Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы взрыва. Монография
.pdf
Литература к главе 5
5.1 Справочник по буровзрывным работам на строительстве.
/ Под ред. акад. Н. В. Мельникова. – М.: Изд-во по строительству и
архитектуре, 1962. – 392с.
5.2 М. Ф. Друкованный, Б. Н. Кукиб, В. С. Куч. Буровзрывные
работы на карьерах. – М.: Наука, 1990. – 367с.
5.3 Б. Н. Кутузов. Методы ведения взрывных работ. Часть 2.
Разрушение горных пород взрывом. – М.: Изд-во «Горная книга»,
2007. – 471с.
5.4 Б. Н. Кутузов. Разрушение горных пород взрывом. – М.,
1994.
81
Глава 6. ВЗРЫВ В ВОДНОЙ СРЕДЕ
(ПОДВОДНЫЙ ВЗРЫВ)
6.1. Явления, происходящие при подводном взрыве
При взрыве заряда ВВ в водной среде возникают сложные
физические явления, точное количественное описание которых весьма
затруднительно. Наиболее изучены взрывы, происходящие в
безграничной жидкости [6.1].
При взрыве заряда ВВ образуется детонационная волна, при
подходе которой к поверхности раздела заряд-вода в последней
образуется ударная волна (УВ). Начальные параметры ударной волны
в водной среде будут гораздо больше, чем, например, в грунте и тем
более в воздухе. Это связано с тем, что энергия при взрыве в воде
будет меньше тратиться на сжатие воды, ввиду малой сжимаемости
последней. Однако закон падения давления УВ в воде в зависимости
от расстояния имеет гораздо более крутой характер, чем для УВ в
воздухе. Так, амплитуда давления в УВ, распространяющейся в воде,
быстро затухает и уже на расстояниях около 10 радиусов заряда для
сферической волны составляет около 0,01 начального давления. Такое
резкое падение давления объясняется рассеиванием энергии волны
вследствие вязкости и теплопроводности воды.
Скорость распространения ударной волны весьма быстро падает
до скорости звука, а сама волна автоматически переходит в звуковую.
При взрыве заряда ВВ в воде, не ограниченной границами, можно
наблюдать следующую довольно интересную картину. Образующиеся
сразу вслед за УВ газообразные продукты взрыва, из-за большого
давления в них, будут расширяться, сжимая и отталкивая
прилегающие слои воды, образуя, так называемый газовый пузырь.
Расширение газового пузыря происходит с постепенно
убывающей скоростью. По мере расширения внутреннее давление в
газовом пузыре постепенно уменьшается, но движение продолжается
вследствие инерции расходящегося потока воды. На конечной стадии
расширения пузыря давление газа падает ниже гидростатического и в
этот момент за счет упругой энергии сжатой воды газовый пузырь
начинает сокращаться с непрерывно возрастающей скоростью.
Сжатие пузыря будет происходить до тех пор, пока возрастание
давления внутри пузыря не будет уравновешено инерцией радиально
сходящегося потока воды. К концу сжатия давление внутри пузыря
82
становится больше гидростатического, и сжатые газообразные
продукты взрыва в пузыре опять будут расширяться.
Таким образом, возникает колебательное движение, т.е.
пульсация газового пузыря. Процесс пульсации в виде изменения
радиуса пузыря в функции времени по экспериментальным данным Р.
Коула изображен на рис. 6.1.
Рис. 6.1. Радиус газового пузыря R
ГП
в функции времени t при взрыве заряда
тетрила весом 25 кг на глубине 91 м
Колебания газового пузыря могут продолжаться в течение
нескольких периодов, и при благоприятных условиях может
происходить до десяти и более пульсаций.
Исходя из приведенных экспериментальных данных
максимальная скорость движения поверхности пузыря при его
минимальном объеме составляет около 60 м/с, в остальных стадиях
движения эта скорость значительно меньше. При расширении пузыря
до максимального радиуса величина внутреннего давления газа намного меньше, чем гидростатическое давление. Значение радиуса
равновесия, при котором газ находится под действием
гидростатического давления воды, показано на рис. 6.1 пунктирной
линией. Отсюда следует, что на протяжении примерно 80% первого
периода колебания давление в газовом пузыре меньше
гидростатического давления. Наряду с пульсацией газового пузыря изза плавучести газообразных продуктов одновременно происходит
83
всплытие пузыря. При этом скорость всплытия пузыря также
неравномерна, она наибольшая при максимальном сжатии пузыря, т.е.
при минимальном его объеме. Скорость минимальна при
максимальном расширении пузыря.
При взрыве заряда ВВ вблизи свободной поверхности отклонение
газового пузыря от сферической формы усиливается, в частности, в
нижней его части появляется вогнутость, а выпуклость в верхней
части направлена в сторону движения. Это имеет место при
максимальном сжатии пузыря, а по мере расширения пузырь
стремится к сферической форме. Практическое значение по силе
воздействия на окружающую среду имеет только первая пульсация, а
энергия других пульсаций незначительна. При этом первая пульсация
(хотя максимальное давление ее не превосходит 10-20% от давления
ударной волны) представляет значительную опасность, так как по
продолжительности воздействия давление газового пузыря
значительно превосходит время действия давления УВ.
При взрыве в неограниченной среде действие подводного взрыва
определяется, в основном действием ударной волны. При взрыве же в
ограниченной среде, вблизи свободной поверхности происходят более
сложные процессы. В этом случае, кроме создания УВ, действие
давления газового пузыря приводит к перемещению водной среды в
виде потока жидкости и созданию, так называемой, гидравлической
волны (ГВ). В связи с тем, что поток жидкости направлен в сторону
свободной поверхности, очевидно, что область распространения
гидравлической волны ограничена водной средой выше уровня,
проходящего через центр взрыва. Гидравлическая волна возникает,
прежде всего, по вертикали через центр взрыва к свободной
поверхности, расширяясь затем в радиальном направлении.
Таким образом, при подводном взрыве имеют место два действия:
– действие ударной волны (УВ) и действие гидравлической волны
(ГВ) [6.2-6.4].
Если время действия УВ
разрушения преграды, то УВ действует, в основном, за счет давления.
По многочисленным экспериментальным данным максимальное
давление УВ в воде выражается следующей зависимостью
τ
больше времени Т деформации или
84
α
=
R
q
аP
УВ
3/1
β
=
R
q
q
вJ
УВ
3
3
0
3
P
R
q
aP
ГВ
+=
R
q
вJ
ГВ
3
2
=
где q – масса заряда ВВ; R – расстояние от центра взрыва до
измеряемой точки; а и
ВВ, в частности, для тротила
В том случае, когда
α
- коэффициенты, характеризующие свойства
α
= 1,13, а = 533.
τ <
Т, приобретает интерес импульс УВ в
виде
для тротила
β
= 0,89 и в = 588.
В связи с тем, что действие гидравлической волны связано с
движением газового пузыря, а последний пульсирует, то и
гидравлическая волна, т.е. перемещение массы воды, будет также
пульсирующей. В соответствие с этим действие ГВ при первой
пульсации газового пузыря будет максимальным. Другая особенность
подводного взрыва состоит в том, что гидравлическая волна
распространяется и действует после прохождения УВ.
Основные параметры гидравлической волны имеют
следующий вид:
- давление ГВ
где Р
– гидростатическое давление столба жидкости,
0
а = 72,4 для тротила.
- импульс гидравлической волны
где для тротила в = 0,22.
85
6.1.1. О поверхностных явлениях при подводном взрыве
Наиболее заметными и эффективными явлениями подводных
взрывов являются возмущения поверхности воды над зарядом.
Наблюдаются несколько четко выраженных явлений,
изменяющихся по величине и по внешнему виду в зависимости от
глубины.
В условиях, когда первоначальные продукты взрыва полностью
находятся над поверхностью воды, первым следствием взрыва,
достигающим поверхности воды, является выход ударной волны в
различных точках поверхности, проявляющийся в виде быстро
расширяющегося кольца кажущейся затемненной воды. Это явление
носит название «гладь». Контраст этого кольца с видом окружающей
поверхности моря объясняется тем, что зыбь или мелкие волны
успокаиваются под действием давления отраженной УВ. При этом
вблизи поверхности создается кольцо кавитирующей воды. В
условиях достаточно спокойной поверхности это явление может
наблюдаться на весьма больших расстояниях вне зависимости от
глубины места взрыва. Скорость перемещения кольца всегда
превосходит скорость УВ. Кольцо, если оно вообще наблюдается,
исчезает из поля зрения через несколько сотых секунды и,
следовательно, может быть зафиксировано только при скоростной
съемке.
Вслед за образованием и перемещением водяного кольца
происходит рост купола брызг – беловатого вала возмущенной воды,
образующегося при отражении УВ от поверхности. Начальная
скорость подъема пропорциональна давлению в падающей УВ
и, следовательно, достигает максимальной величины непосредственно
над зарядом. Площадь, на которой можно наблюдать подъем воды,
определяется давлением и влиянием кавитации. При расположении
заряда на достаточной глубине появление купола вообще не
происходит. Вода, выброшенная вверх около вертикальной оси,
проходящей через центр взрыва, поднимается быстрее и на большую
высоту, чем вода в более удаленных точках. В результате этого по
мере роста купола его стенки становятся круче. Время, в течение
которого происходит рост купола и достигается его максимальная
высота при одновременном падении скорости подъема до нуля в
результате противодействия силы тяжести и воздушного
сопротивления, зависит от начальных значений давления и скорости.
86
В свою очередь эти значения зависят от массы заряда и от глубины
его расположения под свободной поверхностью.
Интересным свойством подводного взрыва является процесс
образования последующих куполов, вызываемых вторичными
пульсациями пузыря. Возможность появления этих куполов
определяется такой глубиной расположения заряда, при которой
газовый пузырь до выхода на свободную поверхность может иметь
одно или несколько сжатий. Вторичные куполы значительно меньше
по величине и имеют менее правильную форму по сравнению с
куполом, создаваемым ударной волной. Это связано с искажениями,
вносимыми в процесс образования куполов как меньшими значениями
давления, так и их наложением на первичные возмущения.
При взрывах на малых глубинах продукты разложения в газовом
пузыре не претерпевают изменения вплоть до момента выхода пузыря
на поверхность и последующего извержения газов. Как величина, так
и характер движения пузыря в этот момент сильно изменяются в
зависимости от начальной глубины взрыва. Вследствие этого характер
извержения газов из пузыря также сильно изменяется в зависимости
от глубины.
В результате извержения газов возникают фонтаны брызг,
перемешанных с продуктами взрыва. В зависимости от ряда условий
возникают фонтаны двух характерных типов:
- относительно узкий вертикальный фонтан, высота и скорость
подъема которого зависит от глубины расположения заряда;
- радиальные фонтаны, выбрасываемые через купол из водяных брызг
во всех направлениях, число и характер развития этих фонтанов
зависят от глубины взрыва. В случае появления этих фонтанов они
образуются одновременно с вертикальным фонтаном или несколько
позже его.
6.2. Действие подводного взрыва на преграды
В военном деле наиболее типичными объектами подводного
взрыва является подводная часть корабля и, особенно, подводные
лодки. Эффективность действия подводного взрыва на эти объекты
определяется различными факторами и параметрами в зависимости от
расстояния взрываемого заряда ВВ до объекта. В связи с этим
различают контактный и неконтактный взрыв. При контактном
взрыве, когда заряд ВВ непосредственно прилегает к разрушаемой
87
преграде, например к обшивке корабля или подводной лодки,
основную роль играет давление газов на преграду, которая при этом
испытывает импульсные нагрузки. Разрушение обшивки получается в
виде глубокой пробоины, но малой по площади.
При неконтактном взрыве значительная часть энергии взрыва
превращается в кинетическую энергию движения масс воды и общее
время воздействия подводного взрыва на преграду увеличивается. При
этом образуется неглубокая, но большая по площади пробоина.
В целом разрушительное действие подводного взрыва тем
больше, чем значительнее давление и время его приложения. При
подводном взрыве, в частности, большее воздействие может быть
получено при использовании зарядов ВВ, дающих несколько
растянутую характеристику «давление-время».
Неконтактный взрыв характеризуется в свою очередь близким и
дальним действиями или соответственно близким неконтактным и
дальним неконтактным действиями.
При близком неконтактном действии взрыва на преграду,
находящуюся в пределах максимального расширения продуктов
взрыва, разрушительный эффект характеризуется действием
первичной ударной волны, расширяющихся газов, гидравлической
волной и вторичных волн давления, возникающих при пульсациях
газового пузыря.
При действии взрыва на близких расстояниях в наибольшей
степени могут проявляться влияние природы и формы заряда, его
ориентации относительно преграды.
При дальнем неконтактном взрыве действие на преграду,
находящуюся за пределами максимального расширения газового
пузыря, обуславливается главным образом первичной ударной
волной.
Механический эффект действия подводного взрыва на преграду,
очевидно, пропорционален энергии взрыва, в частности теплоте
взрыва заряда ВВ. При этом для близких неконтактных взрывов при
расчетах принимается общая фугасная теплота взрыва Q
дальних неконтактных взрывах – детонационная теплота взрыва Q
, а при
фуг
дет
В табл. 6.1 представлены расчетные значения детонационных и
фугасных теплот взрыва для штатных ВВ. Таким образом, мы видим
еще одну особенность подводного взрыва, проявляющуюся в том, что
разрушительный эффект его при некоторых взрывах, т.е. на
достаточном удалении от заряда ВВ, определяется не общей фугасной
энергией взрыва, а детонационной теплотой Q
дет
.
.
88
Таблица 6.1. Значения теплоты взрыва для некоторых
Теплота взрыва, ккал/кг
Q
дет
Q
фуг
Тротил
ТЭН
980
1420
1140
1480
штатных ВВ
ВВ
Тетрил
Гексоген
1050
1230
1240
1370
Последняя зависит от скорости детонации Д, в то время как при
взрывах в других средах (воздух, твердая среда) этот параметр
характеризует не фугасный, а бризантный эффект, т.е. только в
непосредственной близости от поверхности заряда.
6.2.1. Гидровзрывная штамповка листового металла
Одним из эффективных направлений использования подводного
взрыва в гражданской отрасли промышленности, в частности в
машиностроении является гидровзрывная штамповка
(формоизменение) листового металла.
Передача энергии от заряда ВВ к заготовке листового металла
через водную среду позволяет более полно и равномерно
распределить энергию взрыва на поверхность заготовки.
Преимуществом гидровзрывной технологии штамповки металлов
является возможность создания высоких давлений, позволяющих
формовать изделия больших размеров с высокой точностью из весьма
прочных и тугоплавких металлов.
Общая схема гидровзрывной штамповки представлена на рис. 6.2.
На матрицу 7 устанавливают заготовку 5 листового металла, расположенную симметрично по отношению к полости матрицы. Прижимное
кольцо 4 под действием силовых элементов обеспечивает усилие
прижима заготовки и вместе с уплотнителем 6 гарантирует герметизацию полости матрицы. На определенном расстоянии под заготовкой
размещают заряд ВВ 9. Матрицу с заготовкой и установленным зарядом ВВ опускают в бассейн с водой и производят подрыв. Для штамповки в основном используют бассейны стационарного типа (левая
часть рисунка) с жесткими малодеформируемыми стенками, или
бассейны разового применения (правая часть рисунка) с легко разрушаемыми стенками 3. Часть энергии, высвобождаемой при взрыве за-
89
10
Рис. 6.2. Схема гидровзрывной штамповки:
1 – передающая среда;
2 – заряд ВВ;
3 – стенка бассейна по правой стороне разрушающегося
бассейна;
4 – прижимное кольцо;
5 – заготовка;
6 – уплотнитель; 7 – матрица;
8 – система вакуумирования;
9 – фундамент;
10 – грунт.
ряда ВВ передается через воду заготовке, которая под действием высокого давления деформируется, принимая форму полости матрицы.
Основная особенность деформирования заготовки при взрывной
штамповке – ее движение с большой скоростью, порядка 100 - 300 м/с.
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]