بخشی از مقاله
خلاصه
انفجار زیر آب و اثر آن بر سازه های ثابت، غوطه ور و شناور اطراف آن، یکی از مسایل مهم در مهندسی هیدرولیک می باشد. رفتاری که سیال از خود ارائه می دهد اصولاً به فاصله سازه از سطح آزاد بستگی دارد. پدیده های جانبی از انفجار در زیر آب شامل جت حباب، جت آب، کاویتاسیون و آثار سطحی می باشند که هر کدام از این عوامل می تواند مخرب بر روی سازه های دریایی باشند. وقتی با مسائلی همچون سازه های غوطه ور نظیر شناورها و سازه های دریایی و غیره در امواج ناشی از شوک انفجار و زیر سطح آزاد روبرو هستیم می توان با استفاده از روش های اجزا محدود اویلری، لاگرانژی یا روش های ترکیبی اویلر و لاگرانژی به بیان مدل سیستم درگیر پرداخت.
اما از آنجا که تشکیل این فرمول ها و گسسته سازی مکانی و زمانی آنها بسیار پیچیده و نیازمند حجم حافظه بسیار بالایی می باشد همواره با علاقه کمتری برای استفاده از این فرمولاسیون بین محققان و اساتید دانشگاهی روبرو بوده است کهعموماً فرضیاتی در جهت ساده سازی انفجار در نظر می گیرند. در این مقاله به بررسی روش های عددی و تجربی متعددی که به منظور تخمین فشار و ضربه ناشی از انفجار در زیر آب برای مسائلی همچون سازه های دریایی و سکوهای شناور نفتی در معرض امواج ناشی از شوک انفجار و زیر سطح آزاد که می توان با استفاده از روش های اجزاء محدود یا روش های ترکیبی به کاربرد پرداخته شده است و دقت و کارایی هر کدام از اینروش ها را بیان می کند و نهایتاً روش های اجزاء محدود به علت استفاده از توابع شکل محلی برای تحلیل اندرکنش و هیدرودینامیکی آب بر روی سازه های دریایی ناشی از انفجار در زیر آب در شرایط مختلف مناسب تر
دیده شد.
کلمات کلیدی: انفجار زیر آب، سازه های دریایی، روش های عددی و تجربی، عوامل مخرب
1. مقدمه
موضوع انفجار زیر آب مورد مطالعه تجربی و تحلیلی بسیاری از زمان جنگ جهانی دوم به بعد قرار گرفته است. این مساله یکی از انواع اندرکنش آب و سازه بوده و دارای کاربرد های بسیاری در انواع مسایل داخلی و خارجی می باشد. مسایل داخلی شامل سیال احاطه شده توسط یک محفظه انعطاف پذیر نظیر تانکرها، مخازن تحت فشار و لوله ها در معرض اغتشاشات بیرونی نظیر امواج زمین لرزه و امواج شوک و مسایل خارجی نظیر سازه های غوطه ور و شناور مانند سکوها و ... از انفجار زیر آب استفاده شده است. از طرفی اثر انفجار بر روی گونه های سازه های دریایی نیز مورد مطالعه قرار گرفته است.[9] برای اینکه بتوان خسارات وارده را به منافع ملی و تاسیسات حیاتی کشوری کاهش داد تحلیل دقیق این پدیده یک ضرورت تلقی می شود.[9]
پدیده انفجار زیر آب را می توان در دو محدوده زمان نزدیک و زمان دور بررسی نمود. در زمان نزدیک اولین موج ضربه ای تشکیل شده و در آب منتشر می شود و در زمان دور نوسان حباب و اثر انعکاس امواج از مرزهای صلب و سطح آزادظاهر می شود. احتراق ماده منفجره از یک یا چند ثانیه بنام نقاط دتونیشن - Detonation Point - شروع شده و با سرعتی به نام سرعت دتونیشن - Detonation Velocity - ماده منفجره را تبدیل به گاز پر فشار می نماید. پس از احتراق کامل ماده منفجره محصولات گازی شروع به انبساط می کنند و بر محیط اطراف اثر می گذارند در محیط آب، گاز تشکیل شده با انبساط خود یک موج ضربه ای ایجاد می نماید و متعاقباً در محدوده زمان دور حباب تشکیل شده حول شعاع تعادلی نوسان می نماید که ساده ترین فرض برای حرکت حباب، نوسان در عمق ثابت بدون حرکت انتقالی به سمت بالا است.[9] همچنین در بررسی پدیده انفجار در زیر آب می توان از نظر مکان، نواحی مختلف تعریف نمود. که معادلات حاکم بر هر ناحیه به شکل خاصی تبدیل می شوند. این نواحی مطابق شکل زیر می توان نشان داد:[1] ناحیه:1 ماده منفجره و حباب ناشی از آب. ناحیه2جابجایی: سیال بزرگ بوده و رفتار سیال کاملاً غیر خطی است. ناحیه:3 جابجایی سیال کوچک بوده ولی ابتدا سیال رفتار ضربه ای و سپس رفتار آکوستیکی دارد. ناحیه 4رفتار: سیال کلاً آکوستیکی است.
2. عوامل ایجاد شده بر اثر انفجار در زیر آب
جت حباب: وقتی حباب پر فشار شروع به انبساط می کند بدلیل سرعت و اینرسی زیاد توده گاز داخل حباب به سمت خارج، آب اطراف حباب نمی تواند توده گاز در حال انبساط را بطور کامل مهار کند، بنابراین مقداری گاز از مرز بین آب و حباب عبور کرده و کاملاً داخل آب می شود. این گازها بصورت حباب های کوچک و بزرگ و نامنظم در اطراف حباب اصلی و در حال دور شدن از آن دیده می شوند. به این پدیده، جت حباب می گویند.[2] جت آب: با شروع انقباض حباب، بخصوص در انقباض های اولیه، بعلت سرعت و اینرسی زیاد آب اطراف حباب به سمت داخل و همچنین توربولانس های شدید، مقداری از آب مجاور دیواره حباب، وارد حباب می شود که به این پدیده جت آب می گویند. این پدیده با عث می شود که نتوان مرز مشخصی بین حباب و آب تعیین کرد.[2] کاویتاسیون: شوک متحرک به سیال پس از خود سرعت القاء می کند.
این سرعت القایی به قدرت شوک و ماده ای که شوک در آن حرکت می کند، بستگی دارد. در اولین انبساط حباب که قویترین موج فشاری - شوک - متحرک را تولید می کند، سرعت القاء شده به آب در نزدیکی حباب قابل توجه است و به دلیل حرکت آب به سمت خارج و دور شدن آن از حباب، فشار در نزدیکی حباب کاهش چشمگیری می یابد و این افت فشار می تواند باعث تبخیر آب گردد - شکل. - 2 اگر قدرت انفجار زیاد باشد پدیده کاویتاسیون و تبخیر تا فاصله دورتری از حباب می تواند رخ دهد. اما شوک با دور شدن از حباب ضعیف می گردد و متناسب با آن سرعت القایی به آب نیز کاهش می یابد، به همین دلیل در فواصل دور از حباب که شوک ضعیف است، پدیده کاویتاسیون قدرت ایجاد منطقه کم فشار و تبخیر آب را ندارد. بررسی کامل پدیده کاویتاسیون و تبخیر به جریان دو فازی مربوط می شود.2]و[3
3. بررسی آزمایشگاهی انفجار در زیر آب
در سال Ellis 1965، پارامترهای موثر در کاویتاسیون بر اثر انفجار زیر آب و در سال Price 1979، معادلات تشابه را برای انفجارات زیر آب مطرح نمود و در سال Blake 1987 و Gibson به بررسی حباب های کاویتاسیون در نزدیکی مرزها پرداختند.[2] مهمترین کار در این زمینه را کول در سال 1987 انجام داد که به بررسی انفجار زیر آب بصورت تئوری و آزمایشگاهی برای ماده کروی و استوانه ای پرداخت و نتایج آزمایشگاهی او را مهمترین نتایج تجربی در این زمینه دانست. در ادامه یکی از روابط تجربی که در زمینه انفجار در زیر آب بدست آمده است مطرح می شود. بعلت نوسان حباب در انفجار زیر آب در روابط تجربی معمولاً از ماکسیمم شعاع حباب بعنوان مرز آب و سیال استفاده می شود. اگر انفجار در عمق زیاد حادث شود بطوریکه حباب گاز شکسته نشود، ماکزیمم شعاع حباب R0 بر حسب متر طبق رابطه بیارنهولت از رابطه زیر بدست می آید:4]،2و[5
