![](/user_photo/_userpic.png)
книги из ГПНТБ / Подводные и подземные взрывы сб. ст
.pdfРАСЧЕТ ТЕЧЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ |
131 |
После того как весь расчет по методу искусственной вязкости был закончен, мы корректировали полученные результаты, имея в виду, что основной ударный фронт в воде искусственно размазывается на несколько счет ных узловых точек по пространству из-за применения метода искусственной вязкости. Эта корректировка про водилась следующим образом. Сначала мы определяли положение ударного фронта, помещая его в центре той ячейки, где q имеет максимальное значение; затем через переднюю часть графика, дающего логарифм давления в зависимости от расстояния, проводилась прямая линия до места расположения ударного фронта. Численные результаты для давления в фиксированных точках в за висимости от времени получались аналогичным спосо бом.
3.РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ТЕЧЕНИЯ
Врезультате расчетов по методу искусственной вяз кости для близко отстоящих моментов времени опреде ляются данные о положении и скорости частиц для ка
ждой границы ячейки, а также давление |
(полагается |
p-\-q = P), искусственная вязкость, удельный объем и |
|
внутренняя энергия. Последние четыре величины отно |
|
сятся к средней точке ячейки. Местоположение ударных |
|
волн, которые обнаруживаются автоматически как рез |
|
кие, но непрерывные переходы, находится по локальным |
|
максимумам искусственной вязкости q. Давление в мо |
|
мент, когда детонационный фронт падает на воду, опре |
|
деляется обычным путем: с использованием |
уравнений |
состояния (3) и (4) получаются зависимости р от и для возможных состояний на ударной волне в воде (кривая Гюгонио) и для состояний в волне разрежения в газе, а затем требуется непрерывность значений р и и на границе раздела. Из таких расчетов следует, что значе ние давления при переходе ударной волны в воду рав няется 162 кбар, начальная скорость на границе раздела 0,27 см/мкс, соответствующая скорость на ударном фронте 0,60 см/мкс.
На рис. 1 для рассматриваемого течения приводится зависимость между пространственной координатой и
б*
132 |
Г. М. СТЕРНБЕРГ, В. А. УОЛКЕР |
временем, полученная в расчетах по методу искусствен ной вязкости. Эта зависимость начинается от тейлоров ской ударной волны, дающей начальные данные при t = 0, R/Rq= \ . На рис. 1 указаны также величины давлений (в килобарах) и скоростей (в см/мкс) на удар ной волне при различных ее положениях. Отметим, что
Рис. I. График, связывающий расстояние и время, для сферической подводной детонации, рассчитанной методом искусственной вяз кости.
Давление дано в кбар; скорость на ударной полпе — в см/мкс.
/ — тракторкя частицы; 2—граница раздела между газом к водой; 3 — вторич ные скачкн; 4 —вторая ударная волна; 5—основная ударная волна.
давление на ударной волне падает от 162 до 1,2 кбар, когда скачок достигнет расстояния от центра 10 р.з., и падает до 81 бар, когда скачок достигнет расстояния 100 р.з. Скорость на ударной волне уменьшается от 0,60 до 0,16 см/мкс на расстоянии, равном первым 10 р.з. (скорость звука в невозмущенной воде равняется 0,1483 см/мкс). На рис. 1 показаны также траектории вторичных ударных волн, т. е. второго и последующих скачков, которые возникают у границы раздела между газом и водой. Заметим, что после отражения от центра вторая ударная волна достигает границы раздела, когда радиус пузыря равняется примерно 3 р. з. Вторая
РАСЧЕТ ТЕЧЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ |
133 |
ударная волна, перешедшая в этот момент в воду (ее траектория также изображена на рис. 1), располагается позади основной ударной волны на расстоянии 7—8 р.з. Очевидно, что на графике, связывающем давление и рас стояние, вторичная ударная волна должна проявиться
Рис. 2. Давление, рассчитанное в зависимости от расстояния, при различных малых значениях времени, начиная с тейлоровской вол ны в газовой сфере.
/ —тейлоровская волна; 2—вторая ударная волна; 3 —граница раздела между газом н водой.
как горб в соответствующей точке. Однако после вто рого отражения мы не всегда имели возможность обна ружить весьма слабые вторичные скачки в воде.
Графики, связывающие давление и расстояние для ранней стадии течения, представлены на рис. 2 и 3. По ложения границы раздела между газом и водой здесь отмечены вертикальными черточками. Вертикальные черточки со стрелками, указывающими направление движения, служат для обозначения положений вторич ных скачков,
134 |
Г. М. СТЕРНБЕРГ. В. Л. УОЛКЕР |
Положения вторичных скачков определялись по ло кальным максимумам искусственной вязкости. Однако из-за неоднородности течения, в котором эти скачки пе ремещаются, не было возможности провести удовлетво рительную корректировку для устранения размазывания скачка, вызванного применением метода искусственной вязкости. Таким образом, после окончания расчета мы
Рис. 3. Давление, рассчитанное в зависимости от расстояния, для моментов времени, соответствующих положениям ударного фронта на расстояниях 15, 20, 35, 50, 70 и 100 р. з.
не проводили «заостроения» вторичных скачков. На ри сунках вторичные скачки проявляются в таком виде, в каком они получаются в расчете. Хотя мы не определи ли точно интенсивность вторичных скачков, общие осо бенности поведения вторичных ударных волн, детально описанные Бергером и Холтом [11], очевидны. Интен сивность вторичного скачка, будучи сначала нулевой, сразу же растет, как только скачок начинает двигаться, затем она падает, а когда вторичный скачок прибли жается к центру, быстро увеличивается.
Решение уравнений для невязкого течения, описы вающее поведение скачка вблизи центра (см., например, Гудерлей [22]), имеет особенность в центре; давление
РАСЧЕТ ТЕЧЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ |
135 |
здесь становится бесконечным. Это обстоятельство не вызывает трудностей в расчетах по методу искусствен ной вязкости, поскольку давление здесь определяется в средних точках ячеек, и поэтому давление, рассчитанное в ячейке, смежной с началом координат, будет конеч ным. Однако, когда скачок находится в центре, величина давления, рассчитанная в этой ячейке, сильно зависит от размера Ячейки и формы искусственной вязкости q.
Рассмотрим теперь на рис. 2 и 3 движение волн и пузыре. После отражения от центра вторая ударная волна встречает границу раздела между газом и водой в момент, когда эта граница находится от центра на расстоянии 3 р.з. Основная ударная волна в это время располагается от центра на расстоянии приблизительно 10 р.з. Время прибытия последующих вторичных удар ных волн в начало координат и на границу раздела ме жду газом и водой можно получить из рис. 1.
Зависимости давления от расстояния для моментов времени, когда основная ударная волна прошла расстоя ние 15—100 р.з., изображены на рис. 3. На кривых, со ответствующих положениям основной ударной волны на расстоянии 35 и 50 р.з., отмечены как второй, так и третий скачки в воде. Когда фронт основной ударной волны находится на расстоянии 100 р.з., давление в пу зыре, хотя оно еще не является равномерно распределен ным, очень низко (рис. 3) и меняется от 2,8 бар на гра нице раздела между газом и водой до 5,4 бар в центре.
Давление, рассчитанное в зависимости от времени в различных фиксированных точках пространства, .пред ставлено на рис. 4. На кривой при RIRo = 2 проведена вертикальная черточка, которая указывает время, когда граница раздела между газом и водой приходит в дан ную точку. Часть кривой правее этой черточки отвечает временам, когда точка R/Ro = 2 располагается внутри газовой сферы. Различные горбы на кривых вызваны вторичными ударными волнами.
На рис. 5 показана скорость частиц в воде, рассчи танная в зависимости от расстояния, для различных мо ментов времени. В моменты, соответствующие расстоя ниям ударного фронта от центра 25, 50 и 100 р.з., ско рость частиц пропорциональна величине 1/R2 до
юл
Рис. 4. Давление, рассчитанное в зависимости от времени, для расстояний 2, 7, 15, 30, 50 и 80 р. з.
Рис. 5. Скорость частиц, рассчитанная в зависимости от расстоя ния, для моментов времени, соответствующих положениям ударного фронта на расстояниях 4, 10, 25, 50 и 100 р. з.
РАСЧЕТ ТЕЧЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ |
137 |
некоторого расстояния за границей раздела между га* зом и водой.
Рис. 6. Расчетные и экспериментальные величины пиковых давле ний на ударном фронте в зависимости от расстояния.
0 , 80-фуитовые заряды; О» 50*фуитовые эаряды.
На рис. 6 приведен графин рассчитанных пиковых значений давления на ударной волне, построенных в за висимости от положения основного ударного фронта в воде. Эти значения представляют собой величины пико вых давлений, взятые с кривых, связывающих давление
138 |
Г. М. СТЕРНБЕРГ, В. А. УОЛКЕР |
и расстояние при фиксированном времени, после того как эти величины были скорректированы для устраненияразмазывания скачка из-за использования метода искус ственной вязкости. На этом рисунке точками изображе ны экспериментальные данные, полученные при помощи пьезоэлектрических датчиков при взрывах 50- и 80-фун товых сферических пентолитовых зарядов. Эти взрывы, проведенные в Вудс-Хоуле в 1945 г., описаны в книге Коула [3]. Приведенные в [3] данные считаются надеж ными. Отметим, что в интервале расстояний от 20 до
Р н с. 7. Расчетные и экспериментальные величины постоянных вре мени в зависимости от расстояния.
• , 80-фунтовые заряды; О» 50-фунтовые заряды.
100 р. з., где проводились экспериментальные измерения, расчетная кривая в плоскости lg Р, lg (RIRo) имеет не значительную вогнутость вверх.
Рассчитанные значения постоянной времени 0, т. е. времени, в течение которого давление падает от пикового значения Рт до значения Рт /е, построены на рис. 7 в виде зависимости 0/Ро от R/Ro. На этом рисунке пока заны также экспериментальные значения, постоянной времени, определенные в тех же самых взрывах 50- и 80-фунтовых зарядов, которые использовались при полу чении данных для пиковых давлений на рис. 6.
Близкие значения для пиковых давлений на ударной волне в воде, возникающих при идущей из центра дето нации пентолитовой сферы, были найдены эксперимен тально Коулберном и Розландом [23], которые по фото графиям ударного фронта определяли зависимость R от t,
РАСЧЕТ ТЕЧЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ |
139 |
дифференцировали ее и затем пользовались кривой По гонно для воды из работы Райса и Уолша [24]. Коэф фициент К в экспоненте в уравнении состояния (4) для продуктов детонации, которое применялось в настоящих расчетах, был выбран так, чтобы рассчитанные пиковые давления в интервале расстояний от 1,2 до 6 р.з. нахо дились в хорошем соответствии со значениями, опреде ленными Коулберном и Розландом.
На границе раздела между газом и водой рас считанные и экспериментально найденные результаты различаются между собой. Коулберн и Розланд получи ли, что на границе раздела при переходе через нее удар ной волны давление равно 120 кбар; эту величину они определили, линейно экстраполируя до значения R/Ro— 1 свои данные в плоскости lg Р, lg (R/Ro). Наши расчеты, в которых использовалась модель тейлоровской удар ной волны в газовой сфере и уравнения (3) и (4), дают на границе раздела величину давления на ударной вол не, равную 162 кбар. Рассчитанное давление на ударном фронте, когда он находится на расстоянии 1,1 р.з., па дает до 97 кбар (рис. 6). Это резкое падение обусловле но большой крутизной тейлоровской ударной волны вблизи детонационного фронта (рис. 2). Последняя экс периментальная работа Хантела и Дэвиса [25] свиде тельствует о том, что не следует проводить линейную экстраполяцию экспериментальных данных до значения R/Rq= I, что модель тейлоровской ударной волны яв ляется приемлемой и что на границе раздела величина давления на ударной волне, равная 162 кбар, является правильной.
Удельный объем воды непосредственно позади основ ной ударной волны можно найти по кривой Гюгонио для воды при 20 °С и 1 атм [1], используя значения пиковых давлений, приведенные на рис. 6. Удельный объем рав
няется 0,559 см3/г при |
(R /R o )s= 1 и возрастает до зна |
|
чения 0,767 см3/г при |
[R/Ro)s = 2. Индекс s здесь озна |
|
чает, что величина (R/Ro) |
относится к положению основ |
|
ной ударной волны. На |
границе раздела между газом |
и водой вплоть до того момента, когда вторая ударная волна достигает этой границы, состояние воды опреде ляется точкой на изэнтропе [1], проведенной из точки
140 Г. М. СТЕРНБЕРГ, В. А. УОЛКЕР
сдавлением 162 кбар на кривой Погонно для воды. Удельный объем на границе раздела возрастает значи-' тельно быстрее, чем на ударном фронте. Когда (R/R0)s=
= 1,5, удельный объем равняется 0,697 см3/г на удар ном фронте н 0,867 см3/г на границе раздела. Когда (RIRa)s = 2, удельный объем на границе раздела рав няется 0,984 см3/г.
r/ rb
Р и с. 8. Температуры в воде, рассчитанные в зависимости от рас стояния, для моментов времени, соответствующих положениям удар ного фронта на расстояниях от центра между 1 и 2 р. з.
---------- ударный фронт.
Распределения температуры в воде, рассчитанные для нескольких небольших значений времени, изображе ны на рис. 8. Для этих кривых указаны величины ра диуса основной ударной волны в рассматриваемые мо менты времени. Температура воды находилась как функция от р и v с использованием уравнения (3) и ин тегрированием вдоль изэнтропы пары тождеств
(см. работу [1]). Здесь Т — температура, а 5 — энтро пия. На рис. 8 температура на основном ударном фронте показана пунктирной линией. Температура воды, непо