Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Mô phỏng sự ảnh hưởng của tải nổ trong khu vực dân cư bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Chia sẻ: ViJiji ViJiji | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:93

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn được nghiên cứu với mục tiêu nhằm nghiên cứu các phương pháp số phù hợp để mô phỏng bài toán động lực học cho trường hợp công trình dưới sự tác dụng tải nổ. Mô phỏng sự lan truyền của sóng nổ và ứng xử của kết cấu khi bị tác động của sóng nổ. Xác định được các vị trí yếu nhất của kết cấu khi có sự tác động của tải nổ, đề xuất giải pháp gia cố để tăng độ vững chắc.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Mô phỏng sự ảnh hưởng của tải nổ trong khu vực dân cư bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN NGUYỄN THANH TÙNG MÔ PHỎNG SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA TẢI NỔ TRONG KHU VỰC DÂN CƢ BẰNG PHƢƠNG PHÁPPHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành:Kỹ thuật Xây Dựng Mã số: 8.58.02.01 Long An - 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN NGUYỄN THANH TÙNG MÔ PHỎNG SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA TẢI NỔ TRONG KHU VỰC DÂN CƢ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành:Kỹ thuật Xây Dựng Mã số: 8.58.02.01 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Trƣơng Tích Thiện Long An - 2020
i LỜI CAM ĐOAN Ngoài những kết quả tham khảo từ những công trình khác như đã được ghi trong luận văn, tôi xin cam kết rằng luận văn này là do chính tôi thực hiện và luận văn chỉ được nộp tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm n và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc. HỌC VIÊN THỰC HIỆN Nguyễn Thanh Tùng
ii LỜI CẢM ƠN Luận văn cao học hoàn thành là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu của học viên tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Bên cạnh những nỗ lực của học viên, hoàn thành chư ng trình luận văn không thể thiếu sự giảng dạy, quan tâm, giúp đỡ của tập thể Thầy, Cô khoa Kiến trúc Xây dựng (Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An) trong quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn cao học này. Nhân đây, tôi xin chân thành cảm n thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trƣơng Tích Thiện cùng tập thể các thầy cô, đồng nghiệp đã tận tình quan tâm, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này. Cũng nhân dịp này, tôi xin trân trọng cám n gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao học Xây dựng đã hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn. HỌC VIÊN THỰC HIỆN Nguyễn Thanh Tùng
iii Tóm tắt luận văn Ngày nay, rất nhiều vụ tai nạn công nghiệp kèm theo vụ nổ đang xảy ra trên khắp thế giới. Ngoài ra, sự gia tăng số lượng các hành vi khủng bố được thực hiện bằng các vụ nổ được quan sát. Để cải thiện sự an toàn của các tòa nhà và công trình, cần phải nâng cao khả năng chống lại các hiệu ứng nổ, cũng như có thể dự đoán mức độ thiệt hại tiềm tàng khi tải trọng nổ có cường độ khác nhau. Một trong những mục tiêu chính trong việc thiết kế cấu trúc chống lại các hiệu ứng nổ là để xác định phản ứng động của các cấu trúc đối với tác động của sóng nổ. Để cuối cùng, áp lực thoáng qua trên các bức tường của các cấu trúc kỹ thuật dân dụng sẽ được xác định. Trong những năm gần đây, nhiều nỗ lực đã được dành cho việc phát triển các phư ng pháp và thuật toán đáng tin cậy để phân tích thực tế h n về các cấu trúc chịu tải trọng nổ. Các mô phỏng ở cấp độ kỹ thuật cho phép người ta ước tính tác động sóng nổ đối với các tòa nhà bị cô lập. Sự phức tạp của tòa nhà, sự hiện diện của các cấu trúc gần đó và môi trường xung quanh có thể được tính đến. Các kỹ thuật phần mềm hỗ trợ máy tính tiên tiến kết hợp với các phư ng pháp mới nhất của mô hình thành phố ba chiều rời rạc cho phép mô phỏng và phân tích ảnh hưởng của vụ nổ trong khu vực đô thị với độ chính xác cao.Đề tài sẽ giúp người đọc hiểu thêm về tính chất và độ ảnh hưởng của một vụ nổ.
iv SIMULATION OF THE EFFECTS OF BLAST LOADING ON STRUCTURES IN THE RESIDENTIAL AREA BY FINITE ELEMENT METHOD Today, many industrial accidents accompanied by explosions are happening around the world. In addition, an increase in the number of acts of terrorism committed by blasts is observed. To improve the safety of buildings and structures, it is necessary to improve the ability to resist explosive effects, as well as to predict the extent of potential damage when the explosive load is different intensity. One of the main goals in designing the structure against explosive effects is to determine the dynamic response of the structures to the effects of the explosion. To that end, transient pressure on the walls of civil engineering structures will be determined. In recent years, much effort has been devoted to developing reliable methods and algorithms for more realistic analysis of explosive load-bearing structures. Technical-level simulations allow one to estimate the impact of a wave on isolated buildings. The complexity of the building, the presence of nearby structures and the surrounding environment can be taken into account. Advanced computer-aided engineering techniques combined with the latest methods of discrete three-dimensional city modeling allow simulation and analysis of the effects of explosions in urban areas with high accuracy The topic will help readers understand more about the nature and impact of an explosion.
v MỤC LỤC MỤC LỤC .......................................................................................................................v LỜI NÓI ĐẦU ............................................................... Error! Bookmark not defined. ĐỊNH NGHĨA TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................... vii KÝ HIỆU ..................................................................................................................... viii DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... ix DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................x CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .......................................................................1 1.1. Ý nghĩa của đề tài .................................................................................................1 1.2. Đối tượng và phư ng pháp nghiên cứu .............. Error! Bookmark not defined. 1.3. Giới thiệu về module Ansys Autodyn ................................................................26 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................12 2.1. Quan hệ giữa trạng thái ứng suất và trạng thái biến dạng ..................................12 2.2. Tổng quan về lý thuyết phần tử hữu hạn (FEM) ................................................15 2.2.1. Khái niệm ....................................................................................................15 2.2.2. Trình tự phân tích bài toán theo FEM .........................................................16 2.2.3. FEM trong bài toán động lực học ( Explicit Dynamic) ...............................18 2.3. Hiện tượng nổ .....................................................................................................20 2.4. Phư ng pháp phần tử hữu hạn Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) ..............24 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .........................................................................28 3.1. Bài toán 1 ............................................................................................................28 3.1.1. Giới thiệu bài toán .......................................................................................28 3.1.2. Thông số vật liệu .........................................................................................29
vi 3.1.3. Mô hình hình học.........................................................................................30 3.1.4. Mô hình phần tử hữu hạn ............................................................................31 3.1.5. Quá trình thiết lập bài toán ..........................................................................32 3.1.6. Kết quả mô phỏng .......................................................................................40 3.1.7. Nhận xét.......................................................................................................51 3.2. Bài toán 2 ............................................................................................................52 3.2.1. Giới thiệu bài toán .......................................................................................52 3.2.2. Thông số vật liệu .........................................................................................52 3.2.3. Mô hình hình học.........................................................................................52 3.2.4. Mô hình phần tử hữu hạn ............................................................................54 3.2.5. Quá trình thiết lập bài toán ..........................................................................55 3.2.6. Kết quả tính toán .........................................................................................60 3.2.7. Nhận xét.......................................................................................................70 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..............................................77 4.1. Kết luận...............................................................................................................77 4.2. Kết quả đạt được .................................................................................................77 4.3. Hạn chế và hướng phát triển...............................................................................78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................1
vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết STT Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt tắt 1 ALE Arbitrary Lagrange Euler Phư ng pháp Lagrange-Euler 2 FEM Finite Element Method Phư ng pháp phân tử hữu hạn 3 JWL Jones-Wilkins-Lee Phư ng trình Jones-Wilkins-Lee
viii KÝ HIỆU Ký hiệu Mô tả Các ứng suất chính Các biến dạng chính Các ứng suất tiếp ̇ Tốc độ biến dạng Biến dạng dẻo dự đoán Môđun Young G Môđun đàn hồi trượt Hệ số Poisson Môđun tiếp tuyến Môđun dẻo ̅ K Ma trận độ cứng tổng thể {̅ Vector chuyển vị nút tổng thể {̅ Vector tải tổng thể Ứng suất chảy [B] Ma trận biến dạng , - Ma trận độ cứng của kết cấu Áp suất động Áp lực nổ tối đa Áp suát phản xạ tối đa Áp suất xung quanh Xung phản xạ
ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1. Dạng hình học đ n giản của các phần tử ............................................ 16 Bảng 3.1. Thông số TNT trong phư ng trình JWL (3.1).................................... 29 Bảng 3.2. Thông số vật liệu của TNT ................................................................. 29 Bảng 3.3. Chiều cao của mô hình các tòa nhà .................................................... 30 Bảng 3.4. Tọa độ vị trí đặt đồng hồ đo................................................................ 31 Bảng 3.5. Kết quả áp suất sóng nổ theo thời gian ............................................... 40 Bảng 3.6. Kết quả vận tốc lan truyền sóng nổ .................................................... 45 Bảng 3.7. Kết quả năng lượng khối thuốc nổ theo thời gian .............................. 48 Bảng 3.8. Kích thước mô hình trong bài toán 2 .................................................. 53 Bảng 3.9. Tọa độ vị trí các điểm khảo sát của bài toán 2 ................................... 53 Bảng 3.10. Kết quả áp suất sóng nổ theo thời gian ............................................. 61 Bảng 3.6. Kết quả vận tốc lan truyền sóng nổ .................................................... 66 Bảng 3.6. Kết quả năng lượng khối thuốc nổ theo thời gian .............................. 68
x DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Tai nạn nổ nhà máy hóa học .......................................................................... 1 Hình 1.2. Mô phỏng hiện tượng nổ trong khu vực dân cư bằng phương pháp số ......... 2 Hình 1.3. Đặc điểm tải nổ .............................................................................................. 4 Hình 1.4. Sóng xung kích từ một vụ nổ........................................................................... 5 Hình 1.5. Sự ảnh hưởng của sóng xung kích lên kết cấu theo thời gian ........................ 6 Hình 0.1. Đường cong ứng suất - biến dạng của vật liệu ............................................ 15 Hình 0.2. Biểu đồ áp suất sóng nổ theo thời gian [2] ............................................................................. 22 Hình 0.3. Một số giá trị số đại diện của áp suất phản xạ cực đại [2] ........................................ 24 Hình 2.4. Mô phỏng va chạm bằng Ansys Autodyn [3].......................................................................... 28 Hình 2.5. Lưu đồ mô phỏng .......................................................................................... 28 Hình 0.4. Giới thiệu về bài toán 1 ................................................................................ 29 Hình 0.5. Hình dạng hình học mô hình tòa nhà của khu dân cư [1] ............................................. 31 Hình 0.6. Mô hình phần tử hữu hạn ............................................................................. 33 Hình 0.7. Chọn kiểu mô hình 2D .................................................................................. 34 Hình 0.8. Thêm vật liệu và tạo vùng Euler cho bai toán .............................................. 34 Hình 0.9. Vị trí thuốc nổ TNT ....................................................................................... 35 Hình 0.10. Vị trí điểm kích nổ ...................................................................................... 36 Hình 0.11. Giá trị áp suất nổ của khối TNT ................................................................ 36 Hình 0.12. Thiết lập mô hình miền Euler và điều kiện trong Explicit Dynamics ........ 37 Hình 0.13. Thiết lập thời gian nổ là 5ms ...................................................................... 37 Hình 0.14. Thiết lập gia tốc trọng trường .................................................................... 38 Hình 0.15. Cố định các tòa nhà .................................................................................... 38 Hình 0.16. Thiết lập vật liệu cho bài toán trong Ansys Autodyn ................................. 39 Hình 0.17. Tạo vùng không khí bao quanh các tòa nhà ............................................... 39
xi Hình 0.18. Thiết lập Boundaries cho bài toán ............................................................. 40 Hình 0.19. Đưa khối thuốc nổ 2D đã tính toán ở bước 1 vào bài toán ........................ 40 Hình 0.20. Kiểm soát và thiết lập các điều kiện cuối cùng để giải bài toán ................ 41 Hình 0.21. Xác lập các vị trí điểm khảo sát ................................................................. 42 Hình 0.22. Nhấn Run để bắt đầu giải bài toán............................................................. 43 Hình 0.23. Kết quả áp suất sóng nổ của TS. Fedorov tại điểm khảo sát T1 ................ 46 Hình 0.24. Kết quả áp suất sóng nổ của luận văn tại điểm khảo sát T1 ...................... 47 Hình 0.25. Kết quả áp suất sóng nổ của TS. Fedorov tại điểm khảo sát T3 ................ 47 Hình 0.26. Kết quả áp suất sóng nổ của luận văn tại điểm khảo sát T3 ...................... 48 Hình 0.27. Kết quả áp suất sóng nổ của luận văn tại 3 điểm khảo sát ........................ 49 Hình 0.28. Đồ thị so sánh kết quả vận tốc tuyền sóng giữa 3 vị trí khảo sát ............... 51 Hình 0.29. Đồ thị kết quả vận tốc tuyền sóng vị trí T1 ................................................ 51 Hình 0.30. Đồ thị kết quả vận tốc tuyền sóng vị trí T2 ................................................ 52 Hình 0.31. Đồ thị kết quả vận tốc tuyền sóng vị trí T3 ................................................ 52 Hình 0.32. Đồ thị so sánh kết quả năng lượng sóng nổ giữa 3 vị trí khảo sát............. 55 Hình 0.33. Đồ thị kết quả năng lượng sóng nổ vị trí T1 .............................................. 55 Hình 0.34. Đồ thị kết quả năng lượng sóng nổ vị trí T2 .............................................. 56 Hình 0.35. Đồ thị kết quả năng lượng sóng nổ vị trí T3 .............................................. 57 Hình 0.36. Hình dạng hình học mô hình bài toán 2 .................................................... 59 Hình 0.37. Vị trí các điểm khảo sát .............................................................................. 61 Hình 0.38. Mô hình phần tử hữu hạn của bài toán 2 ................................................... 62 Hình 0.36. Thiết lập mô hình miền Euler và điều kiện trong Explicit Dynamics ........ 62 Hình 0.37. Thiết lập thời gian nổ là 6ms ...................................................................... 63 Hình 0.38. Thiết lập gia tốc trọng trường .................................................................... 63 Hình 0.39. Cố định các tòa nhà .................................................................................... 64
xii Hình 0.40. Thiết lập vật liệu cho bài toán trong Ansys Autodyn ................................. 64 Hình 0.41. Tạo vùng không khí bao quanh các tòa nhà ............................................... 65 Hình 0.42. Thiết lập Boundaries cho bài toán ............................................................. 65 Hình 0.43. Đưa khối thuốc nổ 2D đã tính toán ở bước 1 vào bài toán ........................ 66 Hình 0.44. Kiểm soát và thiết lập các điều kiện cuối cùng để giải bài toán ................ 66 Hình 0.45. Xác lập các vị trí điểm khảo sát ................................................................. 67 Hình 0.46. Nhấn Run để bắt đầu giải bài toán............................................................. 67 Hình 0.39. Đồ thị kết quả áp suất sóng nổ tại T1~T8 của Tiến sỹ Valger ................... 71 Hình 0.40. Đồ thị kết quả áp suất sóng nổ tại T1~T8 của luận văn ............................ 71 Hình 0.41. Đồ thị kết quả áp suất sóng nổ tại T9~T13 của Tiến sỹ Valger ................. 72 Hình 0.50. Đồ thị kết quả áp suất sóng nổ tại T9~T13 của luận văn .......................... 72 Hình 0.42. Kết quả áp suất sóng nổ của luận văn tại 13 điểm khảo sát ...................... 73 Hình 0.43. Kết quả vận tốc lan truyền sóng nổ tại T1~T8 của luận văn ..................... 74 Hình 0.53. Kết quả vận tốc lan truyền sóng nổ tại T9~T13 của luận văn ................... 75 Hình 0.44. Kết quả năng lượng sóng nổ vị trí T1~T8 của luận văn ............................ 77 Hình 0.45. Kết quả năng lượng sóng nổ vị trí T9~T13 của luận văn .......................... 78 Hình 3.56. Kích thước hình học của bài toán ............................................................. 79 Hình 3.57 Mô hình phần tử hữu hạn ........................................................................... 80 Hình 3.58. Các thông số vật liệu nổ và không khí....................................................... 81 Hình 3.59. Trường áp suất của bài toán tại từng thời điểm ở giai đoạn ban đầu ...... 83 Hình 3.60. Đồ thị áp suất tác động lên điểm Gauge .................................................. 84
1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Mở đầu Ngày nay, rất nhiều tai nạn công nghiệp kèm theo các vụ nổ đang xảy ra trên khắp thế giới. Các vụ tai nạn cháy nổ xảy ra tại các khu công nghiệp cất chứa những hóa chất dễ phát nổ có thể tạo ra sóng xung kích ảnh hưởng đến khu vực dân cư lân cận. Để cải thiện sự an toàn của các tòa nhà, cần nghiên cứu các phư ng án thiết kế sao cho tăng sức đề kháng của chúng đối với các hiệu ứng nổ. Việc dự đoán được mức độ thiệt hại do tải nổ gây ra với các cường độ khác nhau là cần thiết. Một trong những mục tiêu chính trong việc thiết kế cấu trúc chống lại các hiệu ứng nổ là xác định đáp ứng động lực học của các cấu trúc đối với tác động của sóng nổ và cần khảo sát sự thay đổi của áp lực do sóng nổ gây ra theo thời gian. Hình 1.1. Tai nạn nổ nhà máy hóa học Theo M. Remennikov, hiện nay có ba nhóm phư ng pháp để đoán tải trọng nổ tác dụng lên công trình như sau: Phư ng pháp thực nghiệm: về bản chất có liên quan đến các dữ liệu thí nghiệm. Một trong những hạn chế của nhóm phư ng pháp này là bỏ qua bản chất vật lý thực của hiện tượng tư ng tác giữa sóng nổ và kết cấu, bởi vì chúng được thiết lập với giả
2 định rằng lộ trình tải trọng - thời gian được áp dụng cho tất cả các phần tử bề mặt kết cấu cùng một lúc. Phư ng pháp bán thực nghiệm: dựa trên các mô hình được đ n giản hóa của các hiện tượng vật lý. Độ chính xác trong việc ước đoán bằng phư ng pháp bán thực nghiệm thường tốt h n độ chính xác được cung cấp bởi các phư ng pháp thực nghiệm. Theo nhóm này, tải trọng nổ tác dụng lên tường ngoài của một công trình được tính toán dựa trên trọng lượng thuốc nổ tư ng đư ng TNT, vị trí của tác nhân nổ đối với công trình và sự giả định về mô hình truyền sóng liên quan. Phư ng pháp số: là các phư ng pháp dựa trên các phư ng trình toán học mô tả các định luật vật lý c bản chi phối bài toán. Những phư ng pháp này bao gồm định luật bảo toàn khối lượng, định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo toàn năng lượng. Hình 1.2. Mô phỏng hiện tượng nổ trong khu vực dân cư bằng phương pháp số Khảo sát ứng xử của kết cấu khi có tác dụng của sóng nổ là một vấn đề có tính thực tế cao. Hầu hết các nghiên cứu trên đều dựa vào phương pháp số thông qua các phần mềm phân tích phi tuyến trên cơ sở so sánh với kết quả thí nghiệm. Trong khi đó, thí nghiệm nổ rất tốn kém, liên quan đến vấn đề an toàn và gây ảnh hưởng lớn đến môi trường sinh thái. Do đó, việc tính toán mô phỏng ứng xử của kết cấu dưới sự tác dụng của tải nổ là việc cần thiết và có ý nghĩa thiết thực về mặt an toàn và kinh tế
3 Luận văn xây dựng mô hình khu dân cư và sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng ứng xử c học của khu dân cư dưới tác động của tải trọng nổ bằng phân tích tư ng tác rắn lỏng dựa trên phư ng pháp phần tử hữu hạn và phư ng pháp thể tích hữu hạn. Các kết quả về áp suất phân bố lên kết cấu do sóng nổ gây ra và sự lan truyền của sóng nổ trong không gian ba chiều sẽ được phân tích chi tiết. 1.2. Tải trọng gây nổ 1.2.1. Hiện tƣợng nổ Nổ là hiện tượng có thể xảy ra khi các chất bị đốt nóng hoặc phân hủy đột ngột tạo ra một lượng lớn nhiệt và trong một khoảng thời gian ngắn. Các loại vũ khí nổ như bom, đầu đạn… đều có cấu tạo c bản gồm có chất nổ, thiết bị kích nổ và vỏ bọc ngoài. Khi chất nổ bị kích hoạt bằng nhiệt hoặc xung động, hợp chất nổ xảy ra cả phản ứng phân hủy và phản ứng cháy. Các chất hóa học chứa rất nhiều năng lượng, đây là lực liên kết giữa các nguyên tử khác nhau trong cùng một phân tử của chất đó, khi phản ứng nổ bắt đầu xảy ra, phần lớn năng lượng này được giải phóng tạo ra một lượng nhiệt khổng lồ và giải phóng ra các chất khí. Các chất khí trong chất hóa học bị nén dưới áp lực lớn, do đó, khi hiện tượng nổ xảy ra, các chất khí này nở bung ra với vận tốc rất nhanh, nhiệt lượng được giải phóng kèm theo trong phản ứng nổ thậm chí còn tăng vận tốc của các chất khí này lên rất nhiều lần và tạo ra các sóng xung động 1.2.2. Sóng nổ Là sóng được tạo thành sau một vụ nổ và ở trong một chất nổ. Sóng nổ là sóng chấn động do thuốc nổ, bom, mìn, đạn pháo cỡ lớn, bộc phá, thủy lôi, bình ga, bình điện, các vụ hỏa hoạn xăng dầu... cháy nổ tạo nên. Sóng nổ phát ra từ tâm vụ nổ tỏa ra theo vòng tròn với một áp suất rất cao. Độ lớn của áp suất và tốc độ của sóng nổ giảm dần khi truyền đi xa tâm vụ nổ. Đại lượng đo sóng nổ tính bằng kg/cm3, đại lượng này còn được gọi là xung lượng của sóng nổ . Khi một vụ nổ được kích nổ trong không khí, nó sẽ giải phóng ra một lượng nhiệt khổng lồ và các sản phẩm khác vào môi trường xung quanh với một tốc độ cao (~7200m/s). Việc mở rộng nhanh chóng của các sản phẩm nổ tạo ra một làn sóng chấn động có liên tục trong áp suất, mật độ, nhiệt độ và tốc độ .
4 Hình 1.3. Đặc điểm tải nổ 1.3. Sóng xung kích 1.3.1. Định nghĩa Sóng xung kích là một mặt gián đoạn lan truyền trong các môi trường vật chất (thường gặp trong môi trường chất lưu như môi trường chất khí, chất lỏng, plasma,...) mà khi đi qua mặt truyền sóng các thông số khí động, nhiệt động như mật độ, áp suất, nhiệt độ, vận tốc, entropy,... bị gián đoạn với các bước nhảy hữu hạn. Cần phân biệt sóng xung kích với các sóng xuất hiện từ các va chạm sinh ra. Trong trường hợp sau thì không phải bản thân các thông số khí động và nhiệt động gián đoạn trên mặt truyền sóng mà là đạo hàm của chúng bị gián đoạn.
5 Hình 1.4. Sóng xung kích từ một vụ nổ 1.3.2. Các tính chất vi mô của sóng xung kích Từ cái nhìn vĩ mô sóng xung kích được xem xét như một mặt tưởng tượng mà trên đó các đại lượng nhiệt động lực học của môi trường (các thông số này về nguyên tắc là các hàm liên tục theo không gian) có các điểm kì dị có thể bỏ qua: bước nhảy hữu hạn. Khi đi qua mặt truyền sóng xung kích giá trị của áp suất, nhiệt độ, mật độ vật chất của môi trường, và cả vận tốc chuyển động của môi trường đối với mặt truyền sóng xung kích đều có sự đột biến. Tất cả các đại lượng này biến đổi không độc lập tuyến tính mà liên hệ bởi một đặc tính duy nhất của sóng xung kích - số Mach. Phư ng trình toán học liên hệ các đại lượng nhiệt động trước và sau mặt truyền sóng xung kích được gọi là hệ thức đẳng áp xung kích, hoặc là đẳng áp Hugoniot (Hu-gô-ni-ô) 1.3.3. Cấu trúc vi mô của sóng xung kích
6 Độ dày của sóng xung kích cường độ lớn thường vào khoảng độ dài bước nhảy tự do của phân tử khí (chính xác h n là khoảng 10 lần độ dài bước nhảy tự do, và không thể nhỏ h n 2 lần giá trị này; kết quả này được đưa ra bởi Chapman vào những năm đầu thập kỉ 50). Trong khí động lực học vĩ mô thì độ dài chuyển động tự do được xem là vô cùng nhỏ (xấp xỉ bằng không), các phư ng pháp khí động học đ n thuần không thể đem ứng dụng vào việc nghiên cứu cấu trúc của sóng xung kích với cường độ lớn. Để phục vụ mục đích nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc của sóng xung kích người ta thường sử dụng lý thuyết động học. Bài toán về cấu trúc của sóng xung kích không có lời giải giải tích, nhưng cũng có thể sử dụng các mô hình đã được đ n giản hóa. Một trong những mô hình đó là mô hình Tamm-Mott-Smith. Hình 1.5. Sự ảnh hưởng của sóng xung kích lên kết cấu theo thời gian 1.3.4. Vận tốc truyền sóng xung kích Vận tốc truyền sóng xung kích trong môi trường cao h n vận tốc âm thanh trong môi trường đó. Cường độ sóng càng lớn thì vận tốc truyền sóng càng cao. Cường độ