Nghiên cứu hiện tượng phá hủy tấm kim loại dưới tác động của chất nổ

34 Hình 2.1 Các bề mặt của chất lỏng tương tác với một cấu trúc, các điều kiện biên khác nhau được áp dụng trong một vụ nổ xảy ra dưới nước.. Gần đây nhóm tác giả Zhi Zong, Yanjie Zhao,

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn tới tất cả quý thầy cô đã giảng dạy trong chương trình Cao học Cơ học kỹ thuật-Viện Cơ khí, những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức hữu ích về chuyên nghành Cơ học kỹ thuật làm cơ sở cho tôi thực hiện tốt luận văn này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Đinh Văn Hải đã trực tiếp hướng

dẫn và chỉ bảo cho tôi hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới Trung tâm Nghiên cứu Quốc tế về khoa học vật liệu- ICCMS nay là Viện Nghiên cứu quốc tế về Khoa học và Kỹ thuật tính toán-ICSE đã tạo điều kiện cho tôi sử dụng máy tính trong quá trình tính toán mô phỏng kết quả cho luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, những người luôn ở bên động viên, khích lệ và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Sau cùng tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình đã luôn tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học cũng như thực hiện luận văn

Do thời gian có hạn nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của quý Thầy cô và các anh chị học viên để luận văn được hoàn thiện hơn

Hà nội, ngày…tháng…năm 2015

Học viên

Hà Tiến Lượng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

(1) Luận văn này là sản phẩm nghiên cứu của tôi

(2) Các kết quả trong luận văn được thực hiện trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác

(3) Tôi xin chịu trách nhiệm với nghiên cứu của mình

Học viên

Hà Tiến Lượng

MỤC LỤC

Trang

DANH SÁCH CÁC BẢNG 6

DANH SÁCH CÁC HÌNH 7

DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU 9

MỞ ĐẦU 12

1 Lý do chọn đề tài 12

2 Mục đích của đề tài 12

Chương 1 Tổng quan và lý thuyết vụ nổ xảy ra dưới nước 14

1.1 Giới thiệu chung 14

1.2 Hiện tượng của vụ nổ xảy ra dưới nước 15

1.3 Mối quan hệ áp suất theo thời gian 18

1.4 Sự tạo bóng khí của vụ nổ dưới nước 21

1.4 Mô hình Geers-Hunter 23

1.6 Sóng áp lực tại điểm “stand-off” từ mô hình Geers-Hunter 27

1.7 Những ảnh hưởng của sự tạo bọt khí 28

1.7.1 Sự tạo bọt khí dạng khối 29

1.7.2 Sự tạo bọt khí cục bộ 33

Chương 2 Các yếu tố trong bài toán vụ nổ xảy ra dưới nước 36

2.1 Phương trình truyền âm 36

2.1.1 Thiết lập phương trình vi phân của âm thanh 38

3.1.2 Thiết lập phương trình truyền âm cho chất lỏng có tạo bọt khí 39

2.2 Các điều kiện biên truyền âm trong phân tích bài toán vụ nổ dưới nước 40

2.3.1 Công thức cho môi trường truyền âm 41

2.3.2 Công thức cho ứng xử của cấu trúc 44

Chương 3 Phân tích mô hình và kết quả 45

3.1 Mô hình hình học 45

3.2 Loại thuốc nổ sử dụng trong nghiên cứu 46

3.3 Bài toán mô phỏng tàu vỏ liền không có kết cấu khung 47

3.3.1 Mô hình vật liệu sử dụng trong mô phỏng [21] 47

3.3.2 Vật liệu sử dụng trong mô phỏng [23] 48

3.3.3 Kết quả và thảo luận 49

3.3.3.1 Khối lượng HBX-1 là 3 kg 49

3.3.3.2 Khối lượng HBX-1 là 6 kg 50

3.3.3.3 Kết luận 51

3.4 Bài toán mô phỏng tàu vỏ liền có kết cấu khung 52

3.4.1 Kết cấu khung tàu 52

3.4.2 Mô hình vật liệu sử dụng trong mô phỏng 53

3.4.2.1 Mô hình vật liệu Johnson-Cook (J-C) 53

3.4.2.2 Vật liệu sử dụng trong mô phỏng 54

3.4.2.3 Kết quả và thảo luận 54

3.4.3.1 Khoảng cách từ nguồn nổ tới đáy tàu là 2 m với chiều dày vỏ tàu là 10 mm 55

3.4.3.2 Khoảng cách từ nguồn nổ tới đáy tàu là 5 m với chiều dày vỏ tàu là 10 mm 60

3.4.3.3 Khoảng cách từ nguồn nổ tới đáy tàu là 2 m với chiều dày vỏ tàu là 15 mm 63

3.4.3.4 Kết luận 66 3.5 Kết luận chung 66 Tài liệu tham khảo 68

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Hằng số vật liệu của một số loại thuốc nổ 20

Bảng 1.2.Tham số vật liệu của một số loại thuốc nổ 24

Bảng 3.1 Các thông số vật liệu nổ HBX-1 47

Bảng 3.2 Hệ số vật liệu của mô hình Cowper-Symonds 48

Bảng 3.3 Thuộc tính vật liệu sử dụng mô phỏng 48

Bảng 3.4 Thuộc tính của thép A36 sử dụng trong mô phỏng 54

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Hiện tượng của vụ nổ xảy ra trong môi trường nước 17

Hình 1.2 Sự di chuyển của bọt khí và áp suất theo thời gian 18

Hình 1.3 So sánh phương trình 1.8a và 1.8b với kết quả áp lực đo được 21

Hình 1.4 Quá trình phát triển và di chuyển của bóng khí 23

Hình 1.5 Sóng xung kích tới điểm stand-off 28

Hình 1.6 Sóng áp lực từ vụ nổ dưới nước ở một điểm trong môi trường chất lỏng 29 Hình 1.7 Sóng xung kích tới và phản xạ ở điểm quan sát [9] 30

Hình 1.8 Khối lượng hình học trong vụ nổ dưới nước 32

Hình 1.9 Tấm Taylor chịu tác dụng của sóng phẳng 34

Hình 2.1 Các bề mặt của chất lỏng tương tác với một cấu trúc, các điều kiện biên khác nhau được áp dụng trong một vụ nổ xảy ra dưới nước 40

Hình 3.1 Hình chiếu đứng và hình chiếu cạnh của mô hình tàu 46

Hình 3.2 Mô hình phần tử nước Hình 3.3 Vị trí tương đối giữa tàu và nước 46

Hình 3.4 Đường cong ứng suất biến dạng 47

Hình 3.6 Kết quả mô phỏng khi sử dụng 6 kg HBX-1 50

Hình 3.7 Sự thay đổi biến dạng và ứng suất tại đáy tàu theo thời gian 51

Hình 3.8 Sự thay đổi biến dạng và ứng suất bên sườn tàu theo thời gian 51

Hình 3.9 Cấu trúc khung tàu 52

Hình 3.10 Quá trình lan truyền sóng áp lực trong nước 55

Hình 3.11 Quá trình lan truyền sóng áp lực tại một điểm trong môi trường nước 56

Hình 3.12 Sự thay đổi áp suất từ tâm vụ nổ tới đáy tàu 57

Hình 3.14 Đồ thị ứng suất von Misses theo thời gian 59

Hình 3.15 Đồ thị ứng suất biến dạng tại khu vực hông tàu 60

Hình 3.16 Đồ thị ứng suất biến dạng tại khu vực đáy tàu 60

Hình 3.17 Các kết quả thu được khi vụ nổ xảy ra cách đáy tàu 5 m 61

Hình 3.18 Đồ thị ứng suất theo thời gian tại khu vực đáy tàu 62

Hình 3.19 Đồ thị ứng suất-biến dạng tại khu vực đáy tàu 62

Hình 3.20 Các kết quả thu được khi vụ nổ xảy ra cách đáy tàu 2 m 63

Hình 3.21 Ứng suất tại khu vực vỏ tàu bị phá hủy 64

Hình 3.22 Đồ thị so sánh biến dạng tại khu vực đáy tàu 65

Hình 3.23 Đồ thị so sánh ứng suất tại khu vực đáy tàu 65

m c : Khối lượng thuốc nổ [kg]

m p : Khối lượng trên đơn vị diện tích của tấm [kg/mm2]

n : Véctơ pháp tuyến hướng ra ngoài cấu trúc

n - : Véctơ pháp tuyến hướng vào trong cấu trúc

P g : Áp suất bên trong bóng khí [N/mm2]

p : Áp suất động trong chất lỏng

R : Khoảng cách Stand-off [mm]

S : Các bề mặt biên của môi trường truyền âm

S fp : Bề mặt trên đó các giá trị p lực do âm thanh gây ra đã được áp dụng

S ft : Bề mặt được áp dụng các điều kiện vi phân thường của môi trường

chất lỏng

S fi : Bề mặt mà âm thanh tán xạ ra ngoài

S fs : Bề mặt tương tác của âm thanh và cấu trúc

 : Hệ số nhiệt dung riêng của chất khí

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Các loại tàu thường được đóng với kết cấu thân vỏ từ thép hoặc các loại vật liệu khác như vật liệu PPC (Polypropylene Copolymer)… Trong quá trình làm việc tàu thường chịu các tác động từ bên ngoài gây ra phá hủy làm chìm tàu hoặc làm hỏng thiết bị trên tàu Đặc biệt với các loại tàu chiến phải làm việc trong môi trường có nguy cơ chịu tác động của các vụ nổ dưới nước gây ra bởi thủy lôi, ngư lôi….là rất lớn nên có nguy cơ lớn bị phá hủy làm đắm tàu gây ra thiệt hại lớn vê người và tài sản Một số vụ chìm tàu gần đây do vụ nổ dưới nước gây nên có thể kể đến như vụ chìm tàu ngầm K-141 Kursk ngày 12/8/2000 của Nga hay vụ chìm tàu Cheonan của Hàn Quốc ngày 26/3/2010… Các vụ chìm tàu này đã gây ra các thiệt hại vô cùng lớn về tài sản và con người Chính vì vậy khi tính toán, thiết kế tàu thì cần phải đánh giá tác động của các vụ nổ tới tính bền của kết cấu vỏ dưới tác động của vụ

nổ từ đó đưa ra các cảnh báo hoặc có những phương án thiết kế giảm thiểu rủi do gây nên bởi các vụ nổ

2 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng từ vụ nổ dưới nước tới kết cấu vỏ dạng tấm Từ các kết quả nghiên cứu sẽ đưa ra các dự đoán và khuyến cáo để có thể hạn chế hoặc loại bỏ các ảnh hưởng mà vụ nổ tác động tới cấu trúc tấm

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng từ vụ nổ dưới nước tới kết cấu vỏ dạng tấm

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là thân vỏ tàu bằng thép tấm chịu tác động của vụ nổ dưới nước Nghiên cứu của luận văn này chia ra làm hai phần Phần đầu nghiên cứuảnh hưởng của vụ nổ dưới nước tới tàu vỏ liền và không có kết cấu khung Phần thứ hai nghiên cứu về ảnh hưởng của vụ nổ dưới nước tới tàu có kết cấu dạng khung

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp mô phỏng được dùng trong nghiên cứu này Mô hình Geers – Hunter, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để dự đoán sự hư hại của tàu khi chịu tác động của vụ nổ dưới nước Phần mềm ABAQUS được sử dụng để mô phỏng quá trình vụ nổ dưới nước xảy ra và tác động tới vỏ tàu

6 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Sự phá hủy các kết cấu nói chung và thân vỏ tàu nói riêng do vụ nổ dưới nước gây

ra đã được mô tả và nghiên cứu khá nhiều từ sau thế chiến thứ hai Cole [1] đã đề cập đến sự phá hủy đơn thuần của một tấm kim loại chịu tác động của một vụ nổ Gleyza [2] đã tìm ra mối quan hệ giữa năng lượng và biến dạng của một tấm được

cố định khi chịu tác động của tải trọng gây ra bởi một vụ nổ Ramajeyathilagam [3] tiến hành một vài thí nghiệm trên tấm hình chữ nhật khi chịu tác động của vụ nổ dưới nước, một số mô hình phá hủy của tấm được xác thực bằng công thức thực nghiệm của Nurick [4], các kết quả đã được chứng minh là thỏa mãn Gong [5] nghiên cứu ảnh hưởng của vụ nổ đối với kết cấu chìm trong khu vực nước nông Ảnh hưởng của vụ nổ dưới nước tới tàu ngầm sau đó đã được nghiên cứu bởi Zong [6] vào năm 2003 Gần đây nhóm tác giả Zhi Zong, Yanjie Zhao, Haitao Li [7] đã nghiên cứu sự phá hủy kết cấu tàu khi chịu sự tác động của vụ nổ dưới nước Mặc

dù đã có một số kết quả nghiên cứu về vấn đề này, tuy nhiên ảnh hưởng của một vụ

nổ dưới nước tới các kết cấu thân vỏ vẫn chưa thực sự được nghiên cứu và hiểu đầy

đủ Vì vậy, cần có thêm các nghiên cứu để làm rõ cơ chế gây nên phá hủy cấu trúc của tàu cũng như đánh giá tác động của vụ nổ dưới nước đối với kết cấu ở các điều kiện khác nhau Từ đó có thể tạo ra các kết cấu tàu hợp lý có thể chống lại tác động của vụ nổ, nhằm tránh hoặc làm giảm thiệt hại về người và tài sản khi vụ nổ dưới nước xảy ra

Trong nghiên cứu này đã sử dụng mô hình Geers - Hunter và áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để dự đoán sự hư hại của tàu khi chịu tác động của vụ nổ

dưới nước Trọng tâm của nghiên cứu này là khảo sát sự hư hại/phá hủy của tàu dưới tác động của vụ nổ với thuốc nổ HBX-1

Chương 1 Tổng quan và lý thuyết vụ nổ xảy ra dưới nước

1.1 Giới thiệu chung

Các cấu trúc trên biển như tàu thuyền, các nhà máy, tàu ngầm cũng như tàu chiến luôn có thể bị phá hủy bởi các tác động xảy ra đột ngột Các tác động này xảy ra theo nhiều nguyên nhân khác nhau như va chạm hay do ảnh hưởng từ một vụ nổ xảy ra dưới nước… Trong nghiên cứu này, các tác động từ vụ nổ xảy ra dưới nước tới cấu trúc tàu sẽ được xem xét Các vụ nổ dưới nước chủ yếu là do thủy lôi hoặc ngư lôi gây ra Trong thế chiến thứ II hầu hết các nước đã sử dụng ngư lôi và thủy lôi trong tấn công cũng như phòng thủ trên biển Khi một vụ nổ xảy ra nó sẽ tác động tới những vật thể xung quanh làm hỏng các thiết bị trên tàu, gây ra nguy hiểm cho các thuyền viên và có thể phá hủy vỏ tàu gây ra chìm tàu Hải quân của nhiều nước đã chịu các tổn thất to lớn cả về người và tài sản do tác động từ những vụ nổ

do thủy lôi và ngư lôi gây ra Vì vậy, các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu những ảnh hưởng của vụ nổ dưới nước tới cấu trúc tàu Từ những nghiên cứu này chúng ta sẽ có những thiết kế cấu trúc tàu, vỏ tàu cũng như các thiết bị trên tàu như radar, vũ khí, ngư lôi… thích hợp nhằm loại bỏ hoặc hạn chế các thiệt hại do vụ nổ dưới nước gây ra

Trong những năm gần đây việc thiết kế tàu hay tàu chiến ngày càng được quan tâm,

vì vậy cần có nhiều hơn các nghiên cứu để đánh giá các phản hồi từ vỏ tàu khi chịu tác động từ các điều kiện tải trọng khác nhau như tải trọng va đập do một vụ nổ xảy

ra trong nước gây ra Đây chính là một vấn đề quan trọng cần được nghiên cứu làm

rõ

Trong nhiều năm qua các phản hồi do các vụ nổ dưới nước gây ra đối với các cấu trúc dưới nước hay trên bề mặt nước thu được thông qua các cuộc thử nghiệm vật

chiến đấu, nhưng yêu cầu phải có kế hoạch, sự chuẩn bị trong thời gian dài và cực

kì tốn kém Vì vậy phương pháp mô phỏng số đã được phát triển để nắm bắt một cách chính xác hiện tượng tương tác giữa cấu trúc và môi trường chất lỏng xung quanh trong suốt quá trình vụ nổ dưới nước xảy ra

Mục đích của nghiên cứu này là làm sáng tỏ hiện tượng của vụ nổ dưới nước và chỉ

ra những ảnh hưởng của vụ nổ gần tới cấu trúc tàu bằng phương pháp phần tử hữu hạn Các hiện tượng của vụ nổ dưới nước cần phải được hiểu một cách chi tiết vì đó

là một sự kiện phức tạp chứa cả tương tác giữa chất lỏng - chất rắn, mô hình môi trường truyền âm trong chất lỏng, tải trọng nổ

Phương pháp mô phỏng vụ nổ dưới nước đã được sử dụng trong nghiên cứu này với

mô hình mô phỏng được xây dựng bằng phần mềm Solidwork Các kết quả nghiên cứu thu được bằng việc sử dụng phần mềm mô phỏng ABAQUS Ảnh hưởng của khối lượng thuốc nổ cũng như độ sâu tới tàu đã được nghiên cứu Các kết quả và phương pháp sử dụng trong nghiên cứu này sẽ cung cấp những vấn đề cơ bản cho công việc thí nghiệm và nghiên cứu tiếp theo trong tương lai

1.2 Hiện tượng của vụ nổ xảy ra dưới nước

Một vụ nổ thường xảy ra trong môi trường nước hoặc môi trường không khí Luận văn này tập trung vào nghiên cứu vụ nổ xảy ra trong môi trường nước, cụ thể ở đây

là môi trường nước biển Hiện tượng vụ nổ là một phản ứng hóa học, các chất ban đầu sẽ chuyển thành chất khí với nhiệt độ vàáp suất cực kì lớn (khoảng 30000

C và 5000MPa)

Bởi vì nước có thuộc tính động nên khi nghiên cứu một vụ nổ xảy ra dưới nước có thể coi là xem xét một phần của lĩnh vực vật lý đó là thủy động học Đầu tiên vụ nổ dưới nước là một hiện tượng liên quan tới thủy động học, điều này là cần thiết để có thể biểu diễn các quy luật cơ bản của cơ học về dạng toán học Giả thiết thứ nhất rằng môi trường chất lỏng là lý tưởng, tức là ứng suất nhớt và sự truyền nhiệt được

bỏ qua Giả thiết thứ hai là áp suất, vận tốc chất lỏng và nội năng không bị gián đoạn Một số định luật cơ bản áp dụng để nghiên cứu về vụ nổ

1- Định luật bảo toàn khối lượng

 là khối lượng riêng của chất lỏng

4- Mối quan hệ giữa áp suất và khối lượng riêng

được xem xét như: sóng xung kích, sự tạo bọt, bóng khí Các hiện tượng của vụ nổ xảy ra dưới nước có thể được biểu diễn như trong hình 1.1[8]

Hình 1.1 Hiện tượng của vụ nổ xảy ra trong môi trường nước

Một vụ nổ xảy ra dưới nước sẽ dẫn tới hình thành một bong bóng khí với nhiệt độ,

áp suất cao và tạo ra một sóng xung kích lan truyền ra ngoài Khi bong bóng khí nở

ra thì áp lực bên trong sẽ giảm đáng kể cho đến khi thấp hơn áp lực xung quanh Sau khi đạt được bán kính lớn nhất và áp suất bên trong nhỏ hơn đáng kể so với bên ngoài thì bóng khí sẽ bắt đầu co lại Sự co lại này diễn ra cho đến khi nó đạt tới bán kính nhỏ nhất Bởi vì trong giai đoạn này một áp lực lớn lại được tạo ra trong bóng khí nên bóng khí lại nở ra một lần nữa và tạo ra sóng lan truyền hướng ra ngoài lần thứ hai Khi bóng khí nở ra đạt tới bán kính lớn nhất lần thứ hai thì nó lại bắt đầu co lại Chuỗi nở ra và co lại có thể diễn ra nhiều lần đồng thời trong quá trình đó thì bóng khí di chuyển lên phía trên Bóng khí sẽ nở ra và co lại liên tiếp miễn là bóng khí chưa gặp mặt thoáng chất lỏng và mỗi lần nở ra – co lại thì biên độ sẽ giảm dần Quá trình này được mô tả như trong hình 1.2[9]

Hình 1.2 Sự di chuyển của bọt khí và áp suất theo thời gian

Trong nhiều ngành kỹ thuật, nước được coi như không nén được tuy nhiên khi vụ

nổ dưới nước xảy ra thì nước ở quanh khu vực vụ nổ xảy ra đã hơi bị nén lại đó là kết quả của sự tăng áp suất lớn đột ngột khi vụ nổ xảy ra Sóng xung kích làm nén nước xung quanh do sự tăng đột ngột của áp suất và có hướng từ tâm vụ nổ ra môi trường nước xung quanh với vận tốc xấp xỉ vận tốc truyền âm trong nước Mặc dù trong thực tế vận tốc truyền âm trong nước có chút thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ,

áp suất, độ mặn nhưng để thuận tiện trong thiết kế và tính toán phân tích thì nó được chọn là khoảng 1500 m/s [10]

1.3 Mối quan hệ áp suất theo thời gian

Khi vụ nổ dưới nước xảy ra thì gần như ngay lập tức năng lượng nổ sẽ chuyển thành chất khí có nhiệt độ khoảng 30000C và gây ra áp suất khoảng 5000MPa Sóng xung kích lan truyền vào môi trường nước theo dạng hình cầu Khi một vụ nổ dưới nước xảy ra thì điều chúng ta cần quan tâm đó là những ảnh hưởng của nó tới các cẩu trúc nổi hay chìm trong lòng chất lỏng vì vậy áp lực tại một điểm bất kì trong lòng chất lỏng giữa vị trí nổ và cấu trúc là cần phải nắm rõ Vị trí của điểm này

được gọi là “stand-off point” và khoảng cách từ điểm đó tới vị trí của nguồn nổ được gọi là “stand-off distance” Để tiết kiệm thời gian phân tích thì điểm này thường được chọn gần sát hoặc ngay trên bề mặt của cấu trúc mà sóng xung kích sẽ tác động đến đầu tiên [11]

Theo nguyên tắc đồng dạng, nếu các đại lượng của thuốc nổ là tuyến tính và tất cả các kích thước chiều dài khác của hai vụ nổ bị thay đổi theo cùng một tỉ lệ thì sự hình thành sóng xung kích ở những vị trí tương ứng sẽ có áp lực cũng theo tỉ lệ trên Điều này dẫn tới việc có thể dự đoán đơn giản giá trị các thông số của sóng xung kích ở điểm quan sát dựa trên khoảng cách từ nguồn nổ tới điểm quan sát và kích thước cũng như loại thuốc nổ sử dụng [12]

Áp suất tại một điểm bất kì từ tâm vụ nổ được xác định theo công thức sau [9]:

1

A c c

được cho như trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Hằng số vật liệu của một số loại thuốc nổ Hàm f( ) có hai sự lựa chọn tốt nhất là:

Hình 1.3 So sánh phương trình 1.8a và 1.8b với kết quả áp lực đo được

1.4 Sự tạo bóng khí của vụ nổ dưới nước

Như đã nói ở trên, khi một vụ nổ xảy ra nó sẽ tạo ra một sóng xung kích Sóng xung kích này sẽ rời khỏi môi trường chất khí có nhiệt độ và áp suất cao để lan truyền trong môi trường chất lỏng Khối chất khí có áp suất va nhiệt độ cao sẽ tạo ra một bóng khí trong lòng chất lỏng Khối khí này sẽ tiếp tục mở rộng để giảm áp suất trong nó cho đến khi áp suất giảm xuống dưới áp suất thủy tĩnh của nước bao bọc quanh nó Khoảng thời gian xảy ra sự giãn nở của khối khí và bán kính lớn nhất mà bóng khí đạt được thì được tính theo phương trình 1.9 và 1.10 [13]:

trong đó T là khoảng thời gian cho giai đoạn bóng khí nở ra tối đa, a maxlà bán kính lớn nhất của khối bóng khí có thể đạt được, m clà khối lượng của khối thuốc nổ

được tính bằng kg, D là độ sâu của vụ nổ so với mặt thoáng, K5 vàK6 là hằng số đối với từng loại thuốc nổ Giá trịK5vàK6 đối với thuốc nổ HBX-1 cho lần nở ra đẩu tiên là 2.3023 và 3.8196 [13]

Khi bóng khí đã đạt đến bán kính lớn nhất thì nó xuất hiện một áp lực dương giữa bóng khí và môi trường nước xung quanh làm cho khối khí đó bắt đầu bị thu nhỏ lại Thể tích bong bóng sẽ thu nhỏ đến khi áp lực bên trong bóng khí tăng lên đủ lớn

để ngăn chặn sự suy giảm này Tại thời điểm này một áp lực âm lại xuất hiện và nó lại làm cho bong bóng khí nở ra một lần nữa để đạt đến trạng thái cân bằng, bán kính của bong bóng sẽ nhỏ hơn bán kính ban đầu nhưng vẫn lớn hơn so với điểm cân bằng điều này lại làm cho bong bóng bị thu nhỏ lại Trong quá trình nở ra-co lại thì khối bóng khí động thời cũng di chuyển lên phía trên Kết quả của mỗi lần nở ra-

co lại là tạo ra các xung bóng khí ở mỗi lần quá trình trên lặp lại Xung bong bóng đầu tiên sẽ có biên độ tối đa bằng khoảng 10-20% xung của xung xung kích ban đầu [14]

Chuỗi nở rộng-co lại sẽ diễn ra liên tục cho đến khi năng lượng của bóng khí bị mất hết do sự cản nhớt từ môi trường xung quanh hoặc gặp mặt thoáng của chất lỏng Hình 1.4 mô tả quá trình mở rộng-co lại của bóng khí và quá trình nó di chuyển lên phía trên bề mặt thoáng

Hình 1.4 Quá trình phát triển và di chuyển của bóng khí

1.4 Mô hình Geers-Hunter

Geers-Hunter đã đề xuất một mô hình toán học để giải quyết bài toán vụ nổ xảy ra dưới nước như là một bóng khí và bao gồm một giai đoạn sóng xung kích và giai đoạn dao động, với giai đoạn đầu tiên sẽ cung cấp các điều kiện đầu cho giai đoạn thứ hai [9]

Theo như mô hình Geers-Hunter, gia tốc thay đổi thể tích bong bóng khí trong giai đoạn sóng xung kích được cho bởi:

vớia clà bán kính của bóng khí được tạo ra bởi khối lượng thuốc nổ m c f là khối

lượng riêng của nước T c là khoảng thời gian mà chất nổ chuyển thành thể khí K, k,

A và B là các hằng số vật liệu nổ phụ thuộc vào từng loại thuốc nổ Một số tham số

của hai loại vật nổ được cho như trong bảng 1.2:

nằm trong khoảng 3T cvà7T c để chủ yếu tạo ra các phản ứng tương tự trong giai đoạn dao động, điều đó đã được chứng minh bởi Geers và Hunter [9]

Các phương trình chuyển động dưới đây mô tả quá trình phát triển của bong bóng

khí, a và sự di cư của nó lên phía trên, u trong giai đoạn dao động [9]:

Trong các phương trình trên chỉ số g là kí hiệu của chất khí, chỉ số c là kí hiệu của

vật liệu nổ ban đầu, clà khối lượng riêng của thuốc nổ, c f là tốc độ truyền âm

trong chất lỏng, 4 3

3

V  a là thể tích hiện tại của bong bóng khí do vụ nổ tạo ra, K c

là hệ số đoạn nhiệt của vật liệu nổ, V c là thể tích của thuốc nổ,  là hệ số nhiệt dung riêng của chất khí, g là gia tốc trọng trường vàp I  p atmf gD ( vớip atmlà áp

suất khí quyển và D là độ sâu của khối thuốc nổ tính từ tâm tới bề mặt thoáng) C D

là hệ số cản của chất lỏng, hệ số cản này cản trở quá trình di chuyển lên phía trên của bong bóng khí [9]

Theo [9] thì cần có 7 điều kiện đầu như sau: hai điều kiện đầu tiên làa t I a I,

Sử dụng các điều kiện biên ở trên thì các phương trình từ (1.18) đến (1.22) có thể được giải bằng việc sử dụng một phương pháp thích hợp cho phương trình vi phân phi tuyến thường

1.6 Sóng áp lực tại điểm “stand-off” từ mô hình Geers-Hunter

Sóng áp lực được tạo ra trong quá trình phản hồi của bong bóng khí ở điểm off” có thể biểu diễn như sau [15]:

Hình 1.5 Sóng xung kích tới điểm stand-off Cho cả hai giai đoạn sóng xung kích và giai đoạn dao động của bong bóng khí;

1.7 Những ảnh hưởng của sự tạo bọt khí

Sự tạo bọt diễn ra trong nước khi khu vực đó có áp suất tuyệt đối gần như bằng không (khoảng 206.8 Pa) [13] Áp lực âm này là do lực kéo trong nước tạo ra Bởi

vì nước không thể chịu được áp lực này nên nó sẽ bị tách ra hoặc tạo bọt khí Có hai

bộ Bọt khí lớn là một thể tích lớn với áp suất thấp Mặt khác, bọt khí cục bộ là một khu vực nhỏ áp suất thấp và thường thấyở vị trí bề mặt chất lỏng và cấu trúc tương tác với nhau Ảnh hưởng của sự tạo bọt đối với những phản ứng của cấu trúc nổi là rất quan trọng và phải có một mô hình phù hợp để thu được các kết quả chính xác

1.7.1 Sự tạo bọt khí dạng khối

Khi một vụ nổ dưới nước xảy ra thì một sóng áp lực dạng cầu được hình thành Nó lan truyền từ tâm vụ nổ ra môi trường xung quanh theo mọi phương Quá trình lan truyền này được giải thích bằng mô hình 2D và được mô tả trong hình 1.6 [16]

Hình 1.6 Sóng áp lực từ vụ nổ dưới nước ở một điểm trong môi trường chất lỏng Sóng xung kích tới sinh ra từ vật nổ là sóng áp lực nén Nó là sóng mạnh nhất và nó

là sóng đầu tiên đến mục tiêu Ở bề mặt thoáng áp lực nén là rời rạc như một áp lực kéo từ bề mặt phía trên và tổng áp suất tại khu vực này phải bằng không

xứng vật nổ thực qua bề mặt thoáng Do đó các tính toán về tổng áp lực tại điểm mục tiêu đã được xem xét tính toán với cả nguồn nổ, ảnh nổ, áp suất khí quyển và

áp suất thủy tĩnh

Sóng tới đến mục tiêu ở thời điểm t0, ngay sau đó là sự xuất hiện của song ảnh với thời gian trễ một khoảng là t c như trong hình 1.7 Tại thời điểm này sóng xung kích tới đã bị phân rã và xuất hiện các sóng phân tán, bản chất nó là một sóng kéo và áp lực tại điểm quan sát đã bị giảm mạnh Sự tạo bọt sẽ xảy ra nếu sự giảm áp lực này lớn làm cho áp lực nhỏ hơn tổng áp lực tạo bọt khí Để đơn giản thì trong các nghiên cứu thường lấy áp lực giới hạn để tạo bọt của nước nước biển là không

Hình 1.7 Sóng xung kích tới và phản xạ ở điểm quan sát [9]

Xem xét hình 1.8 và các phương trình (1.6) và (1.7) , áp lực tới tại một điểm bất kì trong chất lỏng theo thời gian có thể được biểu diễn như sau:

1 1

1

,

A c

Hình 1.8 Khối lượng hình học trong vụ nổ dưới nước Tổng áp lực tại điểm đích có thể biểu diễn như sau:

A c c

suất dọc phía dưới cấu trúc sẽ mang giá trị âm Bởi vì nước không thể duy trì được sức kéo này nên áp suất nước sẽ giảm tới áp suất khí (khoảng 0 MPa) và sự tạo bọt khí xảy ra Lý thuyết tấm Taylor đã được sử dụng để giải thích hiện tượng tạo bọt khí cục bộ với giả thiết tấm là cứng tuyệt đối (hình 1.9) [17]

Hình 1.9 Tấm Taylor chịu tác dụng của sóng phẳng Tấm chịu tác dụng của một sóng xung kích tớiP t i , sóng này được coi là sóng phẳng khi nó ở xa nguồn nổ Khi sóng tới này tương tác với tấm thì nó sẽ bị phản xạ như là một sóng phẳng P t r( ).Vận tốc các phân tử chất lỏng của sóng xung kích tới

Trong đóP t là tổng áp suất phía sau tấm và m plà khối lượng trên đơn vị diện tích của tấm Đối với sóng một chiều, nó có thể biểu diễn bởi phương pháp D’Alembert với phương trình sóng và phương trình giảm động lượng, áp lực cho sóng xung kích tới và phản xạ được định nghĩa như sau [18]:

A c