощностью 1Мт фаза сжатия длится 1-5 секунд в зависимости от расстояния, а фаза разряжения-до 13 секунд при воздействии ударной волны сооружения испытывают всестороннее сжатие. В фазе разряжения сооружения так же испытывают нагрузки, но усилие значительно слабее и действует в обратном направлении (так называемый отсос). Оголовки смотровых колодцев на сетях коммунального хозяйства перекрывают стальными или чугунными крышками. Они выдерживают давление ударной волны 200-300кПа. Однако эти же крышки будут испытывать силу отсоса и за счет суммарного усилия направленного из нутрии колодца крышка может быть отброшена. Завал может быть завершен после того, как ударная волна прошла. Поэтому крышки закрепляют.
Здания и сооружения в зависимости от нагрузок, создаваемых ударной волной, могут получать полные, сильные, средние и слабые разрушения:
а) полное разрушение характеризуется разрушением и обрушением всех или большей части стен, сильной деформацией или обрушением перекрытий (Рисунок 10 а,б). Из обломков образуется завал в пределах контура здания и вокруг него. Восстановление разрушенных зданий невозможно;
Рисунок 10 а
Рисунок 10б
б) сильное разрушение характеризуется разрушением части стен и перекрытий нижних этажей и подвалов, в результате чего повторное использование помещений невозможно или нецелесообразно (Рисунок 11а,б);
Рисунок 11а
Рисунок 11б
в) среднее разрушение характеризуется разрушением главным образом встроенных элементов: внутренних перегородок, дверей, окон и крыш; появлением трещин в стенах и обрушением чердачных перекрытий и отдельных участков верхних этажей (Рисунок 12). Подвалы сохраняются и пригодны для временного использования после разборки завалов над входами. Вокруг здания завалов не образуется, но отдельные обломки конструкций могут быть отброшены на значительное расстояние. Восстановление возможно в порядке капитального ремонта;
Рисунок 12
г) слабое разрушение характеризуется разрушением оконных и дверных заполнений и легких перегородок, появлением трещин в стенах верхних этажей (рисунок 13). Подвалы и нижние этажи сохраняются и пригодны для временного использования. Восстановление возможно в порядке капитального ремонта.
Рисунок 13
Объем разрушений в городе зависит от характера строений, их этажности и плотности застройки. При плотности застройки 50 % давление ударной волны на здания может быть меньше (на 20 - 40 %), чем на здания, стоящие на открытой местности, на таком же расстоянии от центра взрыва.
При плотности застройки менее 30% экранизирующее действие зданий незначительно и не имеет практического значения.
Энергетическое, промышленное и коммунальное оборудование может иметь следующие степени разрушений:
а) слабые разрушения: деформации трубопроводов, их повреждения на стыках; повреждения и разрушения контрольно-измерительной аппаратуры; повреждение верхних частей колодцев на водо-, тепло-, газовых сетях, отдельные разрывы на ЛЭП, повреждение станков, требующих замены электропроводки, приборов и других поврежденных частей (Рисунок 14);
Рисунок 14
б) средние разрушения: отдельные разрывы и деформации трубопроводов, кабелей; деформации повреждения отдельных опор ЛЭП; деформация и смещение на опорах цистерн, разрушение их выше уровня жидкости; повреждение станков, требующих капитального ремонта (Рисунок 15);
Рисунок 15
в) сильные разрушения: массовые разрывы трубопроводов, кабелей, разрушение опор ЛЭП и другие разрушения, которые нельзя восстановить капитальным ремонтом.
Наиболее стойки подземные энергетические сети. Они разрушаются только при наземных взрывах в непосредственной близости от центра при давлении ударной волны 600-1500 кПа. Степень и характер разрушения зависят от диаметра и материала труб, глубины их прокладки.
Станочное оборудование предприятий разрушается при избыточном давлении 35-70 кПа, а измерительное – при 2030 кПа. Для гидроузлов наиболее опасными являются надводный и подводный взрывы со стороны верхнего бьефа.
Наиболее устойчивые элементы гидроузлов - бетонные и земляные плотины, которые разрушаются при давлении более 1000КПа. Наиболее слабые - гидрозатворы водосливных плотин, оборудование и различные надстройки. Транспортные средства повреждаются в зависимости от их положения относительно направления распространения ударной волны. Наиболее устойчивы морские и речные суда и железнодорожный транспорт, очень уязвим самолет.
При избыточном давлении более 50КПа происходит полное повреждение лесного массива.
Для определения возможного характера разрушений и установления объема поисково-спасательных и других неотложных работ, обусловленных воздействием воздушной ударной волны, очаг ядерного поражения делят на четыре зоны (Рисунок 16).
Рисунок 16
Зона полных разрушений возникает там, где избыточное давление во фронте ударной волны достигает 50кПа (0,5 кгс/см 2) и более. На рисунке 17 показаны полные разрушения после бомбардировки Нагасаки 24 сентября 1945 года
Нагасаки до и после ядерного взрыва Нагасаки через 6 недель
Рисунок 17
Характер разрушений этой зоны такой же как при землетрясении 9 и более балов. В этой зоне полностью разрушаются жилые дома, промышленные здания и противорадиационные укрытия. Вокруг центра взрыва разрушаются убежища, получают различные разрушения или повреждения подземные сети коммунально-энергетического хозяйства.
Большинство убежищ в зоне полных разрушений сохраняются. На территории населенных пунктов и объектов образуются сплошные завалы.
Для зоны полных разрушений характерны массовые потери среди незащищенного населения, а также будут наблюдаться горения и тления в завалах.
Зона сильных разрушений образуется при избыточном давлении во фронте ударной волны от 50 до 30 кПа (0,5-0,3 кгс/см^2) и составляет около 10% всей площади очага. Характер разрушений как при землетрясении баллов. Наземные здания и сооружения в основном будут иметь сильные разрушения. Сильное разрушение характеризуется разрушением несущих конструкций и перекрытий верхних этажей, образованием трещин в стенах и деформацией перекрытий нижних этажей.
Убежища и подземные сети коммунально - энергитического хозяйства, а также большинство противорадиационных укрытий сохраняются.
Подвалы в зданиях не повреждаются, если их перекрытия удержат нагрузку от обрушенных стен и междуэтажных перекрытий.
В результате разрушений зданий и сооружений образуются местные завалы, переходящие ближе к границе зоны полных разрушений в сплошные.
Для зоны характерны массовые, в значительной части безвозвратные потери среди незащищенной части населения.
Люди, оставшиеся в зданиях, могут быть завалены, либо могут получить травмы и ожоги вне зданий легкой и средней тяжести. Кроме того, возможны поражения обломками построек, осколками стекла и другими летящими предметами, а также ‘’ вторичные ожоги ‘’ от пламени горящих зданий горючесмазочных материалов и т.п.
При попадании в зону радиоактивного заражения, образующуюся при наземных и подземных взрывах, население подвергнется воздействию радиоактивных веществ.
Зона средних разрушений характеризуется избыточным давлением во фронте ударной волны от 30 до 20кПа (0,3-0,2кгс/см^2) и занимает около 18% площади очага ядерного поражения. Характер разрушений как при землетрясении баллов.
Убежища, противорадиационные укрытия и подвальные помещения полностью сохраняются. Деревянные здания будут сильно или полностью разрушены, каменные - получают средние и слабые разрушения.
Среднее разрушение проявляется в разрушении крыш и встроенных перегородок, окон, а также в возникновении трещин в стенах, обрушении отдельных участков чердачных перекрытий и стен верхних этажей. Подвалы сохраняются. После расчистки и ремонта может быть использована часть помещений нижних этажей.
Слабое разрушение проявляется в разрушении оконных и дверных заполнений, легких перегородок; Частично разрушается кровля, возможны трещины в стенах верхних этажей. Подвалы и нижние этажи сохраняются полностью. Находиться в здании безопасно, и оно может эксплуатироваться после проведения текущего ремонта.
В зоне средних разрушений образуются отдельные завалы. Для зоны характерны массовые санитарные потери среди незащищенного населения. Люди могут получить легкие травмы, ожоги, а при наземных взрывах возможны поражения радиоактивными осадками.
Зона слабых разрушений образуется при избыточном давлении во фронте ударной волны от 20 до 10кПа (0,2-0,1кгс/см^2). На ее долю приходиться до 60% площади всего очага. В пределах этой зоны здания получают слабые разрушения. В некоторых местах образуются отдельные завалы.
Незащищенные люди могут получить ожоги, легкие травмы, а также поражения радиоактивными веществами при наземных взрывах.
За приделами зон разрушений очага поражения здания и сооружения могут получить незначительные повреждения: разрушение остекления, повреждение оконных рам, дверей, кровли. Возможно также возникновение отдельных очагов пожаров. В этих условиях люди могут получить легкие ранения и ожоги.
В системе мероприятий гражданской обороны важное значение имеет организация и ведение работ по спасению населения, оказавшегося в очагах поражения и ликвидации последствий аварий, катастроф и стихийных бедствий.
Как показывают аварии на АЭС, а также на крупных химических, нефтеперерабатывающих, металлургических и многих других предприятиях могут привести к катастрофическим последствиям, гибели людей, большим материальным потерям.
Для успешного выполнения аварийных работ требуется заблаговременная инженерная подготовка городского и объектового КЭХ, повышение его устойчивости, умение быстро находить грамотные решения по организации и ведению этих работ.
Последнее достигается обучением личного состава формирований гражданской обороны и населения умелым действиям в ЧС. Для формирования инженерно-технических мероприятий ОХК, необходимо заблаговременно оценить возможную инженерную и пожарную обстановку.
Инженерная обстановка - состояние современной системы инженерного оборудования в городах, на промышленных и других объектах. Она включает многочисленные линии трубопроводов городского и промышленного водоснабжения, канализации, газовых сетей теплоснабжения, электрокабелей и др., а также различных зданий и сооружений.
Инженерная обстановка выявляется с целью определения характера возможных разрушений, аварий и поражений на объектах хозяйствования при образовании очагов поражения ЧС техногенного и природного характера. На планах и схемах границы зон разрушений показываются в виде концентрических окружностей красного цвета.
Радиусы окружностей зоны разрушений определяют по таблицам, а также по формуле Закона подобия взрывов.
Для теоретического изучения микроскопической структуры ударных волн применяется кинетическая теория . Аналитически задача о структуре ударной волны не решается, но применяется ряд упрощённых моделей. Одной из таких моделей является модель Тамма -Мота-Смита .
Скорость распространения ударной волны
Скорость распространения ударной волны в среде превышает скорость звука в данной среде. Превышение тем больше, чем выше интенсивность ударной волны (отношение давлений перед и за фронтом волны): (p уд.волны - p сп.среды)/ p сп.среды .
Например, недалеко от центра ядерного взрыва скорость распространения ударной волны во много раз выше скорости звука. При удалении с ослаблением ударной волны, скорость её быстро снижается и на большой дистанции ударная волна вырождается в звуковую (акустическую) волну, а скорость её распространения приближается к скорости звука в окружающей среде. Ударная волна в воздухе при ядерном взрыве мощностью 20 килотонн проходит дистанции: 1000 м за 1,4 с, 2000 м - 4 с, 3000 м - 7 с, 5000 м - 12 с. Поэтому у человека, увидевшего вспышку взрыва, есть какое-то время для укрытия (складки местности, канавы и пр.) и тем самым уменьшения поражающего воздействия ударной волны .
Ударные волны в твёрдых телах (например, вызванные ядерным или обычным взрывом в скальной породе, ударом метеорита или кумулятивной струёй) при тех же скоростях имеют значительно бо́льшие давления и температуры. Твёрдое вещество за фронтом ударной волны ведёт себя как идеальная сжимаемая жидкость, то есть в нём как бы отсутствуют межмолекулярные и межатомные связи, и прочность вещества не оказывает на волну никакого воздействия. В случае наземного и подземного ядерного взрыва ударная волна в грунте не может рассматриваться, как поражающий фактор , так как она быстро затухает; радиус её распространения невелик и будет целиком в пределах размеров взрывной воронки , внутри которой и без того достигается полное поражение прочных подземных целей.
Ударные волны в специальных условиях
Гидрогазоаналогия
- Ударная волна, путём нагрева среды, может вызвать экзотермическую химическую реакцию , что, в свою очередь, отразится и на свойствах самой ударной волны. Такой комплекс «ударная волна + реакция горения» носит название волны детонации .
- В астрофизических объектах ударная волна может двигаться со скоростями, близкими к скорости света. В этом случае ударная адиабата модифицируется.
- Ударные волны в замагниченной плазме также обладают своими характерными особенностями. При переходе через разрыв, изменяется также и величина магнитного поля , на что тратится дополнительная энергия. Это влечёт за собой существование максимально возможного коэффициента сжатия плазмы при сколь угодно сильных ударных волнах.
- Касательные ударные волны представляют собой поверхность разрыва смешанного (нормального и тангенциального) типа.
См. также
- Сверхзвуковое течение
Примечания
Литература
- // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Ударная волна" в других словарях:
- (скачок уплотнения), распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в к рой происходит резкое увеличение плотности, давления и скорости в ва. У. в. возникают при взрывах, детонации, при сверхзвуковых движениях тел, при… … Физическая энциклопедия
ударная волна - Распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью переходная область в газе, жидкости или в твердом теле, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и скорости среды [ГОСТ 26883 86] [ГОСТ Р 22.0.08 96] ударная волна Ударная волна,… … Справочник технического переводчика
Распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и температуры вещества. К наиболее характерным случаям относятся ударные волны, возникающие при взрывах, полете… … Большой Энциклопедический словарь
УДАРНАЯ ВОЛНА - процесс распространения скачка уплотнения в среде (в грунте, воздухе или воде) со скоростью, превышающей скорость звука в той же среде. Поверхность, отделяющая сжатую среду от невозмущённой, К ст. Ударная волна Распространение звуковых волн и… … Большая политехническая энциклопедия
Распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью в сжимаемой среде тонкая переходная область, в которой происходит резкое увеличение давления р, плотности (ρ), энтропии, скорости среды и др. газодинамических переменных. В механике сплошных сред эту… … Энциклопедия техники
См. Взрывная волна. Горная энциклопедия. М.: Советская энциклопедия. Под редакцией Е. А. Козловского. 1984 1991 … Геологическая энциклопедия
УДАРНАЯ ВОЛНА - распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и температуры вещества. У. в. возникает при взрывах (см. Взрывная волна), полете тел со сверхзвуковой скоростью, в … Российская энциклопедия по охране труда
УДАРНАЯ ВОЛНА, в текучих средах (жидкостях или газах) быстро перемещающаяся в пределах среды область, характеризующаяся резким перепадом давления и плотности. Ударные волны возникают при движении объектов со сверхзвуковыми скоростями. Т. к.… … Научно-технический энциклопедический словарь
Распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью в газе, жидкости или твердом теле область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и скорости среды. У.в. при взрыве может поражать людей и животных, разрушать сооружения,… … Словарь черезвычайных ситуаций
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.
