Ударная трубка - Shock tube

Для пиротехнического инициатора см. Шоковая трубка-детонатор
Аппарат для испытания ударной трубки в Университет Оттавы, Канада.
Студент снимает остатки использованной алюминиевой фольги.
Идеализированная ударная трубка. На графике показаны различные волны, которые образуются в трубке после разрыва диафрагмы.

В ударная труба представляет собой инструмент, используемый для воспроизведения и направления взрывных волн на датчик или модель с целью имитации реальных взрывов и их последствий, обычно в меньшем масштабе. Ударные трубы (и соответствующие импульсные устройства, 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 газовой фазы. горение реакции. Совсем недавно ударные трубки стали использоваться в биомедицинских исследованиях для изучения воздействия взрывных волн на биологические образцы.[1][2]

Ударная волна внутри ударной трубы может быть вызвана небольшим взрывом (вызванным взрывом) или повышением давления, которое приводит к разрыву диафрагмы (диафрагм) и распространению ударной волны вниз по ударной трубе (с приводом от сжатого газа). .

История

Раннее исследование ударных трубок с компрессионным приводом было опубликовано в 1899 году французским ученым. Поль Вьей, хотя до 1940-х годов аппарат не назывался ударной трубкой.[3] В 1940-х годах интерес возродился, и ударные трубы все чаще использовались для изучения потока быстро движущихся газов над объектами, химии и физической динамики реакций горения в газовой фазе. В 1966 году Дафф и Блэквелл[4] описал тип ударной трубы, приводимой в действие взрывчаткой. Они имели диаметр от 0,6 до 2 м и длину от 3 до 15 м. Сами трубки 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 ударные трубы с компрессионным и взрывным приводом используются как в научных, так и в военных целях. Ударные трубы, приводимые в действие сжатым газом, легче получить и обслужить в лабораторных условиях; однако форма волны давления отличается от взрывной волны в некоторых важных отношениях и может не подходить для некоторых применений. Ударные трубы с приводом от взрыва генерируют волны давления, которые более реалистичны, чем взрывные волны в свободном поле. Однако им требуются помещения и опытный персонал для работы с взрывчатыми веществами. Кроме того, в дополнение к исходной волне давления следует струйный эффект, вызванный расширением сжатых газов (управляемый сжатием) или производством быстро расширяющихся газов (управляемый взрывом), который может передавать импульс образцу после того, как взрывная волна прошла. . Совсем недавно были разработаны ударные трубы лабораторного масштаба, приводимые в движение топливовоздушными смесями, которые создают реалистичные взрывные волны и могут использоваться в более обычных лабораторных помещениях.[5] Поскольку молярный объем газа намного меньше, эффект струи составляет часть от такового для ударных труб, приводимых в действие сжатым газом. На сегодняшний день меньший размер и более низкое пиковое давление, создаваемое этими ударными трубками, делают их наиболее полезными для предварительного неразрушающего контроля материалов, проверки измерительного оборудования, такого как высокоскоростные преобразователи давления, а также для биомедицинских исследований, а также для военных приложений.

Операция

Алюминиевая фольга используется в качестве диафрагмы между сегментами ударной трубы.

Простая ударная труба представляет собой трубу прямоугольного или круглого сечения, обычно изготовленную из металла, в которой газ при низком давлении и газ при высоком давлении разделяются с помощью некоторой формы диафрагма. См., Например, тексты Солоухина, Гайдона и Херла и Брэдли.[6][7][8] Диафрагма внезапно разрывается при заданных условиях, вызывая волну, распространяющуюся через секцию низкого давления. Образовавшаяся в конечном итоге ударная волна увеличивает температуру и давление исследуемого газа и вызывает поток в направлении ударной волны. Наблюдения можно проводить в потоке за падающим фронтом или использовать более длительное время испытаний и значительно повышенные давления и температуры за отраженной волной.

Газ низкого давления, называемый ведомым газом, подвергается воздействию ударной волны. Газ высокого давления известен как газ-драйвер. Соответствующие секции трубы также называются приводной и ведомой секциями. Драйверный газ обычно выбирается с низким молекулярный вес, (например, гелий или же водород ) по соображениям безопасности с высоким скорость звука, но может быть немного разбавлен для «адаптации» условий границы раздела в толчке. Чтобы получить самые сильные удары, давление ведомого газа должно быть значительно ниже атмосферного (частичное вакуум индуцируется в ведомой части перед детонацией).

Испытание начинается с разрыва диафрагмы.[9] Для разрыва диафрагмы обычно используются несколько методов.

  • Поршень с механическим приводом иногда используется, чтобы пробить его, или заряд взрывчатого вещества может использоваться, чтобы взорвать его.
  • Другой метод - использовать диафрагмы из пластика или металла для определения удельного давления разрыва. Пластмассы используются для самых низких давлений разрыва, алюминий и медь - для более высоких уровней, а низкоуглеродистая сталь и нержавеющая сталь - для самых высоких давлений разрыва.[10] На этих диафрагмах часто делают насечки в виде креста на калиброванную глубину, чтобы гарантировать, что они разрываются равномерно, формируя контур лепестков, так что полное сечение трубки остается открытым во время испытания.
  • Еще один метод разрыва диафрагмы использует смесь горючих газов с инициатором, предназначенным для создания детонации внутри нее, вызывая внезапное и резкое увеличение того, что может быть или не может быть приводом под давлением. Эта взрывная волна увеличивает температуру и давление ведомого газа и вызывает поток в направлении ударной волны, но с меньшей скоростью, чем свинцовая волна.

Разрывная диафрагма производит серию волны давления, каждый из которых увеличивает скорость звука позади них, так что они сжимаются в ударную волну, распространяющуюся через ведомый газ. Этот ударная волна увеличивает температуру и давление ведомого газа и создает поток в направлении ударной волны, но с меньшей скоростью, чем свинцовая волна. Одновременно с этим разрежение Волна, часто называемая волной Прандтля-Мейера, возвращается в приводной газ.

Граница раздела, на которой происходит ограниченное перемешивание, разделяет ведомый и приводной газы, называемые контактной поверхностью, и следует с меньшей скоростью за свинцовой волной.

«Химическая ударная труба» включает в себя разделение рабочего и ведомого газов парой диафрагм, предназначенных для выхода из строя после заранее заданных задержек, с концевым «сливным резервуаром» значительно увеличенного поперечного сечения. Это позволяет чрезвычайно быстро снижать (гасить) температуру нагретых газов.

Приложения

Помимо измерений ставок химическая кинетика ударные трубы использовались для измерения энергии диссоциации и скорости молекулярной релаксации[11][12][13][14] они использовались в аэродинамических испытаниях. Поток жидкости в ведомом газе можно использовать как аэродинамическая труба, позволяя более высокие температуры и давления в нем [15] воспроизводящие условия в турбина разделы реактивные двигатели. Однако время испытаний ограничено несколькими миллисекундами либо из-за прихода контактной поверхности, либо из-за отраженной ударной волны.

Они были далее развиты в ударные туннели, с добавлением сопло и самосвальный бак. В результате высокая температура гиперзвуковой поток можно использовать для моделирования возвращение в атмосферу из космический корабль или гиперзвуковой корабль, опять же с ограниченным временем испытаний.[16]

Ударные трубы были разработаны в широком диапазоне размеров. Размер и способ создания ударной волны определяют пик и продолжительность создаваемой волны давления. Таким образом, ударные трубы могут использоваться как инструмент, используемый как для создания, так и для направления взрывных волн на датчик или объект, чтобы имитировать реальные взрывы и повреждения, которые они вызывают в меньшем масштабе, при условии, что такие взрывы не связаны с повышенными температурами. и шрапнель или летающие обломки. Результаты экспериментов с ударной трубой могут быть использованы для разработки и проверки численной модели реакции материала или объекта на окружающую взрывную волну без шрапнели или летающих обломков. Ударные трубы можно использовать для экспериментального определения, какие материалы и конструкции лучше всего подходят для работы по ослаблению окружающих взрывных волн без осколков или летающих обломков. Затем результаты могут быть включены в проекты для защиты конструкций и людей, которые могут подвергнуться воздействию внешней взрывной волны без осколков или летающих обломков. Ударные трубки также используются в биомедицинских исследованиях, чтобы выяснить, как биологические ткани подвергаются воздействию взрывных волн.

Есть альтернативы классической ударной трубе; для лабораторных экспериментов при очень высоком давлении, ударные волны также могут быть созданы с помощью высокоинтенсивных короткоимпульсных лазеров.[17][18][19][20]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Чернак, Иболя (2010). «Важность системного ответа в патобиологии нейротравмы, вызванной взрывом». Границы неврологии. 1: 151. Дои:10.3389 / fneur.2010.00151. ЧВК  3009449. PMID  21206523.
  2. ^ Чавко, Микулаш; Коллер, Уэйн А .; Прусачик, В. Кейт; Маккаррон, Ричард М. (2007). «Измерение взрывной волны миниатюрным оптоволоконным датчиком давления в мозгу крысы». Журнал методов неврологии. 159 (2): 277–281. Дои:10.1016 / j.jneumeth.2006.07.018. PMID  16949675. S2CID  40961004.
  3. ^ Henshall, BD. Некоторые аспекты использования ударных труб в аэродинамических исследованиях. Отчеты и меморандумы Совета по аэронавигационным исследованиям. R&M No. 3044, Лондон, Канцелярия Ее Величества, 1957 год.
  4. ^ Дафф, Рассел Э .; Блэквелл, Арлин Н. (1966). «Ударные трубки с приводом от взрывчатки». Обзор научных инструментов. 37 (5): 579–586. Дои:10.1063/1.1720256.
  5. ^ Кортни, Эми К .; Андрусив Любовь П .; Кортни, Майкл В. (2012). «Лабораторные ударные трубы с кислородно-ацетиленовым приводом для изучения эффектов взрывной волны». Обзор научных инструментов. 83 (4): 045111. arXiv:1105.4670. Дои:10.1063/1.3702803. PMID  22559580. S2CID  205170036.
  6. ^ Солоухин Р.И., Ударные волны и детонации в газах., Mono Books, Балтимор, 1966.
  7. ^ Гейдон, А.Г., и Херл, И.Р., Ударная труба в химической физике высоких температур, Чепмен и Холл, Лондон, 1963.
  8. ^ Брэдли, Дж., Ударные волны в химии и физике, Чепмен и Холл, Лондон, 1962.
  9. ^ Солоухин Р.И. Ударные волны и детонации в газах, Монокниги, Балтимор, 1966.
  10. ^ Брэдли Дж. Ударные волны в химии и физике, Чепмен и Холл, Лондон, 1962.
  11. ^ Strehlow, 1967, Университет Иллинойса, факультет аэро и астрономии. AAE Rept.76-2.
  12. ^ Нетлтон, 1977, Comb. And Flame, 28,3. и 2000, Shock Waves, 12,3.
  13. ^ Кристи, Робин; Nasir, Ehson F .; Фарук, Амир (01.12.2014). «Сверхбыстрое и не требующее калибровки определение температуры в внутриимпульсном режиме» (PDF). Письма об оптике. 39 (23): 6620–6623. Bibcode:2014OptL ... 39.6620C. Дои:10.1364 / OL.39.006620. HDL:10754/347273. PMID  25490636.
  14. ^ Гельфанд; Фролов; Нетлтон (1991). «Газовые взрывы. Выборочный обзор». Прог. Энергетическая расческа. Наука. 17 (4): 327. Дои:10.1016 / 0360-1285 (91) 90007-А.
  15. ^ Липманн, Х. и Рошко, А., 1957, «Элементы газовой динамики», Dover Publications. ISBN  0-486-41963-0
  16. ^ Андерсон, Дж. Д., 1989, «Гиперзвуковая и высокотемпературная газовая динамика», AIAA. ISBN  1-56347-459-X
  17. ^ Veeser, L.R .; Солем, Дж. К. (1978). «Исследования лазерных ударных волн в алюминии». Письма с физическими проверками. 40 (21): 1391. Bibcode:1978ПхРвЛ..40.1391В. Дои:10.1103 / PhysRevLett.40.1391.
  18. ^ Solem, J.C .; Визер, Л. Р. (1978). «Лазерные исследования ударных волн». Материалы симпозиума о поведении плотных сред при высоком динамическом давлении: 463–476. Отчет Лос-Аламосской научной лаборатории LA-UR-78-1039.
  19. ^ Veeser, L.R .; Solem, J.C .; Либер, А. Дж. (1979). «Эксперименты по согласованию импеданса с использованием лазерных ударных волн». Письма по прикладной физике. 35 (10): 761–763. Bibcode:1979АпФЛ..35..761В. Дои:10.1063/1.90961.
  20. ^ Veeser, L .; Либер, А .; Солем, Дж. К. (1979). «Исследование ударных волн с лазерной лазерной камерой». Материалы Международной конференции по лазерам '79. Орландо, Флорида, 17 17 декабря 1979 г. LA-UR-79-3509; CONF-791220-3. (Лос-Аламосская научная лаборатория, Нью-Мексико). 80: 45. Bibcode:1979STIN ... 8024618V. OSTI  5806611.CS1 maint: location (связь)

внешняя ссылка