Исследование дифракции ударной волны на цилиндре Текст научной статьи по специальности «Физика»

_______УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

ТОм I 197 0

№ 6

УДК 533.6.013.2

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФРАКЦИИ УДАРНОЙ ВОЛНЫ НА ЦИЛИНДРЕ

А. Н. Иванов, С. Ю. Чернявский

Приведена методика экспериментального исследования импульса силы (интеграла силы по времени), сообщенного цилиндру при дифракции на нем сферической ударной волны.

Измерения проводились на цилиндрах диаметрами 2—16 см и удлинением 1 : 7, установленных на расстоянии 5,1 м от центра взрыва. Относительный перепад давления на фронте волны составлял 0,2; 0,5; 1 при начальных давлениях воздуха в диапазоне (0,125 -*-2,0) -105 н/м*.

Приведены величины максимальной силы, действующей на цилиндр в процессе дифракции, соответствующего ей момента времени, импульса силы, полученного цилиндром во время дифракции, и продолжительности этого процесса.

В работе [1] приведены методика и результаты экспериментального исследования импульса силы (интеграла силы по времени), сообщенного ударной волной неподвижному телу цилиндрической формы. Было обнаружено, что начало взаимодействия волны с цилиндром — процесс дифракции — характеризуется наиболее быстрым ростом импульса по времени и, следовательно, наибольшей величиной приложенной к телу силы. Кроме того, полный импульс силы, полученный цилиндром в процессе дифракции, часто оказывается также максимальным.

Настоящая статья посвящена изучению стадии дифракции сферической ударной волны на цилиндре в широком диапазоне изменения газодинамических параметров, характеризующих процесс взаимодействия.

1. Исследования проводились с цилиндрами кругового сечения, подвешенными с помощью тонких нитей перпендикулярно направлению распространения фронта волны на расстоянии 5,1 л от центра взрыва. Начальное давление воздуха в экспериментах составляло р0 = (0,125; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0)-105 н/мг, при этом величина относительного перепада статического давления на фронте волны принимала значения Д/>,/р0 = 0,2; 0,5; 1,0.

Измерение давления за фронтом ударной волны проводилось с помощью пьезодатчиков статического давления [2] и электронной регистрирующей аппаратуры. Для тарировки датчиков использовалось пневматическое импульсное устройство [3], состоящее из камеры опорного давления и быстродействующего электроклапана, закрывающего доступ воздуху в камеру из атмосферы. В камере с помощью вакуумного насоса создавалось начальное давление, пониженное по сравнению с атмосферным. При открывании клапана на установленный внутри камеры тарируемый датчик действовал импульс давления ступенчатой формы с амплитудой, равной разности между атмосферным и начальным давлением в камере.

Исследования проводились на цилиндрах диаметром 20; 40; 80; 160 мм и относительным удлинением 1:7. В центре каждого цилиндра был установлен

10 — Ученые записки № б

131

пьезодатчик ускорения типа ИС-313. Для определения импульса силы, сообщенного цилиндру ударной волной, сигнал от датчика интегрировался по времени и затем регистрировался катодным осциллографом. Перед установкой в цилиндр каждый датчик ускорения тарировался по методу, изложенному в работе [1]. Суммарная погрешность измерения импульса силы не превышала 10%, а погрешность измерения статического давления — 3%.

2. По осциллограммам статического давления Др = Ьр (Т) определялся перепад давления Дрх на фронте волны и длительность Т+ фазы сжатия, а по осциллограммам импульса силы /=/(Г) — максимальная сила ^шах = (-^г) . Дей-

V ЛТ /тах

ствующая на цилиндр в процессе дифракции, соответствующий ей момент времени Ттах, импульс силы /*, полученный цилиндром за время дифракций, и про-

Г»

Фиг. 1

0,6

М

—■ ! л Pi! Ро яй ,2

* < О

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

Sb

0,6 J_ 0,8 Sb

Фиг. 2

должительность этого процесса 7* (фиг. I). В связи с тем, что в конце дифракции производная импульса по времени, как правило, мала, для повышения точности в качестве Т* выбирался интервал времени, в течение которого импульс нарастал от 0 до значения 0,9 /шах.

Величины Ртах и Т'тах можно представить в безразмерном виде:

/max —

Ар2 S

D

где Дрг — избыточное давление при нормальном отражении фронта волны, U—скорость фронта, s — площадь миделя. При этом в исследованных случаях /Шах и *шах были практически постоянными и в среднем составляли /шах=0,8, <malc=0,3. На фиг. 2, а представлены приведенные к безразмерному виду значения

импульса силы г* = V.cl_ за время дифракции в зависимости от числа Струхаля Д p2sO

Sh = И] Т_^ jD («1 — скорость газа и сг — скорость звука за фронтом волны) при постоянной интенсивности ударной волны Ьр\!ро = 0,2 и различных начальных давлениях воздуха р0. Оказалось, что при Sh = const изменение р0 в исследованном диапазоне практически не влияет на величину г* (в пределах точности измерений). Поэтому все точки на фигуре обозначены одинаково и прове-

дена кривая, усредняющая полученные результаты. Аналогичные кривые для

^ = 0,5 и ^1 = 1,0 приведены на фиг. 2, б.

Ро . Ро

В работах [4] и [5] предложен метод расчета импульса силы, сообщаемого телу произвольной формы слабой ударной волной с постоянными параметрами газа за фронтом. Пользуясь указанным методом, нетрудно получить величину дифракционного импульса на единицу длины цилиндра кругового сечения

/д = р) щ О1, что дает г'д = /д р2 в0 й = . Здесь р!— плотность газа за

фронтом волны; «0 = Д — площадь миделя на единицу длины цилиндра. Полученная величина г'д (на фиг. 2 а, б отмечена квадратом) согласуется с экспериментально измеренным значением импульса г* при БИ ->оо. С увеличением степени нестационарности процесса при БЬ -> 0 величина г* уменьшается.

г,6

0,8

'О В,Ч SJ 1,2 J_ >,е

Sh

Фиг. 3

Аналогичный характер зависимости от числа Струхаля обнаружен для представленной в безразмерном виде продолжительности процесса дифракции

t4 — . r*i.L (фиг. 3). Величина f* при = const и Sh = const, как и г'*, практи-D Ро

чески не зависит от начального давления воздуха.

Авторы выражают благодарность Ю. В. Лукашину и Н. Н. Назаровой за-помощь в разработке методики экспериментальных исследований.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов А. Н., Чернявский С. Ю. Исследование взаимодействия сферической ударной волны с телами. ПМТФ, 1969, № 6.

2. Чернявский С. Ю. Устройство для измерения полного и статического давлений в нестационарных газодинамических потоках. Авт. свид. № 159667. Бюллетень изобретений, промышленных образцов и товарных знаков, 1964, № 1.

3. И в а н о в А. Н., Чернявский С. Ю., Борисовская В. П. Устройство для тарировки датчиков давления. Авт. свид. № 226913. Бюллетень изобретений, промышленных образцов и товарных знаков, 1968, № 29.

4. Никольский А. А., Смирнов В. А. Действие ударной волны на препятствие. „Инженерный журнал”, 1962, № ].

5. Г о л у б и н с к и й А. И., К о г а н М. Н. Об импульсе нестационарного давления, действующего на тела в жидкости или газе. МЖГ, 1970, № 1.

Рукопись поступила 23/1/ 1970 г .