9.2. Взрывные волны и их характеристики

При взрывах как конденсированных, так и парогазовых сред и аэровзвесей в воздухе происходит быстрое изменение давления, плотности, температуры и массовой скорости. При этом наиболее достоверно определяются характеристики невозмущенных каким-либо препятствием взрывных волн в воздухе. Такие волны называются падающими или проходящими.

В результате больших значений плотности заряда (1,3-5 г/cм³) и энергосодержания единицы массы конденсированных взрывчатых веществ выделение всей энергии при взрыве происходит практически мгновенно в небольшом объеме при плотности продуктов взрыва 1,4- 1,6 г/см³, что способствует образованию сильных ударных волн.

Взрывы большинства конденсированных взрывчатых веществ протекают в режиме детонации, при котором взрывная волна распространяется с постоянной скоростью при данных плотности и форме заряда. Значения скоростей детонации находятся в пределах от 1 км/с для некоторых промышленных взрывчатых веществ до 8 км/с для мощных типичных взрывчатых веществ. При этом давления взрывов достигают 20-38 ГПа.

Взрывные волны, генерируемые взрывами парогазовых и дисперсных сред, вследствие малых плотности и удельной объемной энергоемкости и других особенностей процессов горения характеризуются более низкими параметрами.

При спокойном гетерогенном двухфазном диффузионном горении, когда продолжительность химической реакции мала, скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода к горючему веществу в зону горения. Пожары в большинстве случаев – это диффузионное горение, при котором в незамкнутых объемах взрыва не происходит.

В перемешанных газовых смесях, аэровзвесях и других смесях, в которых могут протекать гомогенные экзотермические реакции, при определенных условиях взрывные волны распространяются в виде самоподдерживающейся волны горения (пламени) с звуковой скоростью.

В реальных условиях горения парогазовых смесей скорости распространения пламени достигают десятки и сотни метров в секунду, но не превышают скорость распространения звука в данной среде. В этом случае происходит взрывное, или дефлаграционное, горение.

Применительно к случайным промышленным взрывам под дефлаграцией обычно понимают горение облака с видимой скоростью порядка 100-300 м/с, при которой генерируются ударные волны с максимальным давлением 20-100 кПа.

В определенных условиях дефлаграционное (взрывное) горение может перейти в детонационный процесс, при котором скорость распространения пламени превышает скорость распространения звука и достигает 1-5 км/с. Это происходит часто вследствие турбулизации материальных потоков, которая вызывает сильное искривление и большое увеличение поверхности фронта пламени. При этом возникает ударная волна, во фронте которой резко повышаются плотность, давление и температура смеси. При возрастании этих параметров смеси до самовоспламенения горючего вещества возникает детонационная волна, являющаяся результатом сложения ударной волны и образующейся зоны сжатой, быстро реагирующей (самовоспламеняющейся смеси). Важно отметить, что скорость распространения детонационной волны и давление в ней не зависят от скорости реакции в пламени, а определяются ее тепловым эффектом и теплоемкостью продуктов сгорания.

В процессах взрыва и детонации парогазовых сред взрывные волны достигают высоких параметров , характеризующих их разрушающую способность. Так, избыточное давление в пределах детонирующего облака составляет несколько МПа. Большинство же промышленных зданий разрушается от значительно меньших давлений: 25-30 кПа при внешних и 20-25 кПа при внутренних взрывах. Разрушающая способность взрывов парогазовых смесей и аэровзвесей при определенных условиях в промышленности оказывается сопоставимой со взрывами типичных взрывчатых веществ, применяемых в военных целях, поскольку по теплоте сгорания большинство углеводородов в 10 раз превосходит тротил.

Следует иметь в виду, что при детонационном режиме горения парогазового облака большая часть энергии взрыва переходит в ударную волну. При дефлаграционном горении со скоростью распространения пламени около 200 м/с переход энергии в ударную волну составляет около 30%, в то же время максимальный КПД энергии взрыва парогазовых сред составляет около 40%.

К основным параметрам, характеризующим разрушающую способность взрывной волны, относятся избыточное давление и импульс взрыва. На рис. 9.1 представлена структура невозмущенной каким-либо препятствием взрывной волны в воздухе.

Рис. 9.1. Структура идеальной взрывной волны:

1- положительная фаза;

2 – отрицательная фаза (волна разрежения)

Здесь p_о – давление окружающей среды до прихода взрывной волны. В момент t_а прихода взрывной волны давление резко повышается до максимального p_s⁺ + p_о. Затем давление падает до давления окружающей среды за время t⁺ и продолжает снижаться до величины p_о – p_s^-, возвращаясь впоследствии к исходному давлению p_о за общее время

t = t_а + t⁺ + t^-.

Величина p_s⁺ представляет собой максимальное невозмущенное избыточное давление или просто как амплитуда избыточного давления. Область взрывной волны, давление в которой превышает давление окружающей среды, называют положительной фазой, ее продолжительность t⁺. А область, где давление меньше исходного, называется отрицательной фазой или фазой разрежения с продолжительностью t^- и амплитудой p_s^-.

Важнейшими параметрами взрывной волны являются положительные i_s⁺ и отрицательные i_s^- удельные импульсы, определяемые как функции времени амплитуд избыточного давления, отнесенного к единице поверхности:

^{tа + t+}

i_s⁺ = ∫ [p(t) – p_о] dt,

_tа

^{tа + t++t-}

i_s^- = ∫ p_о– p(t)] dt.

_{tа +t+}

В большинстве случаев определяют параметры взрывной волны, связанные с положительной фазой. Однако иногда (например, при взрывах сосудов со сжатыми газами) параметры отрицательной фазы достигают высоких значений и важны при оценке разрушающей способности взрывной волны.

В области положительной фазы используются другие параметры ударных волн, наиболее важными из которых являются плотность ρ и массовая скорость газа u за волной, скорость ударной волны v, динамическое давление q = ρu²/2. Последний показатель наиболее важен для оценки разрушающей способности ударной волны.

В момент взрыва потенциальная энергия источника переходит как в тепловую и кинетическую энергию различных областей и фрагментов системы, так и в энергию излучения. Энергия взрывной волны как движущейся части газовой среды складывается из тепловой энергии

Е_т = ∫_vρс(t – t_o)

и кинетической энергии

Е_к = 1/2 ∫_vρu²dV,

где ρ – плотность;

с – теплоемкость;

t₀ и t – начальная и конечная температура;

V – объем волны.

На поздней стадии развития процесса суммарная энергия ударной волны Е = Е_т + Е_к оказывается величиной постоянной и не изменяется во времени.

Переход энергии взрыва в энергию излучения существенен и учитывается только при атомных взрывах.

По уравнению энергетического баланса ударной волны с учетом конкретных условий определяют реально возможный тротиловый эквивалент.

Для определения радиусов R_i зон интенсивности воздействия ударной волны (расстояние до объекта с соответствующим уровнем разрушения) при взрыве пользуются формулой, приведенной в общих правилах взрывобезопасности

R_i = К_i ³ W/ [1 + (3180/W)²]^1/6,

где W – тротиловый эквивалент, кг;

К_i – коэффициент пропорциональности, соответствующий определенной зоне интенсивности ударной волны (таблица 9.3).

Таблица 9.3

Зона	Кi	Избыточное давление на фронте ударной волны, кПа	Степень разрушения сооружений и зданий	Травмирующее воздействие на людей
1	3,8	≥100	Полное разрушение	Смертельное
2	5,6	70	Частичное разрушение	Смертельное
3	9,6	28	Здания непригодны для обитания	Тяжелое
4	28,0	14	Разрушение остекления, дверных и оконных переплетов	Средней тяжести
5	56,0	2	Разрушение до 5% остекления	Легкое