Взрывная волна - Blast wave

В динамика жидкостей, а взрывная волна - это повышенное давление и поток, возникающие в результате выделения большого количества энергии в небольшом, очень локализованном объеме. Поле течения можно аппроксимировать как свинец ударная волна, за которым 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 отрицательное давление, 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 взорвать генерировать взрывные волны.

Источники

Взрывчатые вещества высокого порядка (HE) более мощные, чем взрывчатые вещества низкого порядка (LE). ОН взорвать создать определяющую сверхзвуковую ударную волну избыточного давления. Несколько источников HE включают тринитротолуол, С-4, Семтекс, нитроглицерин, и мазут из нитрата аммония (ANFO ). LE дефлагрировать для создания дозвукового взрыва и отсутствия волны избыточного давления ВВ. 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

Классическое решение для потока - так называемое Взрывная волна Тейлора – фон Неймана – Седова решение - независимо разработано Джон фон Нейман^[1][2] и британский математик Джеффри Ингрэм Тейлор^[3][4] в течение Вторая Мировая Война. После войны решение о подобии было опубликовано тремя другими авторами:Л. И. Седов,^[5] Р. Латтер,^[6] и Дж. Локвуд-Тейлор^[7]… Кто открыл это независимо.^[8]

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

Характеристики и свойства

Форма волны Фридлендера - это простейшая форма взрывной волны.

Простейшая форма взрывной волны была описана и названа формой волны Фридлендера.^[11] Возникает при взрыве взрывается в свободном поле, то есть в отсутствии поблизости поверхностей, с которыми он может взаимодействовать. Взрывные волны обладают свойствами, предсказанными физика волн. Например, они могут преломлять через узкое отверстие, и преломлять поскольку они проходят через материалы. Подобно свету или звуковым волнам, когда взрывная волна достигает границы между двумя материалами, часть ее передается, часть поглощается, а часть отражается. В сопротивление из двух материалов определяют, сколько из каждого происходит.

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

${\displaystyle P(t)=P_{s}e^{-{\frac {t}{t^{*}}}}\left(1-{\frac {t}{t^{*}}}\right).}$

где P_s - пиковое давление, а t * - время, когда давление впервые пересекает горизонтальную ось (до отрицательной фазы).

Взрывные волны охватывают 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 стержня Маха

Взрывная волна, отражающаяся от поверхности и образующая ствол машины.

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

Конструктивная и деструктивная интерференция

Пример конструктивного вмешательства.

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

Формирование стержня Маха - 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.

Повреждать

Взрывные волны вызывают повреждение в результате значительного сжатия воздуха перед волной (образуя ударный фронт ) и последующий ветер.^[14] Взрывная волна распространяется быстрее скорости звука, а прохождение ударной волны обычно длится всего несколько миллисекунд. Подобно другим типам взрывов, взрывная волна также может причинить вред вещам 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, переломы костей или даже смерть. Взрывной ветер - это область низкого давления, из-за которой обломки и фрагменты действительно устремляются обратно к первоначальным взрывам. Взрывная волна также может вызывать пожары или даже вторичные взрывы из-за сочетания высоких температур, возникающих в результате детонации и физического разрушения объектов, содержащих топливо.

Приложения

Бомбы

В ответ на запрос британцев Комитет MAUD Г. И. Тейлор оценил количество энергии, которое высвободится 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 интервала времени, причем переменные различаются только масштабом. (Отсюда и название «решение подобия».) Эта гипотеза позволила преобразовать уравнения в частных производных с точки зрения r (радиус взрывной волны) и t (время) в обыкновенное дифференциальное уравнение с точки зрения переменной подобия ${\displaystyle {\frac {r^{5}\rho _{o}}{t^{2}E}}}$ ,

куда ${\displaystyle \rho _{o}}$ плотность воздуха и ${\displaystyle E}$ это энергия, выделяемая при взрыве.^[15][16][17] Этот результат позволил Г. И. Тейлору оценить мощность первого атомного взрыва в Нью-Мексико в 1945 году, используя только фотографии взрыва, опубликованные в газетах и ​​журналах.^[8] Мощность взрыва определялась с помощью уравнения: ${\displaystyle E=\left({\frac {\rho _{o}}{t^{2}}}\right)\left({\frac {r}{C}}\right)^{5}}$,

куда ${\displaystyle C}$ - 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 г. Г. И. Тейлор опубликовал две статьи, в которых раскрыл мощность Е первого атомного взрыва:^[3][4] которые ранее были засекречены и поэтому их публикация вызвала споры.^{[нужна 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 при нанесении политравматических повреждений. Во время Второй мировой войны и участия США во Вьетнамской войне, взорвать легкое было обычным и часто смертельным ранением. Улучшения 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 смертельных воздействий, травмы конечностей, глаз и ушей, а также черепно-мозговые травмы стали более распространенными.

Воздействие взрывных нагрузок на здания

Поведение конструкции во время взрыва полностью зависит от материалов, использованных при строительстве здания. При попадании в фасад здания фронт удара 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. Как правило, 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, что приводит к частичному повреждению и постепенному разрушению здания.

Астрономия

Так называемой Седов-Тейлор решение (видеть § Бомбы ) стал полезным в астрофизика. Например, его можно применить для количественной оценки результата от сверхновая звезда -взрывы. 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 E₀, начальная энергия. Это полезно для астрофизиков, заинтересованных в предсказании поведения остатков сверхновых.

Исследование

Взрывные волны генерируются в исследовательских средах с использованием взрывчатых веществ или сжатого газа. ударные трубы в попытке воспроизвести обстановку военного конфликта, чтобы лучше понять физику взрывов и повреждений, которые могут возникнуть, и разработать лучшую защиту от воздействия взрыва.^[19] Взрывные волны направлены на конструкции (например, автомобили),^[20] материалы и биологические образцы^[21] или суррогаты. Высокоскоростной 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 групп 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» - прогнозов результатов для различных сценариев. В зависимости от моделируемой системы может быть трудно получить точные входные параметры (например, свойства материала чувствительного к скорости материала при скорости взрывной нагрузки). Отсутствие экспериментальной проверки серьезно ограничивает полезность любой численной модели.

Рекомендации

1. Нойман, Джон фон, "Решение с точечным источником", Джон фон Нейман. Собрание сочинений, под редакцией А. Дж. Тауба, Vol. 6 [Элмсфорд, Нью-Йорк: Permagon Press, 1963], страницы 219 - 237.
2. Бете, Х.А. и др., BLAST WAVE, Los Alamos Report LA-2000, Ch. 2, (1947). читать онлайн
3. Тейлор, сэр Джеффри Ингрэм (1950). «Формирование взрывной волны при очень сильном взрыве. I. Теоретическое обсуждение». Труды Королевского общества А. 201 (1065): 159–174. Bibcode:1950RSPSA.201..159T. Дои:10.1098 / RSPA.1950.0049. S2CID  54070514.
4. Тейлор, сэр Джеффри Ингрэм (1950). «Образование взрывной волны в результате очень сильного взрыва. II. Атомный взрыв 1945 года». Труды Королевского общества А. 201 (1065): 175–186. Bibcode:1950RSPSA.201..175T. Дои:10.1098 / RSPA.1950.0050.
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. X, № 2, С. 241-250.
6. Последний, Р., «Решение подобия для сферической ударной волны», Журнал прикладной физики, Vol. 26, страницы 954 - 960 (1955).
7. Локвуд-Тейлор Дж. «Точное решение задачи о сферической взрывной волне». Философский журнал, Vol. 46, страницы 317 - 320 (1955).
8. Бэтчелор, Джордж, Жизнь и наследие Г. И. Тейлора, [Кембридж, Англия: Издательство Кембриджского университета, 1996], страницы 202–207.
9. Дьюи Дж. М.. 53 года исследований взрывных волн, личная история. 21-й Международный симпозиум по вооруженным силам и взрывам, Израиль, 2010 г.
10. Райнхарт Э. Дж. И др. Тестирование эффектов оружия DTRA: перспектива на тридцать лет. 21-й Международный симпозиум по вооруженным силам и взрывам, Израиль, 2010 г. читать онлайн В архиве 13 марта 2012 г. Wayback Machine
11. Дьюи Дж. М.. 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 АМ. 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 как они взаимодействуют со строениями. J.R. Army Med Corps 147: 16-26, 2001 г.
14. Нефф М. Визуальная модель взрывных волн и трещин. Магистерская работа, Университет Торонто, Канада, 1998 г.
15. Обсуждение подобия решений, 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 Г. И. Тейлора, включая его решение подобия:http://www.deas.harvard.edu/brenner/taylor/physic_today/taylor.htm
18. Дюзенберри, Дональд. «Справочник по взрывоустойчивому проектированию зданий», 2010 г., страницы 8–9.
19. Райнхарт, д-р Э. Дж., Хенни, д-р Р. В., Томсен, Дж. М., Дюрей, Дж. П. Испытание эффектов оружия DTRA: Тридцатилетняя перспектива. Прикладные исследования и сотрудники, Отдел физики ударов
20. например, Bauman, RA, Ling, G., Tong, L., Januszkiewicz, A., Agoston, D., Delanerolle, N., Kim, Y., Ritzel, D., Bell, R., Ecklund, J ., Армонда, Р., Бандак, Ф., Паркс, С. Вводная характеристика модели закрытой травмы головы у свиней, связанной с боевыми действиями и оказанием помощи раненым, в результате воздействия взрывного удара. Journal of Neurotrauma, июнь 2009 г., Mary Ann Liebert, Inc.
21. Чернак, И. Важность систематического ответа в патобиологии нейротравмы, вызванной взрывом. Границы неврологии, декабрь 2010 г.
22. Макрис, А. Неренберг, Дж., Дионн, Дж. П., Басс, К. Р., Чичестер. Снижение ускорения головы при взрыве при разминировании. 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 No. 0704-0188, июль 2006 г.

внешняя ссылка

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