Đang tải... (xem toàn văn)
Mục đích 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.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHỊNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ Tơ Đức Thọ NGHIÊN CỨU SỰ LAN TRUYỀN CỦA SĨNG NỔ TRONG NƯỚC VÀ TƯƠNG TÁC CỦA SĨNG NỔ ĐỐI VỚI CHƯỚNG NGẠI CƠNG TRÌNH Chun ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 62.52.01.01 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ BỘ QUỐC PHỊNG 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/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 Qn sự Thư viện Quốc gia MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Từ thực tiễn u cầu phát triển kinh tế biển gắn liền với bảo vệ chủ quyền biển đảo của Tổ quốc đã đặt ra việc xây dựng cơng trình đáp ứng được đủ các u 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 thơng số trên mặt sóng; mơi trường nước chưa được thử nghiệm nước mặn; ảnh hưởng của hình dạng chướng ngại, cơng 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 cơng 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 cơng 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 q trình lan truyền sóng nổ trong mơi 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 tốn, khảo sát số và tìm ra qui luật của q trình tương tác của sóng xung kích nhiễu xạ tổng hợp tác dụng lên các dạng chướng ngại cơng trình dưới nước; Đề xuất giải pháp làm suy giảm sóng xung kích tác dụng vào chướng ngại cơng trình, nhằm nâng cao khả năng chịu tải trọng nổ dưới nước cho chướng ngại cơng trình 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án: Trong luận án tập trung nghiên cứu q 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 ngồi thực địa. Về lý thuyết sử dụng các phương 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 mơ hình, tương đương, thống kê 5. Luận điểm bảo vệ: Luận điểm 1: Các bài tốn 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 hồn tồn có thể xác định Luận điểm 3: Trong điều kiện địa chất, mơi trường nước ở một số đảo thuộc quần đảo Trường Sa, có thể xây dựng được hệ thống cơng thức thực nghiệm xác định tham số sóng nổ dưới nước phù hợp với các yếu tố với mơi 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 cơng tác nổ dưới nước Chương 2: Cơ sở lý thuyết về nổ trong mơi 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 mơi trường nước biển Kết luận: Trình bày những đóng góp mới của luận án và kiến nghị Chương 1: TỔNG QUAN Tổng quan về cơng 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 khơng chỉ trong qn mà còn trong rất nhiều ngành kinh tế quốc dân, với các dạng nổ khác nhau. Để thuận tiện trong tính tốn, 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, cơng trình dưới nước Có các cách phân loại: Theo hình dạng; Theo chất liệu chướng ngại; Theo cơng dụng sử dụng chướng ngại, cơng 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 q trình vật lý, cơ học xảy ra khi nổ trong mơi trường nước, như q trình hình thành và lan truyền sóng đập thuỷ lực, q trình dãn nở và chuyển động của buồng sản phẩm nổ kèm theo việc xác định các thơng số đặc trưng cho các q trình này. Điển hình nghiên cứu theo hướng này có các nhà khoa học Nga tiếng 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 q trình tương tác phá hủy trực tiếp đáy nước bằng các lượng nổ đặt ngồi, 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 cơng trình dưới nước. Hướng nghiên cứu này là cơ sở để tính tốn thiết kế các lượng nổ phá huỷ các đối tượng dưới nước, hay tính tốn cơng trình, phương tiện chịu tác động của tải trọng nổ, cũng như phục vụ tính tốn thiết kế an tồn 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 cơng trình nghiên cứu đều đưa ra các thơng số đặc trưng trên bề mặt sóng xung kích có dạng tổng qt: 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 mơi trường đất đá và khơng khí là: các thơng số đặc trưng cho mặt sóng xung kích đều tn theo qui luật đồng dạng của Xeđop và M.A.Xađovski… Khi đó các cơng 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 cơng thức xác định các thơng 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) 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 cơng thức tính áp suất lớn mặt sóng xung kích lan truyền nước 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 cơng thức đề cập đến q trình vật lý cơ học xảy ra khi nổ trong mơi trường nước, các q 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 u 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 q 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 thơng số trên mặt sóng xung kích dưới nước trong điều kiện biển với nền trầm tích san hơ 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 q trình tương tác của sóng xung kích dưới nước khi khơng 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 cơng 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 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 tốn 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 mơi trường nước 2.1.1. Q trình hình thành phát triển bóng khí và sóng xung kích khi nổ dưới nước Nổ trong mơi 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. Q trình giãn nỡ bóng khí chụp được như hình 2.2 và biến thiên áp suất tại một điểm cố định trong khơng gian khi mặt sóng xung kích đi qua được thể hiện như hình 2.3 Hình 2.2. Ảnh chụp q trình giãn nở bóng khí trong mơi trường nước Hình 2.3. Biểu đồ mơ phỏng biến thiên áp suất tại một điểm cố định trong khơng gian khi mặt sóng xung kích đi qua 2.1.2. Qui luật về sự phát triển của bóng khí nổ trong mơi trường nước Trình bày các nghiên cứu về bán kính bóng khí cực đại; quy lṭ phát triển và chun đơng cua bong khi; chu ky dao đơng 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 trun song xung kích trong mơi 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 2.2. Ảnh hưởng của mặt thống và mặt đáy đến sóng xung kích trong mơi trường nước 2.2.1. Ảnh hưởng của mặt thống đến sóng xung kích 10 Hình 2.5. Sơ đồ xác định sự ảnh hưởng của mặt thống 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 thống khơng ảnh hưởng đến các tham số của sóng xung kích. Nếu Kmt