CC BY
32
Секция «Машиностроение, материаловедение»
УДК 623.544
РЕГИСТРАЦИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ BOS МЕТОДОМ
Д.И. Белкин, Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (Саров, Россия). Н.В. Нижегородцев, Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (Саров, Россия).
Н.А. Трепалов, Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (Саров, Россия).
Аннотация. В данной работе рассмотрен один из оптических методов регистрации неод-нородностей в прозрачных средах - BOS (Backgroundorientedschlieren) метод. Показана возможность применения BOS метода в задачах диагностики ударно-волнового возмущения, продемонстрирована возможность визуализации воздушных ударных волн. В случае сферического взрыва в воздухе представляемый метод позволяет получить большое число экспериментальных точек для R(t) диаграммы ударной волны.
Ключевые слова: BOS (Backgroundorientedschlieren), ударная волна, методы визуализации, взрыв.
REGISTRATION OF SHOCK WAVE BY BOS METHOD
Abstract. This article presents the optical method for detecting inhomogeneities in transparent medium - BOS (Background oriented schlieren). The possibility of using the BOS method in problems of shock wave disturbance diagnostics is demonstrated, and the possibility of visualizing air shock waves is demonstrated. In the case of a spherical explosion in air, the proposed method makes it possible to obtain a large number of experimental points for R (t) of the shock wave diagram.
Keywords: BOS (Backgroundorientedschlieren), shock wave, visualization methods, explosions.
Введение
В ряде случаев при отработке различных боеприпасов (БП) необходимо измерить параметры ударной волны (УВ).В настоящее время для измерения параметров УВ широко применяются датчики давления (ДД). ДД позволяют измерять зависимость давления от времени в конкретной точке пространства (обычно несколько датчиков, расположенных в одной плоскости). Регистрация сигналов осуществляется, как правило, по традиционной схеме «ДД - согласующее устройство - регистратор». При этом, с одной стороны, количество датчиков ограничено с точки зрения построения подробной R(t) диаграммы с десятками экспериментальных точек, с другой, существующим датчикам физических величин с электрическим способом вывода информационного сигнала присущ недостаток, связанный с наличием переходных характеристик в электрических цепях [1]. Кроме того, в случае отражения распространение УВ имеет сложный характер. Процесс отражения сферической УВ от плоской поверхности представлен на рисунке 1. После того как регулярное отражение становится невозможным (а>а*), падающая ударная волна (ПУВ) и отраженная (ОУВ) отходят от поверх-
ности и образуется третья УВ, которую называют волной Маха или головной УВ (ГУВ) [2].
Рисунок 1. Отражение сферической УВ от плоскости.
Для регистрации УВ применяются и оптические методы. Оптические методы основаны на изменении параметров излучения в зависимости от оптических свойств исследуемой среды. К наиболее известным оптическим методам относятся теневой метод, интерференционный метод, шлирен метод, а также BOS (Backgroundorientedschlieren) метод. Одним из главных преимуществ BOS метода по сравнению с остальными оптическими методами является простота его реализации. Схема экспериментальной установки BOS метода состоит из некогерентного источника света, фонового экрана, видеокамеры и компьютера с программным обеспечением [3, 4]. BOS метод позволяет визуализировать УВ и проследить за ее распространением в пространстве.
Ниже представлены результаты применения BOS метода для регистрации УВ и последующей оценки ее параметров.
1. Видеорегистрация слабых ударных волн
С помощью BOS возможно визуализировать области в оптически прозрачной среде, имеющие градиент показателя преломления (n), и чем больше значение n, тем проще визуализировать эти области. УВ характеризуется скачкообразным изменением давления и плотности и, как следствие, образованием градиента показателя преломления.
На рисунках 2 и 4 приведены результаты отработки технологии BOS для регистрации слабых УВ. Производилась видеорегистрация электрического взрыва проволочки и последующая визуализация созданной УВ. На рисунке 2 приведен один из кадров видеорегистрации, а на рисунке 3 результат визуализации. В качестве источника высокого напряжения использовался накопитель с энергией разрядного контура 216 Дж и уровнем напряжения 12 кВ. Взрывалась медная проволочка диаметром 0,09 мм и длиной 30 мм.
Рисунок 2. Электрический взрыв проволочки (t=0,86 мс)
t = 0,86 мс
t = 1,075мс
t = 1,29мс
t = 1,505мс
Рисунок 3. Результат визуализации УВ
2. Визуализация ударных волн в условиях полигонных испытаний
Специфика полигонных испытаний предъявляет жесткие требования к измерительному оборудованию, в частности, по критерию «живучести» и зоне регистрации. Оптическая регистрация позволяет выбрать интересующую зону регистрации и при этом расположить оборудование на безопасном расстоянии. Применение BOS метода позволяет визуализировать крупномасштабные оптические неоднородности, на рисунках 4 и 5приведен один из таких примеров.
Рисунок 4. Выстрел из пороховой баллистической установки (t=4,695 мс)
Рисунок 5. Результат визуализации УВ
3. Эксперимент
Для экспериментального подтверждения возможности оптической регистрации УВ проведены постановочные опыты. Производился подрыв заряда шарообразной формы диаметром 70 мм, состоящего из взрывчатого вещества ПВВ-7 массой 250 г. Заряд располагался на высоте 2 м. Проводилась как оптическая регистрация (ОР) сформировавшейся УВ, так и регистрация с помощью ДД, расположенных на одной прямой. На рисунке 6 представлена расстановка оборудования на рабочем поле. Видеорегистрация УВ осуществлялась на фоне
экрана с частотой съемки 9300 кадр/с и временем экспозиции 10 мкс. На рисунке 7 приведен один из полученных кадров и результат визуализации УВ в момент времени 5,5 мс после подрыва. Визуализирована как первичная (1), так и вторичная (2) ПУВ. Путем обработки результатов визуализации УВ получена диаграмма перемещения фронта первичной ПУВ Рф(1) результат представлен на рисунке 8. Используя зависимость Кф(!),найдены значения скорости и избыточного давления во фронте ПУВ (рисунок 9). На рисунке 10 представлены профили давлений, полученные с помощью ДД, и значения, полученные по результатам ОР. На рисунке 10 так же приведены дискретные значения избыточного давления во фронте ОУВ полученные путем перерасчета РфДО диаграммы ПУВ. В данном случае под ОУВ имеется УВ отраженная от верхней (торцевой) поверхности корпуса ДД представляющего собой цилиндр диаметром порядка 5 см в центре которого располагается дД (см. рисунок 6).
Рисунок 6. Расстановка оборудования на рабочем поле
t (мс)
Рисунок 8. Результаты ОР распространения фронта ПУВ
R<fc> (m)
Рисунок 9. Зависимость избыточного давления во фронте ПУВ
< L> — Д да да дз
Д Д
О \ — ДД4 — ДД5 ♦ ♦ OP (ПУВ) О О ОРСОУВ}
j у < Ü < ¡
V < L
1 "Чей -14
Рисунок 10. Величины давлений, полученные путем пересчета результатов ОР и наложенные на профили давлений ДД
Заключение
Представленные данные подтверждают возможность использования оптических методов, а именно BOS метода, для регистрации УВ, возникающих как при взрыве, так и при движении тел со сверхзвуковыми скоростями. Получаемые данные регистрации позволяют проследить за распространением УВ в пространстве, а также, в случае взрыва, оценить степень асимметрии взрывного энерговыделения, определить параметры УВ, сформировавшейся в результате взрыва ОИ и оценить мощность взрыва. BOS метод является дистанционным, что позволяет проводить регистрацию на безопасном расстоянии.
Литература:
1. Толстиков И.Г. Новые методы измерения параметров ударной волны // Забабахин-ские чтения. Сборник работ VIII международной научной конференции по физике высоких плотностей. 2005.
2. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко Изд. 3-е перер. Т.1. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002.
3. Meier G.E.A. Computerized background-oriented schlieren // Experiments in Fluids. 33. 2002. P. 181-187.
4. Richard H. and M. Raffel. «Principle and applications of the background oriented schlieren (BOS) method // Institute of Physics Publishing, Meas. Sci. Technol. 2001. №12. P. 1576-1585.
References:
1. Tolstikov I.G. Novye metody izmerenija parametrov udarnoj volny // Zababahin-skie chtenija. Sbornik rabot VIII mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii po fizike vysokih plotnostej. 2005.
2. Fizika vzryva / Pod red. L.P. Orlenko Izd. 3-e perer. T.1. M.: FIZMATLIT, 2002.
3. Meier G.E.A. Computerized background-oriented schlieren // Experiments in Fluids. 33. 2002. P. 181-187.
4. Richard H. and M. Raffel. «Principle and applications of the background oriented schlieren
(BOS) method // Institute of Physics Publishing, Meas. Sci. Technol. 2001. №12. P. 1576-1585.
— • —
Сведения об авторах
Дмитрий Игоревич Белкин, инженер-электроник,Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (Саров, Россия).
Николай Владимирович Нижегородцев, инженер-исследователь, Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (Саров, Россия).
Николай Александрович Трепалов, инженер-исследователь, Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (Саров, Россия).
— • —
