Ausbreitungsregeln von Stoßwellen in geschlossenen Räumen unter unterschiedlichen Anfangsdruckumgebungen

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 14352 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Arbeit wurde ein an den Anfangsdruck anpassbares Explosionsgefäß entwickelt und die Auswirkung von Unterdruck, Überdruck (0,2–1,8 atm) und verschiedenen anfänglichen Umgebungsdrücken auf die durch die Explosion von Sprengstoffen erzeugte explosive Stoßwelle untersucht. Die Beziehungen zwischen dem spezifischen Impuls, der Stoßwellengeschwindigkeit, der Menge an explosiven Gasprodukten und dem Umgebungsdruck wurden für verschiedene Anfangsdruckumgebungen analysiert. Es wurde festgestellt, dass: Der Überdruck der Druckstoßwelle mit dem anfänglichen Umgebungsdruck der Explosion abnimmt und es eine Unterdruckumgebung mit einem dramatischen Druckabfall in der Nähe von 0,6 atm gibt, die als überempfindlicher Unterdruck Pcr definiert ist. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Explosionswelle nimmt mit abnehmendem Umgebungsdruck zu, und die Ausbreitungsgeschwindigkeit bei einem Druck von 1,8 atm ist viermal geringer als die Geschwindigkeit bei einem Druck von 0,2 atm. Die Produktion explosiver Gasprodukte hat sich nicht verändert. Je höher der Anfangsdruck der Umgebung, in der sich der Sprengstoff befindet, desto kleiner ist das Verhältnis des durch die Explosion erzeugten Gases zur Anfangskraft des Gases im Explosionsgefäß und desto größer ist der Einfluss auf die Ausbreitung von Stoßwellen. Die maximale Dämpfung des ersten spezifischen Impulses i1 beträgt 72,97 % und die maximale Dämpfung des zweiten spezifischen Impulses i2 beträgt 72,39 %. Die Experimente liefern Referenzdaten für militärische Konfrontationen in großer Höhe, für die Entwicklung von Waffen und Munition in großer Höhe sowie für die Tieferdschutztechnik.

Sprengstoffe in der Luft erzeugen bei der Explosion augenblicklich Hochtemperatur- und Hochdruckexplosionsprodukte und werden um sie herum heftig komprimiert, wodurch eine Schicht komprimierter Grenzfläche, also die Stoßwellenfront, entsteht. Gleichzeitig kommt es zur Bildung spärlicher Wellen innerhalb der Explosionsprodukte, von der Explosions-Luft-Grenzfläche bis zum Zentrum der Explosionsausbreitung. Während sich die Explosionsprodukte und Stoßwellen weiter vorwärts ausbreiten und das Explosionsprodukt die Grenze seines Volumens erreicht, hört es auf, sich auszudehnen. Die Stoßwellen können als von den Explosionsprodukten getrennt betrachtet werden.

Explosive Produkte prallen auf und komprimieren die Luft um die Explosionsquelle herum, was zu einem gewissen Abstand vom Ladungszentrum führt. Der Druck der Stoßwellen hat den plötzlichen Zustand nie gestört, was zu einem großen Überdruck führt und eine Überdruckzone bildet. Mit zunehmender Ausbreitungszeit beginnt sich die Luft hinter der Stoßwellenfront auszudehnen, was zu einem kontinuierlichen Druckabfall führt, der eine Unterdruckzone unterhalb des Anfangsdrucks bildet. Bei der freien Ausbreitung von Stoßwellen nimmt die Intensität der Wellen mit zunehmender Ausbreitungsentfernung allmählich ab und zerfällt schließlich in Schallwellen. Die Druck-Zeit-Kurve seines Ausbreitungsprozesses ist in der folgenden Abbildung 1 dargestellt.

Zeitverlaufskurve des typischen Stoßwellenüberdrucks.

Sprengstoff im Freifeld explodiert, Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck innerhalb eines Augenblicks. Die Explosionsprodukte breiten sich heftig in alle Richtungen aus und verdichten die Umgebungsluft, wodurch Stoßwellen entstehen. Im Vergleich zum offenen Freiraum ist der Ausbreitungszustand der Stoßwellen im geschlossenen Raum wesentlich komplexer, es kommt zu einer Überlagerung mehrerer Reflexionen und der erzeugte Spitzendruck ist deutlich erhöht. Die Wirkung der durch die Explosion erzeugten Stoßwellen auf verschiedene Objekte wird hauptsächlich durch den Spitzenüberdruck ∆p, die Ausbreitungsgeschwindigkeit u des spezifischen Impulses i und andere Parameter gemessen. Es wird allgemein davon ausgegangen, dass die Explosionsschäden in Form von Stoßwellenschäden entstehen. Um die Beziehung zwischen Spitzendruck, spezifischem Impuls und Stoßwellenausbreitungsgeschwindigkeit herauszufinden, die Regeln der Stoßwellenausbreitung und den Schadensmechanismus aufzudecken, haben in- und ausländische Wissenschaftler zahlreiche experimentelle und theoretische Studien durchgeführt und a Reihe semiempirischer Formeln zur Berechnung des Stoßwellenüberdrucks1,2,3,4.

Wenn sich der Umgebungsdruck oder die Umgebungstemperatur und andere äußere Bedingungen ändern, ändern sich auch der Spitzendruck, die spezifische Impuls- und Druckwellenausbreitungsgeschwindigkeit und andere Parameter entsprechend. Insbesondere wenn sich der anfängliche Umgebungsdruck ändert, ändern sich auch die Ausbreitungseigenschaften der Stoßwellen im Vergleich dazu Der atmosphärische Druckfall wird sich erheblich ändern. In Bezug auf die Ausbreitungsregeln von Explosionsschockwellen unter unterschiedlichen Druckumgebungen haben Wissenschaftler im In- und Ausland unterschiedliche Studien durchgeführt und einige wertvolle Forschungsergebnisse erzielt. Die Explosionsprodukte in einer Vakuumumgebung wurden von Zhang et al.5 experimentell untersucht. Daraus wurde geschlossen, dass die Ausbreitung der Explosionsprodukte in der Vakuumumgebung eine signifikante Richtung hatte und der Energiezerfall auch schneller erfolgte. Li et al.6 simulierten die Änderungen der charakteristischen Parameter der Nahfeldexplosion von Ammoniumölsprengstoffen unter verschiedenen Vakuumgraden mithilfe der Simulationssoftware AUTO-DYN und entwickelten eine Überdruckberechnungsformel, die auf die Nahfeldexplosion von anwendbar ist Ammoniumöl-Sprengstoff. Mithilfe eines Evakuierungsgeräts kam Zhu7 experimentell zu dem Schluss, dass der Stoßwellendruck an der Gewehröffnung ungefähr linear mit der Abnahme des Umgebungsdrucks abnimmt. You et al.8 führten unter Variation der anfänglichen Umgebungstemperatur und des anfänglichen Umgebungsdrucks Experimente zur C5–C6-In-Rohr-Detonation von Kohlenwasserstoffbrennstoffen durch und die Ergebnisse zeigten, dass der Einfluss der Temperatur auf die Detonationsparameter viel geringer war als der des anfänglichen Drucks unter Umgebungsbedingungen. Durch die Durchführung von Explosionsexperimenten in einer Unterdruckumgebung zeigten Wang et al.9, dass die Spitzenvibrationsgeschwindigkeit des Zylinders und der Schalldruckpegel des Explosionsgeräuschs tendenziell mit der Abnahme des Anfangsdrucks und der Hauptvibrationsfrequenz des Zylinders abnahmen Der Zylinder verkleinerte sich mit der Abnahme des Anfangsdrucks.

Xie et al.10 untersuchten die Ausbreitungsregeln von Druckstoßwellen in verschiedenen Höhen anhand der Eigenschaften eindimensionaler kugelförmiger Druckstoßwellen aus der Luft. Er basiert auf der von Orlenko vorgeschlagenen Wolkenbruchformel, der Ableitung auf die Plateauumgebung, einem Vergleich der Änderung der Stoßwellenparameter in verschiedenen Höhen, und gibt quantitativ den Grad des Einflusses der Plateauhöhe auf die Ausbreitungseigenschaften explosiver Stoßwellen an. Song et al.11 verwendeten die Finite-Elemente-Software LS-DYNA, um die Ausbreitungsregeln für Stoßwellen zu simulieren, wenn das Zentrum einer begrenzten Struktur unter verschiedenen Vakuumgraden zur Detonation gebracht wird, und kamen zu dem Schluss, dass LS-DYNA dies kann, wenn der Skalenabstand über 0,8 liegt darf nur zur Simulation von Druckfeldern mit einem Anfangsdruck von 0,01–0,06 MPa angewendet werden. Jack Jr et al.12 führten Simulationen hoher Luftstöße durch, um Stoßwelleneigenschaften abzuleiten, die das Sachs'sche Gesetz nicht erfüllen. Unter verschiedenen atmosphärischen Druckbedingungen (81,4 kPa, 101,3 kPa, 156,5 kPa) führten Veldman et al.13 experimentelle und numerische Studien zum Druck und Impuls der reflektierten Stoßwellen durch und stellten fest, dass der reflektierte Impuls empfindlicher auf Änderungen des Umgebungsdrucks reagierte der Abstand zwischen der Ladung und der reflektierten Struktur vergrößerte sich. Silnikov et al.14 untersuchten die Auswirkung des Anfangsdrucks auf die quasistatische Komponente nach der Explosionsbelastung und zeigten experimentell, dass die Stoßwellenwirkung einer Explosion in einer Umgebung unter normalem Atmosphärendruck geringer ist als die Wirkung einer ähnlichen Explosion bei Normaldruck Luftdruck. Izadifard et al.15 untersuchten die Auswirkung des Umgebungsdrucks auf verschiedene Stoßwellenparameter und zeigten, dass der Überdruck über der Höhe des Meeresspiegels geringer ist als der Überdruck auf der Höhe des Meeresspiegels. Obige Forschung zu Stoßwellen entweder in einer Umgebung mit einem einzigen Druck oder numerische Simulation verschiedener Druckumgebungen, aber über experimentelle Studien zur Ausbreitung explosiver Wellen in geschlossenen Räumen unter verschiedenen Vakuumniveaus wurde nicht berichtet, was auf den Mangel an systematischer experimenteller Forschung in diesem Bereich zurückzuführen ist Es wurde kein unterschiedlicher anfänglicher Umgebungsdruck des explosionstheoretischen Systems gebildet.

Derzeit erfolgt die Untersuchung des anfänglichen Umgebungsdrucks auf die Regel der Ausbreitung explosiver Stoßwellen hauptsächlich durch numerische Simulationen mit Software wie AUTODYN zusammen mit einer begrenzten Anzahl von Experimenten, bei denen es sich bei den meisten um Unterdruckexperimente handelt. Für einen größeren Bereich des Anfangsdrucks, insbesondere des Unterdrucks mit mehreren Gradienten und des Überdrucks in Umgebungen, mangelt es an systematischen und umfassenden Vergleichsstudien auf die Auswirkungen explosiver Stoßwellen.

In diesem Artikel wird die theoretische Analyse der Auswirkung unterschiedlicher anfänglicher Umgebungsdrücke auf die Parameter von Druckstoßwellen untersucht. Dabei werden kleine, einstellbare Anfangsdrucksäulen-Sprengstoffbehälter verwendet, um experimentelle Studien zur Ausbreitung explosiver Druckstoßwellen unter unterschiedlichen anfänglichen Umgebungsdrücken durchzuführen und das zu untersuchen Einfluss des Anfangsdrucks auf die Ausbreitung explosiver Stoßwellen und die Regeln für die Änderung explosiver Gasprodukte.

Die physikalischen Größen, die die Stoßwellenparameter einer explosiven Explosion in Luft beeinflussen, sind: Gesamtenergie E, die durch eine explosive Explosion freigesetzt wird, Luftumgebungsdruck p, Luftdichte ρ und Ausbreitungsentfernung r. Unter Vernachlässigung der Viskosität und Wärmeleitung des Luftmediums kann der Spitzenüberdruck der Explosionsstoßwelle als Funktion der Luftparameter ausgedrückt werden:

Aus dem Π-Theorem ist ersichtlich, dass es in Gleichung 3 grundlegende Maße gibt. (1): M, L und T entsprechen drei unabhängigen physikalischen Referenzdimensionen. Wenn E, p und ρ als unabhängige Variablen ausgewählt werden, beträgt das kombinierte Maß der Messung 3.

Die dimensionslose Kombination von \(\lambda \)1 sei:

Dann:

Berechnet:

Ebenso können wir Folgendes ableiten:

c0 ist die Schallgeschwindigkeit.

Ersetzen Sie (4), (5) und (6) in (1):

Für den Druck, den die Stoßwelle zum Zeitpunkt (t = 0) in unterschiedlichen Abständen erreicht, ist das Verhältnis des Spitzendrucks der Stoßwelle wie folgt:

Unter den gleichen Bedingungen hängt die bei einer Explosion freigesetzte Energie nur von der Ladungsmasse me ab

wobei \(pv^{n} = p_{H} v_{H} ,p_{K} \le p \le p_{H} \, \).

Es ist ersichtlich, dass der Umgebungsdruck ph einen Einfluss auf den Explosionsstoßwellenüberdruck Δpm hat.

Die Expansion der Detonationsprodukte beginnt am C–J-Punkt. Aufgrund der kurzen Zeit vom C-J-Druck, der durch die Explosion entsteht, bis zur ersten Stoßwelle, die durch den Kontakt mit dem Medium entsteht, kann man ihn annähernd als den isentropen Expansionsprozess eines idealen Gases betrachten. Für den Fall, dass Explosionsprodukte in die Luft fliegen, kann davon ausgegangen werden, dass der Aktionsprozess eindimensional ist, die Parameter der anfänglichen Grenzfläche berücksichtigt werden und die folgenden zwei segmentierten Isolationslinien verwendet werden, um die adiabatische Expansionskurve in der zu ersetzen tatsächlicher Prozess16.

In der Formel können die Isentropenexponenten n und k 3 bzw. 1,2 betragen. \({p}_{H}\) und \({v}_{H}\) sind die Parameter der Detonationsprodukte an der Detonationswellenfront, D ist die Detonationsgeschwindigkeit des Sprengstoffs, \({c}_{ K}\) ist die Teilchengeschwindigkeit am K-Punkt. \({p}_{K}\) und \({v}_{K}\) sind die Detonationsproduktparameter am Punkt K, und ihre Werte können durch die Hugoniotengleichung der Detonationswellen bestimmt werden.

Die folgende Formel kann die Expansionsrate von Detonationsprodukten bestimmen16.

Transformiert

Der Anfangsdruck von Stoßwellen kann durch die folgende Gleichung16 bestimmt werden.

\({p}_{x}\) ist der anfängliche Druck der Stoßwelle, ρa ist die anfängliche Luftdichte.

Kombinieren Sie die beiden obigen Formeln und ersetzen Sie n und k zur Vereinfachung:

Laut Izadifard15 kann unter der Annahme, dass die innere Energie und die Temperatur der Luft konstant sind, die Beziehung zwischen Druck und Dichte bei verschiedenen Vakuumgraden wie folgt vereinfacht werden:

wobei ρ1 und p1 die Luftdichte und den Luftdruck in einer bestimmten Umgebung sind; ρ1 und p0 sind die Dichte bzw. der Druck von Luft bei Atmosphärendruck.

Nach der Analyse der Gl. (7–10) Wenn die Dichte der Luft abnimmt, d. h. wenn der Luftdruck abnimmt, nimmt die Expansionsrate explosiver Produkte zu. Die erneute Beobachtung (14) zeigt, dass die anfängliche Stoßwellenintensität umso größer ist, je höher die anfängliche Luftdichte ist. Die anfängliche Stoßwellengeschwindigkeit kann durch die folgende Formel16 vereinfacht werden.

Es ist aus Gl. ersichtlich. (17) Je größer \({v}_{x}\) ist, desto größer ist \({D}_{x}\), nämlich je kleiner die anfängliche Luftdichte ist, desto größer ist die Anfangsgeschwindigkeit von Stoßwelle ist. Natürlich berücksichtigt der Analyseprozess, dass die Werte von n und k konstant sind, und die Analyse ist in diesem Fall ideal. Für die qualitative Analyse kann jedoch immer noch die richtige Schlussfolgerung gezogen werden.

Das entwickelte Explosionsgefäß ist in Abb. 2 dargestellt. Das Sprenggefäß ist ein Zylinder, und das Hauptmaterial besteht aus Edelstahl, die Gefäßhöhe beträgt 43,3 cm, der Innendurchmesser beträgt 37,5 cm, der Außendurchmesser beträgt 38,7 cm und die Wand Die Dicke beträgt 0,6 cm.

Kolonnenexplosionsbehälter mit einstellbarem Anfangsdruck.

Das Testsystem besteht aus einem Explosionsgefäß, einem digitalen Manometer, einem digitalen Vakuummeter, einem PCB-Druckwandler (113B24), einem Signalkonditionierer, einem Lecroy-Oszilloskop und einem Druckregulierungssystem. Das Druckregulierungssystem besteht aus einer Vakuumpumpe und einem Luftkompressor. Sowohl der Versuchsaufbau als auch das Testsystem sind in Abb. 3 dargestellt.

Experimentelle Test- und Datenerfassungssysteme.

Als Quelle des Sprengstoffs wurde ein industrieller elektrischer Zünder (ungefähr 1,07 g TNT-Äquivalent) verwendet, dessen Konzentrationspunkt nach unten und senkrecht zum Boden des Gefäßes gerichtet war. Der Boden des Zünders befand sich 3,9 cm vom Boden des Gefäßes entfernt. Der PCB-Drucksensor ist auf der Behälterachse direkt über der Explosionsquelle befestigt, die mittels eines Gewindes nach oben und unten verstellbar ist, und die empfindliche Oberfläche befand sich senkrecht zur Behälterachse. Das Druckanpassungssystem wurde verwendet, um die unterschiedlichen Druckumgebungen anzupassen, und das digitale Manometer wurde verwendet, um den Druck im Inneren des Behälters zu beobachten und so unterschiedliche Anfangsdruckumgebungen im Explosionsbehälter zu erreichen. Am gleichen Ort des Explosionsmittenabstands werden Sprengstoffe in Umgebungen mit unterschiedlichem Druck von 1,4 atm, 1,2 atm, 1,0 atm, 0,8 atm, 0,6 atm und anderen verschiedenen Druckumgebungen in der Explosionsstoßwellenreflexion des Gefäßes getestet, um Überdruckdaten zu erhalten, um die Zeitkurve des Überdrucks zu erhalten.

Wenn Sprengstoffe im Sprengstoffbehälter explodieren, verdichten die Explosionsprodukte das umgebende Gas schnell, was zu einem schnellen Druckanstieg in sehr kurzer Zeit auf ein Maximum führt. Da sich die Stoßwellen weiter nach vorne ausbreiten, wenn die Stoßwellen auf die Behälterwand oder den Boden des Behälters treffen und andere Stellen je nach Struktur des Behälters überlagert und konvergieren, ergibt sich ein anderes Bild der Situation. Bei einer überlagerten Reflexion der Stoßwellen steigt der Druck dramatisch an, bis hin zum Mehrfachen des anfänglichen Explosionsdrucks. Abhängig von der Art der Reflexion variiert auch die reflektierte Intensität7. Wenn der Anfangsdruck im Inneren des Gefäßes unterschiedlich ist, ändert sich auch der Ausbreitungszustand, und mit der Ausbreitung der Stoßwellen kommt es zu einer allmählichen Schwächung der Energie im Gefäß. Abbildung 4 zeigt die Überdruck-Zeitverlaufskurve unter verschiedenen Druckbedingungen.

∆p–t-Kurven von Explosionswellen bei verschiedenen Umgebungsdrücken.

Im Vergleich zum Fall explodierender Sprengstoffe im freien Raum gibt es einige einzigartige Merkmale der Überdruck-Zeitverlaufskurven. Im Behälter werden Stoßwellen mehrmals reflektiert, sodass die Überdruck-Zeitverlaufskurve mehrere Spitzen aufweist und die zweite Druckspitze höher ist als die erste Druckspitze. In der hinteren Hälfte der Kurve liegt eine unregelmäßige Unterdruckzone vor, und gelegentlich ist die hintere Spitze höher als die vordere Spitze. Mit zunehmendem Anfangsdruck nimmt das Zeitintervall zwischen dem ersten und dem zweiten Spitzendruck zu.

Die erste Druckspitze p1 ist der Überdruck der Stoßwellen, die nach der Explosion ohne jegliche Reflexion direkt senkrecht auf die empfindliche Oberfläche des Sensors wirken. Da die experimentelle Einstellung des Zündermittelpunkts zum Behälterboden einen Abstand L2 = 3,9 cm gegenüber dem Behälterradius R = 18,8 cm hat, ergibt sich ein deutlicher Abstandsvorteil, der Überdruck der ersten Normalreflexion der Druckstoßwelle durch den Behälterboden Das Gefäß erreichte den Sensor deutlich schneller als der Überdruck der ersten Schrägreflexion durch die Ringwand des Gefäßes.

Bei einer festen Zünderhöhe wird der Druck der Druckwellen für verschiedene Anfangsdruckbedingungen separat gemessen. Die Berechnung des Druckwellenüberdrucks kann mit der folgenden Gleichung17 erfolgen:

Vm ist die Spitzenspannung des Oszilloskops (V) und die Empfindlichkeit von Drucksensoren (V/MPa). Der Durchschnittswert von Sq nach zwei Kalibrierungen betrug 716,55 mV/MPa.

Die Ausbreitungszeit der Druckwellen zur Kontaktfläche des Sensors wurde als einheitlicher Moment festgelegt und die Δp-t-Kurven werden für verschiedene Anfangsdrücke im Behälter gemessen, wie in Abb. 5 dargestellt. Der erste Überdruckpeak und der zweite Überdruck Der Höhepunkt der Druckwellen mit dem Anfangsdruck im Gefäß ist in Abb. 5 dargestellt.

∆p–t-Kurven von Explosionswellen bei verschiedenen Umgebungsdrücken.

Wie aus der Analyse der Abb. ersichtlich ist. 5 und 6, und die Ausbreitung der Stoßwellen im freien Feld ist unterschiedlich, die Stoßwellen im Inneren des Gefäßes sind aufgrund der Beschränkungen der Behälterwand, es gibt mehrere Druckwellenreflexionen, die der Situation überlagert sind, und es gibt mehrere Druckwellendruckspitzen. Beim zweiten Druckwellengipfel handelt es sich um die Detonatorexplosion, die dadurch erzeugt wird, dass sich die Druckwellen zunächst zum Boden des Gefäßes ausbreiten und dort eine Reflexionsüberlagerung erzeugen. Folglich zeigt sich ein deutlicher Anstieg der zweiten Druckspitze der Stoßwellen. Mit zunehmendem Anfangsdruck nimmt der Druckunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Spitzendruck zu.

Variation der ersten und zweiten Überdruckspitze mit dem Anfangsdruck.

Wenn der Anfangsdruck im Inneren des Behälters ansteigt, verzögert sich die Ankunftszeit des zweiten Druckwellenpeaks, und die Anfangsdruckbedingungen des Explosionsbehälters haben einen erheblichen Einfluss auf den Ausbreitungszustand der Explosionsschockwellen. Bei unterschiedlichen Bedingungen des Anfangsdrucks und bei konstantem Strahlzentrumsabstand steigt der Spitzendruck der Explosionswellen mit dem Anfangsdruck im Inneren des Behälters. Wie man sieht, kann eine Verringerung der Dichte des Gasmediums im Inneren des Behälters die zerstörerische Wirkung der Explosionswellen wirksam reduzieren. Mit der Verringerung des Anfangsdrucks im Behälter wurde die Luftdichte im Vergleich zum atmosphärischen Druck allmählich dünner, die durch die Energieausbreitung erzeugte Explosion hängt weitgehend von den Explosionsprodukten ab, wie in Abb. 7 mit der anfänglichen Umgebungstemperatur zu sehen ist Durch den Druckabfall wird aufgrund des Mangels an Luftmedium der Zerfall der Energieausbreitung der Explosionswelle allmählich beschleunigt, wodurch es schwieriger wird, Mehrfachreflexionen zu bilden.

∆p-t-Kurven von Druckwellen bei drei verschiedenen Umgebungsdrücken.

Um die Analyse der Auswirkung des anfänglichen Drucks im Inneren des Behälters auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckwellen zu erleichtern, wird die Geschwindigkeit der Druckwellen während des gesamten Prozesses von der Ausbreitung der Druckwellen bis zum Drucksensor als konstant betrachtet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckwellen kann durch Aufzeichnung der Ausbreitungszeit und -entfernung ermittelt werden. Die folgende Tabelle 1 und Abb. 8 zeigen den Wellenzeitunterschied und die Druckwellengeschwindigkeit.

Geschwindigkeit von Stoßwellen unter unterschiedlichem Umgebungsdruck.

Wenn der Anfangsdruck im Inneren des Behälters zunimmt, nimmt die Zeit, die die Druckwellen benötigen, um denselben Messpunkt zu erreichen, allmählich zu und ihre durchschnittliche Ausbreitungsgeschwindigkeit nimmt ab. Es ist ersichtlich, dass der Umgebungsdruck in einem bestimmten Intervall variiert und es keinen Zusammenhang zwischen der Zunahme des Überdrucks der Stoßwellen und der Abnahme der Wellengeschwindigkeit gibt.

Der durch die Druckstoßwellen erzeugte spezifische Impuls lässt sich nach folgender Gleichung berechnen:

Dabei ist t die Kompressionsdauer, ∆p der Überdruckwert und τ die Überdruckwirkungszeit.

Der relative spezifische Impulsfaktor γ ist definiert als das Verhältnis zwischen dem spezifischen Impuls bei 1 atm und dem spezifischen Impuls bei verschiedenen Ausgangswerten im Sprengstoffbehälter. Die Berechnungsergebnisse sind in den Abbildungen dargestellt. 9 und 10.

Variation des Impulses mit dem Anfangsdruck im Gefäß.

Variation des relativen spezifischen Impulsfaktors mit dem Anfangsdruck.

Die Variationsregeln des spezifischen Impulses i1 und des spezifischen Impulses i2 der 1. Druckwelle bei unterschiedlichen Anfangsdrücken sind in Abb. 9 dargestellt. Wie aus Abb. 9 ersichtlich ist, nehmen mit zunehmendem Anfangsdruck auch die spezifischen Impulse i1 und i2 zu des Gefäßes nimmt zu. Im Bereich von 0,4 atm bis 0,8 atm ändert sich der spezifische Impuls i1 langsamer, im Bereich von 0,2 atm bis 0,4 atm nimmt der spezifische Impuls i1 schneller ab, der spezifische Impuls i2 nimmt ab 0,6 atm schneller ab, insbesondere im Bereich von 0,4 atm bis 0,8 atm Bereich von 0,4 atm bis 0,6 atm. Im Überdruckbereich steigt der spezifische Impuls i2 langsamer an als i1, was die Rate deutlich erhöht (Ergänzende Informationen).

Die relativen spezifischen Impulsfaktoren γ1 und γ2 spiegeln das Abklingen des ersten bzw. zweiten spezifischen Impulses der Explosionswellen im Inneren des Gefäßes wider, und der größere Wert von γ zeigt den schnelleren Abklingen an. Wenn sich der anfängliche Druck im Inneren des Gefäßes ändert, beträgt der höchste Abfall des ersten spezifischen Impulses i1 72,97 %, der höchste Abfall des zweiten spezifischen Impulses i2 72,39 %.

Aus Abb. 9 und 10 zeigen, dass sich die Anzahl der Impulse in der Unterdruckumgebung ändert. Berechnen Sie die Unterdruckumgebung innerhalb von 10,0 ms nach der Detonation des spezifischen Impulses, was zu Abb. 11 führt. Aus der Analyse ist ersichtlich, dass eine Unterdruckumgebung vorliegt Mit einer starken Reduzierung des Überdruckdrucks, definiert als überdruckempfindlicher Unterdruck Pcr, liegt dieser Versuchsbedingungen Pcr innerhalb eines bestimmten Wertes im Bereich von nahezu 0,6 atm.

Variation des Impulsfaktors mit dem Anfangsdruck.

Die Hauptladung des im Experiment verwendeten Zünders ist Hexogen (RDX), und seine Explosionsgleichung lautet wie folgt.

Die durch die Zünderexplosion erzeugte Gasmenge beträgt n = 0,0424 mol.

Experimente ergaben, dass unabhängig vom anfänglichen Unterdruck, der im Sprengstoffbehälter eingestellt wurde, bei jeder Explosion vor und nach der digitalen Druckdifferenz die Stabilität im Wert von etwa 2,8 kPa lag, d 2,8 kPa. Das Volumen des Sprengstoffbehälters beträgt 34,8 l. Gemäß der idealen Gaszustandsgleichung wird die Gaszunahme im Behälter wie folgt berechnet:

n0 ist die Menge des ursprünglichen Gases im Explosionsgefäß, Δn ist die Gaszunahme im Gefäß nach der Explosion und k ist der Prozentsatz der Gaszunahme.

Theoretische Berechnungen und Experimente, die nach der Explosion der Gaserzeugung gemessen wurden, liegen relativ nahe beieinander, was darauf hindeutet, dass der Unterschied in der anfänglichen Druckumgebung keinen Einfluss auf die Menge der experimentellen Explosionsgasprodukte des Zünders hat. Wie in Tabelle 2 gezeigt, ist die Menge des durch die Explosion erzeugten Gases im Verhältnis zur Gasmenge im ursprünglichen Behälter umso größer, je niedriger der Druck der ursprünglichen Umgebung ist.

In diesem Artikel haben wir ein kleines, einstellbares Drucksäulen-Explosionsgefäß mit den Abmessungen ϕ320 mm × 430 mm entworfen, verschiedene Anfangsdruck-Explosionstests durchgeführt, die Explosionsparameter von Industriezündern bei verschiedenen Anfangsdrücken getestet und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Explosionsstoßwellen geschätzt. Die wichtigsten Schlussfolgerungen wurden wie folgt gezogen.

Unter den Bedingungen konstanten Explosionsäquivalents und Abstands vom Explosionszentrum nimmt der Überdruck der Stoßwelle mit dem anfänglichen Umgebungsdruck der Explosion ab. Explosionsstoßwellengeschwindigkeit, Größe und Ausbreitungsmediumdichte: Je niedriger der anfängliche Umgebungsdruck, desto dünner das Gas, desto schneller breitet sich die Stoßwelle aus. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Explosionswelle nimmt mit abnehmendem Umgebungsdruck zu, und die Ausbreitungsgeschwindigkeit bei einem Druck von 1,8 atm ist viermal geringer als die Geschwindigkeit bei einem Druck von 0,2 atm.

Bei den anfänglichen Änderungen des Umgebungsdrucks ändert sich die Menge der erzeugten explosiven Gasprodukte nicht. Je größer der Anfangsdruck der Umgebung ist, in der sich der Sprengstoff befindet, desto geringer ist auch die Menge des durch die Explosion erzeugten Gases im Verhältnis zum Anteil der Anfangskraft des Gasvolumens im Sprengstoffbehälter, und desto geringer ist auch der Einfluss auf die Ausbreitung von Stoßwellen kleiner

Der relative spezifische Impulsfaktor γ wird definiert, um die Dämpfung des spezifischen Impulses der ersten und zweiten Druckwelle im Schiff zu messen. Die maximale Dämpfung des ersten spezifischen Impulses i1 beträgt 72,97 % und die maximale Dämpfung des zweiten spezifischen Impulses \(i\)2 beträgt 72,39 %.

Wenn der Anfangsdruck im Tank auf ein bestimmtes Maß niedrig ist, lässt die durch die Explosion erzeugte Energie schnell nach. Zu diesem Zeitpunkt hängt die Energieübertragung hauptsächlich von den explosiven Produkten ab, und die Erhöhung der Wellengeschwindigkeit wird durch die Geschwindigkeit der explosiven Produkte begrenzt.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

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ZM Li

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Alle Autoren haben das Manuskript beigesteuert und überprüft.

Korrespondenz mit Q. Wang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Wang, FQ, Wang, Q., Wang, YJ et al. Ausbreitungsregeln von Stoßwellen in geschlossenen Räumen unter unterschiedlichen Anfangsdruckumgebungen. Sci Rep 12, 14352 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18567-0

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Eingegangen: 04. März 2022

Angenommen: 16. August 2022

Veröffentlicht: 23. August 2022

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

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