Ударные и детонационные волны

 

 

Реферат на тему:

Ударные и детонационные волны

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ударная волна

Ударная волна  -  распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и температуры вещества. К наиболее характерным случаям относятся ударные волны, возникающие при взрывах, полёте тел со сверхзвуковой скоростью, в фокусе лазерного луча и т. д. Ударная волна при взрыве может поражать людей и животных, разрушать сооружения, уничтожать и повреждать боевую технику. Ударная волна ядерного взрыва — один из основных поражающих факторов ядерного оружия.

Ударная волна — это волна сжатия в нереакционноспособной смеси.

Если источник движется со скоростью меньше, чем скорость звука, то ударная волна не образуется(например ,объект, который движется со скоростью звука самолёт).

Ударные волны в воде носят название гидравлического удара. С этим явлением пришлось столкнуться при устройстве первых водопроводов: первоначально водопроводные задвижки перекрывали воду слишком быстро. Резкое прекращение тока воды вызывало ударную волну (гидравлический удар), распространявшуюся в трубе водопровода и часто вызывавшую разрыв такой трубы. Для решения этой проблемы в России был привлечен Жуковский, и она была успешно решена (1899). Ударные волны существуют и на поверхности воды: при открывании ворот шлюзов, при «запирании» течения реки (бора).

Ударные волны могут возникать и из первоначально непрерывных течений. Любая достаточно интенсивная волна сжатия порождает ударную волну из-за того, что в этих волнах задние частицы движутся быстрее впереди бегущих (нелинейное укручение фронта волны).

Ударные волны являются частью детонационных волн, волн конденсации (хорошо известным примером этого явления служат шлейфы тумана, остающиеся за самолетом при пролете через участки атмосферы с повышенной влажностью), могут возникать при взаимодействии лазерного излучения с веществом (светодетонационные волны). Сход снежной лавины также может рассматриваться как ударная волна.

В твердых телах ударные волны возникают при высокоскоростном соударении тел, в астрофизических условиях – при взрывах звезд.

 

Общие макроскопические свойства ударных волн

 

1. Термодинамика ударных волн

С макроскопической точки зрения ударная волна представляет собой воображаемую поверхность, на которой термодинамические величины среды (которые, как правило, изменяются в пространстве непрерывно) испытывают устранимые особенности: конечные скачки. При переходе через фронт ударной волны меняются давление, температура, плотность вещества среды, а также скорость её движения относительно фронта ударной волны. Все эти величины изменяются не независимо, а связаны с одной-единственной характеристикой ударной волны, числом Маха.  Отношение скорости течения к скорости звука – важная характеристика течения и носит название числа Маха:

,

u – скорость газа, a – скорость звука. При сверхзвуковом течении число Маха больше единицы, при дозвуковом – меньше единицы, при течении со звуковой скоростью – равно единице.

Предложил название «число Маха» швейцарский ученый Якоб Аккерет в знак признания заслуг Э.Маха в области исследования сверхзвуковых течений.

 

Математическое уравнение, связывающее термодинамические величины до и после прохождения ударной волны, называется ударной адиабатой, или адиабатой Гюгонио.

Анализ адиабаты Гюгонио показывает, что давление, температура и скорость газа после прохождения скачка сжатия неограниченно возрастают при увеличении интенсивности скачка. В это же время плотность возрастает лишь в конечное число раз, сколь бы ни была велика интенсивность скачка. Количественно увеличение плотности зависит от молекулярных свойств среды, для воздуха максимальный рост 6 раз. При уменьшении амплитуды УВ она вырождается в слабый (звуковой) сигнал.

Ударные волны не обладают свойством аддитивности в том смысле, что термодинамическое состояние среды, возникающее после прохождения одной ударной волной нельзя получить последовательным пропусканием двух ударных волн меньшей интенсивности.

2. Происхождение ударных волн

Звук представляет собой колебания плотности среды, распространяющиеся в пространстве. Уравнение состояния обычных сред таково, что в области повышенного давления скорость звука (то есть скорость распространения возмущений) возрастает (то есть звук является нелинейной волной). Это неизбежно приводит к явлению опрокидывания решений, которые и порождают ударные волны.

В силу этого механизма, ударная волна в обычной среде — это всегда волна сжатия.

Описанный механизм предсказывает неизбежное превращение любой звуковой волны в слабую ударную волну. Однако в повседневных условиях для этого требуется слишком большое время, так что звуковая волна успевает затухнуть раньше, чем нелинейности становятся заметны. Для быстрого превращения колебания плотности в ударную волну требуются сильные начальные отклонения от равновесия. Этого можно добиться либо созданием звуковой волны очень большой громкости, либо механически, путём околозвукового движения объектов в среде. Именно поэтому ударные волны легко возникают при взрывах, при около- и сверхзвуковых движениях тел, при мощных электрических разрядах и т. д.

 

Микроскопическая структура ударной волны

Типичная ширина ударной волны в воздухе – 10–4 мм (порядка нескольких длин свободного пробега молекул). Малая толщина такой волны дает возможность во многих задачах считать ее поверхностью разрыва. Но в некоторых случаях имеет значение структура ударной волны. Для ударных волн достаточно большой интенсивности структура должна учитывать (последовательно) стадии установления термодинамического равновесия поступательных, вращательных, для молекулярных газов еще и колебательных степеней свободы, в определенных условиях – диссоциацию и рекомбинацию молекул, химические реакции, процессы с участием электронов (ионизацию, электронное возбуждение).

Скорость распространения ударной волны

Скорость распространения ударной волны в среде превышает скорость звука в данной среде. Превышение тем больше, чем выше интенсивность ударной волны (отношение давлений перед и за фронтом волны): (pуд.волны — pсп.среды)/ pсп.среды.

Например, недалеко от центра ядерного взрыва скорость распространения ударной волны во много раз выше скорости звука. При удалении с ослаблением ударной волны, скорость её быстро снижается и на большой дистанции ударная волна вырождается в звуковую (акустическую) волну, а скорость её распространения приближается к скорости звука в окружающей среде. Ударная волна в воздухе при ядерном взрыве мощностью 20 килотонн проходит дистанции: 1000 м за 1,4 с, 2000 м — 4 с, 3000 м — 7 с, 5000 м — 12 с. Поэтому у человека, увидевшего вспышку взрыва, есть какое-то время для укрытия (складки местности, канавы и пр.) и тем самым уменьшения поражающего воздействия ударной волны.

Ударные волны в специальных условиях

• Ударная волна, путём нагрева среды, может вызвать экзотермическую химическую реакцию, что, в свою очередь, отразится и на свойствах самой ударной волны. Такой комплекс «ударная волна + реакция горения» носит название волны детонации.

• В астрофизических объектах ударная волна может двигаться со скоростями, близкими к скорости света. В этом случае ударная адиабата модифицируется.

• Ударные волны в замагниченной плазме также обладают своими характерными особенностями. При переходе через разрыв, изменяется также и величина магнитного поля, на что тратится дополнительная энергия. Это влечёт за собой существование максимально возможного коэффициента сжатия плазмы при сколь угодно сильных ударных волнах.

• Касательные ударные волны представляют собой поверхность разрыва смешанного (нормального и тангенциального) типа.

 

 

 

 

 

Детонационная волна

ДЕТОНАЦИОННАЯ ВОЛНА - ударная волна, распространяющаяся по взрывчатому веществу со сверхзвуковой скоростью и сопровождающаяся экзотермической химической реакцией превращения взрывчатого вещества. Давление, которое создается при распространении детонационной волны, - сотни кПа (газообразные взрывчатые смеси) и тыс. МПа (жидкие и твердые взрывчатые вещества).

Детонационная волна - есть ударная волна + химическая реакция.

Детонационная волна распространяется в реакционной смеси.

Схема образования детонационной волны:

1 — 2 - Ударная волна;

2 — 3 - Зона химической реакции (детонационная  волна);

3 — 4 - Зона продуктов горения;

Lдв - Толщина детонационной волны (0,1-1 см);

Lув - Толщина ударной волны (10-4*Lдв).

 

      Если в результате взрыва в реакционной смеси образовалась ударная волна, то до того места, куда она дошла, смесь воспламенилась, температура повысилась, давление тоже, началась реакция.

 

 

Преддетонационная длина и преддетонационный период.

 

      Преддетонационная длина Ld— это расстояние, на котором нормальное распространение пламени переходит в детонационную волну.

 

      Преддетонационный период t время, за которое нормальное распространение пламени переходит в детонационную волну.

Механизм возникновения детонации.

 

      В следствии скачкообразного ускоренного движения “поршня” создалась мощная волна сжатия, т.е. каждая последующая волна возмущения догоняет предыдущую. Волна сжатия – это результат аккумуляции следующих друг за другом малых скачков. Ускорение каждой последующей волны происходит из-за того, что возмущение давлений (в следствии нагревания среды каждым предыдущим возмущением) увеличивает местную скорость звука:

.

 

    После начала движения фронта пламени перед ним по свежей смеси начинает распространяться слабая волна возмущения. В следствии турбулизации пламени и его скачкообразного ускорения появляется последовательные волны возмущения среды, которые, догоняя первую, складываются в мощную волну сжатия, воспламеняющую смесь и преобразующую волну сжатия в детонационную волну.

Dp — за счет флуктуации давления в продуктах сгорания.

До 10 000 импульсов Dp в секунду. Флуктуация догоняет фронт пламени. Волна сжатия переходит в ударную волну под действием флуктуации Dp. Вибрационное распространение пламени переходит под действием Dp в детонационную волну.

Скорость детонационной волны в тротиле составляет 7 км/с ,а в гексогене –около 9 км/с. Есть взрывчатые вещества со скоростью детонации 13 км/с . А скорость звука в веществах такого типа (точнее, скорость распространения продольных упругих колебаний) – порядка 3 км/с.

Как объяснить такие большие скорости распространения химических реакций? В газовых смесях возникает быстрое горение. При этом перенос температуры от горючей смеси к еще не воспламенившейся происходит за счет теплопроводности и за счет диффузий активных центров реакции – свободных радикалов. Скорости переноса частиц и температуры много меньше скорости звука , поэтому скорость горения в газах порядка 20 м/с, а скорость горения твердых смесей (порохов) порядка 100 м/с.

Большая скорость детонации объясняется другими причинами. Детонация- явление не только химическое, но в большей степени газодинамическое. Она объясняется распространением ударных волн. В ударной волне, где повышаются давление и температура, резко возрастает скорость химической реакции. Выделяющаяся при этом энергия (скорость движения частиц ) играет роль поршня ,сжимающего еще прореагировавшее вещество ударным ( а не обычным адиабатическим) способом. Таким образом детонационная волна сама себя поддерживает.

 

 

 

 

Список литературы

1.http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/58958/%D0%A3%D0%94%D0%90%D0%A0%D0%9D%D0%90%D0%AF

2. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М., «Наука», 1966 ; 
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М., «Наука», 1986

3.http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%B4%D0%B0%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B0

 Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: ГИ ТТЛ, 1950. — 165 с.

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика:Учебное пособие в 10 т. Т. VI Гидродинамика. Москва: Наука, 1986 с.494

 Ударная волна в Большой Советской Энциклопедии. Архивировано из первоисточника 3 февраля 2012. Проверено 11 сентября 2011.

• Ударная волна в воздухе. Архивировано из первоисточника 3 февраля 2012. Проверено 11 сентября 2011.

 

4. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc3p/117162 (Большой Энциклопедический словарь. 2000.)

5. http://www.chuvsu.ru/~victor/maison/lek7/lek7.html

6. Л. Белопухов. К 100-летию И.К. Кикоина. Ударные волны и детонация. №1 за 2008 год.