stringtranslate.com

Ударная трубка

Для пиротехнического инициатора см. Ударная трубка-детонатор.
Испытательная установка с ударной трубкой в ​​Университете Оттавы , Канада.
Студент убирает остатки использованной алюминиевой фольги.
Идеализированная ударная трубка. На графике показаны различные волны, которые образуются в трубке после разрыва диафрагмы.

Ударная труба — это инструмент, используемый для воспроизведения и направления взрывных волн на датчик или модель для имитации реальных взрывов и их последствий, обычно в меньших масштабах. Ударные трубы (и связанные с ними импульсные установки, такие как ударные туннели, расширительные трубы и расширительные туннели) также могут использоваться для изучения аэродинамического потока в широком диапазоне температур и давлений, которые трудно получить в других типах испытательных установок. Ударные трубы также используются для исследования явлений сжимаемого потока и реакций горения газовой фазы . В последнее время ударные трубы использовались в биомедицинских исследованиях для изучения того, как биологические образцы подвергаются воздействию взрывных волн. [1] [2]

Ударная волна внутри ударной трубы может быть создана небольшим взрывом (под действием взрывной силы) или нарастанием высокого давления, которое приводит к разрыву диафрагмы(диафрагм) и распространению ударной волны по ударной трубе (под действием сжатого газа).

История

Раннее исследование ударных труб, работающих под действием сжатия, было опубликовано в 1899 году французским ученым Полем Вьейлем , хотя аппарат не назывался ударной трубой до 1940-х годов. [3] В 1930-х годах он был заново открыт WH Payman и WCF Shepherd из Английского совета по исследованиям в области безопасности в шахтах с целью изучения подземных взрывов метана, но сам термин не был придуман до публикации Bleakney et al. в 1949 году. [4] [5]

В 1940-х годах интерес возродился, и ударные трубы стали все чаще использоваться для изучения потока быстро движущихся газов над объектами, химии и физической динамики реакций горения газовой фазы. Современная версия ударной трубы была разработана во время Второй мировой войны в Принстонском университете группой под руководством Уокера Бликни [6] , который опубликовал обзоры своих исследований в 1946 и 1949 годах.

В 1966 году Дафф и Блэквелл [7] описали тип ударной трубы, приводимой в действие взрывчатыми веществами. Они имели диаметр от 0,6 до 2 м и длину от 3 до 15 м. Сами трубы были изготовлены из недорогих материалов и создавали ударные волны с пиковым динамическим давлением от 7 МПа до 200 МПа и длительностью от нескольких сотен микросекунд до нескольких миллисекунд.

В настоящее время как для научных, так и для военных целей используются ударные трубы, работающие как на сжатом, так и на взрывном воздействии. Ударные трубы, работающие на сжатом газе, легче получить и поддерживать в лабораторных условиях; однако форма волны давления отличается от взрывной волны в некоторых важных отношениях и может не подходить для некоторых применений. Ударные трубы, работающие на взрывном воздействии, генерируют волны давления, которые более реалистичны для взрывных волн в свободном поле. Однако для работы с взрывчатыми веществами требуются помещения и опытный персонал. Кроме того, в дополнение к начальной волне давления, следует реактивный эффект, вызванный расширением сжатых газов (компрессионный) или образованием быстро расширяющихся газов (взрывной воздействии), который может передавать импульс образцу после прохождения взрывной волны. Совсем недавно были разработаны лабораторные ударные трубы, работающие на топливно-воздушных смесях, которые производят реалистичные взрывные волны и могут эксплуатироваться в более обычных лабораторных условиях. [8] Поскольку молярный объем газа намного меньше, реактивный эффект составляет лишь часть от такового для ударных труб, работающих на сжатом газе. На сегодняшний день меньшие размеры и более низкие пиковые давления, создаваемые этими ударными трубками, делают их наиболее полезными для предварительных неразрушающих испытаний материалов, проверки измерительного оборудования, такого как высокоскоростные датчики давления, а также для биомедицинских исследований и военных целей.

Операция

Алюминиевая фольга используется в качестве диафрагмы между сегментами ударной трубы.

Простая ударная трубка — это трубка прямоугольного или круглого сечения, обычно изготовленная из металла, в которой газ при низком давлении и газ при высоком давлении разделены с помощью некоторой формы диафрагмы . См., например, тексты Солоухина, Гейдона и Херла, а также Брэдли. [9] [10] [11] Диафрагма внезапно разрывается при заданных условиях, создавая волну, распространяющуюся через секцию низкого давления. Удар, который в конечном итоге образуется, увеличивает температуру и давление испытательного газа и вызывает поток в направлении ударной волны. Наблюдения можно проводить в потоке за падающим фронтом или использовать преимущества более длительного времени испытания и значительно повышенных давлений и температур за отраженной волной.

Газ низкого давления, называемый ведомым газом, подвергается воздействию ударной волны. Газ высокого давления известен как движущий газ. Соответствующие секции трубки также называются движущей и ведомой секциями. Движущий газ обычно выбирается с низкой молекулярной массой (например, гелий или водород ) из соображений безопасности, с высокой скоростью звука , но может быть слегка разбавлен для «индивидуализации» условий интерфейса через ударную волну. Для получения самых сильных ударных волн давление движущегося газа значительно ниже атмосферного давления ( перед детонацией в ведомой секции создается частичный вакуум ).

Тест начинается с разрыва диафрагмы. [12] Для разрыва диафрагмы обычно используются несколько методов.

Разрывающаяся диафрагма производит серию волн давления , каждая из которых увеличивает скорость звука позади себя, так что они сжимаются в ударную волну, распространяющуюся через ведомый газ. Эта ударная волна увеличивает температуру и давление ведомого газа и вызывает поток в направлении ударной волны, но с меньшей скоростью, чем у ведущей волны. Одновременно волна разрежения , часто называемая волной Прандтля-Майера, движется обратно в движущий газ.

Интерфейс, на котором происходит ограниченная степень смешивания, разделяет ведомый и движущий газы, называется контактной поверхностью и следует с меньшей скоростью за ведущей волной.

«Химическая ударная трубка» включает разделение движущих и ведомых газов парой диафрагм, разработанных для выхода из строя после заранее определенных задержек с конечным «сливным баком» значительно увеличенного сечения. Это позволяет чрезвычайно быстро снизить (закалить) температуру нагретых газов.

Приложения

В дополнение к измерениям скоростей химической кинетики ударные трубки использовались для измерения энергий диссоциации и скоростей молекулярной релаксации [14] [15] [16] [17] они использовались в аэродинамических испытаниях. Поток жидкости в движущемся газе может использоваться во многом как аэродинамическая труба , допуская более высокие температуры и давления в ней [18] воспроизводя условия в турбинных секциях реактивных двигателей . Однако время испытаний ограничено несколькими миллисекундами либо из-за прибытия контактной поверхности, либо из-за отраженной ударной волны.

Они были далее усовершенствованы в ударные туннели с добавленным соплом и сливным баком. Полученный высокотемпературный гиперзвуковой поток может быть использован для имитации атмосферного возвращения космического корабля или гиперзвукового корабля, опять же с ограниченным временем тестирования. [19]

Ударные трубы были разработаны в широком диапазоне размеров. Размер и способ создания ударной волны определяют пик и продолжительность волны давления, которую она производит. Таким образом, ударные трубы могут использоваться в качестве инструмента, используемого как для создания, так и для направления взрывных волн на датчик или объект, чтобы имитировать реальные взрывы и ущерб, который они наносят в меньших масштабах, при условии, что такие взрывы не связаны с повышенными температурами и осколками или летящими обломками. Результаты экспериментов с ударными трубами могут быть использованы для разработки и проверки численной модели реакции материала или объекта на внешнюю взрывную волну без осколков или летящих обломков. Ударные трубы могут быть использованы для экспериментального определения того, какие материалы и конструкции лучше всего подходят для работы по ослаблению внешних взрывных волн без осколков или летящих обломков. Затем результаты могут быть включены в проекты для защиты конструкций и людей, которые могут подвергнуться воздействию внешней взрывной волны без осколков или летящих обломков. Ударные трубы также используются в биомедицинских исследованиях для выяснения того, как биологические ткани подвергаются воздействию взрывных волн.

Существуют альтернативы классической ударной трубке: для лабораторных экспериментов при очень высоком давлении ударные волны можно также создавать с помощью высокоинтенсивных короткоимпульсных лазеров. [20] [21] [22] [23]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Чернак, Иболья (2010). «Значение системного ответа в патобиологии нейротравмы, вызванной взрывом». Frontiers in Neurology . 1 : 151. doi : 10.3389/fneur.2010.00151 . PMC  3009449. PMID  21206523 .
  2. ^ Чавко, Микулаш; Коллер, Уэйн А.; Прусачик, В. Кит; Маккаррон, Ричард М. (2007). «Измерение взрывной волны миниатюрным волоконно-оптическим датчиком давления в мозге крысы». Журнал методов нейронауки . 159 (2): 277–281. doi :10.1016/j.jneumeth.2006.07.018. PMID  16949675. S2CID  40961004.
  3. ^ Хеншолл, Б.Д. Некоторые аспекты использования ударных труб в аэродинамических исследованиях. Отчеты и меморандумы Совета по аэронавтике. R&M № 3044, Лондон, Канцелярия Ее Величества, 1957.
  4. ^ Крель, Питер OK (24 сентября 2008 г.). История ударных волн, взрывов и ударов: хронологическая и биографическая справка. Springer. ISBN 978-3-540-30421-0.
  5. ^ Bleakney, Walker; Taub, AH (1 октября 1949). «Взаимодействие ударных волн». Reviews of Modern Physics . 21 (4): 584–605. doi :10.1103/RevModPhys.21.584.
  6. ^ Эмрих, Р. Дж. (1 мая 1996 г.). «Уокер Бликни и разработка ударной трубы в Принстоне». Shock Waves . 5 (6): 327–339. doi :10.1007/BF02434008. ISSN  1432-2153. S2CID  120610589.
  7. ^ Дафф, Рассел Э.; Блэквелл, Арлин Н. (1966). «Взрывоуправляемые ударные трубы». Обзор научных приборов . 37 (5): 579–586. Bibcode :1966RScI...37..579D. doi : 10.1063/1.1720256 .
  8. ^ Кортни, Эми С.; Андрусив, Любовь П.; Кортни, Майкл В. (2012). «Лабораторные ударные трубки с кислородно-ацетиленовым приводом для изучения эффектов взрывной волны». Обзор научных приборов . 83 (4): 045111–045111–7. arXiv : 1105.4670 . Bibcode :2012RScI...83d5111C. doi :10.1063/1.3702803. PMID  22559580. S2CID  205170036.
  9. ^ Солоухин, Р.И., Ударные волны и детонация в газах , Mono Books, Балтимор, 1966.
  10. ^ Гейдон, А.Г. и Херл, И.Р., Ударная трубка в высокотемпературной химической физике , Chapman and Hall, Лондон, 1963.
  11. ^ Брэдли, Дж., Ударные волны в химии и физике , Chapman and Hall, Лондон, 1962.
  12. ^ Солоухин, Р.И., Ударные волны и детонация в газах, Mono Books, Балтимор, 1966.
  13. ^ Брэдли, Дж., Ударные волны в химии и физике, Chapman and Hall, Лондон, 1962.
  14. ^ Штрелов, 1967, Иллинойсский университет, кафедра аэронавтики и астронавтики, AAE Rept.76-2.
  15. ^ Неттлтон, 1977, Comb.and Flame, 28,3. и 2000, Shock Waves, 12,3.
  16. ^ Chrystie, Robin; Nasir, Ehson F.; Farooq, Aamir (2014-12-01). «Сверхбыстрое и не требующее калибровки измерение температуры в режиме внутриимпульса» (PDF) . Optics Letters . 39 (23): 6620–6623. Bibcode :2014OptL...39.6620C. doi :10.1364/OL.39.006620. hdl : 10754/347273 . PMID  25490636.
  17. ^ Гельфанд; Фролов; Неттлтон (1991). «Газовые детонации — выборочный обзор». Prog. Energy Comb. Sci . 17 (4): 327. doi :10.1016/0360-1285(91)90007-A.
  18. ^ Липманн, Х. В. и Рошко, А. , 1957, «Элементы газовой динамики», Dover Publications. ISBN 0-486-41963-0 
  19. ^ Андерсон, Дж. Д. , 1989, «Гиперзвуковая и высокотемпературная газовая динамика», AIAA. ISBN 1-56347-459-X 
  20. ^ Veeser, LR; Solem, JC (1978). «Исследования лазерно-управляемых ударных волн в алюминии». Physical Review Letters . 40 (21): 1391. Bibcode : 1978PhRvL..40.1391V. doi : 10.1103/PhysRevLett.40.1391.
  21. ^ Солем, Дж. К.; Визер, Л. Р. (1978). «Исследования ударных волн с использованием лазера». Труды симпозиума по поведению плотных сред под высоким динамическим давлением : 463–476. Отчет Лос-Аламосской научной лаборатории LA-UR-78-1039.
  22. ^ Veeser, LR; Solem, JC; Lieber, AJ (1979). «Эксперименты по согласованию импеданса с использованием ударных волн, возбуждаемых лазером». Applied Physics Letters . 35 (10): 761–763. Bibcode : 1979ApPhL..35..761V. doi : 10.1063/1.90961.
  23. ^ Veeser, L.; Lieber, A.; Solem, JC (1979). "Исследования ударной волны с помощью плоской стрик-камеры, управляемой лазером". Труды Международной конференции по лазерам '79 . 80 . Орландо, Флорида, 17 декабря 1979 г. LA-UR-79-3509; CONF-791220-3. (Лос-Аламосская научная лаборатория, Нью-Мексико): 45. Bibcode : 1979STIN...8024618V. OSTI  5806611.{{cite journal}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Ударная трубка» .