Tóm tắt Luận án Nghiên cứu sự lan truyền của sóng nổ trong nước và tương tác của sóng nổ đối với chướng ngại công trình

1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Tô Đức Thọ

NGHIÊN CỨU SỰ LAN TRUYỀN CỦA SÓNG NỔ TRONG
NƯỚC VÀ TƯƠNG TÁC CỦA SÓNG NỔ ĐỐI VỚI
CHƯỚNG NGẠI CÔNG TRÌNH
Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số:

62.52.01.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2016

1


2
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG
Người hướng dẫn khoa học:
1. GS.TS Vũ Đình Lợi
2. PGS. TS Đàm Trọng Thắng
Phản biện 1: GS. TS Nguyễn Quang Phích

Phản biện 2: PGS. TS Phạm Đức Hùng

Phản biện 3: TS Nguyễn Duy Túy

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp
Học viện theo Quyết định số 624/QĐ-HV ngày 03 tháng 3 năm 2016
của Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật
Quân sự vào hồi: ….. giờ ……ngày …...tháng …. năm …..
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự
- Thư viện Quốc gia

2


3
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Từ thực tiễn yêu cầu phát triển kinh tế biển gắn liền với bảo vệ
chủ quyền biển đảo của Tổ quốc đã đặt ra việc xây dựng công trình
đáp ứng được đủ các yêu cầu về chịu được các dạng tải trọng đặc biệt,
trong đó có tác dụng của nổ dưới nước do bom đạn khi chiến tranh xảy
ra… Để giải quyết được các vấn đề này cần phải nghiên cứu và hiểu
sâu sắc về điểm còn tồn tại trong vấn đề nổ dưới nước: ảnh hưởng của
các điều kiện địa chất nền đáy khác nhau đến các thông số trên mặt
sóng; môi trường nước chưa được thử nghiệm ở nước mặn; ảnh hưởng
của hình dạng chướng ngại, công trình dưới tác động của sóng nổ dưới
nước; ảnh hưởng qui luật nhiễu xạ sóng khi sóng tới gặp chướng ngại;
giải pháp bảo lệ lâu dài các công trình biển dưới tác dụng của sóng nổ

dưới nước…Vì vậy đề tài luận án “Nghiên cứu sự lan truyền của
sóng nổ trong nước và tương tác của sóng nổ đối với chướng ngại
công trình” là vấn đề cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. Mục tiêu của luận án:
- Nghiên cứu khai thác cơ sở lý thuyết chung của quá trình lan
truyền sóng nổ trong môi trường nước và tương tác của sóng nổ với
chướng ngại có một số hình dạng khác nhau;
- Trên cơ sở lý thuyết đưa ra, tiến hành xây dựng chương trình
tính toán, khảo sát số và tìm ra qui luật của quá trình tương tác của
sóng xung kích nhiễu xạ tổng hợp tác dụng lên các dạng chướng ngại
công trình dưới nước;
- Đề xuất giải pháp làm suy giảm sóng xung kích tác dụng vào
chướng ngại công trình, nhằm nâng cao khả năng chịu tải trọng nổ
dưới nước cho chướng ngại công trình.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:
Trong luận án tập trung nghiên cứu quá trình lan truyền sóng nổ
dưới nước và tương tác của sóng nổ nhiễu xạ tổng hợp lên chướng ngại
dưới nước với một số hình dạng khác nhau.
4. Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm số trên máy tính
và thử nghiệm ngoài thực địa. Về lý thuyết sử dụng các phương pháp
giải tích, phân tích, tổng hợp và phương pháp số. Phương pháp số sử


4
dụng trong luận án là giải tích phân số dựa trên lý thuyết thủy động lực
học nổ, kết hợp với phương pháp PTHH nhờ sử dụng phần mềm
Autodyn. Về thực nghiệm sử dụng phương pháp mô hình, tương
đương, thống kê.
5. Luận điểm bảo vệ:

- Luận điểm 1: Các bài toán tác dụng của sóng nổ lên các dạng
chướng ngại tiêu biểu đều có thể giải được bằng việc sử dụng lý thuyết
nhiễu xạ sóng nổ.
- Luận điểm 2: Trên các dạng chướng ngại, sự phân bố tải trọng,
các điểm nguy hiểm chịu tải trọng lớn và vùng bề mặt khuất do sóng
nổ tác dụng lên chướng ngại hoàn toàn có thể xác định được.
- Luận điểm 3: Trong điều kiện địa chất, môi trường nước ở một
số đảo thuộc quần đảo Trường Sa, có thể xây dựng được hệ thống
công thức thực nghiệm xác định tham số sóng nổ dưới nước phù hợp
với các yếu tố với môi trường, địa chất…của đảo.
- Luận điểm 4: Khi sử dụng các vật liệu có tác dụng giảm chấn,
hấp thụ sóng cho phép giảm 26,23 ÷ 34,55 % giá trị sóng xung kích tác
dụng lên chướng ngại.
6. Cấu trúc của luận án:
Luận án bao gồm phần mở đầu, 4 chương, kết luận, tài liệu tham
khảo và phụ lục. Trong đó có 138 trang thuyết minh, 36 bảng, 102
hình vẽ, đồ thị và 65 tài liệu tham khảo.
Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề
tài luận án.
Chương 1: Tổng quan công tác nổ dưới nước
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về nổ trong môi trường nước và tương tác
của sóng nổ đối với chướng ngại.
Chương 3: Nghiên cứu nhiễu xạ sóng và tải trọng do sóng xung kích
trong nước tác động lên chướng ngại.
Chương 4: Nổ thực nghiệm trong môi trường nước biển.
Kết luận: Trình bày những đóng góp mới của luận án và kiến nghị.
Chương 1: TỔNG QUAN
Tổng quan về công tác nổ dưới nước để thấy được sự phát triển
trong thời gian qua của nổ dưới nước trên thế giới nói chung, tình hình
nghiên cứu ở nước ta nói riêng và các vấn đề đang đặt ra hiện nay đối

với mảng nghiên cứu này.
1.1. Phân loại các dạng nổ dưới nước


5
Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng năng lượng
nổ dưới nước đã được sử dụng rộng rãi không chỉ trong quân sự mà
còn trong rất nhiều ngành kinh tế quốc dân, với các dạng nổ khác
nhau. Để thuận tiện trong tính toán, nghiên cứu và sử dụng, cần tiến
hành phân loại dạng lượng nổ hay dạng nổ:
Theo vị trí bố trí lượng nổ; Theo mục đích ứng dụng; Theo dạng tính
chất khác nhau về tác dụng cơ học xảy ra; Theo các hướng nghiên cứu
về tác động cơ học khi nổ dưới nước.
1.2. Phân loại các đối tượng chướng ngại, công trình dưới nước
Có các cách phân loại: Theo hình dạng; Theo chất liệu chướng ngại;
Theo công dụng sử dụng chướng ngại, công trình; Theo vai trò của
chướng ngại; Theo điều kiện địa chất.
1.3. Tình hình nghiên cứu về nổ dưới nước trên thế giới
Các nhà khoa học tiêu biểu trên thế giới đã và đang nghiên cứu về nổ
dưới nước theo 4 hướng chính:
- Hướng 1: nghiên cứu các quá trình vật lý, cơ học xảy ra khi nổ
trong môi trường nước, như quá trình hình thành và lan truyền sóng
đập thuỷ lực, quá trình dãn nở và chuyển động của buồng sản phẩm nổ
kèm theo việc xác định các thông số đặc trưng cho các quá trình này.
Điển hình nghiên cứu theo hướng này có các nhà khoa học Nga nổi
tiếng như G.I Pokropski, Xađopski, IU. X Iakoplev, O.E Vlaxop, N.B
Kutuzov, P.A Girmanop, T.M Xalamakhin và nhà khoa học Mỹ R.
Cole…;
- Hướng 2: Nghiên cứu quá trình tương tác phá hủy trực tiếp
đáy nước bằng các lượng nổ đặt ngoài, trong lỗ khoan và lượng nổ lõm

với mục tiêu phá om, phá văng hay phá định hướng. Các nhà khoa học
quan tâm theo hướng này có V.M Tarivov, V.V Gankin, R.A
Girmanov, I.Z Drogoveik, N.G Arzimanov,…;
- Hướng 3 : Nghiên cứu tương tác của sóng nổ lên phương tiện
hay công trình dưới nước. Hướng nghiên cứu này là cơ sở để tính toán
thiết kế các lượng nổ phá huỷ các đối tượng dưới nước, hay tính toán
công trình, phương tiện chịu tác động của tải trọng nổ, cũng như phục
vụ tính toán thiết kế an toàn nổ. Đại diện hướng này có B.V
Zaimyliaev, B.N Kutuzov, V.A Belin, V.V Gankin, R.A Girmanov, I.Z
Drogoveik…;
- Hướng 4 : Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả nổ
dưới nước, các giải pháp làm suy giảm, triệt tiêu sóng xung kích trong


6
nước. Đại diện hướng này có B.N Kutuzov, V.A Belin, V.V Gankin,
R.A Girmanov, I.Z Drogoveik, B.R Parkin, F.R Ginmor, G.L
Broude…;
Bằng các cách tiếp cận, các công trình nghiên cứu đều đưa ra
các thông số đặc trưng trên bề mặt sóng xung kích có dạng tổng quát:
- Áp suất trên mặt sóng xung kích: p (t ) = pm . f (t ) , (Pa)
(1.1)
τ

i0 = ∫ ( p − p0 ).dt

0
- Xung riêng trong sóng xung kích:
- Năng lượng riêng trên bề mặt sóng xung kích:

E=

, (Pa.s)

(1.2)

1 τ
∫ ( p − p 0 ) 2 .dt
ρ .a 0
, (J/m2)

(1.3)
trong đó: p- áp suất trên mặt sóng xung kích, (Pa);
p0- áp suất ban đầu trong nước, (Pa); pm- áp suất cực đại trong sóng
xung kích, (Pa); τ- thời gian tác dụng của sóng, (s); t- thời gian, (s);
f(t)- hàm thời gian;
ρ- mật độ nước, (kg/m 3); a- tốc độ âm trong
nước, (m/s); i – xung riêng, (Pa.s); E- năng lượng riêng, (J/m 2).
Theo B.N Kutuzov, các qui luật nổ trong nước có tương đồng
với nổ trong môi trường đất đá và không khí là: các thông số đặc trưng
cho mặt sóng xung kích đều tuân theo qui luật đồng dạng của Xeđop
và M.A.Xađovski… Khi đó các công thức đều có dạng:
- Đối với thành phần áp suất lớn nhất trên mặt sóng:
j

n
3Q
pm = ∑ A j 
 R ÷
÷

j =1



(Pa)
(1.4)
trong đó: Aj - hằng số được xác định từ nổ thí nghiệm; p m- áp
suất cực đại trên bề mặt sóng xung kích; Q - khối lượng lượng nổ;
R- bán kính từ tâm nổ đến điểm khảo sát.
Dựa trên cơ sở của lý thuyết đồng dạng, R.Cole đã đưa công thức
xác định các thông số đặc trưng trên mặt sóng xung kích trong nước:
1,13

- Áp suất cực đại trên mặt sóng:

3 Q 

pm = 53,3.106.
 R 



 Q
i

= 5,9.102.

Q
 R 
3

- Xung riêng sóng xung kích:
(1.8)

3

(Pa) (1.7)

0 ,8 9

(Pa.s)


7
- Năng lượng riêng trên mặt sóng xung kích dưới nước, (J/m2):
3 Q 
E

= 8,3.104.

3
Q
 R 

2 , 05

(1.9)

- Hằng số thời gian của sóng xung kích dưới nước:
3 Q 

θ

= 9,4.105.

3 Q
 R 

−0 , 25

(1.10)

Đánh giá ảnh hưởng của mặt nước và đáy nước G.I Pakropski,
O.E Vlaxop và T.M Xalamakhin giới thiệu công thức tính áp suất lớn
nhất trên mặt sóng xung kích lan truyền trong nước khi bị ảnh hưởng
của mặt đáy đều có thể đưa về dạng:
j

n
3Q
pm = 3 km .kd . ∑ Aj 
 R ÷
÷
j =1



(1.11)

(Pa)

trong đó: km, kd- tương ứng là hệ số ảnh hưởng của mặt nước và
đáy nước.
Bốn hướng trên và các công thức đề cập đến quá trình vật lý cơ học
xảy ra khi nổ trong môi trường nước, các quá trình cơ học xuất hiện khi
phá hủy đất đá dưới nước, tương tác của sóng xung kích với chướng ngại
dưới nước và các biện pháp nâng cao hiệu quả nổ cũng như các giải pháp
làm suy giảm sóng xung kích trong nước.
1.4. Tình hình nghiên cứu nổ dưới nước ở Việt Nam
Một số nhà khoa học nghiên cứu nổ dưới nước trong giai đoạn
vừa qua đã đóng góp lớn vào sự phát triển kinh tế, xã hội, quốc phòng
an ninh của đất nước như: TS Lê Văn Trung, GS.TS Nhữ Văn Bách,
GS.TSKH Nguyễn Hoa Thịnh, GS.TSKH Nguyễn Văn Hợi, GS.TS Vũ
Đình Lợi, TS Nguyễn Văn Thủy, PGS.TS Đàm Trọng Thắng và một
số các nhà nghiên cứu khác… Các đề tài của các tác giả này đã giải
quyết khá tốt các yêu cầu đặt ra trong từng giai đoạn.Qua đó, với vấn
đề nghiên cứu đề cập, xác định các nội dung cần phải giải quyết tiếp theo.
1.5. Những tồn tại và hướng giải quyết của nghiên cứu nổ dưới nước


8
Từ việc phân tích tổng quan nghiên cứu nổ dưới nước, cho phép rút
ra các vấn đề nghiên cứu còn tồn tại. Từ các tồn tại này đưa ra hướng giải
quyết trong luận án và phát triển ở các nghiên cứu tiếp theo, cụ thể là:
- Nghiên cứu khai thác cơ sở lý thuyết về quá trình lan truyền sóng nổ
trong nước, kết hợp với thử nghiệm nổ tại hiện trường để rút ra qui luật
và đánh giá các thông số trên mặt sóng xung kích dưới nước trong điều
kiện biển với nền trầm tích san hô ở Trường Sa;
- Nghiên cứu khảo sát và thiết lập qui luật của sóng nhiễu xạ tổng hơp
tương tác với các dạng chướng ngại khác nhau, trên cơ sở đó đánh giá
dạng hình dạng chướng ngại có khả năng làm giảm tải trọng của sóng

nổ tác động lên chướng ngại.
- Nghiên cứu quá trình tương tác của sóng xung kích dưới nước khi
không xét đến nhiễu xạ lên chướng ngại.
- Lựa chọn vật liệu và thử nghiệm khả năng làm suy giảm cường độ
sóng xung kích, phù hợp với điều kiện ứng dụng trong xây dựng công
trình biển ở nước ta.
1.6. Kết luận chương 1
Qua nghiên cứu tổng quan về nổ, một số vấn đề liên quan đến
hướng nghiên cứu đã trở nên rõ ràng hơn và đặt ra các nhiệm vụ cụ thể
cho tác giả và các nhà nghiên cứu nổ nói chung. Các vấn đề về nổ còn
tồn tại là những vấn đề phức tạp mà rất cần đến sự trợ giúp các ứng
dụng khoa học kỹ thuật hiện đại.
Để giải quyết vấn đề nghiên cứu như đã phân tích ở trên cần có
phương pháp tiếp cận nghiên cứu một cách tối ưu, cần có sự kết hợp
giữa nghiên cứu lý thuyết, kết hợp với tính toán bằng phần mềm máy
tính và thử nghiệm trên thực tế. Nhờ lựa chọn phương pháp nghiên
cứu hợp lý, kết hợp với trang thiết bị và con người cụ thể, việc giải
quyết các vấn đề tồn tại nêu trên cũng là nội dung chính được trình bày
trong các chương tiếp theo của luận án. Với các kết luận trên, tên đề
tài, mục đích, nội dung phương pháp nghiên cứu của luận án được
chọn như đã trình bày trong phần mở đầu của luận án.
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NỔ TRONG MÔI
TRƯỜNG NƯỚC VÀ TƯƠNG TÁC CỦA SÓNG NỔ VỚI
CHƯỚNG NGẠI
2.1. Cơ sở lý thuyết truyền sóng nổ trong môi trường nước
2.1.1. Quá trình hình thành phát triển bóng khí và sóng xung kích khi
nổ dưới nước


9

Nổ trong môi trường nước có những đặc tính riêng biệt. Sản phẩm
nổ dãn nở và đẩy nước ra hình thành một lỗ rỗng gọi là bóng khí. Quá
trình giãn nỡ bóng khí chụp được như hình 2.2 và biến thiên áp suất tại
một điểm cố định trong không gian khi mặt sóng xung kích đi qua
được thể hiện như hình 2.3.

Hình 2.2. Ảnh chụp quá trình giãn nở bóng khí trong môi trường nước

Hình 2.3. Biểu đồ mô phỏng biến thiên áp suất tại một điểm cố định trong không gian
khi mặt sóng xung kích đi qua

2.1.2. Qui luật về sự phát triển của bóng khí nổ trong môi trường nước
Trình bày các nghiên cứu về bán kính bóng khí cực đại; quy luật
phát triển và chuyển động của bóng khí; chu kỳ dao động của bóng
khí; bán kính giãn nở sản phẩm; độ nổi của bóng khí và các tham số
đặc trưng của bóng khí ở sát bề mặt nước.
2.1.3. Quá trình truyền sóng xung kích trong môi trường nước và các
tham số trên mặt sóng xung kích trong nước
Trình bày các nghiên cứu về áp suất, tốc độ phần tử và mật độ,
tham số trên mặt sóng xung kích và sự biến thiên của áp suất theo thời
gian và xung riêng của pha nén đối với các loại lượng nổ khác nhau.
2.2. Ảnh hưởng của mặt thoáng và mặt đáy đến sóng xung kích
trong môi trường nước
2.2.1. Ảnh hưởng của mặt thoáng đến sóng xung kích


10

Hình 2.5. Sơ đồ xác định sự ảnh hưởng của mặt thoáng

Ảnh hưởng của mặt nước đến các tham số sóng xung
kích được xét đến bằng hệ số ảnh hưởng, K mt:
2,3

H 
h
0,314  .(1 + 4,2 )
r0 
H

K mt =
2
r
H −h
1− 

r0
 r 

(2.28)

Nếu Kmt > 1 thì mặt thoáng không ảnh hưởng đến các tham số của
sóng xung kích. Nếu Kmt < 1 mặt thoáng ảnh hưởng đến hình dạng của
biểu đồ áp suất và trị số xung riêng pha nén mà còn ảnh hưởng đến các
thông số trên bề mặt sóng xung kích.
pφ − p1
p

1,13

r 
= 14700. K mt  0 
r 
 φ
3

1
Áp suất trên mặt sóng xung kích:
2.2.2. Ảnh hưởng của mặt đáy đến sóng xung kích

(2.29)

Hình 2.4 Sơ đồ giải thích sóng phản xạ từ đáy nước

Sự ảnh hưởng của đáy nước được đánh giá bằng hệ số kđ:

kd




 0,314



r


r0


=




 r0 tg β *



H1 

r0 


2,3


h 
1 + 4,2 1 

H1 



 H − h1 
1−  1

r



H1

 H − h1 
1−  1

r



2

 3,22
H1
≥
 tg β *
r0


,

2


h1

r0

1 +
0 , 435
 H1 

H



2
− 1
* 

r0
 r0 tg β 





,









0 , 77

 3,22 
H1



≤
* 
r0
 tg β 

0 , 77

(2.35)

Nếu hệ số kd < 1 thì áp suất trên mặt sóng xung kích được tính:
pφ − p1
p1

r 
= 14700. K mt  0 
r 
 φ

1,13

3

(2.36)


11
Trường hợp hệ số kmt và kd đồng thời nhỏ hơn một, thì có ảnh
hưởng đồng thời của cả mặt đáy và mặt nước. Áp suất trên mặt sóng
pφ − p1

p

r
= 14700. K mt K đ  0
r
 φ
3






1,13

1
xung kích:
(2.37)
2.3. Nghiên cứu tương tác của sóng nổ với chướng ngại có kích
thước vô hạn trong môi trường nước
2.3.1. Nghiên cứu, tính toán tác dụng cơ học gián tiếp của lượng nổ
lên chướng ngại đáy nước
Hình 2.11 đặc trưng cho mô hình tác dụng cơ học gián tiếp của
lượng nổ tác dụng lên nền đáy. Có thể thấy rằng các tham số phễu phá
hủy phụ thuộc nhiều yếu tố khác nhau. Hiện nay, chưa có công trình
nào công bố hoặc biện luận sự tạo phễu từ lượng nổ đặt gián tiếp trong
môi trường nước với nền đáy là vật liệu bất kỳ nói chung và đặc biệt là
nền đáy san hô nói riêng.

Hình 2.11. Mô hình lượng nổ dưới nước tạo phễu

Tính toán, khảo sát một số trường hợp nổ trên nền san hô
Nổ thực nghiệm dưới nước tại đảo Sơn Ca thuộc quần đảo
Trường Sa, Việt Nam: Hn=h = 1,5 m; H = 1m; khối lượng thuốc tương
đương TNT gồm ba loại 0,6 kg, 0,4 kg và 0,2 kg. Nền đáy có u th = 5
m/s; ρ= 2400-2500 kg/m3; trong phạm vi luận án chỉ khảo sát tính
toán với trường hợp 1, chỉ xem xét tác dụng của sóng tới. Điều kiện
biên của vùng chỉ có xuất hiện của sóng xung kích nén tính được là:
-4,0834< R <4,0834 (m). Xung riêng chịu sóng xung kích nén (vùng
chịu sóng nén):

r0
i + = 13,63( p 0 + gρh)
 R 2 + (h − H ) 2







0,8 9

 0,0451 

= 1586089,02 55
 R 2 + 0,25 



0 ,8 9

(2.53)


12
Khảo sát phương trình (2.53) với các lượng nổ được đồ thị phân
bố xung riêng trên hình 2.13 và kết quả ở bảng 2.2.

Hình 2.13. Biểu đồ xung riêng tác dụng lên nền đáy san hô

Bảng 2.2. Các tham số phễu phá hủy

Trong tính toán này chọn µ=0,3 và k=0,3. Trị số chiều sâu phá
hủy dao động từ 0,30 đến 0,32 m tương ứng với cả ba trường hợp
lượng nổ. Với kết quả tính toán nhận được tương đối phù hợp với thực
tiễn nổ thử nghiệm mà tác giả thực hiện tại đảo Sơn Ca thuộc quần đảo
Trường Sa. Khác với nổ trực tiếp, nổ gián tiếp có lượng nổ đặt xa đáy,
nên tác dụng cơ học lên đáy sẽ ở phạm vi rộng hơn. Như vậy cần tiếp
tục hoàn thiện phương pháp xác định chính xác trị số xung nổ truyền
vào đáy nước và nghiên cứu thực nghiệm để rút ra các hệ số để xác
định được vùng phá hủy nổ của lượng nổ đặt gián tiếp dưới nước.
2.3.2. Nghiên cứu tương tác của sóng xung kích dưới nước tác dụng
lên chướng ngại tấm phẳng khi không xem xét đến yếu tố nhiễu xạ
sóng
Các tính toán lý thuyết và so sánh với kết quả thử nghiệm
Các tính toán lý thuyết:
Kết quả theo lý thuyết áp suất sóng tới và sóng phản xạ tác dụng
lên bề mặt công trình được thể hiện theo bảng 2.3.
Bảng 2.3. Kết quả tính áp suất sóng tới và sóng phản xạ tác dụng

lên chướng ngại

Kết quả thử nghiệm trên mô hình tấm


13
Kết quả thu được giá trị sóng phản xạ lớn nhất qua các lần thí
nghiệm được thể hiện trong bảng 2.4.
Bảng 2.4 Giá trị lớn nhất của sóng phản xạ qua các thí nghiệm

Nhận xét: Kết quả bảng 2.3 và 2.4 cho thấy, độ chênh lệch giá trị sóng
phản xạ tính theo lý thuyết và giá trị đo được ở hiện trường lần lượt
theo các thí nghiệm 1, 2, 3, 4 lần lượt là 40%, 94%, 146,7% ; 96,4%.
Các lý thuyết cảnh báo sự phức tạp về hệ số phản xạ trên một bề mặt
vì không thể tiên lượng một cách chính xác. Thí nghiệm đã khẳng định
tính đúng đắn về dự báo sự phức tạp của sóng phản xạ và cũng đặt ra
vấn đề nghiên cứu sự phản xạ cho các nhà khoa học trong nghiên cứu
xác định hệ số phản xạ này.
2.4 Kết luận
Quá trình hình thành và lan truyền sóng nổ trong môi trường nước
được bắt đầu từ khi phản ứng hóa học diễn ra đến khi quá trình lan
truyền sóng ra ngoài môi trường kết thúc. Việc đề cập các tham số
khác và làm rõ ảnh hưởng của đáy và mặt thoáng đến sóng xung kích
và cùng với việc khảo sát bài toán lượng nổ gián tiếp và bài toán xác
định sóng phản xạ cho ta thấy được bức tranh toàn cảnh quá trình hình
thành và lan truyền sóng xung kích dưới nước.
Ngoài ra, lý thuyết nổ thông thường không tính được tải trọng tác
dụng lên các dạng chướng ngại đặc biệt. Hiện nay, chỉ có lý thuyết
thủy động lực học nổ có xét đến hiện tượng nhiễu xạ sóng mới giải
được các bài toán tác dụng nổ với các dạng chướng ngại đặc biệt trong

môi trường nước. Từ lý thuyết này, chúng ta sẽ tìm được sự phân bố
áp lực trên toàn bộ chướng ngại, trong đó có những vùng không chịu
tác dụng trực tiếp của sóng nổ_điều này trước đây chỉ được dự đoán
bằng các phân tích định tính. Chương 3 sẽ giải quyết được các vấn đề
này bằng định lượng dựa trên lý thuyết nhiễu xạ sóng nổ dưới nước.
Chương 3 NGHIÊN CỨU NHIỄU XẠ SÓNG VÀ TẢI TRỌNG DO
SÓNG XUNG KÍCH TRONG NƯỚC TÁC ĐỘNG LÊN
CHƯỚNG NGẠI
3.1. Tương tác của sóng nổ với chướng ngại trong môi trường
nước


14
Các lý thuyết thông thường như trình bày ở chương 2 sẽ gặp khó
khăn hoặc không tính được sự phân bố tải trọng lên các chướng ngại
có kích thước hữu hạn và hình dạng bất kỳ. Chương 3 sẽ giải quyết
vấn đề này bằng lý thuyết sóng nổ có kể đến nhiếu xạ sóng.
3.1.1. Tương tác của sóng nổ với chướng ngại cứng bất động, kích
thước hữu hạn và hình dạng bất kỳ
Xét vật thể được giả thiết là cứng tuyệt đối, bất động, có kích
thước hữu hạn và hình dạng bất kỳ. Sóng truyền tới từ một nguồn sóng
0. Bề mặt S chịu tác dụng của sóng tới, hệ trục tọa độ gắn với 0 có trục
z theo phương sóng tới. Tải trọng tác dụng lên bề mặt là một hàm dạng
p(x,y,z,t), trên phương truyền sóng, áp lực sóng tới và tốc độ hạt có
dạng:


z  
z 
pst ( z , t ) = Pm . f  t − ÷.σ 0  t − ÷

 a0   a0 
vst ( z, t ) =

Pm
.f
a0 ρ0


z
t −
a
0


(3.1)

 
z 
÷.σ 0  t − ÷
a
0 
 

(3.2)
trong đó: pm áp lực cực đại trên bề mặt sóng tới; a 0 tốc độ
truyền sóng trong môi trường; mật độ môi trường.
Sơ đồ khảo sát sóng nổ phẳng lan truyền trong chất lỏng và
tương tác với chướng ngại hữu hạn có hình dạng bất kỳ (hình 3.2).
Hàm sóng đơn vị


z 
σ0 t − ÷
a
0 


được thể hiện như hình 3.3.

Hình 3.2. Sóng nổ dưới nước tương tác
với chướng ngại

Hình 3.3. Tải trọng đơn vị

Tải trọng tác dụng lên toàn bộ vật thể khi sóng bị nhiễu xạ sẽ là:


15
F ( t ) = Fst ( t ) + Fnx ( t )
Fst ( t )

là tải trọng sóng tới;

Fnx ( t )

(3.3)
là tải trọng gây ra do sóng nhiễu xạ.

Phương trình sóng tổng quát:
∂ 2ϕ ∂ 2ϕ ∂ 2ϕ

1 ∂ 2ϕ
+
+
=
−
∂x 2 ∂y 2 ∂z 2
a02 ∂t 2

(3.6)

Các giả thiết và điều kiện biên:
- Chướng ngại, công trình nằm trong môi trường nước là cứng và
bất động.
- Trên bề mặt chướng ngại, công trình, tốc độ hạt chất lỏng theo
phương pháp tuyến với bề mặt chướng ngại, công trình bằng 0:


P
∂ϕ
z 
z 
µ
= − m . f t −
÷.σ 0  t −
÷cosnz
∂n
a0 ρ0
a0 
a0 




(3.7)

- Phát xạ sóng ở vô cùng (xa chướng ngại, công trình):
φ→0 khi

r = x2 + y 2 + z 2 → ∞

(3.8)

Ứng với mỗi loại hình dạng chướng ngại: hình cầu, hình trụ dài
vô hạn, hình ellip tròn xoay thì phương trình sóng và điều kiện biện sẽ
khác nhau.
3.2. Tương tác của sóng nổ với chướng ngại phẳng hình nêm
Tương tác của sóng nổ với chướng ngại phẳng hình nêm làm xuất
hiện các trường hợp: Sóng nổ trượt trên một mặt của chướng ngại hình
nêm; sóng nổ tương tác theo phương pháp tuyến đến một góc của
chướng ngại dạng nêm (tương tác pháp tuyến một mặt) và sóng nổ
tương tác theo một góc bất kỳ lên các mặt của chướng ngại dạng nêm.
3.3. Tương tác của sóng nổ với chướng ngại, công trình quân sự
3.3.1. Tương tác của sóng nổ dưới nước với chướng ngại chịu tải
trọng trực tiếp và trượt (hình 3.12)


16
3.3.2. Tương tác của sóng nổ dưới nước với góc chướng ngại chịu tải
trọng trượt và khuất (hình 3.13)

Hình 3.12. Nhiễu xạ của sóng nổ với góc

chướng ngại theo phương pháp tuyến
(trường hợp 1)

Hình 3.13. Nhiễu xạ của sóng nổ với góc
chướng ngại theo phương pháp tuyến
(trường hợp 2)

3.4. Thiết lập chương trình và khảo sát số về tương tác sóng xung
kích phẳng trong môi trường nước tác dụng lên chướng ngại, công
trình có kể đến nhiễu xạ sóng
Lý thuyết tương tác của sóng phẳng với chướng ngại trình bày
trong chương 3 không thể tính trực tiếp tải trọng tác dụng lên công
trình khi xét đến sự nhiễu xạ sóng, cần phải nghiên cứu xây dựng
chương trình tính toán theo phương pháp số để tính toán cũng như
khảo sát quy luật phân bố của áp suất lên bề mặt chướng ngại công
trình với các dạng khác nhau.
3.4.1. Chương trình tính
Từ lý thuyết trình bày, lập chương trình tính áp lực sóng trong vùng
nhiễu xạ và tải trọng sóng nổ lên chướng ngại phẳng và các chướng
ngại có hình dạng đặc biệt (UNDEXLOAD và UNDEXLOAD-1).
* Chương trình UNDEXLOAD:
- Các số liệu đầu vào: Góc tới của sóng nổ γ (độ); góc mở của chướng
ngại β (độ); quy luật sóng nổ P (t); tọa độ các điểm nghiên cứu (x ,
T
i
y ); tốc độ truyền sóng a (m/s); khoảng thời gian khảo sát t (s).
i
0
* Chương trình UNDEXLOAD-1:

17
- Các số liệu đầu vào: Loại vật thể cần tính; quy luật sóng nổ; tốc độ
truyền sóng nổ a (m/s); khoảng thời gian khảo sát (s); đặc trưng hình
0
học của vật thể (bán kính hình trụ, cầu; các bán trục của hình elliprxôit
tròn xoay).
- Các số liệu đầu ra của cả hai chương trình: Bảng trị số áp lực sóng
F(t) đối với các điểm xét tại các thời điểm t; biểu đồ thay đổi F(t) tại
một điểm; biểu đồ phân bố áp lực trên bề mặt chướng ngại tại các thời
điểm; đồ thị các đường đẳng F trong không gian với các thời điểm.
Sơ đồ khối của các chương trình theo hình 3.14 và 3.15:

Hình 3.14. Sơ đồ khối thuật toán chương
trình UNDEXLOAD

Hình 3.15. Sơ đồ khối thuật toán chương
trình UNDEXLOAD-1

3.4.2. Thử nghiệm số với chướng ngại tấm phẳng
Lựa chọn các thông số đầu vào: Khảo sát bài toán với sóng tới đơn vị
và sóng tới có quy luật p(t)=p max(1-t/ τ ) (kPa) (thu được từ thí nghiệm
thực tiễn ở Trường Sa 6-2013). Tốc độ truyền sóng a 0 = 1535 m/s (thu
được từ các thí nghiệm); Khoảng thời gian khảo sát t = 0,0001 s; Số
điểm thời gian khảo sát: n= 10.


18
Bài toán 1: Tương tác của sóng nổ với bề mặt phía trước của chướng
ngại công trình (bài toán tương tác thẳng góc)

Sơ đồ mô hình và các điểm khảo sát như hình 3.16 và bảng 3.1.
Bảng 3.1. Tọa độ điểm khảo sát

Hình 3.16 Mô hình và các điểm khảo sát mặt trước của tấm

Thay các dữ liệu đầu vào vào chương trình UNDEXLOAD với
sóng tới đơn vị và sóng xung kích có p
= 1531 Kpa, τ= 0,0001s.
max
Sơ đồ phân bố áp lực được thể hiện theo hình 3.17 và 3.18.

Hình 3.17 Phân bố áp lực tổng hợp tại một
số thời điểm trên tấm phẳng

Hình 3.18 Phân bố áp lực tổng hợp tại


19

một số điểm trên tấm phẳng

Nhận xét: Ở thời điểm ban đầu khi sóng tới đập vào bề mặt phẳng
do xuất hiện sóng phản xạ làm áp lực tổng hợp tăng gấp hai và sau đó
càng giảm dần. Các điểm trên bề mặt tấm phẳng có quy luật phân bố
lực khá giống nhau.
Bài toán 2: Tương tác của sóng nổ với bề mặt phía trên của chướng
ngại công trình (bài toán sóng trượt trên mặt phẳng)
Mô hình bài toán và các điểm khảo sát như hình 3.19 và bảng 3.4.

Bảng 3.4. Tọa độ các điểm khảo sát

Hình 3.19. Mô hình và các điểm khảo sát mặt
trên của tấm

Thay dữ liệu vào chương trình UNDEXLOAD có các kết quả.
Sơ đồ phân bố áp lực được thể hiện theo hình 3.20 và 3.21.


20

Hình 3.20. Phân bố áp lực tại các thời điểm
của bề mặt phía trên chướng ngại

Hình 3.21. Phân bố áp lực tại các vị trí
(điểm) ở bề mặt phía trên chướng ngại

Nhận xét: áp suất trên bề mặt sóng phẳng khi trượt trên bề mặt
chướng ngại không thay đổi. Giá trị áp suất tác dụng lên bề mặt
chướng ngại mà sóng trượt trên nó bằng giá trị áp suất sóng tới. Kết
quả này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết nổ trong môi trường không
khí.
Bài toán 3: Ảnh hưởng của sóng nổ với bề mặt phía sau của chướng
ngại công trình (bài toán sóng chảy bao với vùng khuất)
Sơ đồ bài toán và các điểm khảo sát như hình 3.22 và bảng 3.7.

Bảng 3.7. Tọa độ các điểm
khảo sát


21

Hình
3.22.
Mô
hình và
các
điểm
khảo
sát mặt
trên của
tấm

Thay dữ liệu vào chương trình UNDEXLOAD có các kết quả.
Phân bố áp lực trên bề mặt khuất của chướng ngại theo hình 3.23.
Hiện chưa có nghiên cứu nào làm rõ vấn đề ảnh hưởng của sóng
nổ đối với vùng khuất. Khảo sát đến khi không còn ảnh hưởng của
sóng nổ ta tìm được phân bố áp suất chảy bao tại các điểm phía sau
tấm phẳng theo hình 3.24.
Từ khảo sát vùng khuất, tìm được phân bố vùng chịu tải trọng
sóng xung kích dưới nước của vùng khuất của tấm bê tông mô hình
như hình 3.25.

Hình 3.23. Phân bố áp lực các điểm trên bề
mặt khuất

Hình 3.24. Áp suất chảy bao phía sau bề
mặt tấm


22

Nhận xét: Phía sau tấm vùng ảnh
hưởng nhiễu xạ không phụ thuộc vào
chiều cao tấm mà phụ thuộc vào độ
lớn và thời gian lan truyền sóng.
Càng xa góc khuất, ảnh hưởng của
nhiễu xạ sóng càng nhỏ. Với bài toán
khảo sát, vùng còn ảnh hưởng của
sóng xung kích chảy bao phía sau
mặt tấm phẳng tính từ góc mép sau
của tấm dài khoảng 14,8 cm và cách
tấm 0,0001x1535= 0,1535 m.

Hình 3.25. Phân bố vùng chịu tải
trọng sóng xung kích dưới nước lên
tấm bê tông

3.4.3. Thử nghiệm số với chướng ngại có hình dạng đặc biệt
Lựa chọn các thông số đầu vào: Khảo sát bài toán với sóng tới đơn vị
và sóng tới có quy luật p(t)=p max(1-t/ τ ) (kPa) (thu được từ thí nghiệm
thực tiễn ở Trường Sa 6-2013). Tốc độ truyền sóng (thực nghiệm) a 0 =
1535 m/s; pmax= 1506 Kpa; khoảng thời gian khảo sát với hình trụ, cầu
và elipsoid lần lượt là t = 0,009; 0,003; 0,003 s; số điểm khảo sát tương
ứng: 31, 31, 41. Bán kính trụ và cầu lần lượt là 2; 1,128 m. Bán trục
lớn và bán trục nhỏ của elipsoid lần lượt là: 1,128 và 2 m.
- Khảo sát phân bố áp lực trên chướng ngại có dạng trụ dài vô hạn
Sơ đồ bài toán như hình 3.26.
Chương trình UNDEXLOAD-1 cho kết quả khảo sát với chướng ngại
có dạng hình trụ dài vô hạn:

23

Hình 3.26. Sơ đồ bài toán và các điểm xét (theo thời gian)

Đồ thị phân bố áp suất tại các thời điểm theo các hình 3.27 và 3.28.

Hình 3.27. Đồ thị phân bố áp suất đối với
sóng đơn vị lên chướng ngại trụ dài

Hình 3.28 Đồ thị phân bố áp suấtđối với
sóng xung kích lên chướng ngại trụ dài

Nhận xét: Khi sóng tới vừa qua khỏi chướng ngại trụ thì áp suất dư sẽ
bằng không. Lúc này, áp suất lên chướng ngại là ảnh hưởng của sóng
nhiễu xạ, có nghĩa là áp suất tổng chính bằng áp suất nhiễu xạ. Kết quả
này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết của Zamyshlyayev dự báo.
- Khảo sát phân bố áp lực trên chướng ngại có dạng hình cầu
Sơ đồ bài toán như hình

3.29.


24

Hình 3.29. Sơ đồ bài toán và các điểm xét (theo thời gian)

Kết quả khảo sát với sóng tới đơn vị và sóng tới p(t) thể hiện qua
các đồ thị phân bố áp suất tại các thời điểm theo các hình 3.30 và 3.31.

Hình 3.30 Đồ thị phân bố áp suất đối với
sóng đơn vị lên chướng ngại cầu

Hình 3.31 Đồ thị phân bố áp suất đối với
sóng xung kích lên chướng ngại cầu

Nhận xét: Khi sóng tới vừa qua khỏi chướng ngại cầu thì áp suất
sẽ bằng không. Lúc này, áp suất lên chướng ngại chỉ là ảnh hưởng của
sóng nhiễu xạ, có nghĩa là áp suất tổng chính bằng áp suất nhiễu xạ.
- Khảo sát phân bố áp lực trên
hình elip tròn xoay

chướng ngại có dạng


25
Sơ đồ bài toán như hình 3.32.

Hình 3.32. Sơ đồ bài toán và các điểm xét (theo thời gian)