Wybuch jest zjawiskiem trudnym do modelowania ze względu na złożoność występujących w nim procesów. Mają one bardzo dynamiczny charakter i wiążą się z wydzielaniem bardzo dużych ilości energii. Energia ta powstaje w wyniku egzotermicznych reakcji chemicznych, które zachodzą w materiale wybuchowym. Szybkość reakcji jest na tyle duża, że powoduje powstanie w materiale naddźwiękowej fali uderzeniowej, która następnie propaguje w medium otaczającym materiał wybuchowy.

Tomasz Czyż

Kształt typowego impulsu fali uderzeniowej jest przedstawiony na rysunku 1. Wzrost ciśnienia na froncie impulsu występuje prawie natychmiastowo, a następnie, za frontem, zmiana ciśnienia ma charakter eksponencjalny [1]. Ciśnienie za frontem spada i w pewnym miejscu występuje obszar podciśnienia.

Rys. 1. Impuls ciśnienia fali uderzeniowej

Impuls fali propaguje z prędkością rzędu 7-9 km/s, dla najczęściej stosowanych materiałów wybuchowych, takich jak trotyl czy heksogen.
Najciekawsze, z punktu widzenia praktyki inżynierskiej, jest oszacowanie obciążenia konstrukcji pod wpływem wybuchu oraz zniszczeń, jakie w niej wystąpią. Metody, które pozwalają nam na to oszacowanie możemy podzielić ogólnie na empiryczne i numeryczne. Metody empiryczne polegają na badaniu korelacji między eksperymentem, a pewnymi zależnościami analitycznymi. Najpopularniejsza z metod empirycznych CONWEP została stworzona przez Kingerego i Bulmasha w 1992 roku [2]. Równania analityczne opracowane przez autorów pozwalają określić parametry wybuchu kulistego lub półkolistego, takie jak ciśnienie fali nacierającej i odbitej, oraz obciążenie dowolnie oddalonej przeszkody od ładunku wybuchowego o masie od 1 do 400000 kg. Metoda ta dobrze sprawdza się do wyznaczania ciśnień w przestrzeni bez przeszkód lub analizy pojedynczego odbicia.
W przypadku wybuchu np. w środowisku miejskim, gdzie fale mogą się wielokrotnie odbijać, wzmacniać lub osłabiać, ta metoda nie jest już wystarczająca. Do tego celu możemy użyć metod numerycznych, które dostarczą nam dokładniejszych wyników, jednocześnie będąc opłacalnymi obliczeniowo. Metody te bazują na równaniach matematycznych opisujących fizykę zjawiska wybuchu, razem z prawem zachowania masy, pędu i energii, oraz równaniach konstytutywnych modelu materiałowego. Programy służące do tego typu obliczeń wykorzystują metodę objętości skończonych wraz z metodą elementów skończonych i jawnym schematem całkowania w dziedzinie czasu. Jednym z nich jest program ANSYS AUTODYN.

cały artykuł dostępny jest w wydaniu 12 (40) grudzień 2010

Czytaj także:

Wirówka trójkolumnowa do stosowania w strefie zagrożonej wybuchem

Modyfikacja częstotliwości drgań własnych maszyn z wykorzystaniem MES

Symulacja z blokowaniem zmiennych

Jak uniknąć powszechnych błędów przy obliczeniach CFD?