ВЗРЫВНАЯ ВОЛНА (ВВ) — зона скачкообразного изменения параметров состояния газа: давления, температуры, плотности теплового потока и скорости движения (рис. 1).

Рис. 1. Взрывная волна

Воздушная ВВ возникает в окружающем пространстве при ударном сжатии — взрыве конденсированных взрывных волны, газовом или физическом взрывах, атмосферных разрядах статического электричества, движении летательных аппаратов со сверхзвуковой скоростью и т. п.

Сильные взрывные волны, возникающие при детонации взрывных волн или газового разряда, распространяются в окружающем пространстве с большой скоростью, превышающей скорость звука. При этом фронт нарастания давления имеет крутой характер, и скачок параметров газа локализован в зоне шириной, не превышающей длину свободного пробега молекул.

Слабые взрывные волны, часто называемые «волнами сжатия», характерны для дефлаграционного взрыва. Они имеют более пологий фронт нарастания давления и заметную ширину зоны ударного сжатого газа. К основным поражающим факторам воздушной ВВ относятся избыточное давление во фронте ударной Р, Па) и импульс фазы сжатия (i+, Па·с). Так, нижний порог поражения органов слуха человека (разрыв барабанной перепонки) составляет 34,5 кПа, разрушение массивных стен здания происходит при 100 кПа и более. Для описания поражающего действия различных объектов воздушной взрывной волны принято использовать диаграмму «давление — импульс». Эта диаграмма является границей опасной области и делит плоскость факторов поражения на две части: внутри — область поражения, вне — область устойчивости объекта. При приближении параметров воздушной взрывной волны к границе опасной области вероятность заданного уровня поражения нарастает от 0 до 100 %.[1]

Звук представляет собой колебания плотности, скорости и давления среды, распространяющиеся в пространстве. Уравнение состояния обычных сред таково, что в области повышенного давления скорость распространения возмущений малой амплитуды возрастает. Это неизбежно приводит к явлению «опрокидывания» возмущений конечной амплитуды, которые и порождают взрывные волны. [2]

В силу этого механизма взрывная волна в обычной среде — это всегда волна сжатия.

Описанный механизм предсказывает неизбежное превращение любой звуковой волны в слабую взрывную волну. Однако в повседневных условиях для этого требуется слишком большое время, так что звуковая волна успевает затухнуть раньше, чем нелинейности становятся заметны. Для быстрого превращения колебания плотности в взрывную волну требуются сильные начальные отклонения от равновесия. Этого можно добиться либо созданием звуковой волны очень большой громкости, либо механически, путем околозвукового движения объектов в среде. Именно поэтому взрывные волны легко возникают при взрывах (см. ВЗРЫВ), при около- и сверхзвуковых движениях тел, при мощных электрических разрядах и т. д. [2]

Толщина взрывных волн большой интенсивности имеет величину порядка длины свободного пробега молекул газа (более точно — ~10 длин свободного пробега, и не может быть менее 2 длин свободного пробега; данный результат получен Чепменом в начале 1950-х). Так как в макроскопической газодинамике длина свободного пробега должна рассматриваться равной нулю, чисто газодинамические методы непригодны для исследований внутренней структуры взрывных волн большой интенсивности.

Для теоретического изучения микроскопической структуры взрывных волн применяется кинетическая теория. Аналитически задача о структуре взрывной волны не решается, но применяется ряд упрощенных моделей. Одной из таких моделей является модель Тамма-Мота-Смита. [2]

Взрывная волна, путем нагрева среды, может вызвать экзотермическую химическую реакцию, что, в свою очередь, отразится и на свойствах самой взрывной волны. Такой комплекс «взрывная волна + реакция горения» носит название волны детонации.

В астрофизических объектах взрывная волна может двигаться со скоростями, близкими к скорости света. В этом случае взрывная адиабата модифицируется.

Взрывные волны в замагниченной плазме также обладают своими характерными особенностями. При переходе через разрыв изменяется также и величина магнитного поля, на что тратится дополнительная энергия. Это влечет за собой существование максимально возможного коэффициента сжатия плазмы при сколь угодно сильных взрывных волнах. [3]

Касательные взрывные волны представляют собой поверхность разрыва смешанного (нормального и тангенциального) типа.

Существует два типа взрывной волны:

-   косые волны;

-   прямые волны.

В поле течения взрывная волна может быть перпендикулярной невозмущенному течению (прямая волна) или составлять с невозмущенным течением некоторый угол (косая волна). Прямые взрывные волны обычно создаются в специальных экспериментальных устройствах — взрывных трубах. Косые взрывные волны возникают, например: при сверхзвуковом обтекании тел, при истечении газа из сверхзвуковых сопел и т. п.

Есть еще одна классификация взрывных волн. Примыкающие к твердой поверхности волны носят название присоединенных, не имеющие точек соприкосновения — отошедших. Отошедшие взрывные волны возникают при сверхзвуковом обтекании затупленных тел (например, сферы), присоединенные волны имеют место в случае остроконечных тел (клина, конуса); такие волны не столько тормозят течение, сколько резко разворачивают его, так что и за взрывной волной течение остается сверхзвуковым.

В ряде случаев газодинамическая теория допускает оба случая течения за фронтом присоединенной волны: и сверхзвуковое (в этом случае взрывная волна называется слабой), и дозвуковое течение (сильная взрывная волна).

Экспериментально наблюдаются только такие взрывные волны. [3]

Литература

1. Энциклопедия «Пожарная безопасность», 2019.

2. Взрывная волна // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона – СПб., 1890–1907.

3. «Реакции и релаксация высоковозбужденных молекул в ударных волнах» монография Слинкина С. В. (2008 год).

Номер документа:  PW-1173