Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sự lan truyền của sóng nổ trong nước và tương tác của sóng nổ đối với chướng ngại công trình
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.54 MB, 30 trang )
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
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
2
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/QĐHV 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
4
pháp giải tích, phân tích, tổng hợp và phương pháp số. Phương pháp
số sử 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
5
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
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,
6
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 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: , (Pa) (1.1)
Xung riêng trong sóng xung kích: , (Pa.s) (1.2)
Năng lượng riêng trên bề mặt sóng xung kích:
, (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/m2).
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:
(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:
Áp suất cực đại trên mặt sóng:
(Pa) (1.7)
Xung riêng sóng xung kích: (Pa.s)
(1.8)
7
Năng lượng riêng trên mặt sóng xung kích dưới nước, (J/m2):
(1.9)
Hằng số thời gian của sóng xung kích dưới nước:
(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:
(Pa)
(1.11)
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
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
8
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
TRƯƠNG
̀ NƯƠC
́ 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
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
9
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 luâṭ
phát triển và chuyên đông cua bong khi; chu ky dao đông cua bong
̉
̣
̉
́
́
̀
̣
̉
́
khi;́ ban kinh gian n
́ ́
̃ ở san phâm; đô nôi cua bong khi và các tham s
̉
̉
̣ ̉
̉
́
́
ố
đặc trưng cua bong khi
̉
́
́ở sat bê măt n
́ ̀ ̣ ước.
2.1.3. Qua trinh truyên song xung kích trong môi tr
́ ̀
̀ ́
ường nươc
́ 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, Kmt:
(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.
Áp suất trên mặt sóng xung kích: (2.29)
2.2.2. Ảnh hưởng của mặt đáy đến sóng xung kích
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:
(2.35)
Nếu hệ số kd < 1 thì áp suất trên mặt sóng xung kích được tính:
(2.36)
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 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.
11
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
uth = 5 m/s; ρ= 24002500 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):
(2.53)
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
12
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
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
13
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
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:
(3.1)
(3.2)
14
trong đó: pm áp lực cực đại trên bề mặt sóng tới; a0 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 được thể hiện như hình 3.3.
Hình 3.2. Sóng nổ dưới nước tương
Hình 3.3. Tải trọng đơn vị
tác với chướng ngại
Tải trọng tác dụng lên toàn bộ vật thể khi sóng bị nhiễu xạ sẽ
là:
(3.3)
là tải trọng sóng tới; là tải trọng gây ra do sóng nhiễu xạ.
Phương trình sóng tổng quát:
(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:
(3.7)
Phát xạ sóng ở vô cùng (xa chướng ngại, công trình):
φ→0 khi → ∞
(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
15
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)
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
UNDEXLOAD1).
* 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 PT(t); tọa độ các điểm nghiên
16
cứu (x , y ); tốc độ truyền sóng a0 (m/s); khoảng thời gian khảo sát t
i i
(s).
* Chương trình UNDEXLOAD1:
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
0
hình 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 UNDEXLOAD1
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(1t/) (kPa) (thu được từ thí
nghiệm thực tiễn ở Trường Sa 62013). Tốc độ truyền sóng a0 =
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.
Bài toán 1: Tương tác của sóng nổ với bề mặt phía trước của
chướng ngại công trình (bài toán tương tác thẳng góc)
17
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 pmax= 1531 Kpa, τ= 0,0001s.
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
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.
18
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.
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
Hình 3.22. Mô hình và các điểm khảo sát mặt
trên của tấm
19
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
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
Hình 3.25. Phân bố vùng chịu tải
20
phía sau mặt tấm phẳng tính từ góc trọng sóng xung kích dưới nước lên
tấm bê tông
mép sau của tấm dài khoảng 14,8
cm và cách tấm 0,0001x1535=
0,1535 m.
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(1t/) (kPa) (thu được từ thí
nghiệm thực tiễn ở Trường Sa 62013). Tốc độ truyền sóng (thực
nghiệm) a0 = 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 UNDEXLOAD1 cho kết quả khảo sát với chướng
ngại có dạng hình trụ dài vô hạn:
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
21
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.
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.
22
Khảo sát phân bố áp lực trên chướng ngại có dạng hình elip tròn
xoay
Sơ đồ bài toán như hình 3.32.
Hình 3.32. Sơ đồ bài toán và các điểm xét (theo thời
gian)
Kết quả số thu được theo các hình 3.33 và 3.34.
Hình 3.33 Đồ thị phân bố áp suất đối với
sóng đơn vị lên chướng ngại elip tròn
xoay
Hình 3.34 Đồ thị phân bố áp suất đối với
sóng quy luật tam giác lên chướng ngại
elip tròn xoay
Nhận xét: Khi sóng tới vừa qua khỏi chướng ngại elip tròn xoay thì
nó 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.
3.5. Kết luận
Lý thuyết nổ có sử dụng đến ảnh hưởng nhiễu xạ sóng giải
quyết được các bài toán chướng ngại có dạng đặc biệt mà lý thuyết
thông thường không có lời giải. Thông qua các phương trình giải
tích, chương trình UNDEXLOAD, UNDEXLOAD1 viết bằng ngôn
ngữ lập trình VBA cho phép xác định được tải trọng lên các dạng
23
vật thể và vùng ảnh hưởng của sóng nổ đến vùng khuất của
chướng ngại.
Khi khảo sát ba dạng chướng ngại đặc biệt: cầu, elip tròn xoay
và trụ có thiết diện vuông góc với phương truyền sóng bằng nhau,
cho thấy giá trị áp suất cực đại nhận được tương ứng với ba dạng
trên là 7549kPa, 6211kPa và 9119 kPa. Điều này cho thấy chướng
ngại dạng elip tròn xoay có lợi nhất về phương diện làm yếu sóng
xung kích tổng hợp tác dụng lên chướng ngại (ứng dụng trong tầu
ngầm…), tiếp theo là chướng ngại dạng cầu và cuối cùng là chướng
ngại dạng trụ.
Chương 4 NỔ THỰC NGHIỆM TRONG MÔI TRƯỜNG
NƯỚC BIỂN
Với mục đích thử nghiệm thực tế trong điều kiện biển đảo, so
sánh các tính toán lý thuyết và thử nghiệm. Các thí nghiệm được
tiến hành tại vùng biển của đảo Sơn Ca thuộc quần đảo Trường Sa
vào tháng 6 năm 2013.
4.1. Mô tả thí nghiệm
4.1.1. Phân tích lựa chọn mô hình thí nghiệm
Qua nghiên cứu tính toán, lựa chọn bố trí các đầu đo áp lực
sóng nổ bố trí với khoảng cách 1,0m (Hình 4.1). Các thí nghiệm với
các lượng nổ TNT và các tấm bê tông khác nhau: ở thí nghiệm 1, 2, 3
và 4 có đầu đo sóng phản xạ trên bề mặt tấm. Các tấm bê tông ở thí
nghiệm 6 và 7 có gắn thêm lớp vật liệu giảm chấn.
Hình 4.1. Mô hình mặt bằng bố trí thí nghiệm
4.1.2. Thiết bị thí nghiệm
Gồm máy đo động đa kênh NI SCXI1000DC và các đầu đo áp
lực kiểu piezo PCB 138A01 được kết nối với máy tính tại hiện
trường.
4.1.3. Trình tự tiến hành thí nghiệm
24
Chuẩn bị và tiến hành thí nghiệm chu đáo, cẩn thận nên các vụ
nổ đều thành công như các hình 4.13, 4.16 và 4.17.
Hình 4.13. Đầu đo được
gắn vào tấm thí nghiệm
Hình 4.16. Tác giả đặt
lượng nổ vào vị trí
Hình 4.17.Hình ảnh của
một vụ nổ dưới nước
4.2. Phân tích kết quả thí nghiệm
4.2.1. Xác định các tham số đặc trưng của sóng xung kích lan truyền
trong nước
Các số liệu thu được từ thực nghiệm: kết quả thí nghiệm thu được
thể hiện qua bảng 4.2, 4.3 và các bảng số liệu thời gian duy trì pha
nén.
Bảng 4.2. Kết quả áp lực lớn Bảng 4.3. Tốc độ truyền sóng
nhất ở các thí nghiệm và thời
trong nước
gian đo
Thiết lập sự phụ thuộc của áp suất và thời gian của sóng xung
kích trong môi trường nước:
+ Áp suất lớn nhất trên mặt sóng:
(4.1)
p1 là áp suất môi trường tại điểm xét, C1 là tỉ số của lượng nổ sử
dụng với lượng nổ 1 kg, lượng nổ nhỏ hơn 1kg thì C1<1. Khi lượng
nổ ≥1 kg thì C1=1. r0 là bán kính lượng nổ.
+ Thời gian duy trì tải trọng:
(4.2)
4.2.2. Xác định cường độ sóng phản xạ lên chướng ngại trong môi
trường nước
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%. Hệ số phản xạ trên tấm được
xác định lần lượt là 3,66 và 1,72.
25
4.2.3 Nghiên cứu đánh giá giải pháp giảm thiểu sóng xung kích
trong nước bằng việc sử dụng vật liệu đặc biệt gắn trên chướng
ngại
Mô tả thí nghiệm: Lớp giảm chấn là vật liệu composite
Tyfo SCH11UP. Sơ đồ thí nghiệm theo hình 4.34.
Hình 4.34. Sơ đồ thí nghiệm 6 và 7 với tấm bê tông có lớp giảm chấn
Kết quả thí nghiệm: So với trường hợp không có lớp giảm chấn,
tuy lớp giảm chấn Tyfo SCH11UP gắn trên mô hình công trình là
khá mỏng nhưng có hiệu quả khá tốt trong việc làm giảm giá trị tác
dụng của sóng xung kích từ 26,23% đến 34,55% hay giá trị áp lực
sóng xung kích phản xạ đo được chỉ bằng 73,77% và 65,45% so với
trường hợp không có lớp giảm chấn.
4.3. Phân tích, so sánh sự tương tác của sóng xung kích với
chướng ngại từ thử nghiệm thực tế với các phương pháp tính
toán khác
4.3.1. So sánh phương pháp tính toán theo chương trình
UNDEXLOAD luận án lập có xem xét đến lý thuyết nhiễu xạ với thử
nghiệm thực tế
Kết quả so sánh được thể hiện qua các các bảng 4.12 và
4.13.
Bảng 4.12. Kết quả và sai số giữa lý Bảng 4.13 Kết quả và sai số giữa lý
thuyết và thực nghiệm hàm p1(t) (thí thuyết và thực nghiệm hàm p2(t) (thí
nghiệm 3)
nghiệm 4
Nhận xét: Sai số từ chương trình UNDEXLOAD so với các kết quả
thí nghiệm lần lượt là 7,12% và 15,9 %. Như vậy bước đầu có thể
thấy rằng tính toán lý thuyết theo sóng phẳng có kể đến nhiễu xạ có
thể chấp nhận được.
4.3.2. So sánh phương pháp tính toán theo phần mềm ANSYS
AUTODYN với thử nghiệm thực tế
