Ударная волна

Разновидности волн

При взрыве любого вещества выделяется поток различных энергий. Составляющими взрыва являются:

Ударная волна. Этот фактор является наиболее поражающим, потому как производит разрушение всего, что попадается на пути. Источником энергии выступает сильное давление, которое образуется в центре взрыва. Газы, которые возникают вследствие реакции, стремительно расширяются и расходятся во все стороны от центра взрыва с огромной скоростью (около 2 км/с).
Световое излучение. Оно также является волной, поскольку лучистая энергия, которая выделяется во время взрыва, также перемещается во все стороны от эпицентра и негативно влияет на живые организмы.
Радиация. Поток радиации состоит из различных частиц. Последние имеют сходство с рентгеновскими лучами, но их скорость и количество негативно сказываются на всех живых организмах.
Электромагнитный импульс. Все приведенные излучения способны к образованию магнитного поля на небольшой высоте. Импульс способен вывести из строя микропроцессорную технику, приборы, станции электричества и т. д. Опасным он является для людей с заболеваниями сердечно-сосудистой системы и расстройствами психики. ЭМИ составляет 1 % от мощности боеприпаса.

Последствия

Каковы же последствия ударной волны? Этому вопросу стоит уделить особое внимание. Допустимым считается давление ударной волны до 10 кПа на открытой местности

Все, что выше предельной нормы, наносит вред человеку и животным:

При давлении от 20 до 40 кПа наступают легкие поражения организма. Последние характеризуются небольшими нарушениями. Такие симптомы вскоре исчезают без вмешательства медиков. Характерными признаками легкого поражения служат: головная боль, вывихи и небольшие ушибы, звон в ушах и т. д.
При давлении от 40 до 60 кПа возможны повреждения органов слуха, зрения, контузия, кровоизлияние из носового прохода и ушей.
Если давление превышает 60 кПа, наступают тяжелые повреждения. Характерными признаками являются: контузия всего организма, повреждение внутренних органов, внутреннее кровоизлияние. В тяжелых случаях может привести к летальному исходу.
Очень тяжелые травмы наступают при воздействии давления более 100 кПа. При таком воздействии отмечаются тяжелые переломы, разрывы органов, потеря сознания на длительное время.

Во время разрушения зданий и строений осколки способны передвигаться на расстояния, которые превышают радиус действия волны.

Факторы ударной волны также негативно сказываются на растениях. При давлении 50 кПа и выше происходит полное повреждение зеленого массива. При этом взрослые деревья вырываются с корнем. Если давление составляет от 30 до 50 кПа, то повреждается до половины зеленого покрова, а если оно составляет от 10 до 30 кПа — уничтожается до 30 % всех деревьев. Особенностью является устойчивость деревьев — молодые саженцы более устойчивы к воздействию волны.

Структура ударной волны.

Типичная ширина ударной волны в воздухе – 10–4 мм (порядка нескольких длин свободного пробега молекул). Малая толщина такой волны дает возможность во многих задачах считать ее поверхностью разрыва. Но в некоторых случаях имеет значение структура ударной волны. Такая задача представляет и теоретический интерес. Для слабых ударных волн хорошее согласие эксперимента и теории дает модель, учитывающая вязкость и теплопроводность среды. Для ударных волн достаточно большой интенсивности структура должна учитывать (последовательно) стадии установления термодинамического равновесия поступательных, вращательных, для молекулярных газов еще и колебательных степеней свободы, в определенных условиях – диссоциацию и рекомбинацию молекул, химические реакции, процессы с участием электронов (ионизацию, электронное возбуждение).

Характер распространения ударной волны в воздухе, воде и грунте. Основные параметры ударной волны.

Воздушная
ударная волна образуется за счет огромной
энергии, выделяемой в зоне ядерной
реакции, где температура достигает
10000С, а давление — 105-106Па.

Раскаленные
пары и газы расширяются, производя тем
самым резкий удар по окружающим слоям
воздуха, в результате чего происходит
сжатие этих воздушных слоев до высокого
давления и большой плотности, а также
нагрев до высоких температур. Сжатие и
перемещение воздуха происходит от
одного слоя к другому во все стороны от
места взрыва, образуя тем самым ударную
волну. Расширение раскаленных газов
действует на небольших расстояниях от
центра взрыва. На более значительных
расстояниях действует воздушная ударная
волна (в основном). Возле центра взрыва
скорость ударной волны значительно
превышает скорость звуковых волн. С
увеличением расстояния от центра взрыва
скорость ударной волны быстро убывает,
а действие самой ударной волны быстро
ослабевает. На больших расстояниях она,
как правило, переходит в звуковую волну.
Воздушная ударная волна при взрывах
средней мощности проходит примерно
1000 м за 1.4с, 2000 м за 4с, 3000м за 7с и 5000 м за
12с.

Ударная волна

На графике
показан характер изменения давления
с течением времени в какой-либо
фиксированной точке пространства.

С приходом в
? точку фронта ударной волны давление
воздуха резко возрастает, также резко
возрастает плотность воздуха,
температура и скорость внешней среды.

После того ,
как фронт ударной волны пройдет данную
точку пространства, давление в ней
постепенно снижается и через некоторый
промежуток времени становится равным
атмосферному Р.
Образовавшийся слой сжатого воздуха
являетсяфазой сжатия(τ+) , в
этот период времени ударная волна
обладает наибольшим разрушающим
действием. По мере удаления от центра
взрыва давление во фронте ударной
волны уменьшается, а толщина слоя
сжатия со временем возрастает.

Последнее
происходит за счет привлечения новых
масс воздуха. Далее давление становится
ниже атмосферного, воздух начинает
двигаться в направлении, противоположном
распространению ударной волны, то есть
к центру взрыва. Эта зона пониженного
давления называется фазой разряжения
(τ-). Вфазе разряжения ударная
волна производит гораздо меньшее
разрушение, чем в фазе сжатия, так как
максимальное отрицательное давление-ΔРзначительно меньше максимального
избыточного давления во фронте ударной
волны. После окончания периода действия
фазы разрушения, когда давление достигает
значения атмосферного, прекращается
движение фаз воздуха, и следовательно,
разрушающего воздействия ударной волны.
Непосредственно за фронтом ударной
волны в области сжатия движутся массы
воздуха.

Вследствие
торможения этих масс воздуха при встрече
с преградой возникает давление скоростного
напора. Основными параметрами ударной
волны, определяющими ее поражающее
действие, являются

избыточное
давление во фронте ΔР_Ф,
скоростной
напор ΔР_ск,
время действия
Т_ув.

Избыточное
давление во фронте ударной волны это
разница между максимальным давлением
во фронте ударной волны и нормальным
атмосферным давлением перед фронтом.

ΔР_Ф=Р_Ф-Р

Единицей
измерения избыточного давления в системе
Си является Па. Значение избыточного
давления в какой-либо точке зависит от
расстояния до центра взрыва, мощности
и вида взрыва.

Скоростной
напор-это динамические нагрузки,
создаваемые потоком воздуха во фронте
ударной волны. Как и избыточное давление,
измеряется в Па. Скоростной напор зависит
от плотности воздуха, скорости движения
воздушных масс и связан с избыточным
давлением. Разрушающее действие
скоростного напора сказывается в
областях с избыточным давлением>50
кПа.

Время действия
УВ – это время действия избыточного
давления. Зависит, главным образом, от
избыточного давления и скорости воздуха.

Общие макроскопические свойства ударных волн

Термодинамика ударных волн

С макроскопической точки зрения ударная волна представляет собой воображаемую поверхность, на которой термодинамические величины среды (которые, как правило, изменяются в пространстве непрерывно) испытывают устранимые особенности: конечные скачки. При переходе через фронт ударной волны меняются давление, температура, плотность вещества среды, а также скорость её движения относительно фронта ударной волны. Все эти величины изменяются не независимо, а связаны с одной-единственной характеристикой ударной волны, числом Маха. Математическое уравнение, связывающее термодинамические величины до и после прохождения ударной волны, называется ударной адиабатой, или адиабатой Гюгонио.

Ударные волны не обладают свойством аддитивности в том смысле, что термодинамическое состояние среды, возникающее после прохождения одной ударной волны, нельзя получить последовательным пропусканием двух ударных волн меньшей интенсивности.

Происхождение ударных волн

Воздействие ударной волны, возникшей при выстреле из пушки, на водяную поверхность

Звук представляет собой колебания плотности, скорости и давления среды, распространяющиеся в пространстве. Уравнение состояния обычных сред таково, что в области повышенного давления скорость распространения возмущений малой амплитуды возрастает. Это неизбежно приводит к явлению «опрокидывания» возмущений конечной амплитуды, которые и порождают ударные волны.

В силу этого механизма, ударная волна в обычной среде — это всегда волна сжатия.

Описанный механизм предсказывает неизбежное превращение любой звуковой волны в слабую ударную волну. Однако в повседневных условиях для этого требуется слишком большое время, так что звуковая волна успевает затухнуть раньше, чем нелинейности становятся заметны. Для быстрого превращения колебания плотности в ударную волну требуются сильные начальные отклонения от равновесия. Этого можно добиться либо созданием звуковой волны очень большой громкости, либо механически, путём околозвукового движения объектов в среде. Именно поэтому ударные волны легко возникают при взрывах, при около- и сверхзвуковых движениях тел, при мощных электрических разрядах и т. д.

Регулярное и маховское отражение волн.

В зависимости от угла падения ударной волны на препятствие волна может отражаться непосредственно на поверхности препятствия или на некотором расстоянии от него. Во втором случае отражение называется трехволновым, поскольку в этом случае возникает третья ударная волна, соединяющая падающую и отраженную волны с поверхностью препятствия.

Впервые зафиксированное австрийским ученым Эрнстом Махом в 1878, трехволновое отражение получило также название маховского, для отличия от двухфронтового (или регулярного) отражения.

Выполненный Махом эксперимент, позволивший обнаружить трехволновой режим отражения, заключался в следующем (рис. 5): в двух точках, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, одновременно проскакивали две искры, порождавшие две сферических ударных волны.

Распространяясь над поверхностью, зачерненной сажей, эти волны оставляли отчетливый след точек их пересечения, начинающийся посередине между точками инициализации волн, а затем идущий по срединному перпендикуляру отрезка, соединяющего эти точки инициализации. Далее отрезок на концах разделялся на две симметрично расходящиеся линии. Полученная картина соответствует тому, что на ранней стадии взаимодействия ударные волны отражаются друг от друга так, как будто происходит отражение в регулярном режиме от воображаемой плоскости, расположенной посередине между точками инициализации волн. Затем образуется скачок Маха, соединяющий соответствующие точки кривых, приведенных на рис. 3. Поскольку на зачерненной поверхности остаются лишь траектории точек пересечения волн, Мах продемонстрировал впечатляющую проницательность, сумев расшифровать смысл полученных следов.

В сверхзвуковых потоках

Диаграмма давление-время во внешней точке наблюдения для случая прохождения сверхзвукового объекта мимо наблюдателя. Передний край объекта вызывает сотрясение (слева, красный), а задний край объекта вызывает расширение (справа, синий).

Резкость изменения характеристик среды, характеризующих ударные волны, можно рассматривать как фазовый переход : диаграмма давление-время при распространении сверхзвукового объекта показывает, что переход, вызванный ударной волной, аналогичен динамическому фазовому переходу .

Когда объект (или возмущение) движется быстрее, чем информация может распространяться в окружающую среду, тогда жидкость рядом с возмущением не может отреагировать или «уйти с дороги» до того, как возмущение прибудет. В ударной волне свойства жидкости ( плотность , давление , температура , скорость потока , число Маха ) изменяются практически мгновенно. Измерения толщины ударных волн в воздухе дали значения около 200 нм (около 10 -5 дюймов ), что по порядку величины равно длине свободного пробега молекул газа. Применительно к континууму это означает, что ударная волна может рассматриваться либо как линия, либо как плоскость, если поле течения является двумерным или трехмерным, соответственно.

Ударные волны образуются, когда фронт давления движется со сверхзвуковой скоростью и давит на окружающий воздух. В области, где это происходит, звуковые волны, распространяющиеся против потока, достигают точки, где они не могут двигаться дальше вверх по потоку, и давление в этой области постепенно нарастает; быстро образуется ударная волна высокого давления.

Ударные волны не являются обычными звуковыми волнами; ударная волна принимает форму очень резкого изменения свойств газа. Ударные волны в воздухе воспринимаются как громкий «треск» или «щелчок». На больших расстояниях ударная волна может превратиться из нелинейной в линейную волну, вырождающуюся в обычную звуковую волну, поскольку она нагревает воздух и теряет энергию. Звуковая волна воспринимается как знакомый «глухой удар» или «удар» звукового удара , обычно создаваемый сверхзвуковым полетом самолета.

Ударная волна — это один из нескольких способов сжатия газа в сверхзвуковом потоке. Некоторые другие методы представляют собой сжатия, в том числе сжатия Прандтля – Мейера. Метод сжатия газа приводит к различным температурам и плотностям для заданного отношения давлений, которые могут быть аналитически рассчитаны для газа, не вступающего в реакцию. Сжатие ударной волной приводит к потере общего давления, а это означает, что это менее эффективный метод сжатия газов для некоторых целей, например, при впуске ГПВРД . Возникновение давления-сопротивления на сверхзвуковых самолетах в основном связано с влиянием ударного сжатия на поток.

Теория мелкой воды.

Сверхзвуковое течение, как оказалось, аналогично течению воды (или другой несжимаемой жидкости) в открытом водоеме, глубина которого достаточно мала («мелкая» вода) и на жидкость действует сила тяжести. Формально аналогия проявляется в том, что уравнения, описывающие соответствующие движения и газа, и воды, оказываются одинаковыми. Используя это свойство можно совершенно ясно наблюдать явления, происходящие в сверхзвуковом потоке. Например, в обычном быстротекущем ручейке отчетливо видны аналоги отошедших и присоединенных ударных волн, картины процесса возникновения ударной волны при обтекании криволинейной стенки, пересечения и отражения ударных волн, распространения возмущений от точечного источника – линий Маха, картины истечения сверхзвуковых струй в область покоящегося газа, Х-образных скачков и т.п

Впервые обратившим внимание на такую аналогию считается Д.Рябушинский (Франция, 1932)

Андрей Богданов

Технологические приложения

В приведенных ниже примерах управление ударной волной осуществляется (например, аэродинамическим профилем) или внутри технологического устройства, например турбины .

Рекомпрессионный шок

Ударная волна рекомпрессии на околозвуковом профиле обтекания при критическом числе Маха и выше .

Эти толчки возникают, когда обтекание околозвукового тела замедляется до дозвуковых скоростей.
Примеры: трансзвуковые крылья, турбины.
Когда поток на стороне всасывания трансзвукового крыла ускоряется до сверхзвуковой скорости, результирующее повторное сжатие может происходить либо за счет сжатия Прандтля-Мейера, либо за счет образования нормального скачка уплотнения. Этот толчок представляет особый интерес для производителей околозвуковых устройств, потому что он может вызвать отрыв пограничного слоя в точке, где он касается околозвукового профиля. Затем это может привести к полному разделению и остановке на профиле, более высокому сопротивлению или ударам, состоянию, когда разделение и ударная волна взаимодействуют в условиях резонанса, вызывая резонансные нагрузки на нижележащую конструкцию.

Расход трубы

Этот скачок возникает при торможении сверхзвукового потока в трубе.
Примеры:
- В сверхзвуковой двигательной установке: ПВРД , ГПВРД , снятие с пуска .
- В регуляторе расхода: игольчатый клапан, заслонка Вентури.
В этом случае газ перед ударной волной является сверхзвуковым (в лабораторной системе отсчета), а газ за ударной системой является либо сверхзвуковым ( наклонная ударная волна s), либо дозвуковым ( нормальная ударная волна ) (хотя для некоторых наклонных ударных волн очень близко к предел угла отклонения, число Маха ниже по потоку является дозвуковым.) Ударная волна является результатом замедления газа сужающимся воздуховодом или ростом пограничного слоя на стенке параллельного канала.

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатель с волновым диском (также называемый «радиальным волновым ротором внутреннего сгорания») представляет собой разновидность безпоршневого роторного двигателя, который использует ударные волны для передачи энергии между высокоэнергетической жидкостью и низкоэнергетической жидкостью, тем самым повышая как температуру, так и давление в ней. низкоэнергетическая жидкость.

Мемристоры

В мемристорах под воздействием внешнего электрического поля через оксиды переходных металлов могут запускаться ударные волны, создавая быстрые и нелетучие изменения удельного сопротивления.

Головная ударная волна вокруг Солнечной системы

Диаграмма, изображающая положение Вояджера-1 в . В настоящее время Вояджер-2 также находится в мантии.

Ещё в 1961 году американский астрофизик Юджин Паркер предположил, что на солнечную систему набегает дозвуковой поток газа межзвездной среды, который газодинамическим образом взаимодействует с плазмой солнечного ветра. Он предположил также, что для описания картины возникающего при этом течения справедливы гидродинамические уравнения Эйлера. Построенная Паркером модель делит всю область течения на три подобласти: сверхзвуковой солнечный ветер, дозвуковой солнечный ветер, прошедший через гелиосферную ударную волну, и поток несжимаемого (скорость много меньше скорости звука) межзвездного газа, который отделяется от солнечного ветра контактной поверхностью, названной впоследствии .

Альтернативная модель, предложенная в 1970 году советскими физиками В. Б. Барановым, К. В. Краснобаевым и А. Г. Куликовским, основана на сверхзвуковом обтекании Солнечной системы межзвездным газом. Использовалось предположение, что направление движения межзвездного газа относительно Солнечной системы и его скорость имеют то же направление к апексу и ту же скорость движения, что и Солнце (относительно ближайших звёзд). Эта скорость составляет 20 км/с, а направление на апекс — угол 53° к плоскости эклиптики. При температуре межзвездного газа порядка 10 000K величина скорости 20 км/с является сверхзвуковой с числом Маха (отношением скорости к скорости звука) М=2. В такой модели по сравнению с моделью Паркера имеется ещё один физический элемент, а именно головная ударная волна, которая создает дополнительную область сжатого в этой ударной волне межзвездного газа.

По словам представителей НАСА Роберта Немирова (Robert Nemiroff) и Джерри Бонелли (Jerry Bonnell), головная ударная волна вокруг солнечной системы может находится на расстоянии около 230 а.е. от Солнца. Тем не менее, данные, полученные в 2012 году со спутника IBEX и подтверждённые результатами с Вояджеров, показывают, что относительная скорость гелиосферы и местного межзвездного магнитного поля не позволит сформироваться головной ударной волне в той области галактики, которою Солнце проходит в настоящее время.

Скорость распространения ударной волны

Скорость распространения ударной волны в среде превышает скорость звука в данной среде. Превышение тем больше, чем выше интенсивность ударной волны (отношение давлений перед и за фронтом волны): (p_{уд.волны} — p_{сп.среды})/ p_{сп.среды}.

Например, недалеко от центра ядерного взрыва скорость распространения ударной волны во много раз выше скорости звука. При удалении с ослаблением ударной волны, скорость её быстро снижается и на большой дистанции ударная волна вырождается в звуковую (акустическую) волну, а скорость её распространения приближается к скорости звука в окружающей среде. Ударная волна в воздухе при ядерном взрыве мощностью 20 килотонн проходит дистанции: 1000 м за 1,4 с, 2000 м — 4 с, 3000 м — 7 с, 5000 м — 12 с. Поэтому у человека, увидевшего вспышку взрыва, есть какое-то время для укрытия (складки местности, канавы и пр.) и тем самым уменьшения поражающего воздействия ударной волны.

Ударные волны в твёрдых телах (например, вызванные ядерным или обычным взрывом в скальной породе, ударом метеорита или кумулятивной струёй) при тех же скоростях имеют значительно большие давления и температуры. Твёрдое вещество за фронтом ударной волны ведёт себя как идеальная сжимаемая жидкость, то есть в нём как бы отсутствуют межмолекулярные и межатомные связи, и прочность вещества не оказывает на волну никакого воздействия. В случае наземного и подземного ядерного взрыва ударная волна в грунте не может рассматриваться, как поражающий фактор, так как она быстро затухает; радиус её распространения невелик и будет целиком в пределах размеров взрывной воронки, внутри которой и без того достигается полное поражение прочных подземных целей.

Скорость распространения ударной волны

Защита от ядерного удара

Для защиты от ударной волны ядерного взрыва применяются средства индивидуальной защиты и противорадиационные укрытия. Они способны уберечь людей от опасных излучений при радиоактивном заражении местности. Помимо этого, они могут защитить от светового удара, проникающей радиации и в некоторой степени от ударной волны, а также от попадания на кожу и в организм человека всех опасных веществ, которые выделяются в результате ядерной реакции при взрыве.

Безопасные места оборудуют в подвальных этажах зданий и различных сооружений. Также иногда встречаются отдельностоящие сооружения (в виде промышленных зданий или построек из подручных материалов). Под такие укрытия приспосабливают любые пригодные заглубления в помещениях: подвалы, погреба, подземные каналы. Для повышения безопасности заделывают оконные и лишние дверные проемы, насыпают дополнительный слой грунта на перекрытия и в случае необходимости делают грунтовую подсыпку у наружных стен, которые выступают выше поверхности земли.

Помещение тщательно герметизируют (например, окна, трубопроводы, щели и т. д. проклеивают подручными материалами). Укрытия, вместимость которых составляет до 30 человек, вентилируются естественным путем. На наружных выводах вентиляции прикрепляют козырьки, а на входах в помещение — плотные заслонки, которые закрывают на время действия радиации и выпадения зараженных осадков. Внутри убежище оборудуется аналогично обычным убежищам.

В помещениях, которые приспособлены под укрытия, но не оборудованы водопроводом и канализацией, устанавливают емкости для воды и выгребную яму. Кроме того, в укрытии обязательно устанавливают подставки, стеллажи, камеры или лари и другие приспособления для продовольствия. Освещают помещения от подходящей наружной или переносной электросети. Защитные свойства противорадиационного убежища от воздействия взрыва ударной волны и излучений оцениваются коэффициентом ослабления радиации. Его параметр показывает, во сколько раз помещение уменьшает наружную дозу радиации.