Ghostscript wrapper for D:\Digitalizacja\MTS86_t24z1_4_PDF_artyku³y\mts86_t24z4.pdf M E C H AN I K A TE OR E TYC Z N A i STOSOWAN A 4, 24, (1986) WPŁYW RADIACJI NA PARAMETRY KONCENTRYCZNEJ FALI UDERZENIOWEJ W GAZIE POLITROPOWYM JERZ Y T YL E D WAR D WŁ OD AR C Z YK W ojskowa Akademia T echniczna 1. Wstę p Wł ą czenie do badawczego arsen ał u współ czesnej fizyki silnych fal uderzeniowych stwo- rzył o moż liwoś ci badan ia wł aś ciwoś ci oś rodków cią gł ych w polu superwysokich ciś nień rzę du kilku i wię cej m ilionów m egapaskali [ 1+ 5J. Tego rodzaju fale uderzeniowe propagu- ją ce się w oś rodkach cią gł ych, generowane są najczę ś ciej za pomocą materiał ów wybucho- wych. W badan iach eksperym entalnych wymagana jest odpowiednia intensywność fali ude- rzeniowej oraz odpowiedn ia geom etria jej czoł a. Intensywność fali uderzeniowej moż na regulować, mię dzy in n ym i, poprzez dobór m ateriał u wybuchowego o odpowiedniej prę d- koś ci detonacji. Wachlarz wartoś ci prę dkoś ci detonacji współ czesnych materiał ów wybu- chowych stosowanych w technice i badan iach laboratoryjnych zawarty jest w przedziale 1000- = - 10000 m/ s. P oza tym zakres param etrów term odynam icznych osią ganych w doś wiadczeniach z fa- lami uderzeniowymi m oż na rozszerzyć za pomocą efektów kumulacyjnych. Szczególną rolę w tym wzglę dzie odgrywają koncentryczne fale uderzeniowe o symetrii cylindrycznej i kulistej. P roblem ten był badan y teoretycznie i eksperymentalnie przez wielu autorów [6- f- 13]. Przeglą d literatury z tego zakresu podan y jest mię dzy innymi w pracy [14]. W wię kszoś ci an alizowan ych zagadnień teoretycznych zakł ada się , analogicznie jak w klasycznych rozwią zaniach sam opodobn ych [6], [7], jednowymiarowość procesu oraz zaniedbuje się wpł yw lepkoś ci, przewodnictwa cieplnego i promieniowania (radiacji). M im o tych istotn ych uproszczeń, model ten pozwala uzyskać dla wielu zagadnień zgodny z rzeczywistym (eksperym en taln ym ) obraz zjawisk zachodzą cych w obszarach poł oż onych w dostatecznej odległ oś ci od cen trum kumulacji. D yskusyjne jest n atom iast stosowanie takiego m odelu do opisywania zjawisk towarzy- szą cych procesowi kumulacji w obszarze bezpoś rednio otaczają cym pun kt (symetria kulista) lub linię (symetria cylindryczna) koncentracji. D uży wpł yw n a param etry procesu w tym obszarze mają efekty wielowymiarowe zwią zane z niestabilnoś cią silnych fal uderzeniowych 632 J. TYL, E. WŁODARCZYK [15], [16]. P on adto w otoczeniu centrum kumulacji wystę pują: wysoka tem peratura i ciś nie- nie oraz duże gradienty ich zm ian. W zwią zku z tym istotną rolę odgrywają tutaj procesy promieniowania i przewodnictwa cieplnego [17]. D otychczas nie przeprowadzon o szczegół owej analizy procesu koncentracji fali uderze- niowej z jednoczesnym uwzglę dnieniem niestabilnoś ci i efektów dysypacyjnych. W dostę p- nym piś miennictwie m oż na spotkać tylko badan ia o charakterze fragmentarycznym. I tak w pracach [15] i [16] badan o w sposób przybliż ony wpł yw niestabilnoś ci, a w publikacjach [18] do [22] wpł yw wybranych efektów dysypacyjnych n a proces propagacji czoł a fali oraz n a parametry stanu w centrum kumulacji. W pracach [18], [21] i [22] dokon an o oszacowań param etrów stanu gazu w otoczeniu miejsca kumulacji fali, wykorzystują c do tego celu rozwią zania sam opodobn e. Z ał oż ono przy tym, że n a wię kszą czę ść procesu propagacji fali efekty dysypacyjne nie mają wpł ywu. Z kolei.w pracach [19] i [20] analizowan o problem numerycznie. G ł ówną uwagę zwrócono n a badan ie roli przewodnictwa cieplnego w koń co- wej fazie procesu implozji fal uderzeniowych. Oceny zawarte w pracach [18]- r[22] mają charakter jakoś ciowy. Z atem problem teoretycznego opisu wpł ywu efektów dysypacyjnych i promieniowania n a param etry gazu w okolicy cen trum kumulacji fali uderzeniowej pozos- taje n adal otwarty. W niniejszej pracy podejmujemy próbę analizy procesu propagacji koncentrycznej fali uderzeniowej w gazie z uwzglę dnieniem efektów radiacyjnych. Z agadnienie to rozwią ż emy za pomocą metody Chestera- Chisnella- Whithama (C C W) [23]. N a moż liwość zastosowan ia metody CCW do opisu koncentrycznych fal uderzeniowych p o raz pierwszy zwrócon o uwa- gę w pracy [24], a obszerną analizę problem u przedstawion o w pracach autorów [14], [25], [26]. W pracy [14] uogóln ion o m etodę CCW, stosowaną wcześ niej do analizy kumulacji fal uderzeniowych w gazie doskonał ym, n a przypadek oś rodka którego wł aś ciwoś ci fizyczne wyraża równanie stan u o dowolnej postaci oraz pokazan o moż liwość poprawn ego opisu implozji fali uderzeniowej gdy brzeg (cylindra lub sfery) porusza się ze stał ą prę dkoś cią. U kł ad prezentowanej pracy jest nastę pują cy. W rozdziale drugim formuł ujemy problem i przedstawiamy kom plet równ ań wyjś ciowych do dalszych analiz. W rozdziale trzecim konstruujemy rozwią zanie problem u oraz analizujemy wyniki dla gazu charakteryzowan ego politropą z wykł adnikiem y = 4/ 3. Wyniki pracy podsumowujemy w rozdziale czwartym . 2. Sformułowanie problemu Stosują c m etodę C C W do analizy rozprzestrzeniania się fal uderzeniowych ż ą da się aby na froncie fali speł nione był y równocześ nie prawa zach owan ia: masy, pę du i energii, równ a- nie stanu oś rodka oraz róż niczkowy zwią zek obowią zują cy wzdł uż charakterystyki propa- gują cej się w kierun ku czoł a fali. Reguł ę tę wykorzystam y również w niniejszej pracy. W tym celu dokon am y niewielkiej modyfikacji przedstawionych w pracy [14] wyjś ciowych równ ań dla analizy koncentrycznych fal uderzeniowych. Okazuje się bowiem, że przy bardzo- wysokich tem peraturach energia i ciś nienie prom ien iowan ia mogą osią gać wartoś ci p o - równywalne z energią i ciś nieniem oś rodka. N arzuca t o konieczność uwzglę dnienia ich przy budowie adiabaty uderzeniowej. W P Ł YW RAD IAC JI N A. . . 633 Z ał oż ymy, że prom ien iowan ie za frontem fali uderzeniowej jest równowagowe. Wówczas peł ną energię prom ien iowan ia odniesioną do jedn ostki masy oś rodka s r (otrzymaną przez scał kowanie, w przedziale czę stotliwoś ci, widmowych energii promieniowania) i ciś nienie prom ien iowan ia p r m oż na wyrazić za pom ocą wzorów [17], [27]: s r =K- , Pr= K i T \ (2.1) Pr = (y r - l)Qi f , gdzie: K= l,57- l()- 16 [JI(m 3 - K*)], Yr = 4/ 3, a prawa zachowan ia n a froncie fali uderzeniowej m oż na zapisać w postaci: Q(U~u) =* go U t (2.2) Q 0 Uu, (2.3) = ij- , (2.4) gdzie symbole U, u, p, e, T i Q oznaczają odpowiedn io: prę dkość frontu fali, prę dkość ruch u oś rodka, ciś nienie, energię wewnę trzną odniesioną do jedn ostki masy oś rodka, tem peraturę i gę stość za frontem fali uderzeniowej (Q 0 —jest gę stoś cią oś rodka n iezaburzon ego). P onieważ analizujemy propagację silnej fali uderzeniowej, za czoł em której ciś nienie i energia są dużo wię ksze od odpowiednich param etrów przed frontem (p Q , e0) , przyję to p 0 = e 0 = 0. D o opisu fizycznych wł aś ciwoś ci oś rodka zakł adam y równanie stanu gazu doskonał ego (zan iedban ie: oddział ywań potencjalnych, dysocjacji i jonizacji molekuł ) gdzie: Symbol c v oznacza ciepł o wł aś ciwe przy stał ej obję toś ci, / J, jest rhasą molową . R' = 8,314 J/ 1 / (mol • K) — un iwersaln a stał a gazowa. R ówn an ia (2.5) m oż na również zapisać w postaci ?- ««(y- l). (2.5'> gdzie: n y — \ Ą wykł adn ik politropy. Co Analizują c kon cen tryczn e fale uderzeniowe za pom ocą metody CCW równania (2.1)- r- (2.5) uzupeł nia zwią zek obowią zują cy wzdł uż ujemnych charakterystyk. 634 J. TYL, E. WŁODARCZYK U wzglę dn iając en ergię i ciś n ien ie p r o m ie n io wa n ia m a o n d la r u c h ó w n ierelat ywist yczn yc h p o st a ć [28], [29]: QC u—c r gd zie: (2.6) —o zn acza prę dkość dź wię ku [27.], \ S r jest współ rzę dną Eulera frontu fali, v — współ czynnikiem symetrii (v = 1 — symetria cylindryczna, v = 2 — symetria kulista). Wyraż enie n a prę dkość dź wię ku zapisać moż na w nastę pują cej postaci [29], [30]: - VI 1 \ ( 2 . 7 ) gdzie: 1 P + / ? + 1 U zyskaliś my w ten sposób komplet równań (2.1)- r(2.7) do analizy sformuł owanego prob- lemu, którą przedstawimy w rozdziale 3. Przyjmiemy dalej, że zmienne nieindeksowane oznaczać bę dą parametry na czole fali uderzeniowej dla czasów t > 0, zaś indeksem „ 1 " wyróż niono począ tkowe parametry na czole fali (t — 0). N a zakoń czenie tego rozdział u zwrócimy jeszcze uwagę na fakt, że w warunkach wy- sokich temperatur efekty radiacyjne powodują podwyż szenie temperatury oś rodka przed i za czoł em fali oraz prowadzą do zwię kszenia szerokoś ci frontu {Ar) [17]. Z atem otrzyma- ne w niniejszej pracy rozwią zanie, nie uwzglę dniają ce struktury frontu fali, jest sł uszne dla przypadków, w których szerokość frontu (obejmują cego obszar podwyż szonej tem peratury) jest mał a w porównaniu z promieniem czoł a fali (Ar <Ą r). 3. Rozwią zanie problemu W celu r o zwią za n ia sfo rm u ł o wan ego w p o p r z e d n i m r o zd zia le p r o b le m u wygo d n ie je st , wyko rzyst u ją c r ó wn a n i a (2.1) - r (2.5), p rzed st awić p a r a m e t r y n a czo ie fali u d e r ze n io we j (u, p , Q, c) ja k o fun kcje t e m p e r a t u r y: • 7 + (3.1) 3 QoR F u n kc je / ?( T ) i c(T ) okreś lają zależ n oś ci ( 2 . 1) 2 , ( 2 . 5 ) 2 , (2.7) i ( 3 . 1 ) 2 . P o d st a wia ją c wyr a ż e n ia WPŁYW RADIACJI N A... 635 (3.1) i funkcje p(T ) oraz c(T ) do zwią zku (2.6) otrzymujemy równanie problem u w n astę pu- ją cej postaci: • + a T ( T ) = 0 , ' (3.2) dlnr gdzie: a T P K2T5 6Q 0 R 2 + dT I 13 c„ \ KT 2 \ 2 R) R~ 2 R KT 3 (3.2") Wyraż ony wzorem (3.2') param etr a T jest tzw. współ czynnikiem amplifikacji [14] charakte- ryzują cym prę dkość n arastan ia tem peratury za czoł em fali uderzeniowej w procesie jej koncentracji. Cał kują c równ an ie (3.2) z warun kiem począ tkowym T (i\ ) = Tj otrzymuje się rozwią za- nie w postaci odwrotnej r F J 4 D la iloś ciowej analizy zjawiska przyjmiemy, że y = - y. D la tej wartoś ci współ czynnika politropy rozwią zanie przyjmuje prostą postać. Z równ ań (2.1)- r- (2.5) wynika, że zachodzą wówczas relacje: y- \ = 7 u_ 2 6 6 (3. 4) P+Pr = 4 (p+p r ) 3~ Q (3.5) Podstawiają c (3.4) i (3.5) do zwią zku (2.6) m am y: dU . dr U a r gdzie: a* = (3.6) (3.6') 636 J. TYL. E. WŁODARCZYK P o scał kowaniu (3.6) dostajemy: U u' In r Pl + Or)l Interesują cym jest fakt, że dla y — 4/ 3 = y r zwią zki mię dzy prę dkoś cią propagacji czoł a fali U oraz prę dkoś cią ruchu oś rodka w n a czole fali a poł oż eniem frontu (3.7)! są ta- kie same jak w przypadku gdy radiacja nie był a uwzglę dniona [14]. W zasadniczy sposób zmienia się natom iast charakter amplifikacji tem peratury. Łatwo- 4 t o pokazać analizują c zależ ność a T {T ) (wzór (3.2')). D la y = - —- przyjmuje on a prostą postać: T- ^jgr. (3.8) Charakteryzują cy udział ciś nienia gazodynamicznego (p) w cał kowitym ciś nieniu (p+p r ) współ czynnik /? (wzór (2.7")) jest wielkoś cią zmieniają cą się od wartoś ci /S = 1 dla niskich temperatur (p > p r ) do wartoś ci /? = 0 dla wysokich tem peratur (p < p r ). Odpowiada t a a* zmianom współ czynnika amplifikacji od a T = 2a* do a T = —— oraz zależ noś ci T (r) od T ~ r~ 2a* do T ~ r~ a*l2. Wzrost temperatury n a czole fali (wzrost roli czł onów radiacyj- nych : p r i e r ) prowadzi zatem do 4- krotnego osł abienia jej amplifikacji przy koncentracji fali uderzeniowej. N ie stoi to w sprzecznoś ci z wnioskami wynikają cymi ze wzorów (3.7). Ze wzrostem tem pe- ratury zmienia się bowiem postać funkcji U{T ),u{T ) i p(T ). O ile przy p > p r , m am y: U;, u ~ | / r i (p+Pr) ~ T to dla p 4 p r jest: U, u ~ T 2 i (p+p r ) ~ T 4. Po podstawieniu do wzoru (2.7") zwią zków (2.1)2 i (2.5) 2 oraz uwzglę dnieniu (3.4)jt zależ ność (3(T ) przyjmuje postać: a wstawiają c wartoś ci Ki R' oraz / J, = 10"3 kg/ mol mamy / 9 = ( 4 , 3 4 - 1 0 - 2 1 —+ l ) (3.9'} \ Qo I D la ilustracji wpł ywu radiacji n a amplifikację tem peratury n a rys. 1 przedstawiono zależ- noś ci fł (T ) i a T (T ) dla dwóch wybranych gę stoś ci gazu. D ają one moż liwość oceny zakresu parametrów (Q 0 , T) dla którego efekty radiacyjne stają się istotne. Wynika z nich, że udział tych efektów zwię ksza się ze wzrostem temperatury (może wię c zaznaczyć się w koń cowej, fazie koncentracji fali uderzeniowej). Tem peratura f powyż ej której radiacji nie moż na zaniedbać jest tym niż sza im mniejsza jest począ tkowa gę stość Q 0 . WPŁYW RADIACJI N A... 637 13 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0A 0,3 0,2 0,1 2 - 9 0 = 1Q5 a T / a 1.2 1.0 0.8 0,6 10' T I K ] Rys. 1, 4. Podsumowanie W pracy przedstawiono analizę koncentracji frontów silnych fal uderzeniowych w jedn o- rodn ym gazie politropowym z uwzglę dnieniem efektów radiacyjnych .(poprzez uzupeł nienie równ ań gazodynamiki o czł ony opisują ce radiację : p r i s r ). Posł ugują c się metodą Chestera- Chisnella- Whithama uzyskan o zam kn ię te rozwią zanie w postaci odwrotnej. D la gazu 4 charakteryzowanego przez wykł adnik politropy y = - -̂ dokon an o analizy roli radiacji w procesie implozji fali uderzeniowej. P okazan o, że przy bardzo wysokich temperaturach promieniowanie powoduje istotn e osł abienie (w porówn an iu z przypadkiem gdy efekty radiacyjne nie są uwzglę dniane) amplifikacji tem peratury frontu koncentrycznej fali ude- rzeniowej. Literatura 1. J. M. WALSH , M. H . R I C E , R. G . M C QU EEN , F , L. YARG ER, Shock- wave compressions of twenty seven metals. Equations of state of metals, Phys. Rev., 108, 2, 1957. 2. JI . B. AjiBTinyjiEPj T IpuMenemie ydapuux eom e cjiiauKe eucoKux daejiemiu, y<I>H, 85, 2, 1965. 3. Physics of high energy density, Ed. P. Caldirola, H . Knoepfel, New York— London, 1971. 4. M . A. I^HKyjiHH, E . r . IIonoBj Ha/ iyHamejibuue caoiicmea ydapnux eo/ in e ia3ax, MocKBa, 1977. 638 3. T YL , E . WŁ O D AR C Z YK 5. H . D E R E N T O WI C Z , Metody eksperymentalne wytwarzania wysokich ciś nień dynamicznych w ukł adach wybuchowych, M a t er . konf. „ Akt u a ln y stan t ech n iki strzeln iczej i perspektywy jej r o zwo ju ", P okrzy- wn a 1984. 6. G . G U D E R L E Y, Starkę kugelige und zylindrische VerdichtungstosSe in der N ahe der Kugelmittelpunktes bzw. der Zylinderaschse, Luftfah rtforsch un g, XI X, 9, 1942. 7. K . I I . C TAH I OKOBJM J Heycmaiweueiuueca deuMcewtn cnnoumou cpebu, M o c m a , 1971. • 8. B . <E>. fltaiEH Ko, B. C . H M U I E H H H K J Cxobmaancn tfiuundpuuecKaH ydapnan eojtua a nna3Me c yte- tnoM cmpyKmypbi 0ponma s > K B M H M < J > :, T . 3 3 N B 5, 1963. 9. P . H . HHrMATyjiHH, Cxodmauecn - auMmdpimecKue u c$epuwcKue bemonaą uoHHbie eo/ iHbi, I I M M 3 Bbm . 1, 1967. 10. K. F . CAnyHKOBj Cxodmauecn demoHaą uoHHue eojinu e peoicuAie ^ enuenaSCyie B cpede c nepe.ueHHou u nocmomnou HOMOMMUUIU njwmuocmHUU, T I M M , Bwn . 5, 1967. 11. B. B. C H JI Ł BE C TP OB, B. M . T H T O B , Cxodnufancn ydapuaii eo/ ina e OKUÓKOM eodopode, <i>H3HKa F o - peHHH H B3ptiBaj Bbin . 4 3 1975. 12. S. KALISKI, A. PAPLIŃ SKI, E. WŁOD ARCZ YK, Concentric spherical shock- wave generated by a thermal wave, J. Techn. P hys., 16, 1, 1975. 13. E. WŁOD ARCZYK, Generators of concentric spherical and cylindrical detonation waves, J. Techn. P hys., 24, 3, 1983. 14. J. T YL, E. WŁOD ARCZYK, Analysis of concentric shock- waves, J. Tech. P h ys., 25, 1, 1984. 15. G . B. WH I TH AM , A new approach to problems of shock dynamics. Part I. T wo- dimensional problems, J. F luid M ech., 2, 2, 1957. 16. J. H , G AR D N ER, D . L. BOOK, I . A. BERN STEIN , Stability of imploding shocks in the CCW approximation, J. F luid M ech., 114,1982 (41). 17. 9L . B. SEJiLflOBira, K>. I I . P AH 3E P , &u3uxa ybapuux BOAH U eucoKomeMnepamypUbix zubpobunaMH- necKux xesieiiuii, M ocKBa, 1963. 18. E . H . 3ABABAXH H J B . A. CH M OH EH KOJ Cxobmaancn ybapnan eo/ iua e merMonpoeaduoM ta3e, I I M M / 29, 2, 1965. 19. B. <J>. fltH ^EH KOj B. C . H M TTIEH H H K. O cxobHmeiicn ijujiuubpuuecKU cuMMempunnoU ybapuou eo/ iue nptt HOAUHUU buccunamuenwx 3$$eKmoe, I I M M , 29, 6, 1965. 20. A. A. MAXMyppBj C . I I . I I o n o Bj - BAumtue mennonpoeobuocmu na cxobmaywcn K yemnpy cuMMempuu cu/ ibnym ydapuyw eo/ iuy, H S B . AH C C C P , M.7KT , 2, 1980. 2 1 . B . C . H M I U EH H H KJ KyMyjwifun cxobmauxcn ybapuux eonn c ynemoM duccuninnwHux npoiieccos, I I M T * , 6, 1980. 22. K. JAC H , Assessment of shock- wave convergence- radius in spherical systems of explosion- induced plasma compression, J. Tech. P hys., 22, 4, 1981. 23. G . B. WH ITH AM , L inear and nonlinear waves, N ew York — Lon don — Sydney — T oron to, 1974. 24;- R. F . CH ISN ELL, T he motion of a shock wave in a channel, with application to cylindrical and spherical shock waves, J. F luid M ech., 2, 3, 1957. 25. J. T YL , E. WŁOD ARCZYK, Propagation analysis of concentric shock waves fronts in non- homogeneous polytropic gas, J. Tech. P hys., 26, 1, 1985. 26. J. T YL , E. WŁOD ARCZ YK, Propagation of concentric shock waves in non- homogeneous solid medium, J. Tech. P hys. 27, 3, 1986. 27. R, G . SACH S, Some properties of very intense shock waves, P hys. Rev., 69, 9- 4- 10, 1946. 28. Y. O N O , S. SAKASH ITA, N . OH YAMA, On the mechanism of stellar explosion, Suppl. P ro g. T h eo r. P hys., M 20, 1961. 29. S. SAKASH ITA, Y. TAN AKA, On the orgin of planetary nebulae, P rog. T h eor. P hys., 27, 1, 1962. „ 30. H . A. KJIH MH IH H H , O meopuu seeabubix ybapuux SOJIH, AcrpoH . > KypH .,39, 5, 1962. P e 3 IO M e BJI H flH H E H S J i y ^ E H H a H A I I AP AM E T P BI K O H U E H T P H q E C K O fi y ^ A P H O f ł BOJI H BI B n O J I H T P O n H O M T A3 E C noM omwo jweTo#a ^ecTepa- ^lH CH ejiJia- ^H ś eM aj n ocroeH o aaiHKHyroe pemeH H e 3a# ayH p a c n p o - cxpaeH H Ji KOHueHTpiraecKOH yflapHoft BOJI H Ł I B noJiH TpormoM ra3e c ŷ e'TOM n poijecca H 3jiyneH H H . W P Ł YW RAD IACJI N A. . . 639 H 3 n on y^eH H oro p eiu em M H enocpeflcrBeH H o cjie# yeT 3 trro iipn BWCOKH X Tem n epaiypax H3Jiy*iaTejii>Hbie 3<ł>4>eim>i floBOjiBH O 3HaflHTenbHO oan a6jun oT ycHJieHHe TeMnepaTypw Ha (bpoHTe KOHueHTpn^ecKOH BOJIH bl. S u m m a r y E F F E C T OF RAD IATION U P ON PARAM ETERS O F A CON CEN TRIC SH OCK WAVE IN A POLYTROPIC G AS By employing the Chester- Chisnell- Whitham method an exact form solution has been constructed for the propagation problem of the concentric shock wave in a polytropic.gas with the radiation process taken into account. F rom the solution obtained it is directly evident that at high temperatures the radiation effects • reduce appreciably the amplification of temperature at the front of the concentric shock wave. Praca wpł ynę ł a do Redakcji dnia 2 stycznia 1986 roku