Rurka uderzeniowa

Aby zapoznać się z inicjatorem pirotechnicznym, zobacz Detonator z rurką uderzeniową

Aparatura testowa z rurką uderzeniową na Uniwersytecie w Ottawie w Kanadzie.

Resztki zużytej folii aluminiowej usuwanej przez studenta.

Wyidealizowana rura uderzeniowa. Wykres pokazuje różne fale, które powstają w rurce po pęknięciu membrany.

Rura uderzeniowa to instrument służący do replikacji i kierowania fal uderzeniowych na czujnik lub model w celu symulacji rzeczywistych eksplozji i ich skutków, zwykle na mniejszą skalę. Rury uderzeniowe (i powiązane urządzenia impulsowe, takie jak tunele uderzeniowe, rury rozprężne i tunele rozprężne) mogą być również wykorzystywane do badania przepływu aerodynamicznego w szerokim zakresie temperatur i ciśnień, które są trudne do uzyskania w innych typach obiektów badawczych. Rurki uderzeniowe są również wykorzystywane do badania zjawisk przepływu ściśliwego i spalania w fazie gazowej reakcje. Niedawno rurki uderzeniowe zostały wykorzystane w badaniach biomedycznych do zbadania wpływu fal uderzeniowych na próbki biologiczne.

Fala uderzeniowa wewnątrz rurki uderzeniowej może być generowana przez małą eksplozję (napędzaną podmuchem) lub przez nagromadzenie wysokiego ciśnienia, które powoduje pęknięcie membrany i rozchodzenie się fali uderzeniowej w rurze uderzeniowej (napędzana sprężonym gazem) .

Historia

Wczesne badanie rurek uderzeniowych napędzanych kompresją zostało opublikowane w 1899 roku przez francuskiego naukowca Paula Vieille'a , chociaż urządzenie to nie było nazywane rurą uderzeniową aż do lat czterdziestych XX wieku. W latach czterdziestych zainteresowanie odżyło i rury uderzeniowe były coraz częściej wykorzystywane do badania przepływu szybko poruszających się gazów nad przedmiotami, chemii i dynamiki fizycznej reakcji spalania w fazie gazowej. W 1966 roku Duff i Blackwell opisali rodzaj rury uderzeniowej napędzanej materiałami wybuchowymi. Miały one średnicę od 0,6 do 2 m i długość od 3 m do 15 m. Same rury zostały zbudowane z tanich materiałów i wytwarzały fale uderzeniowe o szczytowych ciśnieniach dynamicznych od 7 MPa do 200 MPa i czasie trwania od kilkuset mikrosekund do kilku milisekund.

Zarówno rury uderzeniowe napędzane kompresją, jak i dmuchawą są obecnie używane w zastosowaniach naukowych i wojskowych. Rury amortyzatorów napędzane sprężonym gazem są łatwiejsze do uzyskania i konserwacji w warunkach laboratoryjnych; jednakże kształt fali ciśnienia różni się od fali uderzeniowej pod pewnymi ważnymi względami i może nie nadawać się do niektórych zastosowań. Rury uderzeniowe napędzane podmuchem generują fale ciśnienia, które są bardziej realistyczne niż fale podmuchowe w polu swobodnym. Wymagają jednak wyposażenia i wykwalifikowanego personelu do obsługi materiałów wybuchowych. Ponadto, oprócz początkowej fali ciśnienia, następuje efekt strumienia spowodowany rozprężaniem sprężonych gazów (napędzany sprężaniem) lub wytwarzaniem szybko rozprężających się gazów (napędzany podmuchem), który może przenosić pęd na próbkę po przejściu fali podmuchowej . Niedawno opracowano rurki uderzeniowe na skalę laboratoryjną napędzane mieszankami paliwowo-powietrznymi, które wytwarzają realistyczne fale uderzeniowe i mogą być obsługiwane w bardziej zwykłych obiektach laboratoryjnych. Ponieważ objętość molowa gazu jest znacznie mniejsza, efekt strumienia jest ułamkiem efektu w przypadku rur uderzeniowych napędzanych sprężonym gazem. Obecnie mniejsze rozmiary i niższe szczytowe ciśnienia generowane przez te rurki uderzeniowe sprawiają, że są one najbardziej przydatne do wstępnych, nieniszczących badań materiałów, walidacji sprzętu pomiarowego, takiego jak przetworniki ciśnienia o dużej prędkości, oraz do badań biomedycznych, a także do zastosowań wojskowych.

Operacja

Folia aluminiowa stosowana jako membrana między segmentami rury amortyzatora.

Prosta rura uderzeniowa to rura o przekroju prostokątnym lub okrągłym, zwykle zbudowana z metalu, w której gaz pod niskim ciśnieniem i gaz pod wysokim ciśnieniem są oddzielone za pomocą pewnego rodzaju membrany . Zobacz na przykład teksty Soloukhina, Gaydona i Hurle'a oraz Bradleya. Membrana nagle pęka w określonych warunkach, aby wytworzyć falę rozchodzącą się przez sekcję niskiego ciśnienia. Wstrząs, który ostatecznie powstaje, zwiększa temperaturę i ciśnienie gazu testowego oraz indukuje przepływ w kierunku fali uderzeniowej. Obserwacje można prowadzić w przepływie za frontem padającym lub skorzystać z dłuższych czasów testowania oraz znacznie zwiększonych ciśnień i temperatur za falą odbitą.

Gaz o niskim ciśnieniu, zwany gazem napędzanym, poddawany jest działaniu fali uderzeniowej. Gaz pod wysokim ciśnieniem jest znany jako gaz napędowy. Odpowiednie sekcje rury są również nazywane sekcjami napędowymi i napędzanymi. Gaz napędzający jest zwykle wybierany tak, aby miał niską masę cząsteczkową (np. hel lub wodór ) ze względów bezpieczeństwa, przy dużej prędkości dźwięku , ale może być nieco rozcieńczony w celu „dostosowania” warunków międzyfazowych podczas wstrząsu. Aby uzyskać najsilniejsze wstrząsy, ciśnienie napędzanego gazu jest znacznie niższe od ciśnienia atmosferycznego (częściowa próżnia jest indukowana w napędzanej sekcji przed detonacją).

Badanie rozpoczyna się od pęknięcia membrany. Do rozerwania przepony powszechnie stosuje się kilka metod.

Czasami do jego przebicia używa się napędzanego mechanicznie tłoka lub do jego rozerwania można użyć ładunku wybuchowego.
Inną metodą jest użycie membran z tworzywa sztucznego lub metali w celu określenia określonych ciśnień rozrywających. Tworzywa sztuczne są używane do najniższych ciśnień rozrywających, aluminium i miedź do nieco wyższych poziomów, a stal miękka i stal nierdzewna do najwyższych ciśnień rozrywających. Te przepony są często nacinane w kształcie krzyża na skalibrowaną głębokość, aby zapewnić równomierne pękanie, konturując płatki tak, że cała sekcja rurki pozostaje otwarta w czasie testu.
Jeszcze inna metoda rozerwania membrany wykorzystuje mieszaninę palnych gazów, z inicjatorem zaprojektowanym do wywołania w niej detonacji, powodując nagły i gwałtowny wzrost tego, co może, ale nie musi, być sterownikiem pod ciśnieniem. Ta fala uderzeniowa zwiększa temperaturę i ciśnienie napędzanego gazu i indukuje przepływ w kierunku fali uderzeniowej, ale z mniejszą prędkością niż fala prowadząca.

Pękająca membrana wytwarza serię fal ciśnienia , z których każda zwiększa prędkość dźwięku za nimi, tak że kompresują się we wstrząs rozchodzący się przez napędzany gaz. Ta fala uderzeniowa zwiększa temperaturę i ciśnienie napędzanego gazu i indukuje przepływ w kierunku fali uderzeniowej, ale z mniejszą prędkością niż fala prowadząca. Jednocześnie rozrzedzenia , często określana jako fala Prandtla-Meyera, wraca z powrotem do gazu napędowego.

Granica międzyfazowa, na której występuje ograniczony stopień mieszania, rozdziela gazy napędzane i napędzające, nazywana jest powierzchnią styku i podąża, z mniejszą prędkością, za falą ołowiu.

„Rura szoku chemicznego” polega na oddzieleniu gazów napędzających i napędzanych za pomocą pary membran zaprojektowanych tak, aby ulegały awarii po wcześniej określonych opóźnieniach z końcowym „zbiornikiem zrzutowym” o znacznie zwiększonym przekroju. Pozwala to na ekstremalnie szybkie obniżenie (ochłodzenie) temperatury ogrzanych gazów.

Aplikacje

Oprócz pomiarów szybkości kinetyki chemicznej rurki uderzeniowe zostały wykorzystane do pomiaru energii dysocjacji i szybkości relaksacji cząsteczkowej, znalazły zastosowanie w testach aerodynamicznych. Przepływ płynu w napędzanym gazie można wykorzystać podobnie jak w tunelu aerodynamicznym , umożliwiając w nim wyższe temperatury i ciśnienia, odwzorowując warunki w sekcjach turbin silników odrzutowych . Jednak czas testu jest ograniczony do kilku milisekund, albo przez nadejście powierzchni styku, albo przez odbitą falę uderzeniową.

Zostały one dalej rozwinięte w tunele uderzeniowe z dodaną dyszą i zbiornikiem zrzutowym. Wynikowy przepływ hipersoniczny w wysokiej temperaturze można wykorzystać do symulacji ponownego wejścia statku kosmicznego lub statku hipersonicznego do atmosfery, ponownie przy ograniczonych czasach testowania.

Rury amortyzujące zostały opracowane w szerokim zakresie rozmiarów. Wielkość i sposób wytwarzania fali uderzeniowej określają szczyt i czas trwania fali ciśnienia, którą wytwarza. Tym samym rurki uderzeniowe mogą być wykorzystywane jako narzędzie służące zarówno do wytwarzania, jak i kierowania fali uderzeniowej na czujnik lub przedmiot w celu imitacji rzeczywistych eksplozji i powodowanych przez nie szkód na mniejszą skalę, pod warunkiem, że eksplozje te nie będą związane z podwyższoną temperaturą i szrapnel lub latające szczątki. Wyniki eksperymentów z rurą uderzeniową można wykorzystać do opracowania i zweryfikowania modelu numerycznego odpowiedzi materiału lub obiektu na falę uderzeniową otoczenia bez odłamków lub latających odłamków. Rurki uderzeniowe można wykorzystać do eksperymentalnego określenia, które materiały i konstrukcje najlepiej nadają się do tłumienia fal podmuchowych otoczenia bez odłamków lub latających odłamków. Wyniki można następnie włączyć do projektów w celu ochrony konstrukcji i ludzi, którzy mogą być narażeni na falę uderzeniową otoczenia bez odłamków lub latających odłamków. Rury uderzeniowe są również wykorzystywane w badaniach biomedycznych, aby dowiedzieć się, w jaki sposób fale uderzeniowe wpływają na tkanki biologiczne.

Istnieją alternatywy dla klasycznej rurki uderzeniowej; w przypadku eksperymentów laboratoryjnych przy bardzo wysokim ciśnieniu fale uderzeniowe można również wytworzyć za pomocą laserów krótkoimpulsowych o dużej intensywności.

Zobacz też

Linki zewnętrzne