Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Струйные течения при подводном взрыве малозаглубленных кольцевых зарядов

Из изложенного выше очевидно, что при относительно глубоководных взрывах крупных зарядов ВВ (или ядерных взрывах) кумулятивная струя, формирующаяся в процессе первой пульсации при всплытии полости в тяжелой жидкости, пронизывает ее, нарушая односвязность области течения, и образует тор. Пульсирующая тороидальная взрывная полость будет продолжать всплывать к свободной поверхности. Возникает вопрос, не являются ли упомянутые в «глубоководные» султаны результатом динамики такой полости вблизи свободной поверхности. Анализу этой проблемы и будет посвящен настоящий раздел, в котором рассматриваются экспериментальные постановки, моделирующие развитие упомянутых поверхностных эффектов на примере малозаглубленных подводных взрывов кольцевых зарядов.

Напомним, что особенности структуры волнового поля, возникающего при взрыве таких зарядов были детально исследованы выше. Как при этом отмечалось, конечность скорости детонации не играет заметной роли в процессе формирования кольцевой взрывной полости, которая сохраняет форму правильного тора достаточно долго. Таким образом, можно быть уверенным в результатах моделирования осесимметричного течения, если радиус кольца ar ≥ 150 Rch.

Первые же эксперименты, проведенные в естественном бассейне в натурных условиях на кольцевых зарядах диаметром до 2-х метров из стандартных ДШ (Rch = 1,5 мм), подтвердили реальность предлагаемой модели (рис. 1). На рис. 1,а приведены три последовательных момента из скоростной кинограммы развития кольцевого выброса при взрыве заряда ДШ диаметром 2 м на глубине 30 см. Заметим, что максимальный радиус полости с продуктами детонации для линейного заряда из того же ДШ составляет примерно 20 см. По мере уменьшения диаметра кольца при фиксированной глубине взрыва характер поверхностного выброса меняется: рис. 1,б демонстрирует развитие центрального султана в эксперименте с кольцевым зарядом диаметром 0,4 м, практически подтверждая вероятность появления вертикального выброса на свободной поверхности при глубинных крупномасштабных взрывах. Детальные лабораторные исследования позволили выяснить структуру таких течений, используя постановки с зарядами в виде полукольца, плоскость которого располагалась параллельно свободной поверхности, а концы заряда (или взрывающейся проволочки) располагались на прозрачной вертикальной стенке. Такая постановка дает возможность, в частности, наблюдать за развитием течения в области оси кольца. На рис. 2 показаны кадры скоростной кинограммы процесса при взрыве полукольца 1 из ДШ (Rch = 0,0325 см) диаметром 18 см на глубине 9 см под свободной поверхностью 2. Интервал между кадрами 0,5 мс.

Можно отметить две особенности: цилиндрический след 3 (кадры 3-7) в зоне кавитации (область оси симметрии) и тонкий вертикальный выброс 4 на поверхности в центре купола, который, как известно, состоит из откольных кавитирующих слоев. Очевидно, структура откола (с образованием выброса фонтанного характера 4) в экспериментах с кольцевыми зарядами определяется формой квазитороидального фронта ударной волны и ее фокусировкой. Для подтверждения этого предположения заряд помещался в заглушенное кольцо из металлической трубки, заполненной водой, параметры которой подбирались таким образом, чтобы герметичность контейнера и его размеры при взрыве сохранялись. Естественно, в этих условиях «работала» только ударная волна.


Результат эксперимента: фонтанный выброс остался, центральный цилиндрический след в зоне кавитации исчез. Последний результат по сути является подтверждением того, что в области оси симметрии кольцевого заряда при расширении тороидальной полости с продуктами детонации развивается струйное течение в результате кумуляции потока жидкости на ось. Детали структуры центральной струи удалось выяснить в аналогичных постановках со взрывающейся проволочкой. На рис. 3 представлена последовательность развития течения на свободной поверхности 2 и динамика полости 1 при взрыве на глубине 4 см полукольца нихромовой проволочки диаметром 5 см. Время между кадрами 4/3 мс. Видно, что для условий этого эксперимента выделившаяся при разряде высоковольтной батареи энергия на единицу длины проводника довольно велика: полость сильно деформируется в центре, а ее максимальный размер порядка глубины взрыва.

Что же показывает этот своеобразный «разрез» течения с разрешением его особенностей в центральной зоне? Оказывается, развивающийся на свободной поверхности вертикальный султан представляет собой полую центральную кольцевую струю 3, природа которой определяется исходной формой заряда, а не разгерметизацией полости, и связана, очевидно, с замыканием кольцевого струйного течения на поверхности, как одной из структур вертикального султана при такого рода геометрии течения. В более поздние моменты (кадры 5-7) структура выброса на поверхности напоминает случай со сферическими зарядами.

Результаты экспериментальных исследований зависимости высоты подъема центральной струи h(τ) при подводных взрывах кольцевых зарядов диаметром 40/80 см из стандартных ДШ на глубинах Н = 20/80 см обобщены на рис. 4. Несмотря на заметный разброс экспериментальных данных в начальной стадии подъема султана, который может быть связан с наложением «фонтанного» выброса откольного купола, можно сделать вывод о подобии в целом процессов развития центральных струйных течений для различных линейных параметров заряда и глубин взрыва. В основном интервале времени (τ = 10¹ / 10(4)) зависимость h(τ) носит степенной характер и аппроксимируется простым выражением

Здесь Е — энергия взрыва на единицу массы ВВ, W — масса ВВ в кольцевом заряде, pch — плотность заряда ВВ, t — размерное время.

Естественна попытка использовать предложенную выше гидродинамическую модель султана с метанием слоя жидкости твердым телом. Однако, в случае с кольцевой геометрией заряда эта проблема значительно осложняется необходимостью моделирования сходящегося потока, динамика которого существенно меняется в процессе расширения тороидальной полости. И тем не менее, оказалось, что если твердому тору придать размеры, соответствующие максимальным размерам полости с продуктами взрыва, то ожидаемый эффект может быть получен. На рис. 5 представлены кадры скоростной съемки развития кольцевой 4 и центральной 3 струй при импульсном движении из-под

поверхности жидкости 1 твердого тора 2, получившего импульс вертикально вверх. Этот импульс сообщается приведенной на рисунке конструкции в результате взрыва микронавески ВВ под специальным устройством, жестко связанным с тором и расположенным на глубине в несколько его диаметров. Первый интервал между кадрами — 4 мс, последующие — 4,3 мс. Несложно видеть, что как и в натурных экспериментах после остановки тора формируются две системы струйных течений: кольцевая (полная аналогия с метанием цилиндрических и сферических оболочек) и осевая — в результате кумуляции к оси потока, получившего радиальные массовые скорости в процессе движения твердой тороидальной поверхности вверх.

Приведенные результаты показывают, что один из вероятных механизмов формирования струйного выброса на свободной поверхности, образующегося при глубоководном взрыве крупномасштабных зарядов, определяется кумуляцией потока к оси на стадии расширения тора, формирующегося в процессе всплытия в тяжелой жидкости первоначально сферической полости с продуктами детонации и изменения структуры течения с образованием устойчивой тороидальной полости.


 

Detonation. Pasadena, California, August 18-21, 1970. Walsh I. М., Rice M. N. Dynamic compression of liquids from measurements on strong waves // J. Chem. Phys. 1957. V. 26, N 4. P. 821-823. Христофоров Б. Д. Параметры ударной волны и газового пузыря при подводном взрыве зарядов из тена малого веса // ПМТФ. 1960. № 2. Weston D. Е. Underwater explosions as acoustic sources // Proc. Phys. Soc. 1960. V. 76. Pt 2. P. 488. Когарко Б. С. Об одной модели кавитирующей жидкости // Докл. АН СССР. 1961. Т. 137, № 6. С. 1331-1333. Флинн Г. Физика акустической кавитации в жидкостях // Физическая акустика / Под ред. Мэзона. 1967. Т. 1. Ч. Б. Гаврилов Л. Р. Содержание свободного газа в жидкостях и методы его измерения // Физика и техника мощного ультразвука. Физические основы ультразвуковой технологии. 1970. Ч. 2. Kedrinskii V. К. On relaxation of tensile stresses in cavitating liquid // Proc. 13th Intern. Congress on Acoustics. Beograd, 1989. Sabac: Dragan Srnic Press, 1989. V.l, C. 327-330. Иорданский С. В. Об уравнениях движения жидкости, содержащей пузырьки газа // ПМТФ. 1960. № 3. van Wijngaarden L. On the equation of motion for mixtures of gasbubbles in liquit // J. Fluid Mechanics. 1968. V. 33, N 3. P. 465. Кедринский В. К. Динамика полости и волны // Динамика сплошной среды: Сб. науч. тр. / АН СССР Сиб. отд-ние. Ин-т гидродинамики. 1979. Вып. 38. С.48-70. Градштейн И. С., Рыжик И. М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Физмат, лит. 1962. Hasan М. М., Jyengar К. S. Size and growth of cavitation bubble nuclei // Nature. 1963. V. 199, 4897, 995, Strasberg M. Onset of ultrasonic cavitation in tap water // JASA. 1959. V. 31, N 2. P. 163. Kedrinskii V. K. Negative pressure profile in a cavitation zone at underwater explosion near free surface // Acta Astronaut. 1976. V. 3, N 7-8.

Друзья! FSHQ довольно молодой ресурс, мы группа создателей сайта имеем общее увлечение всей нашей жизни в лице этого проекта, мы пытаемся нести пользу людям. Мы не хотим, и не будем заваливать весь проект огромным количеством рекламы для того чтобы была финансовая возможность строить этот ресурс, потому мы решили обратиться к нашим читателям с просьбой поддержать наш проект, всего 5 рублей, большего не просим. Надеемся, что данная сумма не станет большой потерей для бюджета наших посетителей, эта помощь будет просто неоценима, для проекта это жизнь, а вместе с ним живем и работаем мы. Это очень важно для нас. Спасибо! VISA - 4276020013209090; WebMoney - R256677704329; Z164891118384;

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика