Ударная труба: принцип работы и области применения.

Введение

Ударная трубка — это прибор, используемый для воспроизведения и направления ударных волн на датчик или модель с целью имитации реальных взрывов и их последствий, как правило, в уменьшенном масштабе. Ударные трубки (и связанные с ними импульсные установки, такие как ударные туннели, расширительные трубки и расширительные тоннели) также могут применяться для изучения аэродинамического потока в широком диапазоне температур и давлений, которые сложно получить в других типах испытательных установок. Ударные трубки также используются для исследования явлений сжимаемого течения и реакций горения в газовой фазе. В последнее время ударные трубки стали применяться в биомедицинских исследованиях для изучения воздействия ударных волн на биологические образцы. Ударная волна внутри ударной трубки может быть создана небольшим взрывом (инициированным взрывом) или за счет накопления высокого давления, приводящего к разрушению диафрагмы и распространению ударной волны по ударной трубке (с использованием сжатого газа).

История

Раннее исследование ударных трубок с компрессионным приводом было опубликовано в 1899 году французским ученым Полем Вьель, хотя аппарат не назывался ударной трубкой до 1940-х годов. В 1930-х годах он был вновь открыт У. Х. Пейманом и WCF Shepherd из Английского исследовательского совета по безопасности в шахтах для изучения подземных взрывов метана, но термин был введен в употребление только в публикации Bleakney et al. 1949 года. В 1940-х годах интерес к ударным трубкам возродился, и они все чаще использовались для изучения течения быстродвижущихся газов над объектами, а также химической и физической динамики реакций горения в газовой фазе. Современная версия ударной трубки была разработана во время Второй мировой войны в Принстонском университете группой под руководством Уокера Блекни, который опубликовал обзоры своих исследований в 1946 и 1949 годах. В 1966 году Дафф и Блэквелл описали тип ударной трубки, приводимой в действие взрывчатыми веществами. Диаметр этих трубок варьировался от 0,6 до 2 м, а длина – от 3 м до 15 м. Сами трубки изготавливались из недорогих материалов и генерировали ударные волны с пиковыми динамическими давлениями от 7 МПа до 200 МПа и продолжительностью от нескольких сотен микросекунд до нескольких миллисекунд. Как ударные трубки с компрессионным, так и с взрывным приводом в настоящее время используются как в научных, так и в военных целях. Ударные трубки с приводом от сжатого газа легче получить и поддерживать в лабораторных условиях; однако форма волны давления отличается от волны взрыва в некоторых важных аспектах и может быть непригодна для некоторых применений. Ударные трубки с взрывным приводом генерируют волны давления, более реалистичные для волн взрыва в свободном поле. Однако для их использования требуется специальное оборудование и квалифицированный персонал для работы со взрывчатыми веществами. Кроме того, вслед за начальной волной давления следует эффект струи, вызванный расширением сжатых газов (в случае компрессионного привода) или образованием быстрорасширяющихся газов (в случае взрывного привода), который может передавать импульс образцу после прохождения взрывной волны. В последнее время были разработаны лабораторные ударные трубки, приводимые в действие топливно-воздушными смесями, которые генерируют реалистичные взрывные волны и могут работать в обычных лабораторных условиях. Поскольку молярный объем газа значительно меньше, эффект струи в них составляет лишь часть того, что наблюдается в ударных трубках с приводом от сжатого газа. На сегодняшний день меньший размер и более низкое пиковое давление, создаваемое этими ударными трубками, делают их наиболее полезными для предварительного, неразрушающего контроля материалов, валидации измерительного оборудования, такого как высокоскоростные преобразователи давления, а также для биомедицинских исследований и военных применений.

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

Простая ударная трубка представляет собой трубку прямоугольного или круглого сечения, обычно изготовленную из металла, в которой газ при низком давлении и газ при высоком давлении разделены с помощью диафрагмы. См., например, работы Солухина, Гейдона и Хёрла, а также Брэдли. Диафрагма внезапно разрушается при заданных условиях, создавая волну, распространяющуюся в секции с низким давлением. Образующаяся в конечном итоге ударная волна повышает температуру и давление испытываемого газа и вызывает поток в направлении этой волны. Наблюдения можно проводить в потоке за фронтом ударной волны или использовать более длительное время испытаний и значительно повышенные давления и температуры за отраженной волной. Газ при низком давлении, называемый нагнетаемым газом, подвергается воздействию ударной волны. Газ при высоком давлении известен как движущий газ. Соответствующие секции трубки также называются движущей и нагнетаемой секциями. Движущий газ обычно выбирают с низкой молекулярной массой (например, гелий или водород) из соображений безопасности, с высокой скоростью звука, но его можно слегка разбавить для "подстройки" условий на границе раздела за ударной волной. Для получения наиболее сильных ударных волн давление нагнетаемого газа значительно ниже атмосферного (в нагнетаемой секции создается частичный вакуум перед запуском). Испытание начинается с разрушения диафрагмы. Существует несколько распространенных методов разрушения диафрагмы. Иногда используется механический плунжер для ее пробития или взрывчатый заряд для ее взрыва. Другой метод – использование диафрагм из пластика или металла для определения конкретных давлений разрушения. Пластики используются для самых низких давлений разрушения, алюминий и медь – для несколько более высоких, а мягкая и нержавеющая сталь – для самых высоких. Эти диафрагмы часто имеют насечки в форме креста на откалиброванной глубине, чтобы обеспечить равномерное разрушение и сформировать лепестки, сохраняющие открытым поперечное сечение трубки на протяжении всего времени испытания. Еще один метод разрушения диафрагмы заключается в использовании смеси горючих газов с инициатором, предназначенным для создания детонации внутри смеси, что приводит к резкому и внезапному увеличению давления, которое может быть, а может и не быть давлением движущего газа. Эта взрывная волна повышает температуру и давление нагнетаемого газа и вызывает поток в направлении ударной волны, но с меньшей скоростью, чем передняя волна. Разрушение диафрагмы создает серию волн давления, каждая из которых увеличивает скорость звука позади себя, в результате чего они сжимаются в ударную волну, распространяющуюся в нагнетаемом газе. Эта ударная волна повышает температуру и давление нагнетаемого газа и вызывает поток в направлении ударной волны, но с меньшей скоростью, чем передняя волна. Одновременно волна разрежения, часто называемая волной Прандтля-Майера, распространяется обратно в движущий газ. Граница раздела, через которую происходит ограниченное смешивание, отделяющая нагнетаемый и движущий газы, называется контактной поверхностью и следует за передней волной с меньшей скоростью. "Химическая ударная трубка" предполагает разделение движущего и нагнетаемого газов парой диафрагм, предназначенных для разрушения после заранее определенных задержек, с конечным "сбросным резервуаром" значительно увеличенного поперечного сечения. Это позволяет чрезвычайно быстро снизить (охладить) температуру нагретых газов.

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.

Приложения

В дополнение к измерениям скоростей химической кинетики, ударные трубки использовались для измерения энергий диссоциации и скоростей молекулярной релаксации, а также в аэродинамических испытаниях. Поток газа в обтекаемой части может использоваться аналогично аэродинамической трубе, позволяя достигать более высоких температур и давлений, имитируя условия в турбинных секциях реактивных двигателей. Однако время испытаний ограничено несколькими миллисекундами из-за прибытия контактной поверхности или отраженной ударной волны. Ударные трубки были усовершенствованы и превращены в ударные туннели с добавлением сопла и отстойного резервуара. Образующийся высокотемпературный гиперзвуковой поток может использоваться для моделирования атмосферного возвращения космических аппаратов или гиперзвуковых летательных аппаратов, также с ограниченным временем испытаний. Ударные трубки разрабатывались в широком диапазоне размеров. Размер и метод генерации ударной волны определяют амплитуду и длительность создаваемой ею волны давления. Таким образом, ударные трубки могут служить инструментом для создания и направления взрывных волн на датчик или объект, имитируя реальные взрывы и наносимый ими ущерб в уменьшенном масштабе, при условии, что эти взрывы не сопровождаются высокими температурами и осколками или летящими обломками. Результаты экспериментов в ударных трубках могут быть использованы для разработки и валидации численных моделей, описывающих реакцию материала или объекта на внешнюю взрывную волну без осколков и летящих обломков. Ударные трубки позволяют экспериментально определить, какие материалы и конструкции лучше всего подходят для ослабления внешних взрывных волн без осколков и летящих обломков. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании конструкций для защиты сооружений и людей, которые могут подвергнуться воздействию внешней взрывной волны без осколков и летящих обломков. Ударные трубки также применяются в биомедицинских исследованиях для изучения влияния взрывных волн на биологические ткани. Существуют альтернативы классической ударной трубке; для лабораторных экспериментов при очень высоких давлениях ударные волны также можно создавать с помощью высокоинтенсивных короткоимпульсных лазеров.

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.