Розподіл енергії при вибуху

Параметри вибуху в чому визначаються розподілом енергії в області вибуху і її перерозподілом в міру того, як вибухова хвиля поширюється від джерела. Спочатку вся енергія зосереджена в джерелі у формі потенційної енергії. У момент вибуху відбувається перехід цієї енергії в кінетичну і теплову енергії системи, яка включає тепер в себе всі речовина всередині розширюється ударної хвилі. Система не стаціонарний внаслідок як постійного збільшення маси охопленого рухом речовини, так і триваючого перерозподілу енергії в продуктах вибуху і в газі, підданому ударному стиску.

Для аналізу розподілу енергії приймемо наступну ідеалізацію:

• • вибух має строго сферичну форму у початково однорідної необмеженої газовому середовищі;
• • джерело вибуху складається як з енергосодержащего речовини, так і з інертного речовини оболонки, причому в процесі вибуху ці речовини не змішуються один з одним або з навколишнім середовищем;
• • ударна хвиля є єдиним чинником, що призводить до дисипації енергії.

У подібній ідеалізованої системі потенційна енергія джерела переходить як в теплову та кінетичну енергії різних областей і фрагментів системи, так і в енергію випромінювання. Зупинимося на цьому докладніше.

Енергія хвилі

Енергія хвилі, під якою тут розуміється рухома частина газового середовища, складається з теплової енергії

(4.30)

і кінетичної енергії

(4.31)

де V - об'єм хвилі; р - щільність середовища; q - теплота утворюються продуктів середовища; q0 - початкова теплота середовища. Цей обсяг не включає в себе область, зайняту продуктами вибуху або осколками оболонки. На пізній стадії розвитку процесу, коли кінетична енергія джерела і оболонки стає рівною нулю, а амплітуда ударної хвилі - малої, так що диссипацией енергії в ній можна знехтувати, сумарна енергія хвилі Е т = Е р + Е k виявляється постійною і нс змінюється в часі . Сталість енергії хвилі на стадії слабкого вибуху характерно для всіх вибухових процесів.

Залишкова енергія в атмосфері ("втрачена енергія")

Оскільки більшість вибухів супроводжується ударними хвилями, а процес переходу речовини атмосфери через ударну хвилю є неізентропіческім, то після повернення центральній частині системи до вихідного тиску там буде спостерігатися залишкове підвищення температури, навколишнього джерело вибуху середовища. Пов'язана з цим залишкова (або "втрачена" - за визначенням автора [9, с. 35]) енергія досягає постійної величини на стадії слабкого вибуху.

Кінетична і теплова енергії осколків оболонки

Спочатку матеріал оболонки буде переміщатися з прискоренням і, крім того, нагріватися за рахунок теплопередачі, тертя і т.п. Потім швидкість осколків зменшиться (при великих часах до нульової), по теплова енергія частково збережеться.

Кінетична енергія джерела

При будь-якому вибуху речовина джерела або його продукти згоряння будуть приведені в рух. Кінетична енергія речовини джерела в кінцевому підсумку зменшиться до нуля, коли припиниться рух в ближній зоні вибуху.

Теплова (потенційна) енергія джерела

Джерело спочатку містить всю енергію вибуху у формі потенційної енергії. У процесі вибуху частина енергії джерела передається іншим областям системи, а частина залишається в джерелі у вигляді теплової енергії продуктів вибуху. Ця теплова енергія в кінцевому підсумку розсіюється. Однак процес відносно повільний у порівнянні з процесом поширення вибухової хвилі, і з хорошою точністю можна прийняти, що теплова енергія джерела - величина постійна при не надто малих часах.

Випромінювання

Швидкість випромінювання енергії швидко падає, так що втрати випромінюванням досягають постійної величини на вельми ранній стадії вибуху.

На рис. 4.6 схематично показано перерозподіл в часі енергії у вибуховій хвилі. Відзначимо, що на пізній стадії процесу, коли вибух є слабким, повна енергія складається з теплової і кінетичної енергій хвилі, залишкової теплової енергії середовища, яка відчула ударне стиснення, а також теплової енергії осколків і продуктів вибуху. Крім того, деяка кількість енергії втрачено в результаті випромінювання, проте втрати випромінюванням істотні лише при атомних вибухах. Щодо малюнка слід зробити деякі зауваження.

Рис. 4.6. Схема розподілу енергії у вибуховій хвилі у часі:

1, 2 - теплова і кінетична енергії джерела: 3, 4 - теплова і кінетична енергії осколків оболонки; 5 - залишкова енергія середовища; 6, 7 - теплова та кінетична енергія власне хвилі; 8 - енергія випромінювання; 9 - енергія повні в зоні слабкого вибуху

Лише частина виділилася енергії переходить в енергію хвилі на стадії слабкого вибуху. Величина цієї частини має залежати від характеру самого вибуху. Так, тротиловий еквівалент ядерного вибуху становить 0,5-0,7 того, що можна було б очікувати на підставі всієї виділилася енергії. Додамо до сказаного, що для випадкових вибухів, коли обсяг джерела досить великий, а енерговиділення, як правило, відносно повільне, можна очікувати сильну залежність ефективності вибуху від характеру тепловиділення.