Действие взрыва в различных средах Механическое действие

Действие взрыва в различных средах

Механическое действие взрыва 1. Детонация ВВ При воздействии начального импульса конденсированные ВВ способны к быстрой (взрывной) реакции, фронт которой распространяется со скоростью до 10 км/с. С точки зрения их действия ВВ характеризуются рядом параметров – плотностью o, скоростью детонации D, теплотой взрыва Q, критическим dкр и предельным dпр диаметрами детонации, показателем политропы продуктов взрыва k и др. параметрами D=A+B 0 Для ВВ с КБ<0 D=a 1+a 2 Q D=D*+M( 0 - *), м/с

Элементы гидродинамической теории детонации • Законы сохранения на фронте ДВ • массы 0 D= v= j (1) V=1/ V 0=1/ 0 D=j. V 0 v=j. V • импульса p 0+ 0 D 2= p+ v 2 (2) • энергии w 0+Q+ D 2/2=w+ v 2/2 (3) e 0+p 0/ 0+Q+D 2/2=e+ p/ +v 2/2 • • j 2=(p-p 0)/(V 0 -V) D-v=u=[(p-p 0)(V 0 -V)]1/2 p=p 0+j 2(V 0 -V) прямая Михельсона w=w-w 0=Q+(j 2/2)(V 02 -V 2)=Q+(p-p 0)(V 0+V)/2 w= e+ p/ e=e-e 0=Q+(p+p 0)(V 0 -V)/2 адиабата ПВ Политропный газ: p. Vk=const, e=p. V/(k-1), c 2=kp. V Адиабата ПВ p/p 0=[ -V/V 0+2 k. Q/c 02]/( V/V 0 -1) =(k+1)/(k-1) асимптотa: V=V 0/ Адиабата Гюгонио: p/p 0=[ -V/V 0]/( V/V 0 -1) Структура ДВ:

Детонация Жуге • • • Условие Чепмена-Жуге: tg =(p-p 0)/(V-V 0)=(dp/d. V)H= -kp/V = -j 2 Cильные волны p>>p 0: D=(2(k 2 -1)Q)1/2 P= 0 D 2/(k+1) V=V 0 k/(k+1) = 0(k+1)/k u=D-v=D/(k+1) c=v=Dk/(k+1) C VT=u 2/k(k+1) • • • D=u+c Кубическое уравнение состояния P=A 3 =A 1 c 3 (k=3): =4 0/3, P= 0 D 2/4, u=D/4, c=3 D/4 • Изэнтропический разлет продуктов детонации в пустоту Особое решение уравнений г/динамики x=(u+c)t+f(v) u= c + const Детонация начинается при t=0 в точке х=0, след. f(v)=0 Из усл. на фронте силь. ДВ находим cоnst= D/4 -3 D/4= -D/2, след. u=x/2 t-D/4 c=x/2 t+D/4 Макс. скорость разлета ПД в голове ВР (с=0 и x= -Dt/2) um= -D/2

2. Взаимодействия ДВ с преградами Ударная адиабата конденсированных сред U=C+bu P= Uu= u(C+bu) • 1. • • 2. Жесткая преграда C> 0 D. В ПВ и преграде возникают УВ u=u-ux=[(Px-P)(V-Vx)]1/2 Vx/V=[(k+1)P+(k-1)Px]/[(k-1)P+(k+1)Px] z=Px/P ux /u=1 -[2 k(z-1)2/(k-1+(k+1)z)]1/2 z= ux(C+bux)/P Отсюда находим ux и затем Рх Абсолютно жесткая преграда ux=0 z=1+((k+1)/4 k)[1+(1+(4 k/(k+1))2]1/2 =2. 39 при k=3 3. Мягкая преграда C< 0 D. В преграде возникает УВ, в ПВ – волна разрежения u=ux-u=Px Р d. P/ c=u[(2 k/(k-1))(1 -z(k-1)/2 k] z= ux(C+bux)/P Отсюда находим ux и затем Рх Истечение ПД в вакуум (воздух) Рх=0 ux=(3 k-1)D/(k 2 -1)=D при k=3 =4. 9 D при k=1. 25. Обычно ux 2 D

Взаимодействия ДВ с преградами (продолжение) • 4. Скольжение ДВ вдоль преграды ux(C+bux)= P[1 -((k-1)/2 k)ux/u]2 k/(k-1) Отсюда находим ux и далее Рх 5. Импульс взрыва на жесткой стенке Y=to pdt = (Pjb 3/cj 3) to t-3 dt =8 0 b. D/27=8 MD/27 =u-c=(x-b)/t x=0 u=0 c=b/t=D p=Pj(b/t cj)3 в отраженной УВ (t=b/D, c =3 D/4) Давление j p=(64/27)P j=2. 37 Pj

Метание тел взрывом • На торце заряда ВВ (x=b) находится тонкая (несжимаемая) пластина массой m (на единицу площади). При взаимодействии ДВ с пластиной последняя получает импульс и приходит в движение со скоростью u(x, t), описываемой уравнением mdu/dt=p, p=ac 3 (k=3) =u+c=x/t –u mdu/dt=a(x/t –u)3 md 2 x/dt 2=a(x/t –dx/dt) Предельная скорость пластины (g=M/m) u/D=(27/16 g)[1+16 g/27 –(1+32 g/27)1/2] g 0 (тяжелая пластина, мало ВВ) u/D 0 g (легкая пластина, много ВВ) u/D 1 (как при разлете ПВ в пустоту) Доля энергии ВВ, получаемая пластиной, или КПД заряда ВВ Калорийность ВВ есть E=MD 2/2(k 2 -1)=MD 2/16 (k=3); энергия пластины e=mu 2/2 КПД заряда s=e/E=(8/g)(u/D)2=(729/32 g 3)[1+16 g/27 -(1+32 g/27)1/2]2 Функция s(g) имеет максимум, равный sm=(16/27)2 0. 35 при g=81/32 2. 53 (пластина тяжелее ВВ). При этом u/D=1/3.

Ударные волны взрыва • • • УВ – область сжатия с резким скачком параметров (давления, плотности, температуры и пр. ) на переднем фронте, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью Законы сохранения массы, импульса и энергии совместно с уравнением состояния позволяют определить зависимость параметров УВ от заданного одного из них, в отличие от детонации, где все параметры ДВ определяются однозначно через свойства ВВ Наиболее важный параметр УВ – избыточное давление на фронте р =р1 - р0 р= 0 u. D D=[(k+1) р/2 0 +c 02 ]1/2 u= р/ 0 D 1/ 0=[(k+1) ( р+p 0)+(k-1)p 0]/[(k-1)( р+p 0)+(k+1)p 0] T 1/T 0=( р+p 0) 0/p 0 1 c 1=[k( р +p 0)/ 1 Сильная УВ P 1= 2 0 D 2/(k+1) u=2 D/(k+1) 1/ 0=(k+1)/(k-1)

Cильный (точечный) взрыв в однородной атмосфере • В небольшом объеме газа радиусом r 0 и плотности 0 в течение короткого промежутка времени ( «мгновенно» ) выделяется большая энергия Е. От места энерговыделения по газу распространяется УВ. Рассмотрим стадию процесса, когда УВ уходит на расстояния R>>r 0, но при этом давление на фронте УВ р1>>p 0, т. е. волна еще остается достаточно сильной. Единственная безразмерная комбинация, содержащая длину, время, энергию и плотность, есть j= r( 0/Et 2)1/5. Фронту УВ соответствует определенное значение независимой переменной j 0. Поэтому закон движения фронта волны R(t) описывается формулой R= j 0(Et 2/ 0)1/5. Cкорость распространения УВ равна D=d. R/dt=2 R/5 t=(2 j 0/5)(E/ 0 t 3)1/5=(2/5)j 05/2(E/ 0)1/2 R-3/2. Используя формулы для параметров на фронте сильной УВ, найдем закон уменьшения давления с течением времени p 1=(8 0 j 02/(25(k+1))(E/ 0 t 3)2/5= (8 0 j 05/(25(k+1))(E/ 0 R 3) или p 1 E/R 3. Выделенная красным цветом формула демонстрирует закон подобия для перехода от одних энергий взрыва к другим. Давление на фронте имеет заданную величину на расстояниях, пропорциональных Е 1/3. • • • Закон подобия при взрыве Наиболее просто закон подобия формулируется для взрыва зарядов сферической формы. Поскольку энергия взрыва Е=MQ, то заряд данного ВВ массой М 1 создает давление р на расстоянии R 1, а заряд массой М 2 создаeт то же давление на расстоянии R 2; при этом R 1/R 2=(M 1/M 2)1/3, т. е. R M 1/3. Поэтому удобно ввести т. н. приведенный радиус по формуле R 0=R/M 1/3. Обычно R измеряется в м, а М – в кг. Тогда согласно закону подобия р=f(R 0). Вид функции f определяется из опыта. Замечания: 1) При взрывах зарядов из различных ВВ следует учитывать их калорийность и в R 0 подставлять энергетические эквиваленты зарядов Мэкв=МQ/Qтнт, где М – масса взятого заряда, Q – его калорийность, Qтнт – теплота взрыва ТНТ, принятая в качестве эквивалента (тротиловый эквивалент). Округленно Qтнт=1000 ккал/кг = 4. 2 МДж/кг. 2) 2) Тротиловый эквивалент позволяет сравнивать между собой взрывы различной природы – электрические, атомные, вулканические и пр. Для этого достаточно знать выделившуюся в каждом случае энергию и подставлять в R 0 массу заряда ТНТ, эквивалентную по энергии данному взрыву.

Разрушающее действие взрыва Для оценки разрушающего действия взрыва (РДВ) необходимо знать характер УВнагрузки и свойства сооружения, на которое действует нагрузка. Если t+ - время действия фазы сжатия УВ и Т - период собственных колебаний элементов сооружения, то при t+>>T РДВ определяется величиной избыточного давления р=р1 -р0 (статическое действие УВ). При t+<0. 5 величина J= AM 1/3/R 0, для R 0<0. 25 J=BM/R 2 (кг с/м 2) • Для фазы сжатия в УВ t+ =M 1/6 R 1/2 (мс) • Безопасные расстояния по действию УВ • Безопасным считается то расстояние Rбез, на котором давление в УВ р не превышает некоторого значения р*, недостаточного для разрушения определенного объекта. Этому давлению р* соответствует определенное значение R*=Rбез/М 1/3 или Rбез=R*M 1/3=K 1 M 1/3. Аналогично, если разрушения определяются величиной импульса УВ, то Rбез=К 2 М 2/3. Объединяя обе формулы, получим обобщенную формулу для определения безопасных расстояний Rбез=КМ 1/2.

Разрушающее действие взрыва (продолжение) рвозд =0. 84/R 0 +2. 7/R 02+7. 0/R 03 рповерх =1. 06/R 0 +4. 3/R 02+14/R 03 Rбез=КМ 1/2 В таблицах С=М и =R 0

Взаимодействие УВ с препятствиями • При наличии препятствий на пути УВ характер ее действия меняется – давление и импульс, сообщаемые препятствию, увеличиваются по сравнению с давлением и импульсом свободно распространяющейся УВ. u 12=(p 1 - p 0)(V 0 -V 1) = (p 2 - p 1)(V 1 -V 2) V 0/V 1=[(k+1)p 1+(k-1)p 0]/[(k-1)p 1+(k-1)p 0] V 1/V 0=[(k+1)p 2+(k-1)p 1]/[(k-1)p 2+(k-1)p 1] Коэффициент отражения УВ Х= p 2/ p 1=2+ /(1+(1+ )p 0/ p 1) =(k+1)/(k-1) Cледствия: 1) идущая УВ слабая ( p 1 0) Х 2 2) идущая УВ сильная ( p 1 ) Х 2+ =(3 k-1)/(k-1)= 8 при k=1. 4 9. 7 1. 3 13 1. 2 2/2 Эквивалентный вид записи формулы для Х: p 2=2 p 1 + (k+1) 1 u 1 Здесь 1 -й член – статическое давление, 2 -й – скоростной (ветровой) напор

Обтекание ударной волной препятствий ограниченного размера • L/с<

Действие заряда выброса • Пропорциональность массе заряда имеет место не только для объема расширения грунта (камуфлетный взрыв), но и для объема выброшенной породы - при создании воронки выброса. При расчетах таких зарядов предполагают, что воронка выброса представляет собой конус, в вершине которого находится взрываемый заряд. Пусть r – радиус воронки, w – ее глубина (линия наименьшего сопротивления, ЛНС). Отношение n=r/w называется показателем действия взрыва. Если n=1, имеем воронку нормального выброса, если n>1 – воронку усиленного выброса. Объем нормальной воронки v=( /3)r 2 w w 3. Необходимая масса заряда для создания такой воронки М=Kv=Kw 3. Поскольку работа ПВ связана с преодолением инерции грунта, величина К (масса заряда, необходимая для выброса единицы объема грунта) для разных грунтов закдючена в узких пределах (1 – 2). В среднем Поэтому для выброса 1 м 3 грунта требуется приблизительно 1 кг ВВ. Заряды усиленного выброса рассчитывают по формуле Борескова М=Kw 3(0. 4+0. 6 n 3) или (при w>20 м) по формуле Покровского М=Кw 7/2(1+n 2)2. По предложению Беляева эти формулы можно записать в объединенном виде М=K(0. 95+0. 05 w)w 3(0. 4+0. 6 n 3). Т. о. при малых w имеем М w 3, а при больших w масса М w 4.

Баланс энергии при взрыве ВВ Согласно Беляеву полная работа взрыва разделяется на ряд потоков, представляющих собой отдельные формы работы взрыва. При измнении условий взрыва и свойств ВВ отдельные потоки могут увеличиваться и уменьшаться, исчезать полностью и возникать вновь. Формы общего (фугасного) действия взрыва, определяющие объем разрушений, пропорциональны тротиловому эквиваленту заряда v R 3 Mэкв, т. е. полной энергии взрыва МQ. Формы местного (бризантного) действия взрыва, определяющие масштаб разрушений среды на контакте с ВВ, пропорциональны объемной плотности энергии ПВ или их давлению 0 D 2. В некоторых случаях, когда интересна величина импульса взрыва, метательное свойство ВВ считают пропорциональным величине 0 D.

Газовоздушные взрывы • При выбросах горючих газов или паров в атмосферу может произойти взрыв облака, образовавшегося при смешении их с воздухом. Опасность такого рода газовых взрывов, происходящих внутри помещений или на различной высоте от поверхности земли, заключается не только в возможности возникновения пожаров, но также и в том, что в результате быстрого расширения продуктов сгорания образуется ударная волна, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью. Разрушительное действие УВ газового взрыва определяется временем превращения исходной смеси в продукты сгорания, зависит. от режима распространения фронта пламени (спокойное горение, ускоряющееся горение, детонация), а также размерами облака взрывчатой смеси и ее удельной теплоты взрыва. Самым опасным режимом горения, при котором в окружающем пространстве образуется УВ наибольшей интенсивности, является детонация взрывчатой газовой смеси. Детонация легче всего возникает в смесях горючих газов или паров с воздухом, состав которых близок к стехиометрическому.

Характеристики газовоздушных взрывчатых смесей стехиометрического состава • смесь воздуха с • • • ацетиленом пропаном метаном Нач. плотность , кг/м 3 1, 21 1, 25 1, 17 Теплота сгорания Q, ккал/кг 815 668 660 Объем. плотн. энергии Q, ккал/м 3 986 835 772 - отношение ro/E^1/3 0, 062 0. 066 0, 068 • • Энергия взрыва Е связана с величиной взрываемого объема V: Е= QV Отношение нач. радиуса ro объемов смеси к Е^1/3 представляет собой приведенный начальный радиус. Отсюда имеем связь R/E^1/3= R/ro • В указанных смесях сферическая детонация возникает при взрывах зарядов тротила массой от 1, 5 г для ацетилено-воздушной смеси до 1 кг для метано-воздушной смеси

Взрывчатые характеристики газовоздушных смесей • • Смеси воздуха с С 2 Н 2 С 3 Н 8 СН 4 Скорость детонации, км/с 1, 87 1, 73 1, 54 Давление во фронте, МПа 2, 05 1, 90 1, 60 Критический диаметр d, м 0, 12 0, 61 1, 3 Отношение энергии инициатора к энергии взрыва газовой смеси, % 0, 5 -0, 01 2 -1 13 -8 • При размерах смеси меньше d сферическая детонация не возникает

Характеристики УВ при взрывах газовоздушных смесей • • Обозначения в соответствии с принципом энергетического подобия Ro=R/E^1/3 –приведенный радиус УВ Io=I/E^1/3 – приведенный импульс о= /E^1/3 – приведенное время действия фазы сжатия • • • При взрыве в свободном объеме для Ro>0, 3 ( p<0, 5 атм) р=0, 06 E^1/3 /R+0, 014 E^2/3 /R^2+0, 0025 E /R^3 (атм) (Е в ккал, R в м) (вблизи источника взрыва p=0, 052/ Ro^1/2) Io=0, 095/ Ro при Ro> о=0, 35/ Ro^1/2 при Ro> Длина УВ при R>ro /ro=0, 5+1, 6 lg(R/ro) • При расчетах параметров УВ наземного взрыва аэросмесей величину Е следует удвоить.

Взаимодействия УВ газовых взрывов с препятствиями • • При взаимодействии воздушной УВ с земной поверхностью наряду с регулярным ( < кр 40 o) наблюдается нерегулярное отражение УВ, при котором давление в головной УВ становится больше, чем в падающей. В области < кр pотр=2 p+6 p^2/( p+7) при ро=1 атм В области > кр и 10 Н>R>2 H (Н – высота центра взрыва над землей) p=0, 075 E^1/3 /(R-H)+0, 022 E^2/3 /(R^2 -H^2)+0, 0057 E/(R^3 -H^3) • • • Скорость движения фронта УВ D=340(1+0, 83 p)^1/2, м/с Массовая скорость воздуха U=235 p/ (1 +0, 83 p)^1/2, м/с Динамический напор 2, 5 p^2/ ( p+7, 2), атм

Разрушения, производимые газовыми взрывами • Полное разрушение обычного остекления зданий при p>0, 05 атм • • Средние повреждения деревянных домов p=0, 12 атм Средние повреждения промышл. зданий и кирпичных домов - 0, 17 атм Повреждения линий связи и электросетей – 0, 28 атм Сильные повреждения пром. зданий со стальным каркасом – 0, 53 атм Сильные повреждения авто- и жел. дор. транспорта – 0, 7 атм Сильные повреждения всех зданий – 1 атм Пороговая баротравма человека в условиях откр. местности > 0, 1 атм

Аэрозольные взрывы • Взрывы пыли (пылевоздушных смесей — аэрозолей) представляют одну из основных опасностей химических производств и происходят в ограниченных пространствах (в помещениях зданий, внутри различного оборудования, в горных выработках шахт). Возможны взрывы пыли в мукомольном производстве, на зерновых элеваторах (мучная пыль) при её взаимодействии с красителями, серой, сахаром с другими порошкообразными пищевыми продуктами, а также при производстве пластмасс, лекарственных препаратов, на установках дробления топлива (угольной пыли), в текстильном производстве. • Взрыву больших объемов пылевоздушных смесей, как правило, предшествуют небольшие местные хлопки и локальные взрывы внутри шахт, оборудования и аппаратуры. При этом возникают слабые ударные волны, создающие турбулентные потоки и поднимающие в воздух большие массы пыли, накопившиеся на поверхности пола, стен и оборудования.

Аэрозольные взрывы (продолжение) При анализе опасности и последствий взрывов неограниченных или замкнутых объемов смесей горючего с окислителем различают дефлаграционный и детонационный режимы горения, причем большая часть взрывов протекает в режиме дефлаграции. (Под дефлаграцией понимают до- или сверхзвуковые режимы горения, при которых ведущей стадией оказывается не процесс самовоспламенения, а передача тепла за счет теплопроводности и конвективного теплообмена и осложненная турбулентным движением смеси. Гораздо более опасен во внешних проявлениях процесс взрывчатого превращения в режиме детонации, представляющего сверхзвуковую волну в форме самоподдерживающегося комплекса УВ+зона самовоспламенения и последующего горения. Появление детонации требует мощных источников инициирования, например, с помощью зарядов ВВ.

Сравнительная пожароопасность микро- и наноаэрозолей • Широкое применение наноразмерных материалов в различных технических устройствах закономерно ставит вопрос об их безопасности в обращении, в том числе в виде аэрозолей, которые, как известно, весьма восприимчивы к тепловым импульсам. Однако до последнего времени оставалось неясным, насколько велика пожаро- и взрывоопасность наноразмерных аэрозолей по сравнению, например, с аэрозолями из микродисперсных материалов и можно ли вообще обеспечить требуемый уровень безопасности их производства и эксплуатации. По ряду причин известный интерес представляет сравнительная безопасность соответствующих аэрозолей на основе органических веществ – компонентов или исходных материалов для создания ВВ и ТРТ.

Экспериментальная установка «Универсал» и ее технические характеристики • Внешний вид установки и бомбы для сжигания аэрозолей Осциллограмма записи давления в бомбе Показатели горения ликоподия Рm, МПа d. P/dt, МПа/с НКПР, г/м 3 Универсал 620 40 29 ГОСТ 12. 1. 044 620 85 - 34 8

Параметры горения аэрозолей уротропина в бомбе постоянного объема Давление как ф-ия концентрации частиц микро(1 ) и нано (2) Скорость изменения давления (1, 3) и динейная скорость горения (2, 4) для микро (1, 2) и нано (3, 4) аэрозолей

Показатели пожароопасности аэрозолей По всем показателям пожароопасности наноразмерные аэрозоли заметно превосходят свои микроразмерные аналоги.

Применение в военном деле • На основе эффекта объёмного взрыва пылегазового и пылевоздушного облаков были созданы боеприпасы объёмного взрыва ( «вакуумные бомбы» ). При сбрасывании авиабомбы в зону поражения разрывной снаряд разбрасывает аэрозольную смесь с образованием аэрозольного облака и подрывающие элементы, которые подрываются с некоторой задержкой, необходимой для равномерного образования аэрозольной смеси. Образующаяся зона высокой температуры и давления даже при отсутствии сверхзвуковой ударной волны эффективно поражает живую силу противника, свободно проникая в зоны, недоступные для осколочных боеприпасов. • Использование этого механизма для создания боеприпасов эффективно также и тем, что к цели не надо доставлять окислитель. А значит, эффект от 1 кг боеприпаса будет выше.

Скорость детонации пылевоздушных смесей Причины расхождения расчетных и опытных кривых: 1. 2. ВЫВОД Детонация пылевоздушных смесей протекает в неидеальном режиме Недогорание и конденсация горючего во фронте ДВ Уменьшение эффективного показателя адиабаты ПВ из-за присутствия конденсированных частиц

Меры безопасности при работе в зоне повышенной опасности по пыли • • • Существуют европейские нормы ATEX для оборудования, работающего в зоне повышенной опасности. Для предупреждения взрывов пылевых облаков в промышленности применяют следующие меры: вентиляция помещений, объектов и т. д. ; увлажнение поверхностей; разбавление инертными газами (СО 2, N 2) или порошками (силикатами).

Заключение • Пока все • Все свободны • До скорого свидания на зачете