Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория горения и взрыва. Учебник
.pdf
ста. Однако под действием импульса фазы сжатия сооружение при-
II³
+-
обретет некоторое количество движения и будет в дальнейшем разрушено, если это количество движения окажется достаточным, чтобы
вызвать некоторую предельную деформацию. Разрушение в этом случае произойдет уже после того как фаза сжатия пройдет.
Условие разрушения:
,
кр
где I
– критическое значение удельного импульса.
кр
Таким образом, если t+ << T, то разрушающее действие определяется сообщенным сооружению импульсом фазы сжатия. Этот случай
часто называют условно импульсивным действием ударной волны.
Допущение об импульсивном характере действия ударной волны
считается практически приемлемым для t+ ≤ 0,25T.
Для t+ ≈ T. Если t+ по порядку величины не слишком отличается от
Т, то характер действия ударной волны будет в известной мере промежуточным между чисто импульсивным и статическим. Разрушающее
действие в этом случае нельзя оценивать ни по избыточному давлению, ни по удельному импульсу: оно будет определяться некоторой
головной частью импульса. В таких случаях для оценки разрушающего действия нужно знать всю кривую p(t).
8.5. Действие ударных волн на здания
При относительно небольших взрывных нагрузках во многих зданиях разрушается остекление. Так как стекло является хрупким материалом, то оно рассыпается как только напряжение в нем достигает
предела упругости. Окна обычно имеют небольшие горизонтальные
размеры между опорами и поэтому первыми реагируют на взрывные
нагрузки, и чаще всего разрушаются в режиме статического нагружения. Для таких случаев вполне оправданно применение частного критерия по максимальному избыточному давлению.
Критическое избыточное давление, при котором начинает разрушаться остекление зданий, связано с площадью поверхности оконного стекла S, м2, его толщиной h, мм, и соотношением максимального
и минимального размеров (A = L/B) следующей зависимостью:
1
0,175 0,0634 0,1939
hA
( )
10∆
=× .
S
101
p
кр
Для зданий и других объектов различают четыре степени разруше-
13
1
16
2
3180
1
KM
r
M
×
=
éù
æö
êú
÷
ç
+
÷
ç
êú
÷
ç
èø
êú
ëû
ний: полное, сильное, среднее и слабое. При полном – обрушивается
большая часть стен, колонн и перекрытий. Сильное – характеризуется
частичным повреждением стен, колонн и перекрытий; легкие элементы (двери, перегородки, крыши) разрушаются полностью или частично. При среднем – основные ограждающие и несущие конструкции
деформируются (прогибаются), а разрушаются, в основном, второстепенные конструкции. Слабое – характеризуется повреждением
или серьезными деформациями отдельных легких элементов ограждения (окна, двери, крыши домов). При полном разрушении сетей
коммунально-энергетического хозяйства выходят из строя значительные участки трубопроводов, разрывается кабель, обрушиваются опоры воздушных линий электропередач.
При длительности взрывной волны τ > 10T, т.е. при взрыве крупномасштабных зарядов, степень разрушения объектов можно оценить
по критическому избыточному давлению, значения которого приведены в табл. 8.3.
Таблица 8.3
Критическое избыточное давление ударных волн для некоторых объектов
Давление Δp
Объект
полное сильное среднее слабое
Жилые и промышленные здания:
– кирпичные многоэтажные 30...40 20...30 10...20 8...10
– кирпичные малоэтажные 35...45 25...35 15...25 8...15
– деревянные 20...30 12...20 8...12 6...8
Промышленные с тяжелым металлическим
и железобетонным каркасом
Промышленные бескаркасной конструкции
и с легким металлическим каркасом
60...100 50...60 40...50 20...40
60...80 40...60 30...40 20...30
, кПа, соответствующее
кр
степени разрушения
Для оценки совместного воздействия избыточного давления и
удельного импульса взрывной волны на типовые здания и промышленные сооружения можно воспользоваться данными о разрушениях
от бомбардировок во Второй мировой войне, которые для кирпичных
зданий аппроксимируются уравнением
102
,
где r – расстояние от места взрыва, м; K1 – коэффициент (3,8 – полное
∆Wp=-
*
3
R rm=
разрушение зданий; 5,6 – здания разрушены наполовину; 9,6 – здания
непригодны для обитания; 28 – умеренные разрушения, повреждения
внутренних малопрочных перегородок; 56 – зданиям нанесен небольшой ущерб, разбито более 10 % стекол).
8.6. Действие ударных волн на человека
Поражение человека связано с травмами различных частей тела.
При этом отдельные органы могут по-разному реагировать на воздействие ударных волн. Например, барабанные перепонки имеют очень
маленький период собственных колебаний, поэтому их реакцию на
воздействие ударных волн можно оценивать по критерию максимального избыточного давления в волне.
Связь между максимальным избыточным давлением в волне Δp,
кПа, и вероятностью повреждения барабанных перепонок человека W
описывается зависимостью
0,88 lg 1,323
.
Умножив вероятность W на 100, получим процент повреждения
барабанных перепонок в группе людей, одинаково удаленных от места взрыва. Граница временной потери слуха соответствует давлению
Δp = 1,5…2 кПа, нижний порог повреждения барабанных перепонок 34…45 кПа, а 50 % вероятности разрыва перепонок – примерно
10 кПа.
Наиболее чувствительны к поражающему действию ударных волн
органы человека, отличающиеся большой разницей в плотностях соседних тканей, в первую очередь легкие и органы слуха (табл. 8.4).
Таблица 8.4
Характерные виды поражения человека ударной волной
*
Повреждение Δp, кПа R
Контузия внутренних органов и центральной
нервной системы
Баротравма легких средней тяжести 150…200 < 2,2
Разрыв барабанной перепонки 35…45 < 4,5
Временная потеря слуха > 2 –
450…500 < 1,4
, м/кг
1/3
___________
– приведенное расстояние.
103
На поражение человека существенное влияние оказывает его ориентация относительно набегающей волны и окружающих объектов.
Наибольшие повреждения получает человек, который стоит или лежит вблизи плоской отражающей поверхности, по нормали к которой
движется ударная волна. В этом случае на него действует не только
давление в проходящей ударной волне, но и давление в волне, отраженной от жесткой стенки.
При взрывах крупных зарядов в качестве критерия поражения человека можно использовать критическое давление в ударной волне,
значения которого в зависимости от вероятности летального исхода
приведены в табл. 8.5.
Таблица 8.5
Критическое давление поражения человека ударной волной
Вероятность летального исхода 0,99 0,75 0,5 0,25 0,1
Δp
, кПа 500 370 320 280 250
кр
104
РАЗДЕЛ 3. ОСНОВЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ
ТЕОРИИ ДЕТОНАЦИИ
ТЕМА 9. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА,
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ И
ЗАВИСИМОСТИ ТЕОРИИ ДЕТОНАЦИИ
9.1. Исторические и общие сведения
Большинство теоретических исследований в области детонации
относится к газовым смесям, которые представляют собой простейшие взрывчатые системы. Эти исследования привели в конечном итоге к созданию стройной математической теории детонационной волны, основные закономерности которой оказались справедливыми и
для конденсированных (жидких и твердых) ВВ.
Явление детонации в газах было открыто в 1881 г. независимо дву-
мя группами французских ученых: Бертло и Вьелем, а также Малля-
ром и Ле-Шателье в ходе работ по исследованию распространения
пламени в трубах. Их эксперименты показали, что после установления стационарного режима детонация распространяется с постоянной
скоростью, достигающей для некоторых газовых смесей очень высоких значений порядка 3500…4000 м/с. Оказалось, что скорость детонации в несколько раз превышает скорость звука в тех же газах при
обычной температуре и давлении.
Количественная теория распространения детонационной волны
известна под названием гидродинамической теории детонации. Рас-
пространение детонации эта теория рассматривает как распространение скачка давления – ударной волны. При этом предполагается, что
распространение скачка давления вызывает во взрывчатой системе
быструю экзотермическую реакцию, энергия которой в свою очередь
поддерживает стационарное распространение ударной волны. Таким
образом, скорость детонации отождествляется со скоростью ударной
волны во взрывчатом веществе.
Основоположником современной гидродинамической теории детонации является известный российский физик Владимир Александрович Михельсон (1860−1927), который еще в 1889 г. разработал
основные ее положения. В диссертации «О нормальной скорости воспламенения гремучих газовых смесей» Михельсоном были даны от-
105
четливые физические представления о распространении пламени при
нормальном горении и детонации.
Пионерами в области разработки гидродинамической теории дето-
нации являются также Д.Л. Чепмен (Англия, 1899), Е. Жуге (Франция,
1905). В их работах детонационная волна была представлена ударной
волной с экзотермической химической реакцией в ее фронте.
Теория Михельсона–Чепмена–Жуге не только правильно объясняет
качественные особенности детонационных процессов, но и дает возможность вполне удовлетворительно рассчитать все параметры (скорость, давление, плотность, температура, энергия) идеальной детонации.
Дальнейшее существенное развитие гидродинамическая теория
получила главным образом благодаря работам А.А. Гриба, Я.Б. Зель-
довича, Д. Неймана и В. Деринга, независимо предложивших модель
детонационной волны, учитывающую физическую зону превращения
исходного ВВ в конечные продукты (зону «химического пика»).
В теории Гриба–Зельдовича–Неймана–Деринга ВВ вначале сжимается во фронте детонационной волны, а затем образовавшийся
слой ударно-сжатого вещества самовоспламеняется и начинается химическая реакция взрывчатого превращения – химический пик. Представление о нем является основным в этой теории и имеет многократное экспериментальное подтверждение.
Л.Д. Ландау, К.П. Станюкович и др. адаптировали гидродинамическую теорию применительно к конденсированным ВВ.
В дальнейшем обнаружились факты несовместимые с теорией
Гриба–Зельдовича–Неймана–Деринга, в основном касающиеся некоторых особенностей детонации гетерогенных конденсированных ВВ.
Такую детонацию называют неидеальной. Знание закономерностей
неидеальной детонации является необходимым для безопасного производства взрывных работ в горной промышленности.
9.2. Схема протекания детонации заряда
взрывчатого вещества
Согласно гидродинамической теории передача детонации обусловлена распространением по ВВ ударной волны. Если амплитуда на
фронте этой волны больше некоторой величины, то волна при своем
распространении способна за своим фронтом возбуждать интенсивную химическую реакцию, за счет энергии которой поддерживается
106
постоянство параметров волны и стационарный характер детонационного процесса в целом. Таким образом, скорость детонации может
быть рассчитана, как скорость распространения ударной волны по ВВ
(рис. 9.1).
Рис. 9.1. Схема протекания детонации заряда ВВ
Фронт детонации волны представляет собой сильную ударную
волну, которая разрушает молекулы ВВ. Освободившись от первоначальных связей, нагретые до высокой температуры атомы горючих
элементов и кислорода вступают в зоне за фронтом волны в бурную
химическую реакцию с выделением тепла и превращением ВВ в газообразное состояние. Фронт детонационной волны движется со скоростью нескольких километров в секунду. За фронтом ударной волны движется фронт расширения продуктов взрыва, а к центру (оси)
заряда – фронт волны разряжения. Условия стабильности процесса
детонации обеспечиваются наличием зоны нерасширившихся газов.
107
Толщина фронта ударной детонационной волны не превышает длины
∆q
одного свободного пробега молекулы (10–5…10–6 см), однако зона реакции значительно шире фронта волны. Так, для аммонита 6ЖВ она
равна 0,4 см, а для граммонита 79/21 – 3…4 см.
9.3. Изменение состояния взрывчатого вещества
при детонации
Рассмотрим случай, когда ударная волна распространяется по ВВ.
Исходное состояние ВВ характеризуется индексом «0» – p0, V0,
ρ0, Т0. Под действием ударной волны состояние исходного вещества скачком изменяется и обозначается индексом «1» – p1, V1, ρ1, Т1
(рис. 9.2). Скорость изменения состояния в сильной ударной волне
так велика, что приближенно переход из состояния p0, V0 в состояние
p1, V1 можно считать мгновенным.
Рис. 9.2. Изменение состояния
В сжатом ВВ начинается химическая реакция, которая проходит,
хотя весьма быстро, но не мгновенно. Реакция может возникнуть, например из-за интенсивного разогрева, вызванного сжатием. По мере
прохождения реакции свойства вещества будут изменяться и выделится тепло.
Предположим, что через некоторое время прореагировала часть
вещества и выделилось определенное количество тепла
108
. При этом
состояние системы будет описываться уже не адиабатой для исходно-
00
pp V V
го вещества, а некоторой другой адиабатой. Поскольку в системе выделилось тепло, эта адиабата будет лежать выше адиабаты исходного
вещества (пунктирная линия на рис. 9.3).
Рис. 9.3. Изменение состояния ВВ на диаграмме p–V
по мере прохождения реакции
Изменение состояния при переходе от адиабаты для исходного вещества к пунктирной адиабате совершается по прямой линии (прямой Михельсона), соединяющей точки p0, V0 и p1, V1 так, как показано
стрелкой на рисунке.
Уравнение прямой Михельсона имеет вид
Рассмотрим теперь условия перехода от адиабаты Гюгоньо для
исходного вещества к адиабате для конечных продуктов, соответствующей полному завершению реакции и выделению полного тепла.
В случае устойчивой нормальной детонации в результате сжатия
исходного вещества в ударной волне состояние его будет соответствовать «точке 1», для которой прямая Михельсона, проведенная между
точками p
2
=+ -.
, V1 и p0, V0, касается адиабаты продуктов реакции.
1
D
(
2
V
0
)
109
По мере прохождения реакции состояние вещества изменяется по
21
pp
21
VV>
прямой 1–2–0. Точка касания 2 отвечает конечному состоянию продуктов детонации после завершения химического превращения и выделения полного тепла. Точку касания часто называют точкой Жуге
или Чепмена–Жуге (рис. 9.4).
Рис. 9.4. Переход от адиабаты исходного вещества к адиабате
продуктов детонации
Состояние, соответствующее точке касания, обозначаются индек-
сом «2» – p
, V2, ρ2, Т2. Это состояние, в котором находятся продукты
2
взрыва тотчас же после завершения химической реакции. Оно существенно отличается от состояния исходного вещества, сжатого ударной волной (точка 1 на рис. 9.4). Непосредственно из рисунка видно,
что
< и
.
Таким образом, процесс химического превращения в детонационной волне сопровождается расширением вещества и падением давления. Наиболее высокое давление достигается в исходном веществе;
по мере прохождения реакции и выделения тепла давление падает и
после завершения реакции оказывается значительно меньшим, чем
в сжатом исходном веществе.
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]