송풍파

유체 역학에서, 송풍파는 작고 국소화된 부피에 많은 양의 에너지가 축적되어 발생하는 압력 및 흐름의 증가를 의미한다. 유량장은 납 충격파로 근사치를 할 수 있으며, 그 뒤에 자가 유사 아음속 유량장이 뒤따른다. 간단히 말해서, 폭발 파동은 폭발 중심에서 바깥쪽으로 슈퍼소닉적으로 팽창하는 압력의 영역이다. 그것은 압축 가스의 선도적인 충격 전면을 가지고 있다. 폭발 파도에 이어 음의 게이지 압력(gauge pressure)의 바람까지 불어와 물건을 다시 중앙으로 빨아들인다. 특히 중심부에 매우 가깝거나 건설적인 간섭이 있는 위치에 있을 때 이 폭발 파동은 해롭다. 폭발하는 높은 폭발물은 폭발파를 일으킨다.

원천

고차폭발물(HE)은 저차폭발물(LE)보다 강력하다. 그는 초음속 과압 충격파를 생성하기 위해 폭발한다. HE의 여러 공급원으로는 트리니트로톨루엔, C-4, 셈텍스, 니트로글리세린, 질산암모늄 연료유(ANFO) 등이 있다. LE는 아음속 폭발을 일으켜 HE의 과압파가 부족하다. LE의 출처에는 파이프 폭탄, 화약, 화염병이나 유도탄으로 급조된 항공기 등 대부분의 순수 석유 기반 방화 폭탄이 포함된다. HE와 LE는 서로 다른 부상 패턴을 유도한다. 오직 그만이 진정한 폭발파를 일으킨다.

역사

고전적인 흐름 솔루션인 이른바 테일러-본 노이만-스도프 폭발파 솔루션으로 불리는 이 솔루션은 제2차 세계대전 당시 존 폰 노이만과^[1][2] 영국의 수학자 제프리 잉그램 테일러가^[3][4] 독자적으로 고안한 것이었다. 전쟁 후 유사성 해결책은 다른 세 명의 저자인 L에 의해 출판되었다. I. Sedov,^{[5] [6]}R. Luthoud, J. Lockwood-Taylor^[7] - 독립적으로 그것을 발견한 사람.^[8]

초기 이론적 연구 이후, 폭발파에 대한 이론적 연구와 실험적 연구가 모두 진행되어 왔다.^[9][10]

특성 및 특성

가장 단순한 형태의 송풍 파형이 프리드랜더 파형으로 설명되어 왔다.^[11] 그것은 높은 폭발이 그것이 상호작용할 수 있는 근처 표면이 없는 자유장에서 폭발할 때 발생한다. 파도는 파동의 물리학에 의해 예측되는 특성을 가지고 있다. 예를 들어 좁은 개구부를 통해 확산될 수 있고, 물질을 통과할 때 굴절될 수 있다. 빛이나 음파처럼 폭발파가 두 물질 사이의 경계에 도달하면 그 일부가 전송되고 그 일부가 흡수되며 그 일부가 반사된다. 두 재료의 장애물이 각각의 발생량을 결정한다.

Friedlander 파형에 대한 방정식은 블라스트 파형의 압력을 시간의 함수로 설명한다.

$P(t)=P_{s}e^{-{\frac {t}{t^{*}}}}}\좌측(1-{\{\frac {t}{t^{*}}}\우측).}$

여기서 P는_s 피크 압력이고 t*는 압력이 처음 수평 축을 가로지르는 시간이다(음극상 이전).

폭발 물결은 물체와 건물 주위를 감쌀 것이다.^[12] 그러므로, 큰 건물 뒤에 있는 사람이나 물건들이 반드시 건물 반대쪽에서 시작되는 폭발로부터 보호되는 것은 아니다. 과학자들은 효과적인 장벽과 안전한 건물을 설계하기 위해 물체가 폭발에 어떻게 반응할지 예측하기 위해 정교한 수학 모델을 사용한다.^[13]

마하 줄기 형성

마하 스템 형성은 송풍파가 지면에서 반사되어 원래 충격 전면을 따라잡았을 때 발생하며, 따라서 송풍파 가장자리의 트리플 포인트라는 특정 지점까지 지면에서 확장되는 고압 구역을 형성한다. 이 영역의 어떤 것이든 원래의 충격 전선의 피크 압력보다 몇 배 더 높을 수 있는 피크 압력을 경험한다.

건설적이고 파괴적인 간섭

물리학에서 간섭은 두 개의 상관 파형이 만나는 것이며, 그것이 건설적인 간섭인지 파괴적인 간섭인지에 따라 순 진폭을 증가시키거나 낮추는 것이다. 만약 파장의 파고와 같은 지점에서 다른 파장의 파고와 만난다면, 파고들은 건설적으로 간섭하고 그 결과 발생하는 파고파 진폭은 증가하게 된다. 이는 시작 파장의 양쪽에 비해 훨씬 더 강력한 파장을 형성한다. 마찬가지로 두 수조가 증가된 진폭의 수조를 만든다. 만약 파도의 파고와 다른 파도의 수조를 만나면, 그들은 파괴적으로 간섭하고, 전체적인 진폭은 감소하여, 부모 파동보다 훨씬 작은 파동을 만든다.

마하 스템의 형성은 건설적인 간섭의 한 예다. 건물 벽이나 차량 내부와 같은 표면에서 송풍파가 반사될 때마다 서로 다른 반사파가 상호 작용하여 특정 지점의 압력 증가(건설 간섭) 또는 감소(파괴 간섭)를 일으킬 수 있다. 이렇게 해서 폭발파의 상호작용은 음파나 물파의 상호작용과 유사하다.

피해

송풍파는 파도 앞 공기의 상당한 압축(충격전면을 형성함)과 뒤따르는 후속 바람이 복합적으로 작용하여 피해를 입힌다.^[14] 폭발파는 소리의 속도보다 더 빨리 이동하며 충격파의 통과는 보통 몇 밀리초밖에 지속되지 않는다. 다른 종류의 폭발과 마찬가지로, 폭발물 파동은 또한 바람, 파편, 화재에 의해 사물과 사람들에게 피해를 입힐 수 있다. 원래의 폭발은 매우 빠르게 이동하는 파편들을 보낼 것이다. 파편과 때로는 심지어 사람도 폭발물 파도에 휩쓸려 관통상, 흉터, 뼈가 부러지는 등 더 많은 부상을 입힐 수 있다. 폭발풍은 파편과 파편이 원래의 폭발을 향해 다시 돌진하게 하는 저기압의 영역이다. 또한 폭발 파동은 폭발로 인한 고온과 연료가 함유된 물체의 물리적 파괴를 결합하여 화재나 2차 폭발을 일으킬 수 있다.

적용들

폭탄

영국 MAUD 위원회의 질의에 대해 G. I. 테일러는 공중에서 원자폭탄의 폭발로 방출될 에너지의 양을 추정했다. 그는 이상화된 에너지원의 경우, 유량 변수의 공간 분포는 주어진 시간 간격 동안 동일한 형태를 가질 것이라고 가정했다. (즉, "유사한 해법"의 이름) 이 가설은 r (폭발의 반지름) 측면에서 부분 미분 방정식을 허용했다. wave) 및 t (시간)는 유사 변수 r ${\displaystyle \frac{{5\mathrm{}}^{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}^{}{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{o_{}}{}}$ t ${\displaystyle \frac{{}^{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{E\mathrm{}}^{}}{}}$ ${\$}의 관점에서 일반 미분 방정식으로 변환되어야 한다.$}}E}},$

여기서 $\rho {\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$ ${\$는 공기의 밀도, $E{\displaystyle }$ ${\displaystyle E}$는 폭발로 방출되는 에너지다.^[15][16][17] 이 결과는 G. I을 허용했다. 테일러는 1945년 뉴멕시코에서 발생한 최초의 원자폭탄의 생산량을 신문과 잡지에 게재된 폭발 사진만을 사용하여 추정했다.^[8] 폭발의 수율은 다음과 같은 방정식을 사용하여 결정되었다. ${\displaystyle E}$= (${\displaystyle \rho \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{o_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{t\mathrm{}}^{}}{}}$ 2${\displaystyle \frac{{}^{}}{}}$)${\displaystyle {}^{}}$( ${\displaystyle {r\frac{}{}}^{}}$ ${\displaystyle {\frac{C}{}}^{}}$) ${\displaystyle {\mathrm{}}^{}}$ ${\$ {\$rho _{o}{t^{2}}}\오른쪽)\왼쪽({\frac {r}{C}\오른쪽)^{5$

여기서 $C{\displaystyle }$ ${\displaystyle C}$은 일정한 체적의 특정 공기 열에 대한 일정한 압력에서의 특정 공기 열의 비율의 함수인 치수 없는 상수다. C의 값도 복사 손실의 영향을 받지만 공기의 경우 1.00-1.10의 C 값은 일반적으로 합리적인 결과를 준다. 1950년 G. I. 테일러는 두 편의 논문을 발표했는데,^[3][4] 이 두 기사는 그가 이전에 분류된 적이 있고, 따라서 그의 출판이 논란의 원천이 되었던 최초의 원자폭발의 첫 번째 산출물 E를 공개했다.^{[citation needed]}

핵폭발이 폭발파 파괴력의 가장 명확한 예에 속하지만, 재래식 폭탄과 높은 폭발물로 만든 다른 무기들을 폭발시켜 발생하는 폭발파는 다외상 부상 발생에 효과적이기 때문에 전쟁 무기로 사용되어 왔다. 제2차 세계 대전과 미국의 베트남 전쟁 개입 동안, 폭발성 폐는 흔하고 종종 치명적인 부상이었다. 차량 및 개인 보호장비의 개선은 폭발성 폐 발생을 줄이는 데 도움이 되었다. 하지만, 군인들이 관통상을 입고 이전에 치명적인 노출로부터 더 잘 보호받으면서, 사지 부상, 눈과 귀 부상, 그리고 외상성 뇌 손상이 더 널리 퍼졌다.

폭발하중이 건축물에 미치는 영향

폭발 중의 구조적 거동은 전적으로 건물 건설에 사용되는 재료에 달려 있다. 건물의 얼굴을 치자마자, 폭발로 인한 충격 전선이 즉각적으로 반사된다. 구조물에 대한 이러한 충격은 건물의 외부 구성요소에 추진력을 부여한다. 움직이는 구성 요소의 관련 운동 에너지는 그들이 살아남기 위해 흡수되거나 소멸되어야 한다. 일반적으로 이것은 움직이는 성분의 운동 에너지를 저항하는 요소에서 변형된 에너지로 변환함으로써 달성된다.^[18]

일반적으로 창문, 건물 전면 및 지지 기둥과 같은 저항 요소가 고장나 건물의 점진적인 붕괴로 인해 부분적인 손상을 입힌다.

천문학

이른바 Sedov-Taylor 솔루션 (§ 폭탄 참조)은 천체물리학에서 유용하게 쓰이게 되었다. 예를 들어 초신성 폭발의 결과에 대한 추정치를 정량화하는 데 적용할 수 있다. Sedov-Taylor 팽창은 초신성의 라이프 사이클에서 단열 팽창 단계인 '블라스 웨이브' 단계로도 알려져 있다. 초신성 껍질 속의 물질의 온도는 시간이 지날수록 낮아지지만 물질의 내부 에너지는 항상 초기 방출 에너지인 E의₀ 72%이다. 이것은 초신성 잔해물의 행동을 예측하는 데 관심이 있는 천체물리학자들에게 도움이 된다.

리서치

폭발파는 군사 충돌의 환경을 복제하여 발생할 수 있는 폭발과 부상의 물리학을 더 잘 이해하고 폭발 노출에 대한 더 나은 보호를 개발하기 위해 폭발 또는 압축 가스 구동 충격 튜브를 사용하는 연구 환경에서 생성된다.^[19] 송풍파는 구조물(차량 등),^[20] 물질, 생물학적 표본^[21] 또는 대용물을 대상으로 한다. 고속 압력 센서 및/또는 고속 카메라는 종종 송풍 노출에 대한 반응을 계량화하는 데 사용된다. 자동차 산업을 위해 초기에 개발된 인체모형 시험 장치(ATD 또는 시험 인체모형)는 폭발 사건에 대한 인체 반응을 추정하기 위해 때로는 계측기가 추가되어 사용되고 있다. 예를 들어, 차량의 인력과 지뢰 제거 팀의 인력은 이러한 ATD를 사용하여 시뮬레이션되었다.^[22]

실험과 결합하여 복잡한 수학적 모델은 무생물 및 생물학적 구조와 폭발파의 상호작용에 대해 만들어졌다.^[23] 검증된 모델은 "what if" 실험, 즉 다양한 시나리오의 결과 예측에 유용하다. 모델링되는 시스템에 따라 정확한 입력 매개변수(예를 들어, 블라스트 레이트 시 속도 민감 재료의 재료 특성)를 갖추기가 어려울 수 있다. 실험 검증의 부족은 어떤 수치 모델의 유용성을 심각하게 제한한다.

참조

외부 링크

• "매우 강렬한 폭발에 의한 폭발파 형성" G. I. 테일러의 해법