265

5. Радиус зоны разрушений составит:

12.4. Основные свойства и параметры ударной волны

Ударная волна является одним из основных поражающих факторов взрыва. Как правило, при воздушном взрыве форма фронта волны является сферической и при достижении земной поверхности отражается от нее

(рис.12.3.)

Рис. 12.3. Схема волнообразования при воздушном взрыве.

П – фронт падающей волны; О – фронт отражённой волны; Г – фронт головной ударной волны; Э – эпицентр волны.

На некотором расстоянии от эпицентра взрыва фронт отраженной волны сливается с фронтом падающей волны, вследствие чего образуется так называемая головная волна с вертикальным фронтом, распространяющимся вдоль земной поверхности. Ближняя зона, где отсутствует слияние фронтов, называется зоной регулярного отражения, а дальняя – зоной нерегулярного отражения. В ближней зоне давление ударной волны очень высокое и без применения специальных мер защиты имеет место 100% характер

266

разрушений. Дальняя зона представляет интерес с точки зрения установления зоны поражающего действия.

Важнейшими характеристиками ударной волны являются избыточное давление в волне и скорость напора . Эти характеристики определяют разрушающую способность ударной волны. На рис.12.4. показано изменение давления в ударной волне от времени.

Р

РФ

РФ

Р

Р0

Рис.12.4. Характер изменения давления от времени в ударной волне.

Фронт ударной волны при переходе в какую-нибудь точку на земной поверхности повышает давление в этой точке до максимального значения – Рф, а затем убывает до атмосферного давления Р0. , и далее достаточно длительный период времени остается ниже атмосферного давления.

Период, обозначенный на рис.8 «τ+», повышенного давления, для которого характерно Р= Р – Р0 > 0, называется фазой сжатия, а период, обозначаемый «τ-», характеризующейся понижением давления Р < 0, называет-

ся τ фазой разрежения.

267

Время нахождения в фазе сжатия принято называть длительностью

импульса.

С ростом давления в ударной волне одновременно возникает движение воздушных масс от эпицентра взрыва. Движение воздушных масс, их массовые скорости (U) и изменение плотности среды (ρ ) – подобны и изменяются по одинаковым законам. Однако вследствие инертности воздушного потока период времени «τ+скор.» скоростного потока несколько больше, чем период времени «τ+давл» давления. По мере удаления от эпицентра взрыва динамические характеристики ударной волны уменьшаются, и на значительном расстоянии ударная волна превращается в акустическую. Скорость ударной волны больше скорости звука, поэтому разрушение происходит гораздо раньше, чем возникает звуковой эффект.

Основными параметрами, определяющими интенсивность ударной волны, являются избыточное давление на фронте (Рф) и длительность фа-

зы сжатия (τ+). Эти параметры зависят от количества взрывчатой массы, химической природы взрывающегося вещества, места расположения взрывающегося устройства над уровнем земли, условиями взрыва и расстоянием до эпицентра.

Все параметры подчиняются закону подобия, и это позволяет определить их для любого взрывчатого вещества. Например, одинаковые параметры во фронте ударной волны могут находиться на приведенных по тротиловому эквиваленту расстояниях R , м/кг1/3 и приведенных высот H по формулам:

R– расстояние от эпицентра до фронта ударной волны;

с– тротиловый эквивалент, кг.

Удельный импульс ударной волны (I, кПа·с) является важной харак-

теристикой, определяющей эффект механического воздействия на пути ее продвижения. Для фазы сжатия удельный импульс ударной волны может быть найден по формуле:

где R – расстояние от эпицентра, м;

WТ – тротиловый эквивалент взрыва, кг.

Безопасное расстояние по действию ударной волны может быть определено по эмпирическому уравнению:

где Rбез – безопасное расстояние, м;

WТ – тротиловый эквивалент взрыва, кг.

12.5. Условия возникновения детонации и зажигания ударной волной

Если поменять инертный газ в трубе на однородную горючую смесь, то при сжатии под воздействием волны смесь будет разогреваться и воспламеняться. Причем, в некоторых случаях горючая смесь будет разогреваться даже выше температуры самовоспламенения. Ударная волна в инертном газе постепенно затухает, в горючей смеси этого не происходит. Это объясняется

Уравнение (12.15) является первым из пяти уравнений, характеризующих детонацию.

Второе уравнение – это уравнение сохранения количества движения:

Третье уравнение – это уравнение сохранения энергии:

Главным вопросом в теории возникновения детонации является переход от нормального (дефлаграционного) горения с относительно небольшими скоростями пламени к детонационному горению. В переходной области многократно возрастают скорости движения фронта пламени и давление в зоне реакции.

Рассмотрим теорию возникновения детонации, разработанную академиком Зельдовичем.

Предположим, что распространение пламени происходит в длинной трубе постоянного сечения при воспламенении у закрытого конца. В результате горения газовой смеси, сопровождающегося резким увеличением объема газа, возникает движение смеси перед фронтом пламени. На рис. 12.6. пока-

271

зана схема изменения давления в трубе в зависимости от ее длины по Зельдовичу.

Р

(давление)

(длина трубы)

Рис.12.6. Схема изменения давления в трубе по Зельдовичу.

Давление пламени со скоростью U вызывает движение смеси со скоростью (n-1)U, где n – коэффициент, характеризующей изменение объема газа при горении и зависящей от соотношения температур и числа молекул до и после реакции ( обычно n ≈5 – 10).

Участок трубы 0 – I занят покоящимися продуктами горения, участок I I – II – занят исходной смесью, движущейся со скоростью (n-1)U, остальная часть трубы справа от поверхности II занята покоящейся исходной смесью. При этом поверхность I – I – фронт пламени, движущейся со скоростью nU по отношению к началу координат и со скоростью U относительно движущейся сжатой смеси. Поверхность II – II представляет собой фронт ударной

волны.

Вследствие торможения слоев газовой смеси у стенок трубы во время движения пламени происходит увеличение поверхности фронта горения и увеличение скорости газа в центре трубы. Пламя принимает форму конуса (рис. 12.7.) с вершиной, направленной в сторону движения газовой смеси.

272

Р

Рис.12.7 Форма пламени при горении в трубах

Такое изменение поверхности пламени приводит к увеличению количества сгораемой в единицу времени смеси и вызывает еще более ускоренное движение исходной смеси.

Таким образом, Зельдович считает конкретным механизмом ускорения горения прогрессивное растяжение фронта горения. При переходе горения в детонацию движение потока всегда турбулентно. В результате воздействия на фронт пламени турбулентных пульсаций поверхность горения значительно увеличивается. По мере увеличения скорости пламени увеличивается давление в ударной волне, с ростом давления увеличивается температура газовой смеси, которая, в конечном счете, достигает температуры воспламенения смеси, и фронт пламени начинает перемещаться вместе с ударной волной.

Скорость распространения пламени при детонации целиком и полностью будет определяться скоростью распространения ударной волны:

где Uдет. - скорость распространения пламени при детонации, м/с; UПГ – скорость продуктов горения, м/с;

Uзвука – скорость звука в продуктах горения, м/с.

Скорость детонации в реальных горючих газовых системах может превышать 1 км/с. Опыт показывает, что для водорода, например,

Uдет = 2820 м/с.

В настоящее время считают, что детонировать могут почти все газообразные воздушно-углеводородные смеси. Практические аспекты взрывной защиты учитывают скорость горения смеси, время протекания взрыва, ско-

273

рость нарастания давления и максимальное давление взрыва в замкнутом пространстве. Основные характеристики могут быть вычислены с достаточной для практики точностью. Любой емкостной аппарат с горючей жидкостью может быть разрушен в результате взрыва парогазовоздушной смеси, и поэтому требует специальных мер защиты. Так, например, в конструкции резервуаров для хранения нефтепродуктов имеется слабое соединение, которое разрушается в случае возникновения взрыва (рис.12.8.)

Сварной ослаб-

ленный шов

крыша

стенка

Рис. 12.8. «Слабое место» резервуара РВС для сохранения от разрушения боковых стенок.

Считается, что современная форма и сравнительно небольшие размеры резервуаров для нефтепродуктов таковы, что в них реализуется только дефлаграционный взрыв, а детонация не происходит. Однако с увеличением размеров резервуара ситуация может измениться.

Для детонационного взрыва, неподдающегося точному расчету, характерны три особенности:

- он создает пик давления примерно в 20 раз больше пика давления нормального взрыва при тех же начальных условиях;

274

-фронт детонации распространяется со сверхзвуковой скоростью, что делает бесполезными устройства стравливания давления;

-детонация дает прямой удар особо разрушающей силы, Ане гидростатическое давление.

На рис.12.9. показано принципиальное различие обычного дефлаграционного взрыва и детонационного взрыва в цилиндрической емкости

1.

Рис. 12.9. Дефлаграционный и детонационный взрывы:

1- Дефлаграционный взрыв. Давление во всех точках внутри сосуда через 10 секунд после взрыва составляет 4,2 кг/см2.

2- Детонационный взрыв. Давление через 3 секунды после взрыва.

Давление при детонации достигает существенно более высоких значений. Защита от разрушений в этом случае практически невозможна.

До недавнего времени считалось, что детонация присуща лишь быстро сгорающим смесям, к которым относятся: смеси водорода с кислородом или воздухом; смеси непредельных углеводородов с кислородом или воздухом; смеси предельных углеводородов с кислородом. Предельные углеводороды с воздухом детонируют только в условиях высокой турбулентности.

275

В настоящее время считают, что могут детонировать практически все газообразные углеводороды в воздухе.

Основным критерием возможности детонации в трубопроводах и сосудах малого диаметра (при атмосферном давлении, без турбулентности при начальных условиях) является отношение длины к диаметру. В таблице 12.4. приведены минимальные отношения для некоторых горючих сред.

Преддетонационное расстояние резко сокращается при наличии на пути пламени различного рода турбулизаторов. В трубопроводах это могут быть продукты коррозии, диафрагмы, задвижки, вентили и т.п., в узостях – трубопроводы и запорно-регулирующая арматура, конструкции этажерок, лестницы, трапы и др.

Как и дефлаграция, детонация газовых систем возможна только в определенной области концентраций горючего и окислителя, причем области воспламенения. В таблице 12.5. приведены КПР пламени при дефлаграционном и детонационном режимах горения некоторых горючих систем.

Таблица 12.5.

Концентрационные пределы распространения пламени при дефлаграции и детонации