УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ЗАТУХАЮЩЕЙ УДАРНОЙ ВОЛНЫ В СЛОЕ КОНДЕНСИРОВАННОЙ СРЕДЫ
DEVICE FOR FORMING THE NON-STATIONARY DECAYING SHOCK WAVE IN THE CONDENSED MEDIUM LAYER

Изобретение относится к устройствам для исследования ударно-волновых явлений в конденсированных средах и может быть использовано для получения нестационарных затухающих ударных волн (волн Тейлора) в конденсированной среде (в частности, в воде).
Исследование высокоскоростных ударных явлений представляет существенный интерес, как с научной, так и с практической точки зрения. Широкое применение при проведении подобных исследований в лабораторных условиях получили взрывные метательные устройства (Г.И. Канель, С.В. Разоренов, А.В. Уткин, В.Е. Фортов. «Ударно-волновые явления в конденсированных средах». М.: «Янус-К», 1996, стр. 408). Для большинства академических приложений используются устройства, обеспечивающие высокоскоростное метание ударников - плоских пластин. Плоская геометрия нагружения существенно упрощает проведение физических измерений и интерпретацию результатов экспериментов.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является формирования в исследуемой конденсированной среде ударной волны при обеспечении симметрии высокоскоростного (свыше 200 м/с) полета ударника в процессе его разгона.
В качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения по количеству сходных признаков и решаемой задаче было выбрано устройство для формирования нестационарной затухающей ударной волны в слое конденсированной среды, описанное в статье «Лабораторное компактное устройство для разгона тонких ударников» (Баранов В.К. и др. Письма в ЖТФ, 2016, Vol. 42, №16, с. 1-6). Устройство содержит ударную трубу, которая состоит из взрывной камеры и соосно состыкованного с ней ускорительного канала, и кювету с исследуемой конденсированной средой, в частности водой, размещенную со стороны выхода из ускорительного канала соосно и с зазором относительно него. Через газоввод, выполненный в стенке взрывной камеры, ее полость связана с источником газовой горючей смеси. Взрывная камера также снабжена средством инициирования взрывного процесса газовой горючей смеси, в качестве которого использован искровой разрядник. Ускорительный канал выполнен длиной 60 мм. В ускорительном канале размещен плоский ударник из оргстекла (толщина 1 мм) с возможностью перемещения в канале под действием давления продуктов взрывного процесса газовой горючей смеси и удара по слою исследуемой конденсированной среды, размещенной в кювете, с формированием в нем нестационарной затухающей ударной волны.
Недостатком ближайшего аналога является сравнительно высокая вероятность (~50%) нарушения симметрии полета ударника в процессе его разгона в протяженном ускорительном канале. Выбор протяженности ускорительного канала связан с необходимостью достижения ударником высоких скоростей, т.к. при уменьшении его длины снижается скорость ударника. В процессе разгона тонкого плоского ударника в таком канале (60 мм), по разным причинам, например локальная случайная шероховатость стенки канала, происходит перекос ударника и при ударе по слою исследуемой конденсированной среды в слое формируется сильно возмущенная ударная волна, что недопустимо. При симметричном ударе по слою воды ударника, летящего со скоростью более 200 м/с, в слое воды толщиной 1 см формируется волна Тейлора с давлением на фронте 0.2 ГПа. При выходе на свободную поверхность слоя волны Тейлора, вследствие действия откольных явлений, формируется облако диспергированной воды. При нарушении симметрии полета ударника (перекоса) нарушается симметрия разлетающегося облака диспергированной воды.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение симметрии полета ударника при его разгоне в ускорительном канале путем уменьшения длины ускорительного канала без уменьшения скорости ударника.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для формирования нестационарной затухающей ударной волны в слое конденсированной среды, которое включает ударную трубу, состоящую из взрывной камеры и соосно состыкованного с ней ускорительного канала, и кювету с исследуемой конденсированной средой, размещенную со стороны выхода из ускорительного канала соосно и с зазором относительно его, при этом взрывная камера через газоввод связана с источником газовой горючей смеси и снабжена средством инициирования взрывного процесса газовой горючей смеси, а в ускорительном канале установлен плоский ударник с возможностью перемещения в канале под действием давления продуктов взрывного процесса газовой горючей смеси, новым является то, что взрывная камера состоит из двух соосных и примыкающих друг к другу отсеков, разделенных поршнем, масса которого превышает массу ударника, и каждый из которых связан с источником газовой горючей смеси, а средством инициирования взрывного процесса газовой горючей смеси снабжен только отсек, противоположный ускорительному каналу, причем поршень установлен с возможностью перемещения в сторону ударника и сжатия газовой горючей смеси в отсеке, примыкающем к ускорительному каналу, под действием давления продуктов взрывного процесса газовой горючей смеси отсека, снабженного средством инициирования взрывного процесса.
Взрывная камера и ускорительный канал могут быть выполнены цилиндрическими, а ударник и поршень - в форме диска.
В качестве газовой горючей смеси может быть использована смесь из ацетилена и кислорода.
В качестве газовой горючей смеси может быть использована стехиометрическая смесь.
Выполнение взрывной камеры составной из двух соосных и примыкающих друг к другу отсеков, разделенных поршнем, каждый из которых связан с источником газовой горючей смеси, позволяет обеспечить создание различных условий взрывного превращения газовой горючей смеси в разных отсеках камеры, управляя давлением продуктов взрывного процесса газовой горючей смеси, что, при обеспечении повышенного давления, дает возможность обеспечить требуемую скорость ударнику.
Выбор массы поршня, превышающей массу ударника, связан с обеспечением передвижения поршня в отсеке по инерции и без перекоса и удержания давления сжатой смеси.
Снабжение средством инициирования взрывного процесса газовой горючей смеси только отсека, противоположного ускорительному каналу, позволяет осуществить инициирование только горючей смеси этого отсека для создания необходимого давления продуктов взрывного процесса, перемещающего поршень, сжимая смесь отсека взрывной камеры, расположенного со стороны ускорительного канала.
Размещение поршня в камере с возможностью перемещения в сторону ударника и сжатия газовой горючей смеси в отсеке, примыкающем к ускорительному каналу, под действием давления продуктов взрывного процесса газовой горючей смеси отсека, снабженного средством инициирования, позволяет под действием адиабатического сжатия обеспечить нагрев смеси в отсеке, примыкающем к ускорительному каналу, до высоких температур, достаточных для самопроизвольного инициирования взрывного превращения смеси этого отсека, что позволяет повысить начальное давление и давление продуктов взрывного превращения смеси этого отсека. Повышение давления позволяет сократить длину ускорительного канала, тем самым повышая вероятность симметричного вылета ударника после его разгона в ускорительном канале, не снижая скорость ударника.
Взрывная камера и ускорительный канал могут быть выполнены цилиндрическими, а ударник и поршень - в форме диска для упрощения проведения физических измерений и интерпретации результатов экспериментов.
В качестве газовой горючей смеси может быть использована смесь из ацетилена и кислорода как наиболее оптимальная по мощности для разгона тонкого ударника до скоростей выше 200 м/с.
В качестве газовой горючей смеси может быть использована стехиометрическая смесь, т.к. соотношение компонентов такой смеси оптимально для ряда проводимых экспериментов.
На чертеже схематично представлен общий вид заявляемого устройства, где: 1, 2 - отсеки взрывной камеры, заполняемые смесью ацетилена с кислородом, 3 - ускорительный канал, 4 - полимерная пленка, 5 - поршень, 6 - алюминиевая фольга, 7 - газовводы, 8 - искровой разрядник, 9 - тонкий ударник, 10 - слой скотча, 11 - кювета, 12 - защитное стекло.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить устройство для формирования нестационарной затухающей ударной волны в слое жидкости, обеспечивающее разгон тонких ударников до скоростей более 200 м/с и входящее в состав лабораторной установки для исследования развития неустойчивости свободной границы слоя жидкости, при выходе на нее волны Тейлора, в частности, для исследования влияния вязкости и поверхностного натяжения на процесс формирования облака диспергированной воды.
Устройство для формирования нестационарной затухающей ударной волны включает ударную трубу, состоящую из взрывной камеры и соосно состыкованного с ней ускорительного канала с внутренним диаметром 35 мм, и кювету с исследуемой конденсированной средой (водой), размещенную со стороны выхода из ускорительного канала соосно и с зазором относительно его. Взрывная камера состоит из двух соосных и примыкающих друг к другу отсеков, каждый высотой по 40 мм. Отсеки друг от друга отделены полимерной пленкой, на которой прикреплен поршень, представляющий собой диск из оргстекла толщиной 5 мм. Отсек взрывной камеры, расположенный со стороны ускорительного канала, отделен от него тонкой полимерной пленкой, на которой помешен ударник - диск из оргстекла толщиной 1 мм. Отсек взрывной камеры, противоположный ускорительному каналу, снабжен искровым разрядником и изготовлен из текстолита. Ускорительный канал и примыкающий к нему отсек взрывной камеры изготовлены из оргстекла для наблюдения за процессом разгона ударника. Ускорительный канал выполнен длиной 35 мм. В стенках отсеков взрывной камеры сформированы газовводы для соединения с источником газовой горючей смеси - стехиометрической смеси ацетилена с кислородом. Кювета изготовлена из оргстеклах отверстием диаметром 40 мм. Дно кюветы, которым она обращена к ускорительному каналу, перекрыто слоем скотча толщиной 45 мкм. Слой воды (толщиной 10 мм) размещают на поверхности скотча. В состав лабораторной установки также входит высокоскоростная камера СФР, датчик PDV, установленный за защитным стеклом из оргстекла толщиной 10 мм.
Процесс исследования влияния вязкости и поверхностного натяжения на процесс формирования облака диспергированной воды с помощью заявляемого устройства заключается в следующем.
Отсеки 1 и 2 взрывной камеры заполняют стехиометрической смесью ацетилена с кислородом. Осуществляют инициирование взрывного процесса смеси в отсеке 1 взрывной камеры при помощи искрового разряда в искровом промежутке разрядника 8. В результате поршень 5 ускоряется давлением продуктов взрывного превращении смеси и, перемещаясь в сторону ускорительного канала 3, в котором размещен ударник 9, сжимает смесь в отсеке 2 взрывной камеры, примыкающем к ускорительному каналу. Под действием адиабатического сжатия смеси в отсеке 2, повышается давление смеси, а также смесь нагревается до высоких температур, достаточных для самопроизвольного инициирования взрывного процесса в сжатой смеси отсека 2. В результате в отсеке 2 создается давление продуктов взрывного превращения смеси, существенно более высокое, чем в ближайшем аналоге. Под действием этого давления разгон ударника 9 в ускорительном канале 3 происходит с более высоким ускорением. После разгона ударника 9 в ускорительном канале 3 происходит его удар по исследуемому объему воды, который помещен на поверхности слоя скотча 10, перекрывающего снизу отверстие в кювете 11.
Регистрация разгона ударника и облака диспергированной в результате откола жидкости осуществлялась при помощи высокоскоростной камеры СФР (в режиме лупы времени) и методом PDV.
Защитное стекло 12 из оргстекла толщиной 10 мм предохраняет датчик PDV от диспергированной воды, образующейся после выхода ударной волны на свободную поверхность исследуемого слоя жидкости.
Т.о. повышение давления во взрывной камере устройства формирования нестационарной затухающей ударной волны обеспечило возможность существенного уменьшения длины ускорительного канала при сохранении высокой скорости ударника и тем самым сократило вероятность возникновения перекоса ударника при разгоне в ускорительном канале.