Понятие о воздушной ударной волне

Аварии во взрыво- и пожароопасных производствах связаны, как правило, с внезапным истечением газообразных или сжиженных углеводородных продуктов, при перемешивании которых с воздухом образуются взрыво- и пожароопасные смеси. Наиболее опасными в этом отношении являются смеси с воздухом следующих углеводородных газов: метана, пропана, бутана, этилена, пропилена, бутилена и др. Взрыв или возгорание этих газов наступает при определенном содержании газа в воздухе. Например, взрыв пропана возможен при содержании в 1 м³ воздуха от 36.6 (НКПВ) до 173.8 г (ВКПВ) газа (см. табл. 16.1). Интенсивное перемешивание пропана с воздухом при аварийном выбросе объясняется отрицательной температурой его кипения (-42° С) при атмосферном давлении.

Взрывоопасными могут быть также смеси паров легковоспламеняющихся жидкостей, взвеси пыли или волокон в воздухе при определенных концентрациях.

Взрыв приводит к разрушению и повреждению зданий, сооружений технологического оборудования, емкостей и трубопроводов. Эти явления связаны как с самим взрывом, так и с действием образующейся при взрыве ударной волны.

Ударной называется волна, характеризующаяся наличием поверхности разрыва основных физических параметров состояния Среды (давления, плотности, температуры), в которой она распространяется со сверхзвуковой скоростью. В зависимости от того, в какой среде распространяется волна - в воздухе, воде или грунте, ее называют воздушной ударной волной, ударной волной в воде или сейсмовзрывной волной в грунте.

Воздушная ударная волна представляет собой область сильно сжатого воздуха, распространяющегося во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью. Переднюю границу волны (рис. 17.1), характеризующуюся резким скачком давления, называют фронтом ударной волны.

Во фронте ударной волны происходит скачкообразное изменение параметров состояния воздуха (давления, плотности, температуры, скорости движения). Характерной особенностью воздушной ударной волны является движущийся позади нее поток воздушной Среды, направленный в ту же сторону.

Механизм образования воздушной ударной волны состоит в следующем. При взрыве образуется большое количество газообразных продуктов. Они, находясь под весьма высоким давлением (порядка нескольких Мпа), подобно сильно сжатой и мгновенно отпущенной пружине, расширяются. Так как давление окружающего воздуха во много раз меньше давления продуктов взрыва, то последний, расширяясь, наносят резкий удар по прилегающим слоям. За счет этого воздух сжимается, повышается его давление, плотность, температура. Масса продуктов взрыва, расширяясь, вытесняет окружающий воздух и образует вокруг себя зону сжатого воздуха. Эта зона действует на окружающий, еще невозмущенный воздух и сжимает его. Таким способом сжатие быстро передается все дальше и дальше от места взрыва. Внешняя граница сжатого слоя воздуха и представляет собой фронт воздушной ударной волны, перемещающейся со сверхзвуковой скоростью.

Рис. 17.1. Схема образования воздушной ударной волны:

а - при воздушном взрыве; б - при наземном взрыве;

1 - центр взрыва; 2 - газообразный продукт взрыва; 3 - зона сжатого воздуха; 4 - фронт ударной волны

 

Ударная волна имеет фазу сжатия и фазу разрежения. В фазе сжатия ударной волны давление выше атмосферного, а в сфере разрежения - ниже. Наибольшее давление воздуха наблюдается на внешней границе фазы сжатия - во фронте волны.

Как видно из рис. 17.2 в момент прихода ударной волны давление повышается от нормального (атмосферного) Р₀ до максимального во фронте Р₁. В дальнейшем по мере продвижения ударной волны давление падает ниже атмосферного.

Рис. 17.2. Характер изменения давления в фиксированной точке пространства в зависимости от времени и результат действия ударной волны на местные предметы: t₁ - момент прихода фронта ударной волны в фиксированную точку на местности; t₂- момент падения давления после прохождения ударной волны до нормального; t₃ - момент окончания действия ударной волны и слоев воздуха

 

Основными параметрами ударной волны, определяющими ее разрушающее и поражающее действие, являются:

- избыточное давление Р₁, Па (кгс/см²);

- скоростной напор Р_ск, Па (кгс/см²);

- скорость движения волны Vв, м/с;

- скорость движения воздушного потока U1, м/с;

- время действия ударной волны t_в, с.

Избыточное давление во фронте ударной волны - это разница между максимальным Р₁ и атмосферным давлением Р₀; Р₁=Р₁-Р₀ (см. рис. 17.2)

Избыточное давление в данной точке зависит от расстояния до центра взрыва и его мощности.

Скоростной напор за фронтом ударной волны определяется по формуле

, Па

Скорость движения ударной волны зависит от ее интенсивности и может быть определена по упрощенной формуле

, м/с,

где Р₁ - избыточное давление, кгс/см².

Скорость движения воздушного потока за фронтом ударной волны определяется по упрощенной формуле

, м/с.

Время действия ударной волны t_в - это время действия избыточного давления. Его величина может быть определена по формуле

, с,

где m- масса взорвавшейся газо-воздушной среды, кг

R - расстояние от центра взрыва, м.