Что называется воздушной ударной волной

Ударная волна

Ударная волна – зона скачкообразного изменения параметров состояния газа: давления, температуры, плотности теплового потока и скорости движения. Воздушная ударная волна возникает в окружающем пространстве при ударном сжатии – взрыве конденсированных ВВ, газовом или физическом взрывах, атмосферных разрядах статического электричества, движении летательных аппаратов со сверхзвуковой скоростью и т.п. Сильные ударные волны, возникающие при детонации ВВ или газового разряда, распространяются в окружающем пространстве с большой скоростью, превышающей скорость звука. При этом фронт нарастания давления имеет крутой характер, и скачок параметров газа локализован в зоне шириной, не превышающей длину свободного пробега молекул. Слабые ударные волны, часто называемые «волнами сжатия», характерны для дефлаграционного взрыва. Они имеют более пологий фронт нарастания давления и заметную ширину зоны ударного сжатого газа.
К основным поражающим факторам воздушной ударной волны относятся избыточное давление во фронте ударной волны (Р, Па) и импульс фазы сжатия (i+, Па•с). Так, нижний порог поражения органов слуха человек (разрыв барабанной перепонки) составляет 34,5 кПа, разрушение массивных стен здания происходит при 100 кПа и более.

Для описания поражающего действия различных объектов воздушной ударной волной принято использовать диаграмму «давление – импульс». Эта диаграмма является границей опасной области и делит плоскость факторов поражения на 2 части: внутри – область поражения, вне – область устойчивости объекта. При приближении параметров воздушной ударной волны к границе опасной области вероятность заданного уровня поражения нарастает от 0 до 100%.

Угрозы технологической безопасности (технологическая угроза) – реальная возможность наступления опасного состояния в технологическом развитии страны, региона, отрасли или предприятия, грозящего причинением ущерба технологической базе, технологическому укладу и технологической независимости. Технологическая угроза обладает тем же набором характеристик, что и угроза техногенная.

Источник

Воздушная ударная волна

3.17 воздушная ударная волна: Ударная волна, образующаяся давлением сжато-разреженной массы воздуха, распространяющейся с большой скоростью в атмосфере.

Полезное

Смотреть что такое «Воздушная ударная волна» в других словарях:

ВОЗДУШНАЯ УДАРНАЯ ВОЛНА ВЗРЫВА — Распространяющийся с большой скоростью скачок давления в атмосфере сжато разреженной массы воздуха. Стандарт 26 ЦНИИ 2005 … Комплексное обеспечение безопасности и антитеррористической защищенности зданий и сооружений

воздушная волна лавины — Ударная волна, возникающая при падении пылевой лавины и приводящая к разрушениям вне зоны отложения основной массы лавинного снега. Syn.: лавинный ветер … Словарь по географии

Взрывная волна — порожденное взрывом движение среды. Под воздействием высокого давления газов, образовавшихся при взрыве, первоначально невозмущённая среда испытывает резкое сжатие и приобретает большую скорость. Состояние движения передаётся от одного… … Большая советская энциклопедия

Ядерный взрыв — … Википедия

Звуковое давление — не следует путать с давлением звукового излучения. Звуковое давление переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Единица измерения паскаль (Па). Мгновенное значение звукового… … Википедия

Операция «Перекрёстки» — Эту страницу предлагается переименовать в Операция «Перекрёсток». Пояснение причин и обсуждение на странице Википедия:К переименованию/7 декабря 2012. Возможно, её текущее название не соответствует нормам современного русского языка… … Википедия

ПОРАЖАЮЩИЕ ФАКТОРЫ ОБЫЧНЫХ СРЕДСТВ ПОРАЖЕНИЯ — Физические и химические процессы и явления, возникающие при действии обычных средств поражения и определяющие их поражающее воздействие на различные объекты. К поражающим факторам обычных средств поражения относятся: ударное воздействие… … Комплексное обеспечение безопасности и антитеррористической защищенности зданий и сооружений

СП 151.13330.2012: Инженерные изыскания для размещения, проектирования и строительства АЭС. Часть I. Инженерные изыскания для разработки предпроектной документации (выбор пункта и выбор площадки размещения АЭС) — Терминология СП 151.13330.2012: Инженерные изыскания для размещения, проектирования и строительства АЭС. Часть I. Инженерные изыскания для разработки предпроектной документации (выбор пункта и выбор площадки размещения АЭС): 3.48 MSK 64: 12… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Источник

Ударная волна в воздухе

Воздушная ударная волна представляет собой область резкого сжатия воздуха, распространяющуюся во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью. Источником возникновения воздушной ударной волны является высокое давление в центре взрыва, достигающее миллиардов атмосфер. Продукты взрыва стремятся расшириться и сжимают окружающие их слои воздуха. Эта уплотненная масса воздуха в свою очередь расширяется и передает давление соседним слоям. Так давление быстро передается от слоя к слою, образуя ударную волну в воздухе.

Передняя граница сжатого слоя воздуха, характеризующаяся резким увеличением давления, называется фронтомударной волны. Фронт ударной волны, быстро удаляясь от огненного шара, напоминает движущуюся стену сильно сжатого воздуха. Толщина слоя сжатого воздуха все время нарастает за счет вовлечения новых масс воздуха по мере увеличения радиуса действия ударной волны.

Наряду с быстрым движением фронта ударной волны происходит также перемещение частиц воздуха в сжатом слое в направлении pacпространения ударной волны. Воздух движется за фронтом ударной волны со сверхзвуковой скорости и представляет собой ураган огромной силы.

Направление и скорость движения воздуха за фронтом ударной волны изменяются. Когда фронт доходит до какой-либо точки на поверхности земли, в этой точке мгновенно скачком повышаются избыточное давление и температура и воздух начинает перемещаться в сторону движения ударной волны. В дальнейшем, по мере продвижения ударной волны, давление падает ниже атмосферного и воздух движется в обратную сторону. Следовательно, за зоной сжатия следует зона разрежения (рис. 3). Кроме изменения давления, изменяется также

Рис 3. Изменение давления по времени в какой-либо точке на поверхности земли при прохождении через нее ударной волны

температура. В зоне сжатия температура повышается, а в зоне разрежения—снижается. Однако изменение температуры и разрежение воздуха не имеют такого значения, как избыточное давление.

Характер действия ударной волны зависит от вида взрыва.

При воздушном ядерном взрыве образуется сферическая ударная волна, которая в ближней зоне, т. е. на расстоянии, меньшем высоты взрыва (R

В дальней зоне, т. е. на расстоянии, большем высоты взрыва (R>H), отраженная волна распространяется в воздухе, нагретом и сжатом при прохождении падающей волны. Поэтому скорость отраженной волны больше скорости волны падающей. В результате происходит сложение падающей и отраженной волн и образуется головнаяволна, давление в которой в 4—5 раз больше давления во фронте свободно распространяющейся сферической

Рис. 4 Распространение ударной волны при воздушном взрыве:

1—падающая волна 2—отраженная волна 3—головная волна

волны. Головная волна распространяется вдоль поверхности земли (см. рис. 4).

Область, где наблюдается образование и распространение головной ударной волны, называется дальней зоной, или зоной нерегулярного отражения.

Таким образом, поражающее действие ударной волны воздушного ядерного взрыва в ближней зоне определяется давлением отраженной волны, а в дальней зоне— давлением головной ударной волны.

При наземном ядерном взрыве ударная волна, имеющая форму непрерывно увеличивающегося полушария, распространяется параллельно поверхности земли (рис. 5) и не имеет столь сложной картины, как при воздушном взрыве.

Рис 5 Распространение ударной волны при наземном взрыве

Если провести границу на определенном расстоянии от центра наземного взрыва, то избыточное давление во фронте ударной волны на этом расстоянии будет таким же, как и при воздушном взрыве равной мощности. Ближе к центру наземного взрыва от этой границы избыточное давление будет большим, чем на том же расстоянии при воздушном взрыве. Дальше от этой границы избыточ­ное давление при наземном взрыве будет меньшим, чем при воздушном взрыве такой же мощности.

Таким образом, радиус поражения ударной волной наземного ядерного взрыва примерно на 20% меньше радиуса поражения при воздушном взрыве одинаковой мощности.

Основными параметрами, определяющими поражающее действие ударной волны, являются избыточное давление, скоростной напор воздуха и время действия избыточного давления (время действия фазы сжатия).

Поражающее действие ударной волны определяется главным образом избыточным давлением.

Избыточное давление (Арф)—это разность между атмосферным давлением перед фронтом волны и максимальным давлением во фронте ударной волны. Оно измеряется в кГ/см 2 или в н/м 2 (1 кн/м 2 =0,01 кГ/см 2 ).

Продолжительность действия избыточного давления (τ+) (время действия фазы сжатия) измеряется секундами. Чем продолжительнее действует ударная волна, тем сильнее ее поражающее действие. С увеличением мощности взрыва время действия фазы сжатия увеличивается.

Косвенным поражением называется поражение, наносимое человеку обломками зданий, деревьев и другими предметами, которые под действием скоростного напора воздуха начинают перемещаться.

При действии ударной волны у людей возникают переломы, повреждения внутренних органов, контузии, т. е. травмы различной тяжести, которые подразделяют на:

— легкие, возникающие при избыточном давлении 0,2— 0,4 кГ/см 2 и характеризующиеся ушибами, вывихами, временными повреждениями слуха, общей контузией;

— средние, появляющиеся при избыточном давлении 0,4—0,6. кГ/см 2 и характеризующиеся серьезными контузиями всего организма, повреждениями органов слуха, кровотечениями из носа и ушей, а также сильными вывихами конечностей;

— тяжелые, возникающие при избыточном давлении 0,6— 1,0 кГ/м 2 и характеризующиеся сильными контузиями всего организма, тяжелыми переломами конечностей и сильными кровотечениями из носа и ушей;

Радиусы поражения ударной волной ядерного взрыва и виды травм зависят от мощности взрыва.

При защите от ударной волны учитывают как непосредственные действия ударной волны, так и ее косвенные воздействия.

Для защиты от ударной волны необходимы подземные сооружения — убежища, рассчитанные на сопротивление воздействию ударной волны. При отсутствии убежищ используются построенные укрытия, а также подземные выработки, шахты, естественные укрытия и рельеф местности.

Защитные свойства местности зависят от размеров и характеристики расположения относительно взрыва элементов рельефа.

На скатах высот, обратных по отношению к центру взрыва, давление ударной волны уменьшается, а поэтому уменьшается и ее поражающее действие.

В среднем можно считать, что на обратных скатах высот, имеющих крутизну до 30°, давление ударной вол­ны снижается на 5—15%, а при крутизне более 30°—на 15—30%,

Защитные свойства канав, промоин, оврагов и лощин зависят от их расположения относительно распространения ударной волны, глубины и ширины. Канавы, промоины, овраги и лощины, вытянутые в направлении распространения ударной волны, усиливают ее поражающее действие. Если же такие формы рельефа расположены перпендикулярно направлению распространения ударной волны, то они значительно ослабляют ее поражающее действие. В этом случае на дне углубления давление может быть в 2—3 раза меньше, чем во фронте проходящей волны. Степень снижения давления тем выше, чем больше глубина и меньше ширина углубления.

Лучшую защиту обеспечивают крупные формы рельефа: возвышенности, лощины и овраги больших размеров. Однако и небольшие местные предметы, такие, как курганы, ямы, воронки, способны ослабить действия ударной

2. Воздействие воздушной ударной волны на здания и сооружения связано с величинами избыточного давления и скоростного напора воздуха, движущегося за фронтом ударной волны. Избыточное давление ударной волны и скоростной напор воздуха, воздействуя на сооружения, вызывают их разрушения.

Давление отражения можно рассчитать по формуле

где Δp _отр—давление отражения;

Δр_фо —избыточное давление во фронте ударной волны,

Рис. 6 Действие ударной волны на здани

По мере обтекания здания ударной волной давление отражения на переднюю его стену ослабляется.

Значения избыточного давления и скоростного напора воздуха при разрушении сооружений ударной волной могут быть различны в зависимости от конструкции сооружения, размеров и положения относительно направления распространения ударной волны.

Большие здания, имеющие значительную площадь стен, разрушаются главным образом под действием первоначального кратковременного удара, возникшего в результате отражения ударной волны. Это происходит потому, что для обтекания ударной волны требуется некоторое время, а это вызывает сравнительно длительное действие давления отражения ударной волны.

Из наземных зданий и сооружений наиболее устойчивы монолитные железобетонные сооружения, здания с металлическим каркасом и сооружения антисейсмической конструкции, которые разрушаются полностью при избыточном давлении ударной волны, равном 0,5—0,8 кГ/см 2

Рис. 8. Обтекание ударной волной преграды (вид в плане):

а) фронт достиг преграды, создается давление отражения и начинается обтекание; б) фронт прошел преграду и два потока движутся к тыльной стороне; в) фронт движется далее, за преградой образуется зона повышенного давления вследствие соударения двух потоков.

На разрушения зданий и сооружений влияет наличие в стенах проемов (окон, дверей), так как ударная волна, легко разрушая их, быстро проникает внутрь здания, а давление отражения ослабляется за счет действия избыточного давления изнутри.

Особенностью действия ударной волны является ее способность затекать внутрь убежищ, укрытий и других сооружений через отдушины, воздухозаборные трубы и производить там разрушения и поражать людей. При проникании ударной волны внутрь сооружения там быстро повышается давление, которое может стать причиной гибели людей. Во избежание этого в убежищах и укрытиях все отверстия заделываются, а воздухозаборные каналы снабжаются волногасительными устройствами.

Ударная волна быстро обтекает высокие сооружения с малой площадью (телеграфные столбы, заводские трубы, буровые вышки и другие сооружения) и поэтому они менее чувствительны к давлению отражения. Для этих сооружений разрушающее действие ударной волны определяется действием скоростного напора воздуха. Такие сооружения, рассчитанные на действие ветровой нагрузки, разрушаются под действием скоростного напора воздуха.

Нефтяные металлические вышки более устойчивы, чем промышленные здания. Они теряют устойчивость и опрокидываются при несколько большем давлении, разрушающем промышленные здания. Наиболее слабыми элементами вышек являются анкерные крепления на опорах, узловые соединения и тяжи.

Городские железобетонные и металлические мосты обладают значительной устойчивостью, так как, имея небольшую площадь, менее подвержены действию ско­ростного напора воздуха.

Здания теплоцентралей разрушаются при тех же значениях давлений ударной волны, как и многоэтажные кирпичные здания.

Доменные печи выходят из строя при давлении ударной волны, несколько большем, чем давление полного разрушения промышленных зданий. У доменных печей в первую очередь разрушаются воздуховоды, обстройка и загрузочная эстакада.

Сооружения, заглубленные в землю, меньше подвержены воздействию ударной волны, так как при своем движении ударная волна не встречает препятствий и не происходит увеличения давления при отражении ударной волны.

Подземные сети коммунального хозяйства города достаточно устойчивы к воздействию ударной волны. В первую очередь разрушаются вместе со зданиями домовые сети, а также повреждаются колодцы.

Убежища и укрытия, заглубленные в землю, могут выдерживать значительно большие давления ударной волны.

Здания и сооружения в зависимости от нагрузок, создаваемых ударной волной, могут получать разрушения различной степени.

А. Каменные, железобетонные и деревянные каркасные и бескаркасные жилые, административные и промышленные здания:

1. Полное разрушение характеризуется разрушением и обрушением всех или большей части стен, сильной деформацией или обрушением перекрытий. Из обломков образуется завал в пределах контура здания и вокруг него. Восстановление разрушенных зданий невозможно.

2. Сильное разрушение характеризуется разрушением части стен и перекрытий нижних этажей и подвалов, в результате чего повторное использование помещений невозможно или нецелесообразно.

3. Среднее разрушение характеризуется разрушением главным образом встроенных элементов: внутренних перегородок, дверей, окон и крыши; появлением трещин в стенах и обрушением чердачных перекрытий и отдельных участков верхних этажей. Подвалы сохраняются и пригодны для временного использования после разборки завалов над входами. Вокруг здания завалы не образуются, но отдельные обломки конструкций могут быть отброшены на значительные расстояния. Восстановление возможно в порядке капитального ремонта.

4. Слабое разрушение характеризуется разрушением оконных и дверных заполнений и легких перегородок, появлением трещин в стенах верхних этажей. Подвалы и нижние этажи сохраняются и пригодны для временного использования. Восстановление возможно в порядке капитального ремонта.

Б. Убежища и укрытия капитальных конструкций:

1. Полное разрушение характеризуется разрушением основных защитных конструкций, входов, защитных дверей и внутреннего оборудования. Восстановление и повторное использование совершенно невозможно.

2. Сильное разрушение характеризуется частичным разрушением основных защитных конструкций, входов, дверей и защитного оборудования. Восстановление и повторное использование невозможно.

3. Среднее разрушение характеризуется разрушением входов, смещением и деформацией основных конструктивных элементов. Повторное использование сооружения возможно после ремонта.

4. Слабое разрушение характеризуется частичным разрушением или завалом входов и повреждением несущих и ограждающих конструкций. Сооружение пригодно к повторному использованию после расчистки входов.

В. Противорадиационные укрытия, возводимые при угрозе нападения:

1. Полное разрушение характеризуется обрушением крутостей, завалом помещений грунтом и элементами перекрытия. Восстановление и дальнейшее использование сооружений невозможно.

2. Сильное разрушение характеризуется значительным обрушением крутостей и частичным завалом помещения. Повторное использование невозможно.

3. Среднее разрушение характеризуется частичным обрушением крутостей, разрушением входов, дверей и дверных коробок. Повторное использование сооружения возможно после ремонта.

4. Слабое разрушение характеризуется частичным разрушением входов и примыкающих к ним частей сооружения, незначительным смещением и деформацией покрытия. Сооружение пригодно к повторному использованию.

Г. Инженерные сети, линии электропередач и связи:

1. Полное разрушение характеризуется разрывом кабелей, разрушением трубопроводов, опор воздушных линий электропередач и связи на значительном участке.

2. Сильное разрушение характеризуется разрывом кабелей, частичным разрушением трубопроводов, опор воздушных линий передач и связи на отдельных участках.

3. Среднее разрушение характеризуется отдельными разрывами и деформацией кабелей и трубопроводов, деформацией и разрушением отдельных опор воздушных линий электропередач и связи.

4. Слабое разрушение характеризуется незначительной деформацией отдельных элементов сетей и линий.

Значения избыточного давления, вызывающие разрушения различной степени зданий и сооружений, приведены в табл. 1.

Объем разрушений в городе зависит от характера строений и их этажности, плотности застройки, так как в условиях городской застройки одни здания могут экранироваться другими, т. е. стоящие ближе к центру взрыва здания могут воспринимать на себя нагрузку от ударной волны и снижать ее действие на здания, находящиеся за ними. Однако эффект экранирования заметен только при плотности застройки 50%. В этом случае избыточное давление ударной волны на здания может быть на 20—40% меньше, чем на здания, стоящие на открытой местности на таком же расстоянии от центра взрыва.

При плотности же застройки менее 30% экранирующее действие зданий незначительно и не имеет практического значения.

Расстояния, на которых возможны избыточные давления во фронте ударной волны, приведены в табл. 4.

ПРИМЕЧАНИЕ. В числителе приведены расстояния для воздушного взрыва, в знаменателе — для наземного.

Источник

УДАРНАЯ ВОЛНА

УДАРНАЯ ВОЛНА – это распространяющийся по среде фронт резкого, почти мгновенного, изменения параметров среды: плотности, давления, температуры, скорости. Ударные волны называют также сильными разрывами или скачками. Причины возникновения ударных волн в газах – полеты со сверхзвуковыми скоростями (звуковой удар), истечения с большими скоростями через сопла, мощные взрывы, электрические разряды, интенсивное горение.

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.

Одним из примеров ударной волны является катастрофическое нарастание давки в охваченной паникой толпе, протискивающейся через узкий проход. Родственным явлением приходится затор в потоке транспорта. Ударные волны в газах были обнаружены в середине 19 в. в связи с развитием артиллерии, когда возросшая мощь артиллерийских орудий позволила метать снаряды со сверхзвуковой скоростью.

Введение понятия ударной волны приписывают немецкому ученому Бернхарду Риману (1876).

Условия на фронте ударной волны.

При переходе через ударную волну должны выполняться общих законов сохранения массы, импульса и энергии. Соответствующие условия на поверхности волны – непрерывность потока вещества, потока импульса и потока энергии:

(r – плотность, u – скорость, p – давление, h – энтальпия, теплосодержание) газа. Индексом «0» отмечены параметры газа перед ударной волной, индексом «1» – за ней. Эти условия носят название условий Ренкина – Гюгонио, поскольку первыми из опубликованных работ, где были сформулированы эти условия, считаются работы британского инженера Вильяма Ренкина (1870) и французского баллистика Пьера Анри Гюгонио (1889).

Условия Ренкина – Гюгонио позволяют получить давление и плотность за фронтом ударной волны в зависимости от начальных данных (интенсивности ударной волны и давления и плотности перед ней):

h – энтальпия газа (функция r и p). Эта зависимость носит название адиабаты Гюгонио, или ударной адиабаты (рис. 1).

Фиксируя на адиабате точку, соответствующую начальному состоянию перед ударной волной, получаем все возможные состояния за волной заданной интенсивности. Состояниям за скачками сжатия отвечают точки адиабаты, расположенные левее выбранной начальной точки, за скачками разрежения – правее.

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.

Из условий Ренкина – Гюгонио также можно получить уравнение прямой в плоскости , p

называемой прямой Рэлея – Михельсона. Угол наклона прямой определяется значением скорости газа перед ударной волной u₀, сечение адиабаты Гюгонио этой прямой дает параметры газа за фронтом ударной волны. Михельсон (в России) ввел это уравнение при исследовании воспламенения гремучих газовых смесей в 1890, работы британца лорда Рэлея по теории ударных волн относятся к 1910.

Скачки разрежения.

В воздухе наблюдаются только скачки уплотнения. В этом случае по отношению к среде перед ее фронтом ударной волны движется со скоростью, превышающей скорость звука в этой среде, по среде за ее фронтом волна движется с дозвуковой скоростью. Звуковые волны могут нагнать ударную волну сзади, сама же волна надвигается бесшумно. Привлечение законов термодинамики позволило теоретически обосновать это свойство ударных волн для сред с обычными термодинамическими свойствами (теорема Цемплена). Однако, в средах со специальными термодинамическими свойствами скачки разрежения возможны: известны скачки такого рода в средах с фазовыми переходами, например, пар – жидкость.

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. Такая задача представляет и теоретический интерес. Для слабых ударных волн хорошее согласие эксперимента и теории дает модель, учитывающая вязкость и теплопроводность среды. 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).

Контактные разрывы.

Ударные волны следует отличать от контактных разрывов, также являющихся поверхностями раздела сред с различными плотностями, температурами и, может быть, скоростями. Но, в отличие от ударных волн, через контактный разрыв нет протекания вещества и давление с обеих его сторон одинаково. Контактные разрывы называют также тангенциальными.

Распад произвольного разрыва.

Поверхность произвольного разрыва, разделяющая две области среды с заданными давлением, плотностью, скоростью, в последующие моменты времени в общем случае перестает существовать (распадается). В результате такого распада может возникнуть две, одна или ни одной ударной волны, а также волны разрежения (являющиеся непрерывными) и контактный разрыв, что может быть рассчитано по начальным данным. Решение этой задачи впервые было сообщено Н.Е.Кочиным (доклад 1924 на первом международном конгрессе по прикладной механике в г. Дельфте (Нидерланды), опубликовано в 1926).

Легко представить практические случаи, которые приводят к задачам такого рода, например, разрыв диафрагмы, разделяющей газы различного давления и т.д. Решение такой задачи актуально для расчета работы ударной трубы.

Ударная труба.

Простейшая ударная труба состоит из камер высокого и низкого давления, разделенных диафрагмой (рис. 2).

После разрыва диафрагмы в камеру низкого давления устремляется толкающий газ из камеры высокого давления, формируя волну сжатия, которая, быстро увеличивая свою крутизну, образует ударную волну. За ударной волной в камеру низкого давления движется контактный разрыв. Одновременно в камеру высокого давления распространяется волна разрежения.

Первые ударные трубы появились в конце 19 в., с тех пор развитие техники ударных труб позволило превратить ударные волны в самостоятельный инструмент для исследований. В ударной трубе можно получить газ, однородно нагретый до 10 000 ° К и выше. Такие возможности широко используются при изучении многих химических реакций, различных физических процессов. В астрофизических исследованиях основными данными являются спектры звезд. Точность интерпретации этих спектров определяется результатами сравнения со спектрами, полученными на ударных трубах.

С конца 1920-х стала развиваться сверхзвуковая аэродинамика. Первая сверхзвуковая аэродинамическая труба в США (в Национальном консультативном комитете по аэронавтике, NACA) была создана к 1927, в СССР – в 1931–1933 (в Центральном аэрогидродинамическом институте), это открыло новые возможности экспериментального исследования ударных волн. Сверхзвуковое течение качественно отличается от дозвукового, в первую очередь, наличием ударных волн. Возникновение ударных волн приводит к значительному повышению сопротивления движущихся тел (столь значительному, что возник термин – волновой кризис), а также к изменению действующих на эти тела тепловых нагрузок. Вблизи ударных волн эти нагрузки очень велики и, если не предприняты соответствующие меры защиты, может произойти прогорание корпуса летательного аппарата и его разрушение. Крайне важная проблема в аэродинамике – предотвращение бафтинга (появления нестационарных ударных волн у поверхности летательного аппарата). При бафтинге действие динамических и тепловых нагрузок становится переменным по времени и месту приложения, противостоять таким нагрузкам намного сложнее.

Косые и прямые ударные волны.

В поле течения ударная волна может быть перпендикулярной невозмущенному течению (прямая ударная волна) или составлять с невозмущенным течением некоторый угол (косая ударная волна). Прямые ударные волны обычно создаются в специальных экспериментальных устройствах – ударных трубах. Косые ударные волны возникают, например, при сверхзвуковом обтекании тел, при истечении газа из сверхзвуковых сопел и т.п.

Есть еще одна классификация ударных волн. Примыкающие к твердой поверхности волны носят название присоединенных, не имеющие точек соприкосновения – отошедших. Отошедшие ударные волны возникают при сверхзвуковом обтекании затупленных тел (например, сферы), присоединенные волны имеют место в случае остроконечных тел (клина, конуса); такие волны не столько тормозят течение, сколько резко разворачивают его, так что и за ударной волной течение остается сверхзвуковым.

В ряде случаев газодинамическая теория допускает оба случая течения за фронтом присоединенной волны и сверхзвуковое (в этом случае ударная волна называется слабой), и дозвуковое течение (сильная ударная волна).

Экспериментально наблюдаются только такие ударные волны.

Регулярное и маховское отражение волн.

В зависимости от угла падения ударной волны на препятствие волна может отражаться непосредственно на поверхности препятствия или на некотором расстоянии от него. Во втором случае отражение называется трехволновым, поскольку в этом случае возникает третья ударная волна, соединяющая падающую и отраженную волны с поверхностью препятствия.

Впервые зафиксированное австрийским ученым Эрнстом Махом в 1878, трехволновое отражение получило также название маховского, для отличия от двухфронтового (или регулярного) отражения.

Выполненный Махом эксперимент, позволивший обнаружить трехволновой режим отражения, заключался в следующем (рис. 5): в двух точках, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, одновременно проскакивали две искры, порождавшие две сферических ударных волны.

Распространяясь над поверхностью, зачерненной сажей, эти волны оставляли отчетливый след точек их пересечения, начинающийся посередине между точками инициализации волн, а затем идущий по срединному перпендикуляру отрезка, соединяющего эти точки инициализации. Далее отрезок на концах разделялся на две симметрично расходящиеся линии. Полученная картина соответствует тому, что на ранней стадии взаимодействия ударные волны отражаются друг от друга так, как будто происходит отражение в регулярном режиме от воображаемой плоскости, расположенной посередине между точками инициализации волн. Затем образуется скачок Маха, соединяющий соответствующие точки кривых, приведенных на рис. 3. Поскольку на зачерненной поверхности остаются лишь траектории точек пересечения волн, Мах продемонстрировал впечатляющую проницательность, сумев расшифровать смысл полученных следов.

Задача о сильном взрыве.

Сходящаяся ударная волна.

Впервые задача о фокусировке ударной волны была сформулирована и решена Г.Гудерлеем в Германии (1942) и независимо Л.Д.Ландау и К.П.Станюковичем в СССР (опубликовано в 1955). По мере приближения волны к центру фокусировки происходит концентрация энергии и ударная волна усиливается. В моменты, близкие к фокусировке, волна выходит на некоторый предельный (называемый автомодельным) режим, когда предшествующие условия создания и распространения ударной волны не важны. Сходящиеся ударные волны позволяют получать гигантские давления и температуры в точке фокусировки, в настоящее время изучение таких волн – одно из перспективных направлений создания управляемого термоядерного синтеза.

Устойчивость ударной волны.

Если условия течения таковы, что его малые возмущения имеют тенденцию к росту, то со временем рост этих возмущений может привести к изменению режима течения или даже к полному его разрушению. Специальные исследования устойчивости УВ в среде с общими свойствами впервые проведены в СССР (С.П.Дьяков, 1954, и В.М.Конторович, 1957 – уточнение результатов Дьякова). Были определены области устойчивости (затухание возмущений) и неустойчивости (рост возмущений), нейтральной устойчивости (ударная волна не реагирует на возмущения), а также обнаружена область спонтанного излучения звука поверхностью ударной волны. Простые расчеты, основанные на полученных результатах, показали, что в воздухе ударная волна абсолютно устойчива. Вместе с тем, неустойчивость проявляется, например, у детонационных волн, что приводит к особенностям распространения волн такого рода: галопирующая и спиновая детонация, ячеистая структура детонационных волн.

Тенденция даже слабых волн сжатия к опрокидыванию приводит к тому, что звуковые волны переходят в слабые скачки и более уже не распространяются со звуковой скоростью – скорость слабого скачка равна полусумме скоростей звука в среде до скачка и после него. В этом сложность экспериментального определения точной скорости звука. Теория дает следующие результаты – в воздухе (при нормальных условиях) 332 м/с, в воде (при 15 ° С) 1490 м/с.

Число 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.

Угол Маха.

Для источника слабых возмущений, обтекаемого сверхзвуковым потоком, наблюдается интересное явление: четко выраженные границы поля возмущений – линии Маха (рис. 6). При этом синус образованного линией Маха и направлением основного течения угла есть обратное число Маха: .

Этого и следовало ожидать, так как скорость распространения слабых возмущений поперек направления набегающего потока есть скорость звука. Чем больше скорость набегающего потока, тем уже делается угол Маха.

Взаимодействие ударных волн с пограничным слоем.

В пограничном слое, возникающем вблизи ограничивающих поток стенок, происходит торможение потока до нулевых скоростей на стенке (условие «прилипания»). Фронт ударной волны, взаимодействующей с пограничным слоем, претерпевает изменения: образуется, так называемый, l-образный скачок (лямбда-образный скачок, по сходству конфигурации такого скачка с греческой буквой лямбда, рис. 7).

При течении в канале с развитыми пограничными слоями у стенок прямой скачок заменяется Х-образным скачком, составленным двумя l-образными скачками (обычным и перевернутым). За фронтом такого скачка происходит нарастание толщины пограничного слоя, пограничный слой турбулизуется, могут образовываться другие Х-образные скачки и, в конце концов, может возникнуть ситуация, когда падение скорости потока от сверхзвуковой до дозвуковой происходит в сложной системе скачков и неодномерного течения – псевдоскачке.

Теория мелкой воды.

Сверхзвуковое течение, как оказалось, аналогично течению воды (или другой несжимаемой жидкости) в открытом водоеме, глубина которого достаточно мала («мелкая» вода) и на жидкость действует сила тяжести. Формально аналогия проявляется в том, что уравнения, описывающие соответствующие движения и газа, и воды, оказываются одинаковыми. Используя это свойство можно совершенно ясно наблюдать явления, происходящие в сверхзвуковом потоке. Например, в обычном быстротекущем ручейке отчетливо видны аналоги отошедших и присоединенных ударных волн, картины процесса возникновения ударной волны при обтекании криволинейной стенки, пересечения и отражения ударных волн, распространения возмущений от точечного источника – линий Маха, картины истечения сверхзвуковых струй в область покоящегося газа, Х-образных скачков и т.п. Впервые обратившим внимание на такую аналогию считается Д.Рябушинский (Франция, 1932).

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

Источник