Взаимодействие ударных волн с тепловыми и механическими неоднородностями

• Автор: Черемохов, Алексей Юрьевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Челябинск
• Количество страниц: 181 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Обзор работ по теме диссертации. Современное состояние
проблемы
1.1. Исследования распространения ударных волн в газах с тепловыми неоднородностями
1.2. Исследования распространения ударных волн в гетерогенных средах
1.3. Исследования взрывных процессов и взаимодействий сферических ударных волн
1.4. Выводы по обзору и цель исследования
Глава 2. Взаимодействие плоских ударных волн с неоднородностями
2.1. Постановка задачи и метод решения
2.2. Взаимодействие плоской ударной волны с приподнятым над поверхностью слоем пониженной плотности
2.3. Взаимодействие плоской ударной волны с приповерхностным гетерогенным слоем
2.4. Взаимодействие плоской ударной волны с нагретым и частично нагретым приповерхностным гетерогенным слоем
Глава 3. Взаимодействие сферических ударных волн с неоднородностями
3.1. Постановка задачи и метод решения
3.2. Взаимодействие сферической ударной волны с приподнятым над поверхностью слоем пониженной плотности
3.3. Взаимодействие сферической ударной волны с приповерхностным гетерогенным слоем
3.4. Взаимодействие сферической ударной волны с нагретым и частично нагретым приповерхностным гетерогенным слоем
Выводы
Литература

Введение.
Многие физические явления, связанные с движением газов и других сплошных сред, приводят к возникновению и развитию в этих средах ударных волн (УВ). Такие явления получили достаточно широкое распространение в природе и технике, в связи с чем возникает необходимость изучения эффектов, сопровождающих взаимодействие ударных волн с различными преградами, неоднородными областями, защитными сооружениями и т.д. Наибольший интерес имеют проблемы защиты строений, людей, элементов технологических установок от воздействия ударных волн, расчета и оптимизации способов уменьшения их влияния на объекты.
Ударные волны в технике применяются достаточно широко. Они возникают при различных способах сварки и резки взрывом, плазменном напылении покрытий, при движении искусственных тел с большими скоростями в атмосферах Земли и других планет. Взрывные процессы используются в горном деле, в военных целях, для глубинного зондирования земной коры в геологии, для определения прочностных характеристик материалов и конструкций. Попытки осуществления управляемого термоядерного синтеза с помощью лазерного или магнитного удержания плазмы до сих пор безуспешны, в связи с чем ведутся поиски других физических принципов. Значительный интерес в последнее время вызывает возможность осуществления газодинамического термоядерного синтеза (ГДТС), при этом явление кумуляции энергии в сходящихся ударных волнах может быть использовано как для удержания плазмы [1], так и для непосредственного зажигания термоядерных реакций [2].
В природных условиях воздушные ударные волны формируются в результате взрывных процессов, происходящих при падении на Землю космических объектов. По количеству выделяющейся энергии, воздействию на атмосферу, наземные объекты и экологическую ситуацию такие

катастрофические явления вполне сравнимы с мощными ядерными взрывами. Изучение и прогнозирование этих явлений позволяет приблизиться к пониманию природы уже свершившихся событий, к примеру, Тунгусской катастрофы, и обосновать необходимость создания глобальной системы защиты нашей планеты.
К настоящему времени изучены многие явления, характерные для распространения ударных волн в неоднородных средах. Известно, что наличие тепловых неоднородностей в газе приводит к возникновению крупномасштабных возмущений и перестройке структуры всего течения, а при движении ударных волн в газовзвесях и пузырьковых средах их скорость и структура фронта определяются характеристиками фаз. Однако во многих случаях рассматривались одномерные постановки задач, в двумерных постановках оценка силового воздействия сферической УВ на поверхность проводилась в упрощенном варианте, а взаимодействие УВ с комбинированными неоднородностями не рассматривалось. Таким образом, указанные вопросы в литературе рассмотрены недостаточно, и их изучение имеет большое теоретическое и прикладное значение.
Экспериментальное изучение процессов взаимодействия плоских и сферических ударных волн с неоднородными областями в настоящее время провести довольно сложно вследствие значительных трудностей, обусловленных экономическими и политическими причинами. Поэтому основное внимание уделяется построению математических моделей исследуемых объектов и численному моделированию происходящих в них явлений. Нередко численный эксперимент способен дать значительно более подробную информацию, чем натурный эксперимент, в котором большую роль играют различного рода системы сбора и регистрации информации, обладающие собственными погрешностями и ограничениями.
Целью работы является изучение процессов распространения плоских и сферических ударных волн в воздухе при наличии приповерхностных

одномерного течения смеси. Ударная адиабата связывает состояния среды перед и за разрывом, на котором процессы взаимодействия фаз предполагаются “замороженными”. Анализ этой адиабаты показывает, что при наличии в газе частиц невозможны скачки давления бесконечной интенсивности. Адиабата Гюгонио для чистого газа никаких ограничений на интенсивность УВ не накладывает. Различный характер поведения двух адиабат объясняется тем, что при наличии в газе частиц они скапливаются за фронтом УВ и газ, преодолевая их сопротивление, теряет часть своей внутренней энергии, в результате интенсивность скачка давления уменьшается.
Распространение ударных волн в газовзвесях в приближении односкоростной модели рассматривается в [75]. Число частиц в единице объема смеси принимается постоянным, а их объем считается настолько малым, что им в уравнениях сохранения можно пренебречь. Теплообмен между газом и частицами описывается уравнением теплопроводности. Показано, что система уравнений односкоростной газовзвеси приводится к уравнению Бюргерса с коэффициентами, в которые входит информация об индивидуальных характеристиках частиц. Нестационарный теплообмен между частицами и газом в волне приводит к появлению релаксационной вязкости.
В работе [76] получены асимптотические законы затухания плоских, цилиндрических и сферических ударных и непрерывных волн в газовзвесях. Предполагалось, что амплитуда и ширина волн таковы, что можно пренебречь ускорением частиц и изменением их температуры; теплообмен между фазами пропорционален разности температур, а сила трения пропорциональна разности скоростей фаз. Автором получены законы затухания непрерывных волн, содержащие, в отличие от законов для чистого газа, экспоненциальный множитель. Вторым отличием является то, что не всякая непрерывная волна порождает ударную волну. Предложены