В гидродинамике взрывная волна — это повышенное давление и поток, возникающие в результате выделения большого количества энергии в небольшом, очень локализованном объеме. Поле течения можно аппроксимировать как свинцовую ударную волну , за которой следует автомодельное дозвуковое поле течения. Проще говоря, взрывная волна — это область давления, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью наружу от ядра взрывчатого вещества. Имеет ведущий ударный фронт сжатых газов. За взрывной волной следует порывной ветер с отрицательным манометрическим давлением , который затягивает предметы обратно к центру. Взрывная волна особенно вредна, когда она находится очень близко к центру или в месте конструктивных помех. Взрывчатка при детонации генерирует взрывные волны.
Взрывчатые вещества высокого порядка (ВВ) более мощны, чем взрывчатые вещества низкого порядка (ВВ). ОФ детонируют , создавая определяющую сверхзвуковую ударную волну избыточного давления. Несколько источников HE включают тринитротолуол , C-4 , Semtex , нитроглицерин и мазут на основе нитрата аммония ( ANFO ). LE сгорает , создавая дозвуковой взрыв и не имея волны избыточного давления HE. Источниками LE являются самодельные бомбы, порох и большинство зажигательных бомб на основе нефти, таких как бутылки с зажигательной смесью или самолеты, импровизированные в качестве управляемых ракет. HE и LE вызывают разные модели травм. Только ОН производят настоящие взрывные волны. [1]
Классическое решение потока — так называемое решение для взрывной волны Тейлора-фон Неймана-Седова — было независимо разработано Джоном фон Нейманом [2] [3] и британским математиком Джеффри Ингрэмом Тейлором [4] [5] во время Второй мировой войны . После войны решение подобия было опубликовано тремя другими авторами — Л.И. Седовым , [6] Р. Леттером, [7] и Дж. Локвуд-Тейлором [8] , — которые открыли его независимо. [9]
С самого начала теоретических работ продолжаются как теоретические, так и экспериментальные исследования взрывных волн. [10] [11]
Простейшая форма взрывной волны была описана и названа формой волны Фридлендера. [12] Это происходит, когда фугасное взрывчатое вещество детонирует в свободном поле, то есть поблизости нет поверхностей, с которыми оно могло бы взаимодействовать. Взрывные волны обладают свойствами, предсказанными физикой волн . Например, они могут дифрагировать через узкое отверстие и преломляться при прохождении через материалы. Подобно световым или звуковым волнам, когда взрывная волна достигает границы между двумя материалами, часть ее передается, часть поглощается, а часть отражается. Импедансы двух материалов определяют, сколько каждого из них встречается .
Уравнение формы волны Фридлендера описывает давление взрывной волны как функцию времени:
где P s — пиковое давление, а t* — время, в которое давление впервые пересекает горизонтальную ось (до отрицательной фазы).
Взрывные волны будут окутывать предметы и здания. [13] Таким образом, люди или объекты позади большого здания не обязательно защищены от взрыва, который начинается на противоположной стороне здания. Ученые используют сложные математические модели, чтобы предсказать, как объекты отреагируют на взрыв, чтобы спроектировать эффективные барьеры и более безопасные здания. [14]
Формирование ствола Маха происходит, когда взрывная волна отражается от земли, и отражение догоняет первоначальный фронт ударной волны, создавая таким образом зону высокого давления, которая простирается от земли до определенной точки, называемой тройной точкой на краю взрывной волны. . Все, что находится в этой области, испытывает пиковое давление, которое может в несколько раз превышать пиковое давление исходного фронта ударной волны.
В физике интерференция — это встреча двух коррелированных волн и увеличение или уменьшение суммарной амплитуды, в зависимости от того, является ли это конструктивной или деструктивной интерференцией. Если гребень волны встречается с гребнем другой волны в той же точке, то гребни конструктивно интерферируют, и результирующая амплитуда гребня волны увеличивается; образуя гораздо более мощную волну, чем любая из начальных волн. Аналогично две впадины образуют впадину увеличенной амплитуды. Если гребень волны встречает впадину другой волны, они деструктивно интерферируют, и общая амплитуда уменьшается; таким образом создавая волну, которая намного меньше любой из родительских волн.
Формирование стержня Маха является одним из примеров конструктивного взаимодействия. Всякий раз, когда взрывная волна отражается от поверхности, например, от стены здания или внутри транспортного средства, различные отраженные волны могут взаимодействовать друг с другом, вызывая увеличение давления в определенной точке (конструктивная интерференция) или уменьшение (деструктивная интерференция). ). В этом смысле взаимодействие взрывных волн аналогично взаимодействию звуковых волн или волн воды.
Взрывные волны наносят ущерб в результате сочетания значительного сжатия воздуха перед волной (образуя ударный фронт ) и последующего ветра. [15] Взрывная волна распространяется быстрее скорости звука, и прохождение ударной волны обычно длится всего несколько миллисекунд. Как и другие виды взрывов, взрывная волна может также причинять вред вещам и людям порывом ветра, обломками и пожарами. Первоначальный взрыв разлетит фрагменты, которые будут лететь очень быстро. Взрывная волна может подхватить обломки, а иногда и людей, что приведет к еще большим травмам, таким как проникающие ранения, пронзения и переломы костей. Взрывной ветер — это область низкого давления, которая заставляет обломки и фрагменты устремляться обратно к местам первоначального взрыва. Взрывная волна также может вызвать пожары или вторичные взрывы из-за сочетания высоких температур, возникающих в результате детонации, и физического разрушения объектов, содержащих топливо.
В ответ на запрос британского комитета MAUD Дж. И. Тейлор оценил количество энергии, которое выделится при взрыве атомной бомбы в воздухе. Он постулировал, что для идеализированного точечного источника энергии пространственное распределение переменных потока будет иметь одинаковую форму в течение заданного интервала времени, причем переменные различаются только масштабом. (Отсюда и название «решения подобия».) Эта гипотеза позволила преобразовать уравнения в частных производных в терминах r (радиус взрывной волны) и t (время) в обыкновенное дифференциальное уравнение в терминах переменной подобия ,
где плотность воздуха и энергия, выделяющаяся при взрыве. [16] [17] [18] Этот результат позволил Г.И. Тейлору оценить мощность первого атомного взрыва в Нью-Мексико в 1945 году, используя только фотографии взрыва, которые были опубликованы в газетах и журналах. [9] Мощность взрыва определялась по уравнению: ,
где – безразмерная константа, зависящая от отношения удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении к удельной теплоемкости воздуха при постоянном объеме. На значение C также влияют радиационные потери, но для воздуха значения C 1,00–1,10 обычно дают приемлемые результаты. В 1950 году Г.И. Тейлор опубликовал две статьи, в которых раскрыл мощность E первого атомного взрыва, [4] [5] , которая ранее была засекречена и публикация которой поэтому вызвала споры. [ нужна цитата ]
Хотя ядерные взрывы являются одними из наиболее ярких примеров разрушительной силы взрывных волн, взрывные волны, образующиеся при взрыве обычных бомб и другого оружия, изготовленного из взрывчатых веществ, использовались в качестве оружия войны из-за их эффективности в создании политравм. Во время Второй мировой войны и участия США во Вьетнамской войне взрыв легких был распространенной и часто смертельной травмой. Улучшения в транспортных средствах и средствах индивидуальной защиты помогли снизить заболеваемость взрывом легких. Однако, поскольку солдаты лучше защищены от проникающих ранений и выживают при ранее смертельных воздействиях, травмы конечностей, глаз и ушей, а также черепно-мозговые травмы стали более распространенными.
Поведение конструкции во время взрыва полностью зависит от материалов, использованных при строительстве здания. При попадании в фасад здания фронт ударной волны от взрыва мгновенно отражается. Это воздействие на конструкцию придает импульс внешним компонентам здания. Соответствующая кинетическая энергия движущихся компонентов должна быть поглощена или рассеяна, чтобы они выжили. Обычно это достигается путем преобразования кинетической энергии движущегося компонента в энергию деформации сопротивляющихся элементов. [19]
Обычно сопротивляющиеся элементы, такие как окна, фасады зданий и опорные колонны, выходят из строя, что приводит к частичному повреждению и постепенному обрушению здания.
Так называемое решение Седова-Тейлора стало полезным в астрофизике . Например, его можно применять для количественной оценки последствий взрывов сверхновых . Расширение Седова-Тейлора также известно как фаза «взрывной волны», которая представляет собой фазу адиабатического расширения в жизненном цикле сверхновой. Температура материала в оболочке сверхновой со временем уменьшается, но внутренняя энергия материала всегда составляет 72% от E 0 , начальной выделившейся энергии. Это полезно для астрофизиков, заинтересованных в предсказании поведения остатков сверхновых.
Взрывные волны генерируются в исследовательских средах с использованием ударных труб, приводимых в действие взрывчатыми веществами или сжатым газом , с целью воссоздать обстановку военного конфликта, чтобы лучше понять физику взрывов и травм, которые могут возникнуть, а также разработать лучшую защиту от воздействия взрывной волны. [20] Взрывные волны направляются на конструкции (например, транспортные средства), [21] материалы и биологические образцы [22] или их суррогаты. Высокоскоростные датчики давления и/или высокоскоростные камеры часто используются для количественной оценки реакции на воздействие взрывной волны. Антропоморфные испытательные устройства (АТД или испытательные манекены ), первоначально разработанные для автомобильной промышленности, используются, иногда с дополнительными приборами, для оценки реакции человека на взрывные события. Например, с помощью этих ATD моделируется персонал транспортных средств и персонал групп по разминированию. [23]
В сочетании с экспериментами созданы сложные математические модели взаимодействия взрывных волн с неживыми и биологическими структурами. [24] Проверенные модели полезны для экспериментов «что если» – прогнозирования результатов для различных сценариев. В зависимости от моделируемой системы может быть сложно получить точные входные параметры (например, свойства материала, чувствительного к скорости взрыва, при скорости взрыва). Отсутствие экспериментальной проверки серьезно ограничивает полезность любой численной модели.
