Химическая физика, 2022, T. 41, № 8, стр. 88-92

ВВЕДЕНИЕ

В работах [1–3] сделан вывод о том, что коническая ударная труба (КУТ) является эффективным средством для воспроизведения динамических нагрузок при сферическом взрыве. Это позволяет использовать КУТ для исследования ослабления сферических ударных волн (УВ) при их взаимодействии с различными взрывозащитными покрытиями и экранами. Как правило, покрытия представляют собой пористую среду, сформированную насыпными дисперсными материалами (песок, гранулы искусственного происхождения), различные виды пены (водно-механические или с полимерным каркасом) и материалы на основе тканей (в том числе используемые для защиты от пуль и осколков) [2, 3]. Экраны, иногда называемые завесами, составляются из взвеси капель, порошков, газонаполненных шариков, нанесенной на каркас пены, а также пластин с отверстиями (перфорированные перегородки (ПП)), слоев сетки и различных проницаемых каркасов. Преимущество экранов из ПП заключается в том, что такой экран может многократно использоваться без ущерба для его работоспособности. Основной характеристикой ПП является проницаемость перегородки (ν) – отношение суммы площадей всех отверстий перегородки к площади канала, перекрываемого перегородкой.

Прохождение ударных волн с постоянными параметрами за фронтом через ПП достаточно подробно исследовано в работах [4–11]. Уменьшение интенсивности УВ при прохождении через перегородку удобно характеризовать такими безразмерными параметрами, как δ_m – коэффициент ослабления амплитуды взрывной нагрузки, равный

δ_m = Δp_{с ПП}/Δp_{без ПП},

и η – коэффициент изменения импульса фазы сжатия, равный

η = I_{c ПП}/I_{без ПП},

где Δp – избыточное давление на фронте УВ, а I – импульс фазы сжатия УВ. Определение коэффициента η важно для сферических взрывов, при которых формируются ударные волны конечной длительности со спадающим давлением за фронтом. Поражающее действие таких волн зависит не только от избыточного давления на фронте Δp, но и от импульса фазы сжатия I:

где τ – время действия фазы сжатия, Δp(t) – изменение избыточного давления за фронтом волны со временем. Следует отметить, что результаты работ [4–11] не позволяют, вследствие постоянства параметров за фронтом УВ, сделать выводы о действии сферического взрыва.

Имеются отдельные данные по ослаблению УВ цилиндрической и сферической симметрии с помощью ПП. Так, в экспериментах по ослаблению УВ [12], образующейся при разрушении цилиндрической оболочки, наполненной газом при повышенном давлении, показано, что длительность фазы сжатия УВ при прохождении через ПП не изменяется. В работах [13, 14] исследовалось ослабление решетками и ПП взрывных волн, образующихся при детонации зарядов конденсированных ВВ. В работе [13] приведены данные по значениям импульса волны за преградой. В этих экспериментах преграды конечных размеров размещались в открытом пространстве и поэтому могли иметь место двухмерные эффекты при их обтекании. Вследствие этого сравнение данных из [13] с результатами, полученными в одномерной постановке в трубах, не может считаться правомерным.

В работе [15] найдены закономерности взаимодействия плоских (образующихся в ударной трубе) УВ конечной длительности с ПП различной проницаемости, установленными в одном из сечений трубы. Регистрировались параметры падающей на перегородку и прошедшей ударной волны. Показано, что для значений проницаемости в диапазоне 0.009 < ν < 0.3 справедливо эмпирическое соотношение δ_m = 1.14ν^0.62.

В работе [16] представлен пример разработки применимого на практике способа использования перфорированного экрана конечных размеров для ослабления нагрузки на здание при внешнем взрыве объема газовой горючей смеси. В проведенных опытах взрывная волна генерировалась дефлаграционным сгоранием облака стехиометрической смеси пропан–кислород. Разбавление смеси азотом позволяло варьировать скорость горения при взрыве и, соответственно, интенсивность волны. Генерируемые волны имели как крутой фронт – ударные волны, так и пологий – волны сжатия. Показано, что наиболее эффективно преграда снижает нагрузку в областях, расположенных близко к взрывающемуся объему.

Цель работы – анализ данных по ослаблению сферической ударной волны перфорированной перегородкой, полученных в экспериментах в конической ударной трубе. В опытах варьировались интенсивность падающей УВ и проницаемость ПП. Измерения проведены на различном расстоянии от ПП.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Эксперименты проводили в горизонтально расположенной конической ударной трубе – КУТ-14, состоящей из камеры высокого давления (КВД) и открытой конической камеры низкого давления с углом раствора 14° и длиной до 3 м. Камеры разделялись разрывными мембранами из алюминиевой или медной фольги с различным давлением разрыва. Камера высокого давления представляет собой цилиндр длиной 100 мм и диаметром 54 мм. Общий вид и описание КУТ-14, оснащенной расположенными до и после перегородки датчиками давления, приведены в работах [2, 3]. Перфорированная перегородка в виде стальной пластины с отверстиями располагалась на расстоянии 764 мм от мембраны. Диаметр равномерно расположенных отверстий составлял 10 мм, а толщина пластины – 8 мм. Проницаемость перегородки менялась в диапазоне 0.21 < ν < 0.41. В качестве толкающего газа в КВД использовалась смесь гелия с воздухом при различном начальном давлении, определяемом давлением разрыва мембраны. Использование мембран различной толщины и материала позволяло варьировать интенсивность УВ. При отсутствии перегородки на расстоянии 380 мм вниз по течению от сечения ее установки получены величины избыточного давления УВ Δp₀ в диапазоне от 0.15 до 0.74 бар со следующими промежуточными значениями: 0.21 и 0.48 бар. Во всех опытах коническая камера низкого давления была заполнена воздухом при нормальных условиях.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При проведении экспериментов проводили сравнение амплитуды и профиля давления сферических УВ, регистрируемых на стенке трубы в отсутствие ПП и при ее наличии. Пример такого сравнения приведен на рис. 1, где представлены записи давления датчиком, расположенным на расстоянии 380 мм вниз по течению от ПП для перегородок с различной проницаемостью, в том числе для ν = 0. Избыточное давление на фронте сферической УВ в отсутствие ПП составляло Δp₀ = 0.74 бар. Как видно, по мере увеличения перекрытия сечения избыточное давление на стенке уменьшается, и при 80%-ном перекрытии (ν = 0.21) давление на фронте уменьшается почти в 2 раза: с Δp₀ = 0.74 бар до Δp = 0.39 бар. Одновременно с этим происходит увеличение задержки между моментом прихода ударной волны на датчик при отсутствии перегородки и на этот же датчик при ее наличии.

При анализе полученных экспериментальных зависимостей определялись коэффициенты δ_m и η. Оба импульса, входящие в выражение для η, находили путем расчета площади под графиком профиля давления соответствующего датчика. На рис. 2 показана зависимость параметра δ_m от расстояния до перегородки при различной интенсивности падающей сферической УВ. Проницаемость ν при этом сохраняется постоянной и равной ν = 0.41. Данные, представленные на рис. 2, показывают, что коэффициент δ_m практически не изменяется при расстоянии от перегородки более 380 мм независимо от интенсивности УВ. На расстоянии от ПП, меньшем 200 мм, при слабых УВ, соответствующих избыточному давлению в УВ, равному Δp₀ = 0.15 и 0.21 бар, наблюдаются несколько меньшие значения δ_m. Это может быть связано с тем, что поскольку каждое отверстие перегородки является источником сферической УВ, то формирование результирующей сферической УВ за перегородкой происходит не мгновенно, а за счет серии столкновений множества отдельных сферических волн. Потери, неизбежные при этом, будут приводить к меньшему среднему давлению, чем в сформировавшейся сферической УВ с треугольным профилем давления за фронтом на большем расстоянии от ПП. Это может быть вызвано и тем, что датчик регистрирует усредненный по его диаметру (равному 10 мм) сигнал, являющийся суперпозицией проходящих и поперечных волн.

Более подробно формирование сферической УВ из отдельных сферических волн за ПП рассмотрено и численно смоделировано в работе [17]. В пользу предложенного объяснения свидетельствуют и данные, приведенные на рис. 3, где показано изменение коэффициента η в зависимости от расстояния до перегородки при различной интенсивности УВ и фиксированном значении проницаемости ν = 0.41. На ближайшем к перегородке датчике регистрируется такое же значение η, как и далее. Таким образом, как и в случае с δ_m, расстояние до ПП несущественно влияет на безразмерный параметр, характеризующий импульс фазы сжатия сферической УВ после перегородки. Отметим, что зарегистрированное на расстоянии 891 мм от ПП меньшее значение η может быть обусловлено влиянием волны разрежения, распространяющейся от открытого торца КУТ.

На рис. 4 представлены зависимости коэффициента ослабления амплитуды взрывной нагрузки (δ_m) от проницаемости ПП (ν). Видно, что увеличение параметра ν приводит к уменьшению δ_m. Важно отметить, что увеличение интенсивности взаимодействующей с перегородкой УВ приводит к более сильному ослаблению. Этот вывод совпадает с результатами натурных экспериментов [16] по взрывам топливовоздушных облаков. Как уже ранее указывалось, в работе [16] показано, что наиболее эффективно преграда снижает нагрузку в областях, расположенных близко к взрывающемуся объему, т.е. там, где сферическая УВ сильнее. Данный факт имеет большое практическое значение и должен учитываться при оценке взрывобезопасности различных объектов.

Корреляция между коэффициентом δ_m и ν, представленная в работе [15], показана на рис. 4 в виде прямой 4. Эта прямая располагается ниже, чем значения коэффициента δ_m, даже при максимальной использованной в опытах интенсивности УВ. Отличие эксперимента от расчета по корреляционной формуле из работы [15] не превышает 10% и постоянно во всем диапазоне использованных проницаемостей. Однако это относится только к сравнительно сильным УВ (в нашем случае Δp₀ = = 0.74 бар). При уменьшении интенсивности УВ разница становится больше. Одной из причин отмеченной разницы может быть то, что в работе [15] исследовались более интенсивные плоские УВ, в отличие от сферических УВ, рассматриваемых в настоящей работе.

В работе [18] предложены полуэмпирические соотношения для расчета изменения интенсивности УВ после взаимодействия с ПП, основанные на модели, описывающей ослабление УВ в шероховатых каналах [19] и слоях гранулированных материалов [20]. Результаты расчета коэффициента δ_m по соотношениям из [18] для условий проведенных экспериментов представлены на рис. 4 кривыми 1, 2 и 3 для интенсивностей волны 0.15, 0.48 и 0.74 бар соответственно. Отметим, что расчеты по модели из работы [18] отражают наблюдаемую в экспериментах зависимость степени ослабления УВ от ее интенсивности – чем выше интенсивность, тем больше ослабление. Кроме того, видно, что наилучшее соответствие с экспериментом получается для больших значений проницаемости ПП. При ν ≈ 0.2 разница может достигать 10–15%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С использованием конической ударной трубы разработана и обоснована методика исследования закономерностей ослабления ударно-волновой нагрузки при взаимодействии сферической ударной волны с перфорированной перегородкой. Эксперименты показали, что давление и импульс, передаваемые через ПП, зависят от интенсивности сферической УВ и проницаемости перегородки.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 19-19-00554.