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

Гидродинамика взрыва. Кольцевые заряды

Ряд задач гидродинамики взрыва связан с особенностями формирования структуры ударно-волнового поля при подводных взрывах зарядов сложной формы или с изменением топологии течения, как, например, в случае трансформации в поле тяжести первоначально сферической полости с продуктами детонации в тороидальную. Упомянутые топологические эффекты имеют место, в частности, при крупномасштабных подводных взрывах, когда максимальный радиус полости достигает десятков и сотен метров, а полость находится на достаточно большой глубине. В процессе ее всплытия и схлопывания в нижней части полости (из-за значительного градиента давления по вертикальному сечению) формируется кумулятивное течение. Расчет, выполненный Притчетом, показал, что со временем кумулятивная струя «пробивает» верхнюю часть поверхности полости, придавая последней кольцевую форму. С динамикой такой полости вблизи свободной поверхности связаны струйные эффекты другого рода, которые имеют отношение к проблеме «султана» и будут рассматриваться отдельно.

В связи с этим представляется целесообразным исследовать особенности течения, возникающего в геометрии такого рода. В экспериментах по моделированию подобных течений были использованы два типа источников: кольцевой заряд из ДШ, инициируемый с одного конца, и кольцевой проводник, моделирующий случай мгновенного взрыва. Экспериментальные исследования волновой структуры первого типа источников были проведены на витках ДШ диаметром 0,65, 1,65 и 3 мм в диапазоне радиусов колец от 3 до 30 см и расстояний от заряда 0,5-5 м. Типичные картины процесса формирования волнового поля в ближней зоне кольцевого заряда представлены на рис. 1 и 2.

На рис. 1 показан пример формирования фронта ударной волны в жидкости (расчет, акустическое приближение) в плоскости кольцевого заряда для двух последовательных положений фронта детонации при ее скорости 7,5 км/с. Экспериментальные исследования подтверждают правомерность подобного рода построений и дают основание в дальнейшем при оценке структуры волнового поля в жидкости, возникающего при взрыве системы кольцевых зарядов, применять акустическую модель (см. рис. 2,а: покадровая развертка, где цифры указывают последовательные номера кадров, интервал между которыми равен 4 мкс). На регистрограммах рис. 2,4,в приведена непрерывная разверт¬ка развития волнового процесса во внутренней области кольца (диаметр кольца 5,4 см) и витка спирали, плоскость которого располагалась параллельно окну наблюдения. Окно закрывалось непрозрачной бумагой так, чтобы на нем оставалась только щель, ориентированная вдоль диаметра кольца. Заряд располагался относительно щели так, чтобы точка фокусировки оказалась на ней, так как в противном случае не исключалась возможность регистрации фазовой скорости сходящихся волн и, следовательно, кажущегося увеличения скорости фронта. На самом деле, как показал эксперимент, для использованных типов и параметров ВВ имеет место «чистая» акустика. Щель «вырезала» два диаметрально противоположных участка кольца ДШ: дальний от точки инициирования виден на верхней части снимка слева в виде тонкой темной линии, ближний — сливается с нижней границей кадра. В случае витка щель «вырезала» три элемента (рис. 2,г): начальный, промежуточный и заключительный участки витка.

Несложно заметить, что в пространство излучается три волны, порядок следования которых зависит от расположения точки регистрации относительно участка инициирования детонации. Во всех случаях первой приходит ударная волна от ближайшего к датчику участка кольца, затем волна 2 или 3. При этом волна 2 возбуждается за фронтом волны 1 заключительным участком кольца, когда фронт детонационной волны завершает полный оборот. Этот момент, если рассматривать непрерывное вращение детонационного фронта по окружности, соответствует началу нового витка. Волна 3 возникает в результате фокусировки волны во внутренней области кольца. Заметим, что временной интервал между двумя последними кадрами СФР-граммы (рис. 2,а) в шесть раз превышает предыдущие.

Отсутствие осевой симметрии заряда (рис. 2,г) приводит к существенному изменению картины взаимодействия волн из-за неопределенности процесса фокусировки в схеме витка. На снимке видно, что ударная волна от начального участка (нижняя «нитка») чуть опережает начало инициирования детонации заключительного элемента витка («нитка» в центре снимка), ударная волна от которого взаимодействует со взрывной полостью: регистрируется ослабленная ударная волна 2. В результате этого взаимодействия возникает волна разрежения, которая ослабляет ударную волну 3 — результат взаимодействия волн от начального и промежуточного элементов витка. Подобные эффекты взаимодействия должны приниматься во внимание при использовании зарядов типа плоских спиралей.

Учитывая, что скорость детонации стандартных ВВ примерно в пять раз превышает скорость звука в жидкости, можно ожидать, что течение жидкости в целом должно быть близко к осесимметричному.

Действительно, кинограмма пульсации взрывной кольцевой полости (рис. 2,е) показывает, что полость сохраняет форму тора, по крайней мере в течение 1-й пульсации. Здесь диаметр кольца 30,5 см, диаметр заряда ВВ do = 0,65 мм, скорость детонации 7,7 км/с, частота 1500 кадр/с. По данным этой кинограммы максимальный размер сечения полости с продуктами детонации в момент ее остановки составляет 120Rch. Видно, что область внутри кольца сильно кавитирует. Как уже отмечалось, скорость детонации стандартных ДШ существенно превышает скорость звука в жидкости, что дает основание в рамках предварительных оценок применять модель мгновенного взрыва. Для этой цели, в частности, может быть использован взрыв кольцевого проводника.

Эксперименты такого рода были выполнены на высоковольтной установке с конденсаторной батареей, позволяющей накапливать энергию до нескольких кДж и выделять необходимую ее часть на кольцо диаметром около 5 см (нихромовая проволочка толщиной около 0,15 мм). Взрыв такого кольца в жидкости позволил обнаружить одну принципиальную особенность в формировании волнового поля. Типичная картина в виде СФР-граммы приведена на рис. 3.

Здесь четко видно, что фронт ударной волны имеет форму тороидальной поверхности, в области оси кольца происходит фокусировка волны и ее отражение, регистрируемое датчиком давления в виде волны сжатия. При дальнейшем развитии процесса в результате взаимодействия отраженной волны со взрывной полостью внутрь кольца распространяется сходящаяся волна разрежения, за фронтом которой развивается интенсивная пузырьковая кавитация. Этот факт указывает на то, что к моменту взаимодействия отраженной от оси ударной волны с полостью, давление в последней заметно ниже гидростатического.

Отметим некоторые особенности структуры волнового поля кольцевых зарядов (рис. 4). Измерения давления подтвердили отмеченную выше зависимость регистрируемой структуры излучения от положения точки регистрации в ближней от заряда зоне. По мере Удаления от заряда наблюдался переход от четкого расслоения волны на три упомянутых выше типа к постепенному вырождению в одну волну.

Различным оказался и характер изменения параметров волнового поля. На рис. 5 приведены изменения максимальных амплитуд первой волны p1,max в зависимости от относительного расстояния вдоль оси для заряда с Ro = 0,0325 см и различных значений радиусов колец заряда а = 30, 20 и 10 см.

Приближенная оценка амплитуды первой волны на оси кольца, представленная в простом виде

может иметь практическое значение. Интересно отметить, что амплитуда первой волны растет с уменьшением радиуса кольца а при фиксированном значении r/а.

Экспериментальные данные по распределению р1 в плоскости кольца приведены на рис. 7. Оказалось, что давление на фронте ударной волны от заряда большего радиуса а падает с расстоянием быстрее (степень ~ 1,65), чем для малого (~ 1,15). Данные для а — 20 см оказались промежуточными. Полученный результат позволил предположить, что в плоскости кольца на расстояниях r¯ = r/а ≥ 1 характер распределения давления аналогичен случаю сосредоточенных зарядов с весом, равным весу ВВ в кольце.

Экспериментальная проверка подтвердила это предположение (см. рис. 7): удовлетворительное совпадение с данными для эквивалентных сосредоточенных зарядов наблюдается в плоскости-кольца с расстояний r¯ ~ 10, вдоль образующей цилиндрической поверхности радиуса а (точки *) с расстояний r¯ и 30 ~ 40.

Измерения максимальных амплитуд вторых волн (рис. 8) показали, что они могут достигать значительных величин и иногда превышать амплитуду 1-й волны, но в плоскости кольца с расстоянием они убывают быстрее, чем вдоль оси. Этот эффект может определяться как фокусировкой волн в области оси, так и их ослаблением вследствие взаимодействия отраженных волн со взрывной полостью в плоскости кольца.

Приведенные экспериментальные факты дают основание для исследования динамики тороидальной полости в осесимметричной постановке (полагая, что она сохраняет свою форму в процессе пульсаций) и использования соответствующего приближения при математическом моделировании этого процесса. Так, например, можно считать, что сечение полости сохраняет форму окружности. Полученные результаты могут быть применены к анализу структуры волнового поля зарядов, имеющих сложную пространственную структуру. Эксперименты с ДШ показали, что для исследования динамики полости вполне применима модель мгновенной детонации, позволяющая упростить и расчет начальных параметров задачи.





 

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