Соққы түтікшесі: құрылымы, қолданылуы және зерттеулер тарихы

Кіріспе

Шапқылау түтігі – жарылыс толқынын сенсорға немесе модельге қайталап, нақты жарылыстар мен олардың әсерін симуляциялау үшін, әдетте кіші масштабта қолданылатын құрал. Шапқылау құбырлары (және шапқылау туннельдері, кеңею құбырлары және кеңею туннельдері сияқты импульстік қондырғылар) сондай-ақ температура мен қысымның кең диапазонында аэродинамикалық ағынды зерттеу үшін пайдаланылуы мүмкін, мұндай жағдайларды басқа сынақ орталықтарында алу қиын. Шапқылау түтіктері сығылғыш ағын құбылыстарын және газ фазасындағы жану реакцияларын зерттеуге де қолданылады. Соңғы кезде шок түтіктері биомедициналық зерттеулерде биологиялық үлгілерге жарылыс толқындарының қандай әсер ететінін зерттеу үшін қолданылуда. Шапқылау түтігінің ішіндегі шок толқыны кішкентай жарылыстан (жарылыс арқылы) немесе мембраналардың жарылуына және шок толқынының түтік бойымен таралуына себеп болатын жоғары қысымның жиналуынан (сығылған газ арқылы) пайда болуы мүмкін.

Тарих

Қысылумен жұмыс істейтін соққылық құбырлардың алғашқы зерттеуін 1899 жылы француз ғалымы Пол Вийе жариялаған, бірақ аппарат 1940 жылдарға дейін соққылық түтік деп аталмаған. 1930 жылдары оны W. H. Payman және WCF Shepherd of English Safety in Mines Research Board жер астындағы метан жарылыстарын зерттеу үшін қайта ашты, бірақ термин 1949 жылғы Bleakney және басқалардың басылымында ғана пайда болды. 1940 жылдары қызығушылық қайта жанданып, соққылық құбырлар тез қозғалатын газдардың заттар үстінен ағынын, газ фазасындағы жану реакцияларының химиялық және физикалық динамикасын зерттеу үшін жиі қолданыла бастады. Соққылық түтіктің қазіргі заманғы нұсқасы Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Принстон университетінде Уолкер Бликни басқаратын топ әзірледі, олар 1946 және 1949 жылдары өз зерттеулерінің шолуларын жариялады. 1966 жылы Дафф және Блэкуэлл жарылғыш заттармен қозғалатын соққылық түтіктің бір түрін сипаттады. Олардың диаметрі 0,6-ден 2 метрге, ал ұзындығы 3-тен 15 метрге дейін болды. Түтіктердің өзі арзан материалдардан жасалған және 7 МПа-дан 200 МПа-ға дейінгі ең жоғары динамикалық қысымды және бірнеше жүз микросекундтан бірнеше миллисекундқа дейінгі ұзақтықтағы соққы толқынын тудырды. Қазіргі уақытта қысылумен және жарылыспен жұмыс істейтін соққылық құбырлар ғылыми және әскери мақсаттарда қолданылады. Қысылған газбен жұмыс істейтін соққылық құбырларды зертханалық жағдайда алу және күту оңай; алайда, қысым толқынының пішіні кейбір маңызды жағынан жарылыс толқынынан өзгеше болады және кейбір қолданулар үшін жарамсыз болуы мүмкін. Жарылыспен қозғалатын соққылық құбырлар еркін кеңістіктегі жарылыс толқынына жақын шынайы қысым толқынын тудырады. Алайда, олар жарылғыш заттарды қолдану үшін арнайы жабдықтар мен білікті персоналды қажет етеді. Сонымен қатар, бастапқы қысым толқынынан кейін, сығылған газдардың кеңеюінен (қысылумен жұмыс істейтін құбырларда) немесе тез кеңейетін газдардың пайда болуынан (жарылыспен жұмыс істейтін құбырларда) туындаған реактивті әсер пайда болады және соққы толқыны өткеннен кейін сынамаға импульс беруі мүмкін. Соңғы кезде отын-ауа қоспаларымен жұмыс істейтін, шынайы жарылыс толқынын тудыратын және қарапайым зертханалық жағдайларда жұмыс істей алатын зертханалық масштабтағы соққылық құбырлар жасалды. Газдың молярлық көлемі әлдеқайда аз болғандықтан, реактивті әсер қысылған газбен жұмыс істейтін соққылық құбырлармен салыстырғанда аз. Бүгінгі таңда, осы соққылық құбырлардың кішігірім мөлшері мен төменгі ең жоғары қысымы оларды материалдарды алдын ала, бұзбай тексеруге, жоғары жылдамдықты қысым түрлендіргіштері сияқты өлшеу құралдарын тексеруге, сондай-ақ биомедициналық зерттеулерге және әскери қолдануларға өте пайдалы етеді.

An early study of compression driven shock tubes was published in 1899 by French scientist Paul Vieille, though the apparatus was not called a shock tube until the 1940s. In the 1930s it was rediscovered by W. H. Payman and WCF Shepherd of English Safety in Mines Research Board in order to study underground methane explosions, but the term was not coined until Bleakney et al. publication of 1949. In the 1940s, interest revived and shock tubes were increasingly used to study the flow of fast moving gases over objects, the chemistry and physical dynamics of gas phase combustion reactions. The modern version of the shock tube was developed during WWII at Princeton University by a group led by Walker Bleakney, who published overviews of their studies in 1946 and 1949. In 1966, Duff and Blackwell described a type of shock tube driven by high explosives. These ranged in diameter from 0.6 to 2 m and in length from 3 m to 15 m. The tubes themselves were constructed of low cost materials and produced shock waves with peak dynamic pressures of 7 MPa to 200 MPa and durations of a few hundred microseconds to several milliseconds. Both compression driven and blast driven shock tubes are currently used for scientific as well as military applications. Compressed gas driven shock tubes are more easily obtained and maintained in laboratory conditions; however, the shape of the pressure wave is different from a blast wave in some important respects and may not be suitable for some applications. Blast driven shock tubes generate pressure waves that are more realistic to free field blast waves. However, they require facilities and expert personnel for handling high explosives. Also, in addition to the initial pressure wave, a jet effect caused by the expansion of compressed gases (compression driven) or production of rapidly expanding gases (blast driven) follows and may transfer momentum to a sample after the blast wave has passed. More recently, laboratory scale shock tubes driven by fuel air mixtures have been developed that produce realistic blast waves and can be operated in more ordinary laboratory facilities. Because the molar volume of gas is much less, the jet effect is a fraction of that for compressed gas driven shock tubes. To date, the smaller size and lower peak pressures generated by these shock tubes make them most useful for preliminary, nondestructive testing of materials, validation of measurement equipment such as high speed pressure transducers, and for biomedical research as well as military applications.

Операция

Қарапайым соққылық түтік – көлденең қимасы тіктөртбұрышты немесе дөңгелек, көбінесе металдан жасалған түтік. Онда төмен қысымдағы газ бен жоғары қысымдағы газ бір түрлі диафрагма арқылы бөлінеді. Мысалы, Солухин, Гейдон және Хёрл, Брэдлидің еңбектерін қараңыз. Диафрагма алдын ала белгіленген жағдайларда кенеттен жарылып, төмен қысымды бөлікте таралатын толқын тудырады. Соңында пайда болатын соққы сынақ газының температурасы мен қысымын арттырады және соққы толқыны бағытында ағынды тудырады. Байқаулар соққы майданының артындағы ағында жүргізілуі мүмкін, немесе сынақ уақытының ұзартылуымен және шағылысқан толқын артындағы қысым мен температураның күрт өсуінен пайдалануға болады. Төмен қысымды газ, «қозғалтқыш газ» деп аталады, соққы толқынына ұшырайды. Жоғары қысымды газ «жүргізуші газ» деп аталады. Түтіктің тиісті бөліктері де сәйкесінше жүргізуші және қозғалтқыш бөліктер деп аталады. Жүргізуші газ, қауіпсіздік үшін, молекулалық салмағы төмен (мысалы, гелий немесе сутегі) және дыбыстың жоғары жылдамдығымен таңдалады, бірақ соққы арқылы интерфейс жағдайларын «қалыптастыру» үшін сәл сұйылтылуы мүмкін. Ең күшті соққыларды алу үшін қозғалтқыш газдың қысымы атмосфералық қысымнан әлдеқайда төмен болады (детонация алдында қозғалтқыш бөлігінде жартылай вакуум туындайды). Сынақ диафрагманың жарылуымен басталады. Диафрагманы жарыту үшін бірнеше әдіс қолданылады. Механикалық түрде итермеленетін поршень кейде оны тесу үшін қолданылады, немесе жарылғыш заряд диафрагманы жару үшін пайдаланылуы мүмкін. Тағы бір әдіс – нақты жарылу қысымын анықтау үшін пластиктен немесе металдан жасалған диафрагмаларды қолдану. Пластмассалар ең төменгі жарылу қысымы үшін, алюминий мен мыс сәл жоғары деңгейлер үшін, ал жұмсақ болат пен тот баспайтын болат ең жоғары жарылу қысымы үшін қолданылады. Бұл диафрагмалар көбінесе тегістелген, өлшенген тереңдіктегі крест тәрізді өрнекпен, олардың біркелкі жарылуын қамтамасыз ету үшін және табақшаларын қалыптастыру арқылы түтіктің толық бөлігі сынақ уақытында ашық қалуын қамтамасыз етеді. Диафрагманы жарылудың тағы бір әдісі жанғыш газдардың қоспасын пайдалану, оның ішінде жарылыс жасауға арналған инициатор бар, бұл қысымды күрт және кенеттен арттырады, жүргізуші газдың болуына немесе болмауына қарамастан. Бұл жарылыс толқыны қозғалтқыш газдың температурасы мен қысымын арттырады және соққы толқыны бағытында ағынды тудырады, бірақ жетекші толқынға қарағанда төмен жылдамдықпен. Диафрагманың жарылуы қысым толқындарының тізбегін тудырады, олардың әрқайсысы артындағы дыбыстың жылдамдығын арттырады, осылайша олар газ арқылы таралатын соққыға айналады. Бұл соққы толқыны қозғалтқыш газдың температурасы мен қысымын арттырады және соққы толқыны бағытында ағынды тудырады, бірақ жетекші толқынға қарағанда төмен жылдамдықпен. Сонымен қатар, сиректеу толқыны, көбінесе Прандтль-Майер толқыны деп аталады, жүргізуші газға кері оралады. Араласқыштық шектеулі деңгейде болатын интерфейс, қозғалтқыш және жүргізуші газдарды бөліп тұратын бет, «контактілік бет» деп аталады және жетекші толқыннан төмен жылдамдықпен одан ілеседі. «Химиялық соққылық түтік» жүргізуші және қозғалтқыш газдарды алдын ала белгіленген кешігулерден кейін істен шығуға арналған диафрагмалар жұбы арқылы бөлуді қамтиды, оның соңында көлденең қимасы едәуір ұлғайтылған «сүптеме» резервуары орналасқан. Бұл қыздырылған газдардың температурасын өте жылдам төмендетуге (салқындатуға) мүмкіндік береді.

A simple shock tube is a tube, rectangular or circular in cross section, usually constructed of metal, in which a gas at low pressure and a gas at high pressure are separated using some form of diaphragm. See, for instance, texts by Soloukhin, Gaydon and Hurle, and Bradley. The diaphragm suddenly bursts open under predetermined conditions to produce a wave propagating through the low pressure section. The shock that eventually forms increases the temperature and pressure of the test gas and induces a flow in the direction of the shock wave. Observations can be made in the flow behind the incident front or take advantage of the longer testing times and vastly enhanced pressures and temperatures behind the reflected wave. The low pressure gas, referred to as the driven gas, is subjected to the shock wave. The high pressure gas is known as the driver gas. The corresponding sections of the tube are likewise called the driver and driven sections. The driver gas is usually chosen to have a low molecular weight, (e. g., helium or hydrogen) for safety reasons, with high speed of sound, but may be slightly diluted to 'tailor' interface conditions across the shock. To obtain the strongest shocks the pressure of the driven gas is well below atmospheric pressure (a partial vacuum is induced in the driven section before detonation). The test begins with the bursting of the diaphragm. Several methods are commonly used to burst the diaphragm. A mechanically driven plunger is sometimes used to pierce it or an explosive charge may be used to burst it. Another method is to use diaphragms of plastic or metals to define specific bursting pressures. Plastics are used for the lowest burst pressures, aluminum and copper for somewhat higher levels and mild steel and stainless steel for the highest burst pressures. These diaphragms are frequently scored in a cross shaped pattern to a calibrated depth to ensure that they rupture evenly, contouring the petals so that the full section of the tube remains open during the test time. Yet another method of rupturing the diaphragm utilizes a mixture of combustible gases, with an initiator designed to produce a detonation within it, producing a sudden and sharp increase in what may or may not be a pressurized driver. This blast wave increases the temperature and pressure of the driven gas and induces a flow in the direction of the shock wave but at lower velocity than the lead wave. The bursting diaphragm produces a series of pressure waves, each increasing the speed of sound behind them, so that they compress into a shock propagating through the driven gas. This shock wave increases the temperature and pressure of the driven gas and induces a flow in the direction of the shock wave but at lower velocity than the lead wave. Simultaneously, a rarefaction wave, often referred to as the Prandtl Meyer wave, travels back in to the driver gas. The interface, across which a limited degree of mixing occurs, separates driven and driver gases is referred to as the contact surface and follows, at a lower velocity, the lead wave. A 'Chemical Shock Tube' involves separating driver and driven gases by a pair of diaphragms designed to fail after pre determined delays with an end 'dump tank' of greatly increased cross section. This allows an extreme rapid reduction (quench) in temperature of the heated gases.

Қолданбалар

Химиялық кинетиканың жылдамдықтарын өлшеуден басқа, соққы құбырлары диссоциация энергиясын және молекулалық релаксация жылдамдықтарын өлшеу үшін қолданылған. Олар аэродинамикалық сынақтарда да пайдаланылды. Қозғалтқыш газдағы сұйық ағыны жел тоннелі ретінде қолданылуы мүмкін, ондағы жоғары температура мен қысым реактивті қозғалтқыштардың турбиналық бөлімдеріндегі жағдайларды қайталайды. Дегенмен, сынақ уақыты байланыс бетінің немесе шағылған соққы толқынының келуіне байланысты бірнеше миллисекундқа дейін шектеледі. Олар соққы туннельдері ретінде жетілдірілді, оларға соқпақ пен жинақтағыш резервуар қосылды. Нәтижесінде пайда болған жоғары температуралы гипердыбыстық ағын ғарыш кемесінің немесе гипердыбыстық ұшақтың атмосфераға қайта кіруін симуляциялау үшін қолданылуы мүмкін, бірақ сынақ уақыты да шектеулі. Соққы құбырлары әртүрлі өлшемдерде жасалған. Соққы толқынының күші мен оны жасау әдісі оның тудыратын қысым толқынының ең жоғары мәні мен ұзақтығын анықтайды. Осылайша, соққы құбырларын сенсорға немесе нысанға жарылыс толқынын жасау және бағыттау үшін қолданылатын құрал ретінде пайдалануға болады, бұл нақты жарылыстарды және олардың зиянын кіші масштабта имитациялауға мүмкіндік береді, егер мұндай жарылыстар жоғары температураны, сынықтарды немесе ұшып бара жатқан қалдықтарды қамтымаса. Соққы құбырындағы тәжірибелердің нәтижелері материалдың немесе нысанның сынықтар немесе ұшып бара жатқан қалдықтарсыз қоршаған ортаның жарылыс толқынына жауабының сандық моделін жасау және тексеру үшін пайдаланылуы мүмкін. Соққы құбырларын сынықтар немесе ұшып бара жатқан қалдықтарсыз қоршаған ортаның жарылыс толқынын басаңдатуға ең қолайлы материалдар мен конструкцияларды анықтау үшін эксперименттік түрде қолдануға болады. Нәтижелерді қоршаған ортаның жарылыс толқынына ұшырауы мүмкін құрылымдар мен адамдарды қорғау жобаларына енгізуге болады. Соққы құбырлары биомедициналық зерттеулерде де жарылыс толқындарының биологиялық тіндерге қалай әсер ететінін анықтау үшін қолданылады. Классикалық соққы құбырына баламалар бар; зертханалық тәжірибелерде өте жоғары қысымда соққы толқынын жасау үшін жоғары интенсивті, қысқа импульсті лазерлерді де пайдалануға болады.

In addition to measurements of rates of chemical kinetics shock tubes have been used to measure dissociation energies and molecular relaxation rates they have been used in aerodynamic tests. The fluid flow in the driven gas can be used much as a wind tunnel, allowing higher temperatures and pressures therein replicating conditions in the turbine sections of jet engines. However, test times are limited to a few milliseconds, either by the arrival of the contact surface or the reflected shock wave. They have been further developed into shock tunnels, with an added nozzle and dump tank. The resultant high temperature hypersonic flow can be used to simulate atmospheric re entry of spacecraft or hypersonic craft, again with limited testing times. Shock tubes have been developed in a wide range of sizes. The size and method of producing the shock wave determine the peak and duration of the pressure wave it produces. Thus, shock tubes can be used as a tool used to both create and direct blast waves at a sensor or an object in order to imitate actual explosions and the damage that they cause on a smaller scale, provided that such explosions do not involve elevated temperatures and shrapnel or flying debris. Results from shock tube experiments can be used to develop and validate numerical model of the response of a material or object to an ambient blast wave without shrapnel or flying debris. Shock tubes can be used to experimentally determine which materials and designs would be best suited to the job of attenuating ambient blast waves without shrapnel or flying debris. The results can then be incorporated into designs to protect structures and people that might be exposed to an ambient blast wave without shrapnel or flying debris. Shock tubes are also used in biomedical research to find out how biological tissues are affected by blast waves. There are alternatives to the classical shock tube; for laboratory experiments at very high pressure, shock waves can also be created using high intensity short pulse lasers.