Способ снижения интенсивности ударных волн в канале

Область применения

Способ снижения интенсивности ударных волн при истечении газовых потоков, распространяющихся в каналах может применяться для снижения ударной нагрузки на размещенные в канале или трубе ли шахте или коридоре или инженерном сооружении элементы креплений или конструктивных элементов. При этом существенно улучшается инфраструктура для безопасного нахождения человека в, например, шахте или около канала, по которому движется ударная волна. Способ также позволяет сократить длину пробега ударной волны до момента ее распада и снизить ее интенсивность в тех случаях, когда при этом требуется сохранить возможность прямолинейного прохождения по этому каналу людей, техники или каких-либо иных предметов или частиц, являющимися не однородными включениями этому газовому потоку и движущихся соосно вместе с ним. При этом газовый поток может выступать в качестве несущего потока этих включений.

Назначение

Данный способ предназначен для снижения интенсивности распространяющихся в каналах ударных волн при сохранении возможности сквозного прохода этих каналов для любых тел или предметов которые могут перемещаться в этих каналах.

Уровень техники

Из уровня техники известно изобретение «Способ повышения взрывобезопасности аэс» патент RU 2 728 003, опубл. 28.07.2020, МПК F42D 5/045, F42B 39/00, в котором на защищаемой поверхности ударной волны, располагают перед ней препятствие в виде эластичных оболочек, гасящих воздействие. Изобретение относится к способам уменьшения воздействий взрывных нагрузок на промышленные помещения, уменьшает воздействие взрывной волны, образовавшейся при аварийном взрыве горюче-воздушных смесей. Однако является одноразовым, требует каждый раз его восстанавливать заново. Не сохраняет прямолинейную проницаемость канала для движущихся в нем тел. Известно изобретение «Реактивный дульный тормоз консольный», патент RU2 741 127, опубл. 22.01.2021, МПК F41A 21/30, F41A 21/34, в котором в канал размещают переднюю крышку, которая прижимает катушки-рассекатели друг к другу, и катушка- рассекатель представляет собой два усеченных конуса, соединенных между собой по вершинам. Позволяет снизить воздействия на стрелка вредных веществ, входящих в продукты выстрела, гасит вспышки дульного взрыва. Однако не использует эффект снижения интенсивности распространяющихся в канале ударных волн.

Известно изобретение «Дульный тормоз артиллерийского орудия », патент RU 2766237, опубл.10.02.2022, МПК F41A 21/32, в котором используют расширительные камеры с окнами и которые снабжены передними вертикальными стенками, а внутренние рабочие поверхности в разрезе имеют дугообразную форму. Расширительные камеры переходят в открытые в сторону стрельбы кольцевые каналы. Позволяет увеличить усилия торможения отката, уменьшить воздействие газов и ударной волны на расчет. Не решает задачу снижения интенсивности распространяющихся в канале ударных волн.

Известна заявка на изобретение «Предохранительная конструкция Кочетова с защитным экраном», RU 2015 133 175, опубл. 14.02.2017, МПК Е04В 1/92, в которой перегородка выполнена в виде несущих ребер, размещенных по контуру разрушающейся части, а разрушающаяся часть выполнена в виде двух коаксиально расположенных углублений в стене здания, одна из которых, внешняя, образована плоскостями правильной четырехугольной усеченной пирамиды с прямоугольным основанием, а другая, внутренняя, представляет собой две наклонные поверхности, соединенные ребром, с образованием паза. Используется для защиты зданий, но использует разрушающиеся части, которые не восстанавливаются. Не решает задачу снижения интенсивности распространяющихся в канале ударных волн и не сохраняет прямолинейную проницаемость канала для движущихся в нем тел.

Известна полезная модель «Глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания», патент RU 61350, опубл. 27.02.2007, МПК F01N 1/02, в которой срез входного патрубка размещен в срединной плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса канала. Используют соотношение объемов входной, центральной и выходной камер соответственно. Свободный срез выходного патрубка герметично заглушен, а его участок, расположенный в центральной камере, выполнен с перфорированным сквозными отверстиями. При работе такого глушителя в месте расширения газопровода (т.е. в месте появления собственно камеры) создается скачкообразно увеличенное волновое сопротивление - "волновая пробка". Что в определенных диапазонах частот звукового спектра препятствует беспрепятственному прохождению звука через глушитель без заметного ослабления, т.е. обеспечивается уменьшение уровня акустической энергии, излучаемой в окружающую среду. Использует узлы (минимумы) колебаний звуковых давлений, распределенных по трехмерному пространству камеры на данных собственных модах. Однако эффект гашения волны получают за счет настройки торцевых резонаторов, образованных кольцевыми объемами крайних камер, сообщенных с патрубками посредством участков перфорации, и за счет подбора степени перфорации участков. Не решает задачу снижения интенсивности распространяющихся в канале ударных волн за счет геометрической оптики и не сохраняет прямолинейную проницаемость канала для движущихся в нем тел.

Известно изобретение «Многофункциональная автоматическая система локализации взрывов пылегазовоздушных смесей в подземных горных выработках и входящие в нее устройства локализации взрывов», патент RU 2 658 690, опубл. 22.06.2018, МПК E21F 5/14, E21F 5/146, относящаяся к технологии и техническим средствам защиты производственного и иного персонала, находящегося в подземных горных выработках, оборудования, размещенного в них и самих подземных горных выработок, от взрывов смесей шахтного газа. В изобретении используют систему локализации взрывов, когда срабатывание системы привязывают к конкретным параметрам ударных волн и (или) излучения фронта пламени (вспышки), формирующихся при взрывах (вспышках) пылегазовоздушных смесей в подземных горных выработках. Однако используют датчики на определенном расстоянии, которые включают автоматическую систему, которая создает взрывоподавляющее облако из эффективного огнетушащего порошка с энергией сжатого газа высокого давления. Сложная и не всегда эффективная система. Не использует геометрическую оптику для снижения интенсивности распространяющихся в канале ударных волн.

Наиболее близкое техническое решение описано в изобретении «Расширитель, демпфер-расширитель и устройство для их размещения», патент RU 2 720 500, опубл. 21.02.2020, МПК F41A 21/30, в котором внутренние поверхности каждой расширительной камеры, представляют собой усеченный конус, внутренние стенки каждой расширительной камеры состоят из усеченной конической поверхности с диаметром первой расширительной камеры не менее чем 1,5 диаметра центрального отверстия и поперечными диаметральными перегородками - отсекателями по торцам. Использует свойства газового потока, в котором осуществляется распределение струй газа таким образом, чтобы по мере продвижения их вдоль канала, струи распределялись определенным образом с изменением своих характеристик в каждой струе по заданному закону. Однако эффект в дозвуковых ударных волнах проявляется хуже. Данное изобретение не использует эффект отражения и фокусировки падающей ударной волны с использованием поверхностей, рассчитанных с учетом геометрической оптики.

Следовательно, технические решения, основанные на разнообразных диффузорных сужениях, воронках и т.п, плохо работают. Обоснование этому указано в научно — технической литературе, указанной в данном описании.

Известный классический способ гашения ударных волн посредством обустройства лабиринтов различного типа имеет тот существенный недостаток, что при этом не сохраняется возможность прямолинейной проницаемости канала. Это в свою очередь, например, в подземных шахтах, не позволяет применять данный тип защиты людей и оборудования от воздействия ударных волн, так как по дну шахты обычно уложены рельсовые пути для вагонеток и поездов, а обустройство расширительных камер требует выполнения горных выработок значительного размера.

В соответствии с вышесказанным, способы снижения интенсивности ударных волн в каналах, известные из уровня техники, и устройства известного типа, будут либо не эффективны, либо громоздки, либо не сохранять возможность прямолинейного прохождения канала телами.

Изобретательская задача

Из динамики волн известно, что существует всего три способа создать сопротивление продвижению ударной волны (и тем самым снизить ее интенсивность), а именно: сопротивление формы (давления), сопротивление трения и индуктивное (волновое) сопротивление, а из законов геометрической оптики известно, что единственным геометрическим местом точек поверхности, способной отражать и фокусировать волны, является парабола. Так как сопротивление трения возникает в основном на стенках канала и для своего использования требует обустройства каналов со стенками высокой шероховатости и большой протяженности, то в качестве основного способа решения задачи был избран способ, в котором посредством отражения и фокусировки падающей ударной волны параболическим отражателем создают отраженную встречную ударную волну с созданием в районе точки фокусировки для набегающих ударных волн области повышенного давления и волнового сопротивления. Это, в свою очередь, будет вызывать потерю их энергии и снижение их интенсивности, а возможность обустройства в центре параболического отражателя отверстия необходимого диаметра, будет обеспечивать возможность беспрепятственного прямолинейного прохождения любых тел, движущихся в канале. Посредством применения этого способа решают изобретательскую задачу по снижению интенсивности ударных волн в канале.

Технический результат

Предлагаемое техническое решение обеспечивает следующий технический результат:

- снижения интенсивности распространяющихся в канале ударных волн;

- сохранение прямолинейной проницаемости канала для движущихся в нем тел;

Реализация

Технический результат достигается за счет того, что способ снижения интенсивности ударных волн в канале, включает: образование в канале ударной волны, распространяющейся в протяженном канале при истечении в канал основного газового потока с избыточным давлением совместно с инородным телом или телами, установку перпендикулярно этому газовому потоку и соосно его оси отражателя, прохождение части газового потока через сквозное отверстие отражателя с обеспечением возможности прохождения через сквозное отверстие отражателя инородного тела или тел, движущихся соосно основному газовому потоку и вместе с ним, формирование перед отражателем в набегающем основном газовом потоке области повышенной плотности и давления, вызывающей увеличение сопротивления распространению ударных волн путем расчетного соотношения геометрических размеров отражателя. Новым является то, что перед каналом размещают входной канал, отражатель выполняют параболическим, параболический отражатель размещают в корпусе канала после окончания входного канала потока высокого давления, образуя сквозной протяженный канал, за счет геометрии корпуса канала трубчатой формы формируют, по меньшей мере, одну рабочую зону, размещенную соосно входному каналу или несколько рабочих зон, размещенных последовательно и соосно входному каналу, для чего параболический отражатель размещают в рабочей зоне перпендикулярно сквозному протяженному каналу и соосно его оси с обеспечением расстояния «Ь» между окончанием сквозного протяженного канала и параболическим отражателем, либо соседними параболическими отражателями, развернутыми вогнутой частью параболической поверхности навстречу газовому потоку, при этом расстояние «Ь» имеет значение не меньше диаметра «d» сквозного отверстия в параболическом отражателе, а для формирования предшествующей параболическому отражателю области повышенной плотности и давления, отражатель выполняют с наружным диаметром «D», численно равным не менее 3 диаметров отверстия «d» в этом отражателе, и точку фокуса параболической поверхности отражателя «F» располагают от среза входного канала либо среза выходного отверстия предыдущего отражателя не далее половины отверстия «d» в этом отражателе, при этом рабочая зона «а» в виде области повышенной плотности и давления для набегающих ударных волн формируется между входным каналом потока и параболическим отражателем в результате интерференции сфокусированных параболической поверхностью отражателя отраженных ударных волн, и образовавшаяся рабочая зона «а» выполняет функцию препятствия с повышенным сопротивлением; расстояние «h» между окончанием входного канала и параболическим отражателем либо соседними параболическими отражателями рассчитывают исходя из законов геометрической оптики и равно, по меньшей мере, диаметру отверстия «d» параболического отражателя. В частном случае формируют длину каждой рабочей зоны не менее одного диаметра отверстия «d» параболического отражателя.

Предложенная конструкция иллюстрируется чертежами, которые не охватывают всех вариантов исполнения канала с преградой.

На Фиг1 — показаны пример 1/2 элемента конструкции и результаты компьютерного моделирования картины распределения поля давления от ударных волн возникших в следствии истечения из входного канала в рабочую зону газового потока высокого давления при минимальном давлении 0,3532 атм и до максимального давления 25,3384 атм при времени прохождения волны 0,0393 мсек.

На Фиг 2 — показан картина прохождения ударной волны, полученная методом компьютерного моделирования

На Фиг 3 — показана конструкция протяженного канала а) с одним параболическим отражателем; б) с двумя параболическими отражателями

Реализация способа

Конструкция, реализующая данный способ торможения сверхзвукового газового потока может быть выполнена следующим образом. В цилиндрическом корпусе (1) выполненном, например, в виде трубчатой насадки, имеется входной канал (2), имеющего отверстие (3), из которого истекает газовый поток с включениями. В протяженном канале размещено, по меньшей мере, одно специальное препятствие, выполненное как параболический отражатель (4). Отражатель (4) размещен в корпусе (1) перпендикулярно газовому потоку и соосно его оси «А», имеет сквозное отверстие

(5) для прохождения движущегося соосно вместе с газовым потоком тела (или тел). Отражатель выполнен в виде параболы с фокусом «F», расположенном на оси «А». При этом соотношение геометрических размеров отражателя: диаметр отверстия «d», диаметр «D» отражателя (4) и расстояния «11» до отверстия параболического отражателя (4) обеспечивает формирование перед ним области повышенного давления

(6), оказывающей повышенное волновое сопротивление ударным волнам (7). Область (6) создает одну рабочую зону «а» (8), располагающуюся соосно входному каналу (2) и корпусу (1). Зона (6) практически совпадает с рабочей зоной «а» (8). Несколько таких рабочих зон «а» могут быть организованы последовательно и соосно благодаря расположению последовательно нескольких отражателей (4). Расстояние « » между окончанием (отверстием) (3) входного канала (2) и отражателем (4), либо двумя соседними отражателями (4) рассчитывают исходя из законов геометрической оптики и делают равным, по меньшей мере, диаметру отверстия «d» в соответствующем отражателе (4). Причем расположение фокуса параболического отражателя «F» (см. Фиг. За) или фокусов «А1» и «А ₂ » (см. Фиг. 36) должны размещаться в пределах расстояния «h». Сквозное отверстие в отражателе «d» предназначено для беспрепятственного прохождения соосно движущегося с газовым потоком тела (или тел). Отражатель (4) имеет наружным диаметр «D», численно равный не менее Зх диаметров сквозного отверстия «d». Отражающая поверхность отражателя (4) может быть выполнена с различным качеством приближением к форме расчетной математической параболы, в том числе, и с линейной (ступенчатой) аппроксимацией одной или несколькими коническими поверхностями. Качество аппроксимации на получение результата существенно не влияет. За счет воздействия на параболический отражатель (4) падающая ударная волна (7) отражается и отраженная ударная волна (9) образует область повышенного давления (6).

В контексте данной заявки под газовым потоком высокого давления, понимают поток истекающим из входного канала (2) с избыточным давлением не менее 3 атм.

Предложенный способ реализуют следующим образом.

Истекающий из входного канала (2) в корпус (1) газовый поток высокого давления расширяется, генерирует ударные волны (7), которые распространяясь и отражаясь от параболического отражателя (4) фокусируются в точек «F». За счет интерференции вокруг точки фокусировки «F» образуется область повышенной плотности и давления (6), попадая в которую падающие ударные волны (9) испытывают повышенное сопротивление, теряют часть своей энергии и уменьшают свою интенсивность.

Таким образом, достигают снижения интенсивности распространяющихся в протяженном канале (2) ударных волн (7) за счет создания области высокого давления (6) и волнового сопротивления возникающей на пути следования ударных волн в следствии интерференции в точке фокусировки «F» переотраженных и сфокусированных параболическим отражателем падающих ударных волн (9).

Расстояние «f» от точки фокусировки «F» параболического отражателя до среза входного сечения (3) выбирают равным не более половины диаметра входного канала (2).

Диаметр «d» отверстия (5) в отражателе (4) для сохранения возможности линейной проходимости протяженного канала различными телами выбирают равным диаметру входного канала (2).

Расстояние «Ь» между окончанием канала (2) и отражателем (4) либо соседними отражателями рассчитывают исходя из законов геометрической оптики и делают равным, по меньшей мере, диаметру отверстия «d» (5). Тем самым, в частном случае, формируя длину каждой рабочей зоны «а» (8) равной не менее диаметра отверстия «d» отражателя.

В предлагаемом способе, торможение, и как следствие, снижение интенсивности распространяющихся в канале ударных волн, осуществляется выполнением условий возникновения на их пути перекрывающей отверстие канала области высокого давления и волнового сопротивления с сохранением возможности линейной проницаемости канала для прохождения различных тел.

Физическое явление, которое используют в предлагаемом способе снижения интенсивности ударных волн в канале исследовано и описано в следующей научно- технической литературе:

1. Фролов С.М. Эффективность ослабления ударных волн в каналах различными способами / Физика горения и взрыва - 1993 - № 1.

2. Zhou A., Wang К. and Wu Z. (2014) Propagation law of shock waves and gas flow in cross roadway caused bycoal and gas outburst. International Journal of Mining Science and Technology, Vol. 24.

3. Мишуев A.B. Воздушная ударная волна в сооружениях / Москва, МГСУ, 2015 4. Рябинин Ю.Н. О затухании ударных волн, распространяющихся в каналах / Физика взрыва: Сборник экспериментальных и научно-исследовательских работ в области физики взрыва - Москва, ИХФ, 1955 № 3.

5. Физика взрыва /Под ред. Л.П. Орленко. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2002.

6. Кратова Ю.В. Режимы распространения плоской детонации в газовзвесях в каналах с разрывом сечения / Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2010 Т.9.

7. Баженова Т.В. Нестационарное взаимодействие ударных волн / Москва, Наука, 1977

Минимально возможное расстояние до отражателя «Ь», необходимое для того, чтобы смогла сформироваться область повышенной плотности и давления (6) рассчитывается исходя из законов геометрической оптики и обычно это значение не может быть меньше диаметра сечения потока.

Для сглаживания пульсации в протяженном канале параболические отражатели размещают с расчетным шагом.

Все параметры могут быть как изначально рассчитаны аналитически, так и подбираться исходя из результатов численного моделирования распространения ударных волн в истекающем газе на компьютере методом конечных элементов на основе решения уравнений состояния газа Новье-Стокса.

Помимо эффективного снижения интенсивности ударных волн путем их торможения, характеризующегося высоким значением коэффициента отношения величины снижения интенсивности к длине рабочей зоны устройства, сохраняется возможность прямолинейного прохождения через устройство следующего по оси газового потока тела или тел.

Проведенные натурные тестовые испытания показали хорошее соответствие результатов практических испытаний, результатам компьютерного моделирования.