УДК 533.6.011
ОСЛАБЛЕНИЕ ДЕЙСТВИЯ ОТРАЖЕННОЙ УДАРНОЙ ВОЛНЫ ПРИ ВЗРЫВЕ ВНУТРИ ОБЪЕМА СО СТЕНКАМИ ИЗ ГРАНУЛИРОВАННОГО МАТЕРИАЛА © 2012 г. Т. В. Баженова, В. В. Голуб, О. А. Мирова, А. Л. Котельников, Д. А. Ленкевич
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва E-mail: bazhenovai@ihed.ras.ru Поступило в редакцию 25.10.2011 г.
ВВЕДЕНИЕ
Для уменьшения разрушений при взрывах на производстве и в результате террористических актов исследуются защитные экраны из различных материалов. В работе [1] с целью ослабления действия изучалось поведение бетона под воздействием ударно-волновой нагрузки и предлагалось конструировать убежища из бетонных плит с использованием специальных усиливающих конструкций. Взаимодействие взрывной волны с защитной преградой существенно зависит от материала экрана и от отношения его толщины к длине фазы сжатия взрывной волны. Например, в работе [2] показано, что экран из пенополиуретана является эффективным средством для ослабления ударных волн при толщине, соизмеримой с длиной фазы сжатия взрывной волны. В работе [3] было установлено, что при взаимодействии стационарной воздушной ударной волны с жесткой стенкой, покрытой слоем пенополиуретана, давление на стенке значительно больше, чем при отсутствии покрытия. В работе [4] исследовалось влияние размеров контейнера, содержащего гранулированный материал, на вышеописанный эффект увеличения пикового давления на стенке под слоем материала. Было установлено, что увеличение площади поверхности, на которую воздействует плоская ударная волна, ведет к значительному увеличению пикового давления за слоем на стенке, особенно в случае увеличения толщины слоя гранулированного материала.
В числе предложений по ослаблению действия взрывной волны рассматривается использование гранулированных материалов [5] и стенок из влажного песка [6] в качестве ограждения взрывоопасного объема. В работах [7, 8] исследовался процесс разрушения преграды из слабо сцементированного песка под воздействием взрывной волны. Было установлено, что материал разрушается без образования крупных осколков, после чего частицы песка разлетаются, унося значительную часть энергии взрыва и ослабляя интенсивность проходящей ударной волны. Исследованный материал был предложен для создания взрывозащитных конструкций [9].
При взрыве внутри помещения, например, при работе с горючими газами [10, 11] разрушительное действие взрывной волны увеличивается
за счет отражения от стен помещения. В этом случае необходимо принимать меры для ослабления действия отраженной ударной волны. Целью данной работы является определение параметров взаимодействия отраженной ударной волны с деформируемой преградой. Актуальность задачи определяется необходимостью анализа перераспределения импульса ударной волны при взаимодействии ее с разрушаемой преградой.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Исследован одномерный случай — воздействие взрывной волны в канале на преграды, изготовленные из различных материалов. Изучалось воздействие на преграду "коротких" ударных волн, в которых пик давления сопровождается быстрым падением давления в волне разрежения. Этот тип волны характеризует действие взрыва на близком расстоянии от источника, отнесенном к радиусу источника.
Для моделирования короткой взрывной волны использовалась ударная труба с короткой камерой высокого давления длиной 0.23 м. Длина камеры низкого давления квадратного сечения 72 х 72 мм2 составляла 6 м. В камере низкого давления находился воздух при атмосферном давлении, камера высокого давления наполнялась воздухом до давления 15 атм. После разрыва диафрагмы в секции низкого давления распространялась ударная волна. В секции высокого давления при истечении из нее толкающего газа возникала волна разрежения, которая отражалась от закрытого конца ударной трубы и распространялась в секцию низкого давления, догоняя ударную волну. При низких числах Маха ударной волны и короткой камере высокого давления голова волны разрежения быстро догоняет ударную волну и за ней создается характерный падающий профиль давления, подобный профилю давления за взрывной волной.
В камеру низкого давления (КНД) включены две исследовательские секции TS1 и TS2. В начале второй секции TS2 устанавливались преграды: жесткая металлическая стенка и стенка из прессованного природного песка. Плотность песка составляла 1.8 г см-3, прочность на сжатие по градуировке — 0.5 кг см-2. Стенка из песка изготавливалась путем прессования слоя песка в рамке
ОСЛАБЛЕНИЕ ДЕЙСТ ВИЯ ОТРАЖЕННО Й УДАРНОЙ ВОЛНЫ
477
на временной подложке и затем устанавливалась между камерами TS1 и TS2. Толщина прессованной стенки составляла 8—50 мм, на порядок меньше длины положительной фазы взрывной волны, распространяющейся по ударной трубе. Расстояние от диафрагмы до исследуемого образца 5 м.
Измеренные на расстоянии 145 мм от преграды числа Маха ударной волны в разных опытах имели значение 1.6—1.73. Избыточное давление на фронте ударной волны составляло около 2.2 атм. Такое давление соответствует, например, взрыву 20 кг TNT на расстоянии 5 м от точки измерения [12].
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА
В стенке первой исследовательской секции TS1 устанавливались три датчика давления G1, G2, G3, с помощью которых измерялись скорости падающей и отраженной ударных волн, а также изменение во времени давления за фронтом ударной волны. Давление на боковой стенке трубы за прошедшей преграду ударной волной секции TS2 измерялось датчиком G4. Для измерения давления использовался датчик PCB 113А36. Вторая исследовательская секция была снабжена прозрачными окнами из оргстекла для визуализации разрушения песчаной стенки после взаимодействия со взрывной волной. Измерение скорости ударной волны проводилось базовым методом с точностью 1%. Движение границы песчаной стенки регистрировалось с помощью цифровой скоростной камеры CORDIN-530 в режимах временной развертки и покадровой съемки.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Осциллограммы давления. Получены осциллограммы давления на боковой стенке ударной трубы после взаимодействия ударной волны с песчаными стенками различной толщины. При отражении от жесткой стенки давление в секции TS1 резко увеличивается, а затем падает в волне разрежения. При отражении от песчаной стенки давление на фронте близко к значениям, полученным при отражении от жесткой стенки и из расчета для стационарной ударной волны. При отражении от преград, толщина которых h составляла 25—50 мм, падение давления происходит по тому же закону, что и при отражении от жесткой стенки. При отражении от тонкой песчаной стенки (h = 8—20 мм) за фронтом наблюдается более резкое падение давления, чем при отражении от толстой стенки.
Уменьшение импульса давления. На рис. 1 представлен коэффициент уменьшения импульса давления К1 = IS/IR за отраженной ударной волной на боковой стенке канала камеры TS1 в зависимости от толщины преграды. Здесь IS — импульс давления за ударной волной, отраженной от стенки из песка; IR — импульс давления за фронтом ударной волны, отраженной от жесткой стенки. Из рис. 1
10 20 30 40 50
к, мм
Рис. 1. Коэффициент ослабления давления К1 за фронтом ударной волны, отраженной от преграды из прессованного песка на боковой стенке исследовательской TS1.
следует, что уменьшение импульса давления тем больше, чем тоньше слой песка.
На рис. 2 представлено значение коэффициента уменьшения импульса давления К2 = 1,/1тах за прошедшей ударной волной на боковой стенке канала камеры Т82 в зависимости от толщины преграды. Здесь I , — импульс давления за ударной волной, прошедшей через стенку из песка; 1тах — максимальное измеренное значение импульса давления за ударной волной, прошедшей через стенку. Из рис. 2 следует, что проходящая ударная волна ослабляется при малых толщинах слоя песка, затем ослабление уменьшается и снова увеличивается. Это указывает на то, что ослабление при малых и больших толщинах происходит в результате различных механизмов. Ослабление импульса прошедшей волны при взаимодействии с толстым слоем песка происходит за счет ослабления при распространении по гранулированной среде. Ослабление импульса прошедшей волны при взаимодействии с тонким слоем песка происходит за счет энергии на разрушение слоя песка.
Ослабление импульса отраженной ударной волны может зависеть от двух факторов: затрата энергии на разрушение слоя песка или в результате прихода волны разрежения из камеры Т82 при разрушении стенки или смещении стенки как целого. То обстоятельство, что при разрушении тонкой стенки уменьшается импульс как отраженной, так и прошедшей волны, указывает на то, что ослабление происходит за счет затрат энергии на разрушение слоя песка.
Визуализация разрушения слоя песка. Для определения механизма ослабления отраженной ударной волны были проанализированы кинограммы процесса разрушения песка (рис. 3). На кинограммах фиксировалось положение заднего фронта разруша-
h, мм
Рис. 2. Коэффициент уменьшения импульса давления К за прошедшей ударной волной на боковой стенке канала камеры Т82 в зависимости от толщины преград к.
емой преграды в виде границы светлого и темного фона при сквозном просвечивании. Треки на светлом фоне являются следствием воздействия песчинок на окна из оргстекла. На фотографиях перед темной областью в центре камеры видны темные области у нижней и верхней стенок канала. Кроме того, перед фронтом фиксируется область слабого затемнения по всему сечению камеры. Темные области у нижней и верхней стенок постепенно смыкаются с темной областью в центре камеры, и все сечение ка-
меры становится перекрытым. Перемещения или разрушения передней границы слоя песка не наблюдалось в течение всего времени киносъемки, т.е. на протяжении 9000 мкс. Это свидетельствует о том, что смещение стенки как целого в направлении движения падающей ударной волны и приход волны разрежения из камеры TS2 при разрушении стенки не служат причиной создания волны разрежения.
Получены временные развертки движения песка при расположении щели по центру камеры TS2 при взаимодействии ударной волны со стенками толщиной h = 9, 12, 16 мм. Впереди темного
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.