충격관

Shock tube
폭약식 이니시에이터는 쇼크 튜브 기폭 장치를 참조하십시오.
캐나다 오타와 대학의 쇼크 튜브 시험 장치.
학생에 의해 제거되는 사용 후 알루미늄 호일의 잔해.
이상화된 쇼크 튜브.줄거리는 횡격막이 파열되면 튜브에 형성되는 다른 파동을 보여준다.

충격 튜브는 실제 폭발과 그 영향을 시뮬레이션하기 위해 센서나 모델에서 폭발파를 복제하고 지시하는 데 사용되는 기구로서, 보통 더 작은 규모로 한다.충격 튜브(및 충격 터널, 팽창 튜브 및 팽창 터널과 같은 관련 충격 시설)를 사용하여 다른 유형의 시험 시설에서 얻기 어려운 광범위한 온도 및 압력 하에서 공기역학적 흐름을 연구할 수도 있다.또한 쇼크 튜브는 압축 가능한 흐름 현상과 기체 위상 연소 반응을 조사하는 데 사용된다.최근에는 생물학적 표본이 폭발파의 영향을 받는 방법을 연구하기 위해 생체 의학 연구에 충격 튜브가 사용되었다.[1][2]

충격관 내부의 충격파는 작은 폭발(블라스틱 구동) 또는 다이어프램을 폭발시키는 고압의 축적과 충격파가 충격관 아래로 전파(압축 가스 구동)하여 발생할 수 있다.

역사

압축 구동 충격 튜브에 대한 초기 연구는 1940년대까지 충격 튜브라고 불리지 않았지만 1899년 프랑스의 과학자 폴 비에유에 의해 발표되었다.[3]1940년대에는 물체 위로 빠르게 움직이는 기체의 흐름, 기체 위상 연소 반응의 화학 및 물리적 역학을 연구하기 위해 관심이 되살아나고 충격 튜브가 점점 더 많이 사용되었다.1966년 더프와 블랙웰은[4] 높은 폭발물에 의해 구동되는 일종의 충격관을 묘사했다.이들 범위는 직경 0.6~2m, 길이 3~15m이다.튜브 자체는 저비용 재료로 구성되었고 7 MPa에서 200 MPa까지의 최대 동적 압력과 수 밀리초에서 수 밀리초의 지속 시간을 가진 충격파를 생성했다.

압축식 충격 튜브와 폭발식 충격 튜브 모두 현재 군사용 애플리케이션뿐만 아니라 과학용으로 사용되고 있다.압축 가스 구동 충격 튜브는 실험실 조건에서 더 쉽게 획득하고 유지된다. 그러나 압력 파형의 모양은 일부 중요한 측면에서 송풍 파동과 다르며 일부 용도에 적합하지 않을 수 있다.송풍 구동 충격 튜브는 자유장 송풍파에 더 현실적인 압력파를 생성한다.그러나 고폭탄을 취급하기 위해서는 시설과 전문 인력이 필요하다.또한 초기 압력파 외에도 압축 가스(압축 구동)의 팽창이나 급속 팽창 가스(블라스터 구동)의 생산에 의한 제트 효과가 뒤따르며, 송풍파가 지나간 후 모멘텀을 샘플로 전달할 수 있다.최근에는 연료-공기 혼합물에 의해 구동되는 실험실 체중계 충격 튜브가 개발되어 실제적인 폭발파를 발생시키고 보다 일반적인 실험실 시설에서 작동할 수 있다.[5]가스의 어금니 부피가 훨씬 적기 때문에, 제트 효과는 압축 가스 구동 충격 튜브의 그것보다 훨씬 작다.현재까지 이러한 충격 튜브에 의해 생성되는 작은 크기와 낮은 피크 압력은 예비 비파괴 시험, 고속 압력 변환기와 같은 측정 장비의 검증, 군사용 애플리케이션뿐만 아니라 생체 의학 연구에 가장 유용하다.

작전

충격 튜브 파이프 세그먼트 사이의 다이어프램으로 사용되는 알루미늄 호일.

단순 쇼크 튜브는 단면으로 직사각형 또는 원형인 관으로, 보통 금속으로 구성되며, 저압의 기체와 고압의 기체는 어떤 형태의 횡격막을 이용하여 분리된다.예를 들어, 솔루킨, 게이돈, 헐, 브래들리의 문자를 보라.[6][7][8]횡격막은 미리 결정된 조건에서 갑자기 터져서 저압 구간을 통해 전파되는 파동을 생성한다.결국 형성되는 충격은 시험 가스의 온도와 압력을 증가시키고 충격파의 방향으로의 흐름을 유도한다.관측은 사고 전선의 흐름에서 수행하거나 더 긴 시험 시간과 반사파 뒤에 있는 훨씬 강화된 압력과 온도를 이용할 수 있다.

추진 기체라고 하는 저압 기체는 충격파를 받는다.고압가스는 운전가스로 알려져 있다.튜브의 해당 섹션은 마찬가지로 드라이버 섹션과 구동 섹션이라고 불린다.운전자 가스는 보통 높은 음속과 함께 안전상의 이유로 낮은 분자량(예: 헬륨 또는 수소)을 갖도록 선택되지만, 충격 전체에서 '테일러' 인터페이스 조건으로 약간 희석될 수 있다.가장 강한 충격을 얻기 위해 피동 기체의 압력은 대기압보다 훨씬 낮다(폭발 전에 피동 부분에 부분적인 진공이 유도된다).

시험은 횡격막이 터지면서 시작된다.[9]횡격막을 터트리기 위해 몇 가지 방법이 일반적으로 사용된다.

  • 기계로 구동되는 플런저는 때때로 그것을 뚫기 위해 사용되거나 폭발물을 터뜨리기 위해 사용될 수 있다.
  • 또 다른 방법은 특정 폭발 압력을 정의하기 위해 플라스틱이나 금속의 다이아프램을 사용하는 것이다.플라스틱은 가장 낮은 버스트 압력에, 알루미늄과 구리는 다소 높은 레벨에, 연강과 스테인리스강은 가장 높은 버스트 압력에 사용된다.[10]이러한 다이아프램은 시험 시간 동안 튜브의 전체 부분이 열린 상태로 유지되도록 균일하게 파열되도록 보정된 깊이까지 십자형 모양으로 자주 점수가 매겨진다.
  • 그러나 다이어프램을 파열하는 또 다른 방법은 가연성 가스의 혼합물을 이용하는데, 그 안에서 폭발을 일으키도록 설계된 이니시에이터는 가압된 운전자가 될 수도 있고 아닐 수도 있는 것을 갑작스럽고 급격하게 증가시킨다.이 송풍파는 피동 가스의 온도와 압력을 증가시키고 충격파의 방향은 납파보다 더 낮은 속도로 유동을 유도한다.

파열 횡격막은 일련의 압력파를 생성하는데, 각각 뒤에서 음속을 증가시켜, 피동 가스를 통해 전파되는 충격으로 압축된다.이 충격파는 피동 가스의 온도와 압력을 증가시키고 충격파가 가는 방향으로만 납파보다 낮은 속도로 유동을 유도한다.동시에, 흔히 Prandtl-Meyer 파동이라고 불리는 희소성 파동은 다시 운전가스로 이동한다.

제한된 수준의 혼합이 발생하는 인터페이스를 구동 및 구동 가스를 접촉 표면이라고 하며 낮은 속도에서 납 파동을 따른다.

'화학 충격 튜브'는 단면이 크게 늘어난 엔드 '덤프 탱크'로 미리 결정된 지연 후 고장 나도록 설계된 한 쌍의 다이어프램으로 운전자와 구동 가스를 분리하는 것을 포함한다.이를 통해 가열된 기체의 온도를 극도로 빠르게 감소시킬 수 있다.

적용들

화학적 동역학 쇼크 튜브의 비율 측정 외에도 분자 완화율과[11][12][13][14] 분리 에너지 측정은 공기역학 테스트에 사용되어 왔다.피동 가스의 유체 흐름은 풍동으로서 많이 사용될 수 있으며 제트 엔진의 터빈 부분에서 더 높은 온도와 압력을 허용한다.그러나 시험 시간은 접촉 표면의 도착이나 반사 충격파에 의해 몇 밀리초로 제한된다.

그것들은 노즐과 덤프 탱크가 추가된 충격 터널로 추가 개발되었다.그 결과 발생하는 고온 극초음속 흐름은 제한된 시험 시간으로 우주선이나 극초음속 우주선의 대기 재진입 시뮬레이션에 사용될 수 있다.[16]

쇼크 튜브는 다양한 크기로 개발되었다.충격파를 생성하는 크기와 방법은 그것이 생성하는 압력파의 피크 및 지속시간을 결정한다.따라서 충격 튜브는 실제 폭발과 그러한 폭발이 상승된 온도와 파편 또는 비행 파편을 포함하지 않는다면, 실제 폭발과 그것이 야기하는 손상을 모방하기 위해 센서나 물체에 직접 폭발파를 생성하거나 직접 폭발파를 만드는 데 사용되는 도구로 사용될 수 있다.충격관 실험의 결과는 파편이나 날리는 파편 없이 주변 폭발파에 대한 물질 또는 물체의 반응에 대한 수치 모델을 개발하고 검증하는 데 사용될 수 있다.충격 튜브는 파편이나 파편 없이 주변 송풍파를 감쇠시키는 작업에 가장 적합한 재료와 설계를 시험적으로 결정하는 데 사용될 수 있다.그런 다음 그 결과는 파편이나 날아다니는 파편 없이 주변 폭발파에 노출될 수 있는 구조물과 사람을 보호하기 위한 설계에 통합될 수 있다.충격 튜브는 또한 생물학적 조직이 폭발 파동에 의해 어떻게 영향을 받는지 알아내기 위해 생물의학 연구에도 사용된다.

고전적인 충격 튜브에는 대안이 있다; 매우 높은 압력의 실험실 실험의 경우, 고강도 단펄스 레이저를 사용하여 충격파를 만들 수도 있다.[17][18][19][20]

참고 항목

참조

  1. ^ Cernak, Ibolja (2010). "The importance of systemic response in the pathobiology of blast-induced neurotrauma". Frontiers in Neurology. 1: 151. doi:10.3389/fneur.2010.00151. PMC 3009449. PMID 21206523.
  2. ^ Chavko, Mikulas; Koller, Wayne A.; Prusaczyk, W. Keith; McCarron, Richard M. (2007). "Measurement of blast wave by a miniature fiber optic pressure transducer in the rat brain". Journal of Neuroscience Methods. 159 (2): 277–281. doi:10.1016/j.jneumeth.2006.07.018. PMID 16949675. S2CID 40961004.
  3. ^ Henshall, BD.공기역학 연구에서 충격 튜브의 사용에 대한 몇 가지 측면.항공 연구 위원회 보고서와 암기.R&M 3044번, 런던, 1957년 영국 여왕 문방구 사무소.
  4. ^ Duff, Russell E.; Blackwell, Arlyn N. (1966). "Explosive Driven Shock Tubes". Review of Scientific Instruments. 37 (5): 579–586. Bibcode:1966RScI...37..579D. doi:10.1063/1.1720256.
  5. ^ Courtney, Amy C.; Andrusiv, Lubov P.; Courtney, Michael W. (2012). "Oxy-acetylene driven laboratory scale shock tubes for studying blast wave effects". Review of Scientific Instruments. 83 (4): 045111–045111–7. arXiv:1105.4670. Bibcode:2012RScI...83d5111C. doi:10.1063/1.3702803. PMID 22559580. S2CID 205170036.
  6. ^ 1966년 볼티모어 모노 북스 가스의 솔루킨, R.I., 충격파와 폭발.
  7. ^ 1963년 런던 채프먼과 홀의 게이돈과 헐, I.R. 헐, 고온 화학물리학의 쇼크 튜브.
  8. ^ 브래들리, J, 화학 및 물리학의 충격파, 채프먼과 홀, 1962년 런던,
  9. ^ 1966년 볼티모어 모노 북스 가스의 솔루킨, R.I., 충격파와 폭발.
  10. ^ 브래들리, J, 화학 및 물리학의 충격파, 채프먼과 홀, 1962년 런던,
  11. ^ 스트렐로우, 1967년 일리노이 대학, 학부Aero. and Astro.AAE 파충류 76-2.
  12. ^ 네틀턴, 1977년, 콤 앤드 플레임, 28,3 및 2000년, 충격파, 12,3
  13. ^ Chrystie, Robin; Nasir, Ehson F.; Farooq, Aamir (2014-12-01). "Ultra-fast and calibration-free temperature sensing in the intrapulse mode" (PDF). Optics Letters. 39 (23): 6620–6623. Bibcode:2014OptL...39.6620C. doi:10.1364/OL.39.006620. hdl:10754/347273. PMID 25490636.
  14. ^ Gelfand; Frolov; Nettleton (1991). "Gaseous detonations—A selective review". Prog. Energy Comb. Sci. 17 (4): 327. doi:10.1016/0360-1285(91)90007-A.
  15. ^ Lippmann, H. W.와 Roshko, 1957년 A., Dover Publishes 'Elements of Gas Dynamics', Dover Publishes.ISBN 0-486-41963-0
  16. ^ 앤더슨, J. D. 1989년 AIAA '고온 및 고온 가스 역학'ISBN 1-56347-459-X
  17. ^ Veeser, L. R.; Solem, J. C. (1978). "Studies of Laser-driven shock waves in aluminum". Physical Review Letters. 40 (21): 1391. Bibcode:1978PhRvL..40.1391V. doi:10.1103/PhysRevLett.40.1391.
  18. ^ Solem, J. C.; Veeser, L. R. (1978). "Laser-driven shock wave studies". Proceedings of Symposium on the Behavior of Dense Media Under High Dynamic Pressure: 463–476. Los Alamos Scientific Laboratory Report LA-UR-78-1039.
  19. ^ Veeser, L. R.; Solem, J. C.; Lieber, A. J. (1979). "Impedance‐match experiments using laser‐driven shock waves". Applied Physics Letters. 35 (10): 761–763. Bibcode:1979ApPhL..35..761V. doi:10.1063/1.90961.
  20. ^ Veeser, L.; Lieber, A.; Solem, J. C. (1979). "Planar streak camera laser-driven shockwave studies". Proceedings of International Conference on Lasers '79. Orlando, FL, 17 December 17, 1979. LA-UR-79-3509; CONF-791220-3. (Los Alamos Scientific Lab., NM). 80: 45. Bibcode:1979STIN...8024618V. OSTI 5806611.{{cite journal}}: CS1 maint : 위치(링크)

외부 링크