Какое избыточное давление во фронте воздушной ударной волны
Содержание статьи
Воздушная ударная волна
Ударная волна — основной поражающий фактор ядерного взрыва.
Большинство разрушений и повреждений зданий, сооружений и оборудования объектов полиграфии (ОЭ), а также поражение людей обусловлено, как правило, воздействием воздушной ударной волны (ВУВ). В то же время защитить объекты полиграфии от ВУВ гораздо труднее, чем от других поражающих факторов. В зависимости от того, в какой среде распространяется волна — в воздухе, воде или грунте, ее называют воздушной ударной волной, ударной волной в воде и сейсмовзрывной волной в грунте.
Воздушная ударная волна представляет собой зону сильно сжатого воздуха, распространяющегося во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью. Передняя граница волны называется фронтом воздушной ударной волны.
Ударная волна имеет фазу сжатия и фазу разрежения. В фазе сжатия ударной волны давление выше атмосферного, а в фазе разрежения — ниже. Наибольшее давление воздуха наблюдается на внешней границе фазы сжатия — во фронте волны.
На рис. 1.1 показано изменение давления воздуха в какой-либо фиксированной точке пространства при прохождении через нее ударной волны (время действия измеряется в секундах). Как видно из рисунка, в момент прихода ударной волны давление повышается от нормального — (атмосферного) p0 до максимального во фронте воздушной ударной волны pф . В дальнейшем по мере продвижения ударной волны давление падает ниже атмосферного.
Рис. 1.1. Изменение давления в фиксированной точке на местности в зависимости от времени и действия ударной волны на местные предметы: 1 — фронт ударной волны; 2 — кривая изменения давления.
Основными параметрами ударной волны, определяющими ее поражающее действие, являются: избыточное давление Дpф , скоростной напор Дpск, время действия ударной волны tу.в., скорость фронта ударной волны Cф.
Избыточное давление во фронте воздушной ударной волны Дpф — это разница между максимальным давлением воздуха во фронте ударной волныpф и атмосферным давление p0 :
Дpф = pф — p0
Единицей физической величины избыточного давления в системе СИ является паскаль (Па) (внесистемная единица — кгс/см2; 1 кгс/см2 ? 100 кПа).
Избыточное давление в данной точке зависит от расстояния до центра взрыва мощности ядерного боеприпаса q измеряемой тротиловым эквивалентом в тоннах, килотоннах или мегатоннах (т, кт, Мт), и вида взрыва.
Одновременно с прохождением ударной волны происходит перемещение воздуха с большой скоростью. Причем в фазе сжатия воздух движется от центра взрыва, а в фазе разрежения — к центру.
Скоростной напор Дpск — это динамические нагрузки, создаваемые потоками воздуха, движущимися в волне. Как и избыточное давление, скоростной напор измеряется в паскалях (Па). Он зависит от плотности воздуха, скорости воздушных масс и связан с избыточным давлением ударной волны.
Разрушающее (метательное) действие скоростного напора заметно сказывается в местах с избыточным давлением более 50 кПа, где скорость перемещения воздуха более 100 м/с.
Время действия воздушной ударной волны tу.в. — это время действия избыточного давления. Величина tу.в. зависит главным образом от мощности взрыва q и измеряется в секундах.
На распространение воздушной ударной волны и ее разрушающее и поражающее действие существенное влияние могут оказать рельеф местности и лесные массивы в районе взрыва, а также метеоусловия.
Рельеф местности может усилить или ослабить действие ударной волны. Так, на передних (обращенных в сторону взрыва) склонах возвышенностей и в лощинах, расположенных вдоль направления движения волны, давление выше, чем на равнинной местности. При крутизне склонов (угол наклона склона к горизонту) 10-15° давление на 15-35% выше, чем на равнинной местности; при крутизне склонов 15-30° давление может увеличиться в 2 раза.
На обратных по отношению к центру взрыва склонах возвышенностей, а также в узких лощинах и оврагах, расположенных под большим углом к направлению распространения волны, возможно уменьшение давления волны и ослабление ее поражающего действия. При крутизне склона 15-30° давление уменьшается в 1,1-1,2 раза, а при крутизне 45-60° — в 1,5-2 раза.
В лесных массивах избыточное давление на 10-15% больше, чем на открытой местности. Вместе с тем в глубине леса (на расстоянии 50-200 м и более от опушки в зависимости от густоты леса) наблюдается значительное снижение скоростного напора.
Метеорологические условия существенно влияют только на параметры слабой воздушной ударной волны, т. е. на волны с избыточным давлением не более 10 кПа.
Так, например, при воздушном взрыве мощностью 100 кт это влияние будет проявляться на расстоянии 12-15 км от эпицентра взрыва. Летом в жаркую погоду характерно ослабление волны по всем направлениям, а зимой — ее усиление, особенно в направлении ветра.
Дождь и туман также могут заметно повлиять на параметры ударной волны, начиная с расстояний, где Дpф = 200-300 кПа и менее. Например, там, где избыточное давление ударной волны при нормальных условиях 30 кПа и менее, в условиях среднего дождя давление уменьшается на 15%, и сильного (ливневого) — на 30%. При взрывах в условиях снегопада давление в ударной волне снижается весьма незначительно и его можно не учитывать.
Воздушная ударная волна ядерного взрыва способна наносить человеку различные травмы, в том числе и смертельные. Площадь поражения ударной волной при ядерном взрыве имеет значительно большие размеры, чем при взрыве боеприпасов в обычном снаряжении.
Поражение людей происходит как при непосредственном (прямом) воздействии воздушной ударной волны, так и косвенным путем.
При непосредственном воздействии ударной волны основной причиной появления травм у людей является мгновенное повышение давления воздуха, что воспринимается человеком как резкий удар (обжатие человека). При этом возможны повреждения внутренних органов, разрыв кровеносных сосудов, барабанных перепонок, сотрясение мозга, различные переломы и т.д. Кроме того, скоростной напор воздуха, обусловливающий метательное действие ударной волны, может отбросить человека на значительное расстояние и причинить ему при ударе о землю (или препятствия) различные повреждения.
Метательное действие скоростного напора воздуха заметно сказывается в зоне с избыточным давлением более 50 кПа, где скорость перемещения воздуха более 100 м/с, что в 3 раза превышает скорость ураганного ветра.
Характер и тяжесть поражения людей зависят от значений параметров ударной волны, положения человека в момент взрыва и степени его защищенности. При прочих равных условиях наиболее тяжелые поражения получают люди, находящиеся в момент прихода ударной волны вне укрытий в положении стоя. В этом случае площадь воздействия скоростного напора воздуха будет примерно в 6 раз больше, чем в положении человека лежа.
Поражения, возникающие под действием ударной волны, подразделяются на легкие, средние, тяжелые и крайне тяжелые (смертельные).
Легкие поражения возникают при избыточном давлении во фронте ударной волны Дpф = 20-40 кПа (0,2-0,4 кгс/см2 ) и характеризуются легкой контузией, временной потерей слуха, ушибами и вывихами.
Средние поражения возникают при избыточном давлении во фронте ударной волны Дpф? 40-60 кПа (0,4-0,6 кгс/см2 ) и характеризуются травмами мозга с потерей человеком сознания, повреждением органов слуха, кровотечениями из носа и ушей, переломами и вывихами конечностей.
Тяжелые и крайне тяжелые поражения возникают при избыточных давлениях соответственно Дpф? 60-100 кПа (0,6-1,0 кгс/см2 ) и Дpф > 100 кПа (1,0 кгс/см2 ) и сопровождаются травмами мозга с длительной потерей сознания, повреждением внутренних органов, тяжелыми переломами конечностей и т.д.
Кроме непосредственного поражения ударной волной люди и животные могут получить от нее косвенные поражения (различные травмы вплоть до смертельной). Они проявляются в поражении людей летящими обломками зданий и сооружений, камнями, деревьями, битым стеклом и другими предметами, увлекаемыми ею, а также при нахождении людей в разрушающихся зданиях.
Полное разрушение характеризуется обрушиванием всех стен и перекрытий. Из обломков образуются завалы. Восстановление зданий невозможно.
Сильное разрушение характеризуется обрушиванием части стен и перекрытий. В многоэтажных домах сохраняются нижние этажи. Использование и восстановление этих зданий невозможно или нецелесообразно.
Среднее разрушение характеризуется разрушением главным образом встроенных элементов (внутренних перегородок, дверей, окон, крыш, печных и вентиляционных труб), появлением трещин в стенах, обрушиванием чердачных перекрытий и отдельных участков верхних этажей. Подвалы и нижние этажи пригодны для временного использования после разборки завалов над входами. Вокруг зданий завалов не образуется. Восстановление зданий возможно (капитальный ремонт).
Слабые разрушения характеризуются поломкой оконных и дверных заполнений, легких перегородок, появлением трещин в стенах верхних этажей. Восстановление возможно силами работников объектов полиграфии (ОЭ).
Степень разрушения технологического оборудования будет зависеть только от величины ударной волны в прочных зданиях и сооружениях, а в сооружениях с низкими прочностными характеристиками состояние технологического оборудования будет зависеть от воздействия воздушной ударной волны и состояния зданий и сооружений.
Заглубленные сооружения (убежища ГО, ПРУ, подземные коммуникации) разрушаются в меньшей степени, чем наземные сооружения. Воздушная ударная волна вызывает также разрушение лесных массивов. Так, при избыточном давлении более 50 кПа лес полностью уничтожается и местность имеет такой вид словно бы на ней никогда не было никакой растительности; здесь нет ни завалов ни пожаров. При избыточном давлении от 50 до 30 кПа вырываются или ломаются около 50% деревьев, а при давлении 30-10 кПа — до 30% деревьев. Молодые деревья, кустарники устойчивее к воздействию ударной волны, чем старые.
Злаковые культуры под действием скоростного напора частично вырываются с корнем, частично засыпаются пыльной бурей и полегают.
Источник
ПАРАМЕТРЫ УДАРНОЙ ВОЛНЫ
Основными параметрами ударной волны являются:
- — избыточное давление во фронте ударной волны;
- — скоростной напор ударной волны, действующий на поверхность объекта;
- — время действия ударной волны;
- — импульс волны и др.
Избыточное давление во фронте ударной волны Ар характеризуется разностью давления во фронте волны и атмосферного давления:
Ар=р1-р0, (10.1)
где р! — давление во фронте ударной волны; р0 — давление в невозмущенной среде (атмосферное давление).
Ударная волна характеризуется скоростью нарастания давления до его максимального значения.
Под максимальным давлением взрыва понимается наибольшее давление, которое возникает при дефлаграционном сгорании наиболее взрывоопасной газо-, паро-, пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде при начальном давлении 101,3 кПа.
Максимальное давление при взрыве аэросмеси можно рассчитать по формуле:
где ро — начальное давление, при котором находится аэровзвесь, кПа; Т0 — начальная температура исходной смеси, К; Тг — адиабатическая температура горения стехиометрической смеси с воздухом при постоянном объеме, К; пк — число молей газообразных продуктов сгорания; пн — число молей исходной газовой смеси.
Ударная волна характеризуется пиком. Пик — это участок ударной волны от момента ударного сжатия до завершения химической реакции, где формируется самое высокое давление.
Параметром ударной волны является импульс волны. Величина импульса волны (7) будет различной в зависимости от среды, в которой протекает взрыв. В общем виде импульс волны описывается законом подобия:
где С — масса взрывчатого (горючего) вещества; Я — расстояние действия ударной волны; ср — угол отражения волны.
Действие ударной волны с достаточной точностью определяется либо значением избыточного давления Лр = р} — ро на ее фронте, либо величиной удельного импульса фазы сжатия:
Характер воздействия ударной волны на заданную систему зависит от соотношения между временем действия фазы сжатия ?сж и временем релаксации системы г, а для упругих систем — периодом колебаний Т.
Если ?сж»г, то действие ударной волны определяется величиной избыточного давления на ее фронте.
Если, напротив, ?сж «г, то давление за фронтом волны снижается за столь малый промежуток времени, что система практически не успевает деформироваться и дальнейшие деформации ее определяются приобретенным ею количеством движения, а следовательно, удельным импульсом ударной волны.
Время действия фазы сжатия выразится формулами:
где г0 — радиус заряда; С — масса заряда; К — расстояние действия ударной волны; Е — энергия взрыва; Ей Рз — функциональная зависимость.
Ударная волна характеризуется скоростным напором. Скоростной напор образуется в результате торможения о какую-либо преграду движущихся масс воздуха в ударной волне. Ударная волна распространяется в пространстве со сверхзвуковой скоростью. Так, ударная волна при ядерном взрыве проходит 1000 м за 2 с, 2000 м — за 5 с, 3000 м — за 8 с.
Сила ударной волны очень велика и приводит к значительным разрушениям. Степень повреждения конструкций в зависимости от давления в ударной волне представлены в таблице 6.
Таблица 6 — Повреждения при взрыве от ударной волны
Давление, кПа | Степень повреждения |
0,2 | Разрушение стекол в окнах при больших площадях ос |
текления | |
2,1 | Повреждение обшивки домов; разрушение до 10 % |
оконных стекол | |
4,0 | 90 %-ное разрушение остекления, повреждение оконных рам |
9,2 | Стальные конструкции зданий искривляются |
14-21 | Разрушаются не укрепленные стены из бетона и шлаковых блоков |
28,5 | Отрыв покрытий легких промышленных зданий |
35,5…50 | Почти полное разрушение домов |
65 | Тяжелые грузовые железнодорожные вагоны полностью разрушаются |
Ударная волна вызывает поражения людей, которые подразделяются на четыре степени:
первая степень — легкие поражения (избыточное давление Ар = = 0,2…0,4 МПа);
вторая степень — поражение средней тяжести {Ар = 0,5 МПа). Наблюдается поражение органов, кровотечение изо рта, ушей, носа, а также разрывы связок, переломы костей;
третья степень — тяжелые поражения (Ар > 0,5 МПа). Наблюдаются все признаки поражения, характерные для второй степени, но в более выраженной форме;
четвертая степень — крайне тяжелое поражение (Ар = 1 МПа). Наблюдается резкое нарушение жизненно важных функций организма, сопровождающееся потерей сознания, расстройством кровообращения и дыхания. Такое поражение заканчивается летальным исходом.
Источник
Опасное давление для человека при взрыве
Действие ударной волны на человека, здания и сооружения
Насколько велики представленные значения избыточного давления при взрывах, можно оценить по следующим примерам: для разрушения армированного остекления зданий требуется 5…10 кПа, деревянных строений – 10…20 кПа, кирпичных зданий –25…30 кПа, железобетонных конструкций стен цеха – 100…150 кПа.
Прямое воздействие ударной волны на людей и животных возникает в результате воздействия избыточного давления и скоростного напора воздуха. Ввиду небольших размеров тела человека ударная волна мгновенно охватывает и подвергает его сильному сжатию в течение нескольких секунд. Мгновенное повышение давления воспринимается живым организмом как резкий удар. Скоростной напор при этом создает значительное лобовое давление, которое может привести к перемещению тела в пространстве.Косвенные поражения людей и животных могут произойти в результате ударов осколков стекла, шлака, камней, дерева и других предметов, летящих с большой скоростью.
Степень воздействия ударной волны зависит от мощности взрыва, расстояния, метеоусловий, местонахождения (в здании, на открытой местности) и положения человека (лежа, сидя, стоя) и характеризуется легкими, средними, тяжелыми и крайне тяжелыми травмами.
Избыточное давление во фронте ударной волны 10 кПа и менее для людей и животных, расположенных вне укрытий, считается безопасным.
Легкие поражения наступают при избыточном давлении 20. 40 кПа. Они выражаются кратковременными нарушениями функций организма (звоном в ушах, головокружением, головной болью). Возможны вывихи, ушибы.
Поражения средней тяжести возникают при избыточном давлении
40…60 кПа. При этом могут быть вывихи конечностей, контузии головного мозга, повреждение органов слуха, кровотечения из носа и ушей.
Тяжелые контузии и травмы возникают при избыточном давлении 60…100 кПа. Они характеризуются выраженной контузией всего организма, переломами костей, кровотечениями из носа, ушей; возможно повреждение внутренних органов и внутреннее кровотечение.
Крайне тяжелые контузии и травмы у людей возникают при избыточном давлении более 100 кПа. Отмечаются разрывы внутренних органов, переломы костей, внутренние кровотечения, сотрясение мозга с длительной потерей сознания. Разрывы наблюдаются в органах, содержащих большое количество крови (печени, селезенке, почках), наполненных газом (легких, кишечнике), имеющих полости, наполненные жидкостью (головном мозге, мочевом и желчном пузырях). Эти травмы могут привести к смертельному исходу.
Радиус поражения обломками зданий, особенно осколками стекол, разрушающихся при избыточном давлении 2 … 7 кПа, может превысить радиус непосредственного поражения ударной волной.
Воздушная ударная волна также действует на растения. Полное повреж-дение лесного массива наблюдается при избыточном давлении более 50 кПа. Деревья при этом вырываются с корнем, ломаются и отбрасываются, образуются сплошные завалы. При избыточном давлении 30…50 кПа повреждается около 50 % деревьев, создаются сплошные завалы, а при избыточном давлении 10 …30 кПа – до 30 % деревьев. Молодые деревья более устойчивы, чем старые.
Основные причины взрывов на производстве
Источниками взрывоопасности на производстве могут быть установки, работающие под давлением: паровые и водогрейные котлы, компрессоры, воздухосборники (ресиверы), газовые баллоны, паро- и газопроводы и др.
Взрывы паровых котлов представляют собой мгновенное высвобождение энергии перегретой воды в результате такого нарушения целостности стенок котла, при котором возможно мгновенное снижение внутреннего давления до атмосферного, наружного. Приведенное здесь определение взрыва носит физический характер («физический» взрыв) и является адиабатическим, в отличие от «химического» взрыва, представляющего собой разновидность процесса горения.
На производстве применяются поршневые компрессоры, приводимые в действие двигателем внутреннего сгорания и смонтированные вместе с ресивером на раме-прицепе. Наружный воздух перед поступлением в рабочий цилиндр компрессора проходит через фильтр, где он очищается от пыли; горючая пыль представляет опасность взрыва. Возможно также образование взрывоопасных смесей из продуктов разложения смазочных масел и кислорода воздуха. Разложение смазочных масел происходит под действием высоких температур, развивающихся в компрессорах в процессе сжатия воздуха.
Взрывы баллонов во всех случаях представляют опасность, независимо от того, какой газ в них содержится. Причинами взрывов могут быть удары (падения) как в условиях повышения температур от нагрева солнечными лучами или отопительными приборами, так и при низких температурах и переполнении баллонов сжиженными газами. Взрывы кислородных баллонов происходят при попадании масел и других жировых веществ во внутреннюю область вентиля и баллона, а также при накоплении в них ржавчины (окалины). В связи с этим кислородные баллоны перед их наполнением промывают растворителями (дихлорэтаном, трихлорэтаном). Взрывы баллонов могут происходить и при ошибочном заполнении баллонов другим газом, например кислородного баллона горючим газом. Поэтому введена четкая маркировка баллонов, в силу которой все баллоны окрашивают в цвета, присвоенные каждому газу, а надписи на них делают другим цветом, также определенным для каждого газа. Баллоны для сжатых газов, принимаемые заводами-наполнителями от потребителей, должны иметь остаточное давление не менее 0,05 МПа, а баллоны для растворенного ацетилена – не менее 0,05 и не более 0,1 МПа. Остаточное давление позволяет определить, какой газ находится в баллонах, проверить герметичность баллона и его арматуры и гарантировать непроникновение в баллон другого газа или жидкости. Кроме того, остаточное давление в баллонах для ацетилена препятствует уносу ацетона-растворителя ацетилена (при меньшем давлении унос ацетона увеличивается, а уменьшение количества ацетона в баллоне повышает взрывоопасность ацетилена).
Ударная волна, образующаяся при взрыве газовых баллонов высокого давления, достигает величины 300…800 кПа.
Опасные факторы пожара
Любой пожар сопровождается проявлением опасных факторов пожара. Опасный фактор пожара (ОФП) – фактор пожара, воздействие которого приводит к травме, отравлению или гибели человека, а также к материальному ущербу.
Опасными факторами пожара (ОФП), воздействующими на людей и материальные ценности, являются:
— повышенная температура окружающей среды;
— токсичные продукты горения и термического разложения;
— пониженная концентрация кислорода.
Квторичным проявлениям опасных факторов пожараотносятся:
— осколки, части разрушившихся аппаратов, агрегатов, установок, конструкций;
— радиоактивные и токсичные вещества и материалы из разрушенных аппаратов и установок;
— электрический ток, возникший в результате выноса высокого напряжения на токопроводящие части конструкций, аппаратов, агрегатов;
— опасные факторы взрыва, произошедшего в результате пожара;
Около 73 % погибших при пожарах погибают от воздействия на них токсичных продуктов горения, около 20 % – от действия высокой температуры, около 5% – от пониженного содержания кислорода. Остальные погибают от травм, полученных в результате обрушения строительных конструкций, разлета осколков при взрыве, из-за обострения и проявления скрытых заболеваний и психических факторов.
Опасные факторы пожара действуют во времени и пространстве и оказывают негативное влияние на человека, материальные ценности, окружающую природную или техногенную среду одновременно.
При пожарах, как правило, наблюдается сочетанное воздействие сразу нескольких ОФП.
Предполагается, что полный поражающий эффект от такого воздействия будет больше, чем от простого суммирования воздействий отдельных составляющих. Такое явление, когда результат взаимодействия не является простой суммой частных действий, а порождает качественно новые результаты, зависящие от всей совокупности взаимодействий, носит название синергизм. Однако пока еще нет достоверных данных, подтверждающих или опровергающих это предположение.
Основополагающим документом, базирующимся на вероятностном подходе, является ГОСТ 12.1.004 – 91. ССБТ. Пожарная безопасность. Общие правила. Этот документ регламентирует требования к мероприятиям по пожарной профилактике.
В соответствии с этим стандартом объекты должны иметь системы пожарной безопасности, направленные на предотвращение воздействия на людей опасных факторов пожара, в том числе их вторичных проявлений, на требуемом уровне. При определении требуемого уровня обеспечения пожарной безопасности людей принимается, что вероятность предотвращения воздействия опасных факторов в год в расчете на каждого человека должна быть не менее 0,999999, а допустимый уровень пожарной опасности для людей – не более 10 -6 воздействия опасных факторов пожара, превышающих предельно допустимые значения, в год в расчете на каждого человека.
В табл. 20 приведены предельные значения опасных факторов пожара.
Предельные значения опасных факторов пожара
| Опасный фактор | Предельное значение |
| Температура среды Тепловое излучение Содержание оксида углерода Содержание диоксида углерода Содержание кислорода Показатель ослабления света дымом на единицу длины | 70 о С 500 Вт/м 2 0,1 % (об.) 6 % (об.) Менее 17 % (об.) 2,4 |
Контрольные вопросы
1. Какие зоны условно выделяются при моделировании последствий взрыва?
2. Как определить степень разрушения зданий и сооружений под действием ударной волны?
3. Как зависит степень поражения людей от значения избыточного давления во фронте ударной волны?
4. Перечислите основные причины взрывов на производстве.
5. Что такое опасный фактор пожара?
6. Перечислите опасные факторы пожара.
7. Что относится к вторичным проявлениям опасных факторов пожара?
8. Чему равен приемлемый риск воздействия опасных факторов пожара на человека?
9. Задача.Оценить последствия взрыва баллонов с ацетиленом, если количество ацетилена составляет 0,31 т, а расстояние до здания цеха 65 м. Коэффициент эквивалентности по тротилу kэкв = 3,82.
прочностные характеристики цеха:
— слабые разрушения 10-20 кпа; — средние разрушения 20-30 кпа; — сильные разрушения 30-50 кпа; — полные разрушения > 50 кпа.
Последнее изменение этой страницы: 2016-08-01; Нарушение авторского права страницы
Источник
Источник