4. Ударные трубы

Для изучения движений при больших числах М в последние годы широкое применение получили ударные трубы различных конструкций. Они использовались для изучения про­цессов возникновения ударных волн, отражения и преломления их, процессов детонации в горючих газах, для изучения явлений конденсации и поведения газов при высокой температуре. Ударные трубы могут также применяться для исследования ряда нестационарных явлений в машинах, изучения гашения возмуще­ний при электрических разрядах, распространения взрывных волн в горных разработках, при изучении действия взрывных волн на элементы конструкций машин и сооружений.

Устройство ударной трубы очень несложно. Обычно она представляет собой трубу (рис. 2.6, а), чаще всего прямоуголь­ного сечения, разделенную перегородкой (диафрагмой) на две неравные части: меньшую — камеру высокого давления и боль­шую — камеру низкого давления.

Площадь поперечного сечения современных труб меняется в широком диапазоне — от нескольких квадратных сантиметров до квадратного метра и даже больше. Длина труб достигает десяти и более метров. Для изготовления корпуса трубы при высоких давлениях используются достаточно прочные материалы, чаще всего сталь. Разделяющая трубу диафрагма изготовляется обычно из фольги, тонких металлических пластин и т. п. В некоторых случаях (при получении ударных волн малой интенсивности) в качестве диафрагмы можно применять фотопленку и даже кальку.

Рис. 2.6. Схема ударной трубы и изменение основных параметров потока

Присоединяемый к камере низкого давления бак играет вспо­могательную роль и служит главным образом для гашения звука, возникающего при разрыве диафрагмы.

Для «запуска» трубы в камеру высокого давления подают газ под большим (часто до нескольких десятков атмосфер) давлением либо создают в ней резкое повышение давления за счет взрыва какой-либо горючей смеси или мощного электрического разряда. При этом в камере низкого давления оставляют нормальное дав­ление или даже создают некоторое разрежение.

Под действием созданного высокого давления или каким-либо другим способом диафрагма разрывается, и по трубе низкого дав­ления распространяется волна сжатия, которая, быстро увеличи­вая свою крутизну, превращается в ударную волну. Ударная волна, бегущая по частицам невозмущенного газа в камере низ­кого давления, создает за собой спутный поток газа, имеющий вполне определенную скорость (но меньшую, чем скорость самой волны).

Вслед за частицами газа, находившегося до разрыва диафрагмы в камере низкого давления, в спутном потоке движутся частицы газа из камеры высокого давления. Перемещающаяся поверх­ность, разделяющая в процессе движения частицы этих газов, называется контактной поверхностью. Передвижение частиц газа из камеры высокого давления приводит к возникновению непре­рывной системы волн разрежения, в которой происходит плавное изменение давления от давления в спутном потоке до давления в невозмущенной еще движением части камеры высокого дав­ления.

Таким образом, всю длину трубы в некоторый произвольный момент времени t можно разделить на пять участков (рис. 2.6).

Первый — камера низкого давления до распространяющейся в ней ударной волны. В этой области все параметры газа остались такими же, как и до разрыва диафрагмы.

Второй участок занимает область от ударной волны до кон­тактной поверхности. В этой области скорость движения частиц, давление и температура, возросшие в ударной волне, а также и число М остаются постоянными.

Третий участок расположен между контактной поверхностью и началом области разрежения. Сравнивая значения параметров газа на этом участке с их значениями во втором участке, можно установить, что давление и скорость имеют такие же величины, температура резко падает, а число М возрастает.

Четвертый участок — это область, в которой происходит рас­ширение газа. Здесь давление, плотность и температура падают (от их значений в камере высокого давления), а скорость и число М растут от нуля до соответствующих величин в третьем участке. Наконец, в камере высокого давления будет еще область невоз­мущенного газа — пятый участок, в котором все параметры газа останутся такими же, какими они были до разрыва диафрагмы. Характер изменения параметров газа по всем участкам трубы в момент времени t показан на рис. 2.6, б—е.

Весь процесс, происходящий в трубе, удобно представить в координатной системе х—t. На рис. 2.6, ж приведен процесс перемещения границ указанных выше участков от момента раз­рыва диафрагмы (t = 0) со временем t. Такие диаграммы широко используются для изучения одномерных движений газа. Для каж­дого момента времени , пользуясь этой диаграммой, можно найти ширину каждого участка трубы, а для каждой точки трубы за диафрагмой вправо можно найти момент времени про­хождения ударной волны t₁, контактной поверхности t₂ и начала четвертого участка t₃. Очевидно, что разность опре­деляет время, в течение которого участок 2 проходит точку трубы с координатой , а разность — время про­хождения третьего участка.

Весьма широкое распространение получили ударные трубы переменного сечения, а также трубы, разделенные на три и более камеры.