Лекция 10. Аварии на взрывоопасных опасных объектах (стр. 3 )

3.        Ударная  волна  и  характеризующие  ее  параметры   3.1. 3.1. Общая характеристика ударной волны.

Энергия, выделяющаяся при взрыве, приводит к возникновению и распространению в окружающей среде очень узкой зоны сжатия-разрежения. В пределах этой зоны, распространяющейся со сверхзвуковой скоростью, протекают физические процессы, называемые ударной волной. Существо этих процессов состоит в скачкообразном изменении всех параметров среды (давления, температуры, плотности).

Передняя  граница зоны сжатия называется фронтом ударной волны. Форма фронта ударной волны в однородной среде, например в воздухе, представляет собой сферу и не зависит от формы взорвавшегося заряда. Ударная волна имеет 2 основных отличия от звуковой волны:

-параметры среды в ней (давление, температура, плотность) изменяются практически скачком;

-скорость ее распространения превышает скорость звука в невозмущенной среде.

Основными параметрами  ударной волны являются (1) давление,  (2) удельный импульс, (3)скоростной напор.

(1)Давление  является основным параметром, определяющим поражающее действие ударной волны.  На рисунке 1 показано изменение во времени давления в некоторой точке при прохождении через нее воздушной ударной волны (ВУВ).

Рисунок 1. Изменение давления в некоторой точке пространства  при  прохождении через нее  ударной волны.

До прихода волны давление в точке определялось атмосферным давлением P0.  В момент прихода фронта волны за очень короткий промежуток времени, практически мгновенно (скачком), давление возрастает на величину ∆Pф.  После скачка давление начинает падать и через промежуток времени ф+  достигает величины P0. (атмосферное давление). Дальнейшее снижение давления приводит к образованию в рассматриваемой точке разрежения с амплитудой ∆P-  , после чего рост давления возобновляется и оно снова достигает величины P0. Период ф+  называется фазой сжатия, а ф - - фазой разрежения. Колебания давления в рассматриваемой точке продолжаются и дальше, однако при оценке последствий взрывов их не принимают во внимание вследствие незначительности амплитуды.

По мере удаления от места взрыва происходит постепенное “затухание” ударной волны. При этом уменьшаются амплитуды ∆Pф и ∆P, крутизна скачка и крутизна спада давления, увеличиваются интервалы ф+  и ф - , уменьшается скорость распространения  ударной волны и она постепенно трансформируется в звуковую. Скорость “затухания” ударной волны зависит от состояния среды, в которой эта волна распространяется, и от расстояния до места взрыва. 

(2)Удельный импульс I является важной характеристикой ударной волны, во многом определяющей ее воздействие, например, на здания и сооружения.  Удельный импульс характеризует суммарное воздействие избыточного давления на площадку единичного размера за время ф+ . Он числено равен площади под кривой избыточного давления на рисунке 1. 

  При встрече ударной волны с препятствием, например со стеной здания, давление вблизи от отражающей поверхности препятствия возрастает в несколько раз. Степень роста амплитуды зависит от угла наклона отражающей поверхности к направлению распространения ударной волны и от состояния среды  у отражающей поверхности.

(3)Давление скоростного напора PСК  также характеризует  поражающее действие ударной волны.  Скоростной напор возникает вследствие того, что частички воздуха во всех точках фронта ударной волны совершают резкое смещение по направлению от центра взрыва, а затем в обратную сторону.  Тело, находящееся на пути смещения частиц воздуха, испытывает силовое воздействие, представляющее собой векторную величину.  Направление вектора силового воздействия на тело  совпадает с направлением распространения ударной волны, а его длина - пропорциональна площади проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению вектора.

Скоростной напор вызывает отбрасывание предметов, оказавшихся на пути распространения ударной волны, т. е. оказывает на них метательное воздействие.  В результате метательного воздействия незакрепленные предметы, а также люди могут быть отброшены на расстояние в несколько метров и вследствие этого получить повреждения и травмы по своей тяжести соизмеримые с последствиями воздействия давления ВУВ (воздушной ударной волны)

Скоростной напор ВУВ приводит также к разрушению (сламыванию) сооружений, имеющих значительную протяженность по сравнению с поперечным сечением (столбы электропередач, заводские трубы, опоры и т. п.)

Помимо перечисленных ОСНОВНЫХ параметров ударной волны (давление, удельный импульс, скоростной напор) имеются и другие её параметры, определяющие ее поражающее действие.  Зако­ны изменения во времени других параметров, характеризующих ударную волну (например температуры или плотности среды), качественно аналогичны измене­нию давления.  Для скоростного напора Pск, возникающего за счет переме­щения частиц среды, период ф+ ск  несколько больше, чем ф+  вследствие инерционности этих частиц.

Изменение других параметров среды  в распространяющейся ударной волне также может привести к опасным последствиям, например пожарам или детонации взрывчатых веществ. Характер изменения значений этих параметров во времени аналогичен приведенной на рисунке 1 зависимости. Основные отличия связаны со скоростью спада максимального амплитудного значения параметра,  т. е. показателя ф+. Так например, для скоростного напора показатель ф+ СК может превышать аналогичный показатель для давления ф+  в 2.5 раза.

3.2.        Ударная волна при взрыве конденсированных ВВ.

Взрывы большинства конденсированных веществ протекают в режиме детонации. Условно все пространство вокруг места взрыва можно разделить на 3 зоны: (1)зону детонации, (2)зону действия продуктов детонации и (3)зону действия ударной волны.

(1)При взрыве детонационная волна распространяется внутри вещества с очень большой скоростью.  Из-за малого времени процесса детонации (~10-5с) продукты взрыва не успевают разлететься и образуют зону детонации, представляющую собой облако газа сферической формы  с высокой температурой 2000-4000оК и давлением до 10 ГПа (100 000 кгс/см2). Размеры этого облака или этой зоны составляют несколько характерных размеров заряда и не зависят от его формы или от вида и состояния окружающей среды.

(2)В зоне за пределами этого облака поражающее действие взрыва определяется действием расширяющихся продуктов детонации и по-прежнему настолько велико, что вызывает безусловно тяжелые последствия. При взрыве на открытом воздухе радиус зоны действия продуктов детонации относительно невелик и составляет около 15 средних радиусов заряда. Если же взрыв происходит в ограниченном пространстве (например в тоннеле), форма этой зоны видоизменяется и ее размеры могу достигать значительной величины, а  расширяющиеся газы усиливают метательное действие взрыва, что особенно заметно при взрывах зарядов относительно малой мощности (например 1 кг тротила).

(3)На больших расстояниях от места взрыва на параметры среды продукты детонации уже не оказывают влияния и их значения определяются действием ударной волны и ее затуханием в зависимости от расстояния до места взрыва. Именно эта зона - зона действия ударной волны представляет практический интерес с точки зрения анализа влияния взрыва на степень разрушения зданий сооружений, технику и людей.

Поскольку скорость детонации очень велика, а масса воздуха, вовлекаемая  в движение  ударной волной, намного превосходит массу заряда, в ходе этого анализа для взрывов на открытом воздухе можно условно принять следующие допущения:  - при взрыве конденсированного ВВ энергия выделяется в точке;  - на всем расстоянии от точки взрыва до точки анализа его последствий действует одна и та же зависимость между параметрами ударной волны и удалением от места взрыва.

3.3.        Ударная волна при взрыве газовоздушных смесей.

Взрыву газовоздушных смесей всегда предшествует образование обла­ка, в котором горючий компонент присутствует в смеси с окислителем (как правило с кислородом воздуха) в определенном диапазоне концентра­ций.  Инициирование взрыва этого облака может осуществляться различными способами, после чего взрывная волна распространяется в пределах обла­ка с огромной скоростью, доходящей до тысячи  м/с.

Динамика процесса взрывного горения газовой смеси в пределах об­лака и значения параметров, характеризующих ударную волну за его пре­делами, зависят от физико - химических свойств смеси, формы и объема облака на момент взрыва,  от места инициирования взрыва (у центра  или  края облака).  Наиболее тяжелыми последствиями сопровождаются взрывные  процессы при центральном  инициировании  в  смесях  стехиометрического  состава.  Параметры распространения детонационной волны в пределах облака существенно не меняются.  При выходе за пределы облака продукты детона­ции возбуждают сферическую воздушную ударную волну.  На рисунке 2 по­казано изменение амплитуды давления при взрыве газовоздушной смеси внутри облака и за его пределами.  (Радиус газового облака обозначается размером rо).  Для  характеристики ударной волны при взрыве газовоздушных смесей используются параметры по своему физическому содержанию аналогичные параметрам ударной волны при взрыве конденсированных ВВ.

Рисунок 2. Изменение давления  при взрыве газовоздушной смеси.

3.4.        Ударная волна ядерного взрыва.

Основные параметры, характеризующие ударную волну ЯВ, для заряда мощностью 30 Кт приведены в таблице 1.

  Таблица 1. Параметры ударной волны ЯВ мощностью 30 Кт