異なる初圧環境下における密閉空間における衝撃波の伝播則

Scientific Reports volume 12、記事番号: 14352 (2022) この記事を引用

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本論文では、初圧調整可能な爆発容器を開発し、負圧、正圧(0.2〜1.8atm)の異なる初期周囲圧力が火薬の爆発によって発生する爆発衝撃波に及ぼす影響を研究した。比推力、衝撃波速度、爆発性ガス生成物の量および周囲圧力の間の関係を、異なる初圧環境について分析した。その結果、爆発衝撃波の過圧は爆発の初期周囲圧力とともに減少し、0.6気圧付近で急激に圧力が低下する負圧環境が存在し、これを超敏感負圧Pcrと定義することが判明した。爆発波の伝播速度は周囲の圧力が低下するにつれて増加し、1.8 気圧の圧力での伝播速度は 0.2 気圧の圧力での伝播速度の 4 分の 1 です。爆発性ガス製品の生産量は変化しませんでした。爆発物が存在する環境の初圧が大きいほど、爆発容器内の初力ガスに対する爆発によって発生するガスの比率は小さくなり、衝撃波の伝播に対する影響は大きくなります。第１比力積ｉ１の最大減衰量は７２．９７％であり、第２比力積ｉ２の最大減衰量は７２．３９％である。この実験は、高高度での軍事衝突、高高度での武器と弾薬の開発、地球深部の保護工学に参考データを提供します。

爆発時に空気中の爆発物は、瞬間的に高温高圧の爆発生成物を生成し、その周囲で激しく圧縮され、圧縮界面の層、つまり衝撃波面を形成します。同時に、爆風と空気の境界面から爆風伝播の中心まで、爆風生成物の内部にまばらな波が形成されます。爆発生成物と衝撃波は前方に伝播し続けるため、爆発生成物が体積の限界に達すると、爆発生成物の膨張は止まり、衝撃波は爆発生成物とは別のものと考えることができます。

爆発物は爆発源の周囲の空気に衝撃を与えて圧縮し、その結果、装薬中心から一定の距離があり、衝撃波の圧力が突然の状態を乱すことはなく、結果として大きな正圧が発生し、正圧ゾーンが形成されます。伝播時間が長くなると、衝撃波フロントの後ろの空気が膨張し始め、その結果圧力が継続的に低下し、初期圧力よりも低い負圧ゾーンが形成されます。衝撃波の自由伝播の過程で、波の強度は伝播距離の増加とともに徐々に減衰し、最終的には音波に減衰します。その伝播過程の圧力と時間の曲線を次の図 1 に示します。

典型的な衝撃波過圧の時刻歴曲線。

フリーフィールドでの爆発物は瞬時に爆発し、高温高圧のガスが発生します。爆発生成物は全方向に激しく広がり、周囲の空気を圧縮して衝撃波を形成します。開放された自由空間と比較して、密閉空間における衝撃波の伝播状態は非常に複雑であり、複数の反射が重なり、発生するピーク圧力は大幅に増加します。爆発によって発生した衝撃波がさまざまな物体に及ぼす影響は、主にピーク過圧 Δp、比推力 i 伝播速度 u、およびその他のパラメーターによって測定されます。一般的に爆発による衝撃波による被害が考えられています。ピーク圧力、比推力、衝撃波伝播速度の関係を調べ、衝撃波伝播の法則と損傷のメカニズムを明らかにするために、国内外の学者が数多くの実験的および理論的研究を実施し、衝撃波の過圧力を計算するための一連の半経験的公式1、2、3、4。

周囲の圧力や温度、その他の外部条件が変化すると、ピーク圧力、比推力、爆風伝播速度、その他のパラメータもそれに応じて変化します。特に初期周囲圧力が変化すると、衝撃波の伝播特性が以前と比べて変化します。大気圧の場合は大きく変化します。異なる圧力環境下での爆発衝撃波の伝播規則に関しては、国内外の学者がさまざまな研究を行っており、いくつかの貴重な研究成果をあげている。真空環境における爆発生成物は Zhang ら 5 によって実験によって研究され、真空環境では爆発生成物の伝播には大きな方向性があり、エネルギー減衰もより速いと結論づけられました。 Liら6は、シミュレーションソフトAUTO-DYNを用いて、真空度の異なるアンモニア系石油爆薬の爆発近傍特性パラメータの変化をシミュレーションし、爆発近傍に適用可能な過圧計算式を開発した。アンモニア油爆発物。 Zhu7 は排気装置を使用して、ライフリングポートでの衝撃波の圧力は周囲圧力の減少に伴ってほぼ直線的に減少すると実験的に結論付けました。 You et al.8 は、初期周囲温度と圧力を変化させて、炭化水素燃料の C5 ～ C6 管内爆発実験を実施しました。その結果、爆発パラメーターに対する温度の影響は初期圧力の影響よりもはるかに小さいことが示されました。周囲条件下で。 Wangら9は、負圧環境下での爆発実験により、初圧の低下に伴いシリンダの最大振動速度と爆発音の音圧レベルが低下する傾向にあり、シリンダの主振動周波数が低下することを示した。初期圧力の減少に伴ってシリンダーも減少しました。

Xie et al.10 は、一次元の球状の爆風空気衝撃波の特性から、さまざまな高度での爆風衝撃波の伝播規則を研究しました。彼は、Orlenko によって提案されたクラウドバースト公式、高原環境への導出、さまざまな高度での衝撃波パラメーターの変化の比較に基づいて、爆発的衝撃波の伝播特性に対する高原高度の影響の程度を定量的に示しました。 Song et al.11 は、有限要素ソフトウェア LS-DYNA を使用して、閉じ込められた構造物の中心がさまざまな真空度で爆発したときの衝撃波の伝播規則をシミュレートし、スケール距離が 0.8 より大きい場合、LS-DYNA は次のことを行うことができると結論付けています。初期圧力 0.01 ～ 0.06 MPa の圧力フィールドをシミュレートする場合にのみ適用できます。 Jack Jr ら 12 は、高空バーストのシミュレーションを実行して、サックスの法則を満たさない衝撃波特性を導き出しました。 Veldman et al.13 は、異なる大気圧条件 (81.4 kPa、101.3 kPa、156.5 kPa) の下で、反射衝撃波の圧力と衝撃波に関する実験的および数値的研究を実施し、反射衝撃波が周囲圧力の変化に対してより敏感であることを発見しました。電荷と反射構造の間の距離が増加しました。 Silnikov et al.14 は、爆風荷重後の準静的成分に対する初期圧力の影響を研究し、通常の大気圧よりも低い環境での爆風による衝撃波の影響は、通常の大気圧よりも低い環境で発生する同様の爆風による影響よりも小さいことを実験的に実証しました。大気圧。 Izadifard ら 15 は、さまざまな衝撃波パラメータに対する周囲圧力の影響を研究し、海抜高度での超過圧力は海面高度での超過圧力より小さいことを示しました。単一の圧力環境または異なる圧力環境の数値シミュレーションにおける衝撃波に関する上記の研究は行われていますが、異なる真空レベルの密閉空間における爆発波の伝播に関する実験研究は報告されておらず、この分野における体系的な実験研究が不足しています。、爆発理論システムの異なる初期環境圧力は形成されていません。

現在、爆発的衝撃波伝播の法則に関する初期環境圧力の研究は、AUTODYN などのソフトウェアによる数値シミュレーションと限られた数の実験が主であり、そのほとんどは負圧実験です。より広い範囲の初圧、特に多重勾配の負圧、正圧環境が爆発性衝撃波の影響に及ぼす影響については、体系的かつ包括的な比較研究が不足しています。

この論文では、異なる初期周囲圧力が爆風衝撃波パラメータに及ぼす影響の理論的分析、小さな調整可能な初圧柱爆発物容器を使用して、異なる初期環境圧力下での爆発性衝撃波伝播の実験的研究を実施し、爆発性衝撃波の伝播に対する初圧の影響と爆発性ガス生成物の変化の法則。

空気中での爆発の衝撃波パラメータに影響を与える物理量は、爆発爆発によって放出される総エネルギー E、空気環境圧力 p、空気密度 ρ、伝播距離 r です。空気媒体の粘度と熱伝導を無視すると、爆発衝撃波のピーク超過圧力は空気パラメータの関数として表すことができます。

Π 定理から、式 (1) には 3 つの基本的な尺度があることがわかります。 (1): M、L、および T、3 つの独立した参照物理的寸法に対応し、独立変数として E、p、および ρ を選択すると、測定値の結合測定値は 3 になります。

\(\lambda \)1 の無次元の組み合わせを次のようにします。

それから：

計算値:

同様に、次のように導出できます。

c0は音速です。

(4)、(5)、(6)を(1)に代入します。

衝撃波が異なる距離で瞬間 (t = 0) に到達する圧力について、衝撃波のピーク圧力の関係は次のようになります。

同じ条件下では、爆発によって放出されるエネルギーは電荷質量 me にのみ関係します。

ここで、 \(pv^{n} = p_{H} v_{H} ,p_{K} \le p \le p_{H} \, \)。

環境圧力 ph が爆発衝撃波過圧 Δpm に影響を与えることがわかります。

爆轟生成物の拡大はC-J点から始まります。爆発による C-J 圧力から媒体との接触による初期衝撃波までの時間が短いため、近似的に理想気体の等エントロピー膨張過程とみなすことができます。爆発生成物が空中に飛散する場合、作用プロセスは 1 次元であると仮定でき、初期界面のパラメーターが考慮され、次の 2 つのセグメント化された断熱線が膨張断熱曲線を置き換えるために使用されます。実際のプロセス16．

この式では、等エントロピー指数 n と k はそれぞれ 3 と 1.2 になります。 \({p}_{H}\) と \({v}_{H}\) は爆轟波面での爆轟生成物のパラメータ、D は爆薬の爆轟速度、\({c}_{ K}\) は K 点での粒子速度です。 \({p}_{K}\) と \({v}_{K}\) は点 K における爆轟生成物パラメーターであり、その値は爆轟波のハゴニオ方程式によって決定できます。

次の式で爆轟生成物の膨張率を求めることができます16。

変身した

衝撃波の初期圧力は次の式16で求められます。

\({p}_{x}\) は衝撃波の初期圧力、ρa は初期空気密度です。

上記 2 つの式を結合し、n と k を代入すると、次のように簡略化できます。

Izadifard15 によれば、空気の内部エネルギーと温度が一定であると仮定すると、異なる真空度での圧力と密度の関係は次のように単純化できます。

ここで、ρ1 と p1 は、特定の環境における空気の密度と圧力です。 ρ1 と p0 は、それぞれ大気圧における空気の密度と圧力です。

方程式の分析によると、 (7-10) より、空気の密度が減少すると、つまり空気の圧力が減少すると、爆発性生成物の膨張率が増加します。再観察 (14) は、空気の初期密度が高くなるほど、初期衝撃波の強度が大きくなることを示しています。衝撃波の初速度は以下の式16で簡略化できる。

それは式からわかります。 (17) \({v}_{x}\) が大きいほど、\({D}_{x}\) も大きくなります。つまり、初期空気密度が小さいほど、初速度は大きくなります。衝撃波は。もちろん、解析プロセスでは n と k の値が一定であることを考慮しており、この場合の解析は理想的です。ただし、定性分析でも正しい結論を得ることができます。

開発した爆発容器を図２に示す。爆発容器は円筒形で主材質はステンレス鋼、容器の高さは43.3cm、内径は37.5cm、外径は38.7cm、壁は厚さは0.6cmです。

初期圧力調整可能なカラム爆発容器。

テストシステムは、爆発容器、デジタル圧力計、デジタル真空計、PCB 圧力トランスデューサ (113B24)、信号調整器、レクロイオシロスコープ、および圧力調整システムで構成されています。圧力調整システムは真空ポンプとエアコンプレッサーで構成されています。実験装置とテストシステムの両方を図 3 に示します。

実験的テストおよびデータ収集システム。

工業用電気起爆装置 (TNT 換算約 1.07 g) を爆薬源として使用し、集中点が下向きで容器の底に垂直になるようにしました。起爆装置の底部は容器の底部から 3.9 cm の位置にありました。 PCB 圧力センサーは爆発源の真上の容器軸に固定されており、ネジによって上下に調整可能であり、感知面は容器軸に対して垂直でした。圧力調整システムはさまざまな圧力環境を調整するために使用され、デジタル圧力計は爆発容器内のさまざまな初期圧力環境を達成するために容器内の圧力を観察するために使用されました。同じ爆発中心距離点で、1.4 気圧、1.2 気圧、1.0 気圧、0.8 気圧、0.6 気圧および容器内の他の異なる圧力環境で爆発物をテストし、爆発衝撃波反射過圧データを取得し、過圧時間曲線を取得しました。

爆発物が爆発物容器内で爆発すると、爆発生成物は周囲のガスを急速に圧縮し、その結果、圧力が非常に短時間で急速に最大値まで上昇します。衝撃波がコンテナの壁やコンテナの底に衝突すると、衝撃波は前方に伝播し続けるため、コンテナの構造によっては、他の場所が重なり合って収束して見えます。衝撃波の重畳反射が起こると圧力が急激に上昇し、初爆発圧力の数倍に達します。反射の種類に応じて、反射強度も異なります7。容器内の初期圧力が異なると広がりの状態も変化し、衝撃波が伝播するにつれて容器内のエネルギーは徐々に減衰していきます。図 4 は、さまざまな圧力条件下での過圧時間履歴曲線を示しています。

さまざまな周囲圧力での爆発波のΔp-t曲線。

自由空間で爆発する爆発物の場合と比較して、過圧時間履歴曲線にはいくつかの独特の特徴があります。容器内では衝撃波が数回反射されるため、過圧時刻歴曲線には複数のピークがあり、2 番目の圧力ピークは最初の圧力ピークよりも高くなります。曲線の後半には不規則な負圧ゾーンが存在し、場合によっては後部のピークが前部のピークよりも高くなることがあります。初期圧力が増加するにつれて、最初と 2 番目のピーク圧力の間の時間間隔が増加します。

最初の圧力ピーク p1 は、爆発後に反射なしでセンサーの感知面に直接垂直に作用する衝撃波の過圧力です。雷管の中心からコンテナの底部までの距離 L2 = 3.9 cm という実験設定は、容器の半径 R = 18.8 cm よりも明らかに距離の利点があるため、爆発衝撃波の最初の法線反射による過圧が容器の底を通過します。血管は、血管の環状壁を通る最初の斜め反射の過圧よりも大幅に早くセンサーに到達しました。

起爆装置の高さが固定されているため、爆風圧力は異なる初期圧力条件に対して個別に測定されます。爆風超過圧力の計算は、次の方程式17で求めることができます。

Vm はオシロスコープのピーク電圧 (V)、圧力センサーの感度 (V/MPa)、2 回の校正後の Sq の平均値は 716.55 mV/MPa でした。

センサーの接触面への爆風伝播時間を均一モーメントとして設定し、図5に示すように容器内の異なる初期圧力に対するΔp-t曲線を測定した。最初の過圧ピークと2番目の過圧ピーク爆発波のピークと容器内の初期圧力を図5に示します。

さまざまな周囲圧力での爆発波のΔp-t曲線。

図３〜６の分析から分かるように、図5と6では、自由場爆発の衝撃波の伝播が異なり、コンテナ壁の制約による容器内の衝撃波、状況に重ね合わされた複数の爆風反射があり、複数の爆風圧力ピークが存在します。 2 番目の圧力波のピークは、最初に容器の底に伝播した圧力波によって発生した起爆装置の爆発であり、次に反射の重ね合わせを生成します。その結果、衝撃波の 2 番目の圧力ピークに大幅な上昇が見られます。初期圧力が増加すると、最初のピーク圧力と 2 番目のピーク圧力の間の圧力差が増加します。

最初と 2 番目の過圧ピークの初期圧力に応じた変動。

容器内の初期圧力が上昇すると、第 2 圧力波ピークの到達時間が遅くなり、爆発容器内の初期圧力条件が爆発衝撃波の伝播状態に大きな影響を与えます。初期圧力の異なる条件において、爆発中心距離が一定の場合、爆発波のピーク圧力は容器内の初期圧力とともに増加します。ご覧のとおり、容器内のガス媒体の密度を下げると、爆発波の破壊的な影響を効果的に減らすことができます。コンテナ内の初期圧力の低下に伴い、大気圧と比較した空気密度は徐々に薄くなり、エネルギー伝播によって発生する爆発は、図7に見られるように、初期雰囲気と爆発生成物に大きく依存します。圧力が低下すると、空気媒体が不足するため、爆発波のエネルギー伝播減衰が徐々に加速され、多重反射を形成することがより困難になります。

3 つの異なる周囲圧力における爆風の Δp-t 曲線。

容器内の初期圧力が爆風伝播速度に及ぼす影響の解析を容易にするため、爆風伝播から圧力センサーに至るまでの過程を通じて爆風速度は一定であるとみなします。伝播時間と距離を記録することで爆風の伝播速度を知ることができます。波の時間差と爆風速度を次の表１と図８に示します。

異なる環境圧力下での衝撃波の速度。

容器内の初期圧力が増加すると、爆風が同じ測定点に到達する時間が徐々に増加し、平均伝播速度が減少します。周囲の圧力は一定の間隔で変化し、衝撃波の過圧の増加と波の速度の減少の間には相関関係がないことがわかります。

爆風の衝撃波によって生成される比推力は、次の式に従って計算できます。

ここで、t は圧縮期間、Δp は過圧値、τ は正圧動作時間です。

相対比推力係数 γ は、爆発容器内の 1 気圧での比推力とさまざまな初期値での比推力との比として定義されます。計算結果を図に示します。 9と10。

容器内の初期圧力による推力の変化。

初圧による相対比推力係数の変化。

異なる初圧における第1爆風の比推力i1と比推力i2の変動則を図9に示す。図9からわかるように、初圧が大きくなるにつれて比推力i1、i2も増加する。器の量が増えます。 0.4 atm ～ 0.8 atm の範囲では、比推力 i1 はよりゆっくりと変化し、0.2 atm ～ 0.4 atm の範囲では、比推力 i1 はより急速に減少し、比推力 i2 は 0.6 atm 以降、より急速に減少します。 0.4気圧から0.6気圧の範囲。正圧領域では、比推力 i2 は、率が大幅に上昇する i1 に比べてゆっくりと上昇します (補足情報)。

相対比推力係数 γ1 と γ2 はそれぞれ容器内の爆発波の 1 番目と 2 番目の比推力の減衰を反映しており、γ の値が大きいほど減衰が速いことを示します。容器内の初期圧力が変化すると、第 1 比推力 i1 の最大減衰は 72.97%、第 2 比推力 i2 の最大減衰は 72.39% になります。

図から。図9と図10は負圧環境における力積変化量よりも分かり、特定推力の爆発後10.0ms以内の負圧環境を計算すると図11となり、負圧環境があることがわかる解析結果過圧感受性負圧 Pcr として定義される過圧圧力の急激な減少により、この実験条件 Pcr は特定の値内でほぼ 0.6 atm の領域になります。

初圧による推力係数の変化。

実験で使用した起爆装置の主薬はヘキソーゲン（RDX）であり、その爆発方程式は次のとおりです。

起爆装置の爆発によって発生するガスの量は n = 0.0424 mol です。

実験の結果、爆発物容器内に設定された初期負圧に関係なく、各爆発の前後のデジタル圧力差は約 2.8 kPa の値で安定し、つまり容器内の空気圧の増分値は約 2.8 kPa であったことがわかりました。 2.8kPa。爆発物容器の容積は 34.8 L で、理想ガスの状態方程式によれば、容器内のガスの増加量は次のように計算されます。

n0 は爆発容器内の元のガスの量、Δn は爆発後の容器内のガスの増加、k はガス増加率です。

理論計算とガス発生爆発後に測定された実験は比較的近く、初期圧力環境の違いが実験雷管爆発ガス生成物の量に影響を及ぼさないことを示しています。表２に示すように、初期環境の圧力が低いほど、元の容器内のガス量に対する爆発発生ガス量の割合が大きくなる。

本論文では、φ320 mm × 430 mmの小型調整可能な圧力柱爆発容器を設計し、異なる初圧爆発試験を実施し、異なる初圧で工業用雷管の爆発パラメータを試験し、爆発衝撃波伝播速度を推定した。主な結論は以下の通りであった。

一定の爆発相当量と爆発中心からの距離の条件下では、衝撃波の超過圧力は爆発の初期周囲圧力とともに減少します。爆発衝撃波の速度の大きさと伝播媒体の密度は、初期環境圧力が低くなるほど、ガスが薄くなり、衝撃波の伝播が速くなります。爆発波の伝播速度は周囲の圧力が低下するにつれて増加し、1.8 気圧の圧力での伝播速度は 0.2 気圧の圧力での伝播速度の 4 分の 1 です。

初期の環境圧力が変化しても、生成される爆発性ガス生成物の量は変化しません。爆発物が置かれている環境の初圧が大きいほど、爆発物容器内の初力ガス体積の割合に比べて爆発によって生成されるガスの量は少なくなり、衝撃波の伝播への影響も小さくなります。小さい

相対比推力係数 γ は、船舶内の第 1 および第 2 の爆風波の比推力の減衰を測定するために定義されます。最初の比力積 i1 の最大減衰は 72.97%、2 番目の比力積 \(i\)2 の最大減衰は 72.39% です。

タンク内の初期圧力がある程度低いと、爆発で発生したエネルギーは急激に減衰します。このとき、エネルギー伝達は主に爆発物に依存しており、波の速度の増加は爆発物の速度によって制限される。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文とその補足情報ファイルに含まれています。

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この論文で紹介されている研究は、中国国家自然科学財団から NO. に基づいて資金提供を受けています。 11872002。

安徽科学技術大学化学工学部、淮南、232001、中国

FQ ワン、Q. ワン、R. リー、XC リー、LA ヤン、JW ルー

232001 中国、淮南市、安徽省の爆発物および技術工学研究所

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BGRIMM Technology Group、北京、100160、中国

YJ ワン

安徽科学技術大学土木建築学部、淮南、232001、中国

ZM リ

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著者全員が原稿に寄稿し、査読しました。

Q. Wang への通信。

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王、FQ、王、Q.、王、YJ 他。異なる初圧環境下における密閉空間における衝撃波の伝播則。 Sci Rep 12、14352 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-18567-0

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受信日: 2022 年 3 月 4 日

受理日: 2022 年 8 月 16 日

公開日: 2022 年 8 月 23 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18567-0

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