Αριθμητική προσομοίωση μη ελεγχόμενης έκρηξης και διάδοση του ωστικού κύματος

Ο Μηχανικός Μεταλλείων Msc – Υποψήφιος Διδάκτωρ Γιώργος Πιπερίδης περιγράφει στο νέο τεύχος του Εργοληπτικού Βήματος Νο_142 το φαινόμενο της ξαφνικής απελευθέρωσης ενέργειας που συνοδεύεται από τη διάδοση του ωστικού κύματος, στο χώρο και στο χρόνο, με κύριο χαρακτηριστικό την έντονη μεταβολή της πίεσης του αέρα.

Επιβλέπων καθηγητής: Μίλτων Δημοσθένους. Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών Πανεπιστημίου Fredrick, Λευκωσία, Κύπρος.

Σύμφωνα με στοιχεία σχετικής έρευνας, το 6% των ατυχημάτων μεγάλης κλίμακας που συμβαίνουν στην Ευρωπαϊκή Ένωση αφορούν ατυχήματα με εκρηκτικά και πυροτεχνήματα (σχήμα 1 ). Τα κύρια χαρακτηριστικά αυτών των ατυχημάτων είναι η μη ελεγχόμενη έκρηξη και η απρόβλεπτη διάδοση του ωστικού κύματος με τεράστιες κοινωνικές, οικονομικές και περιβαλλοντικές συνέπειες συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπινων θυμάτων καθώς και τις καταστροφές σε κατασκευές και έργα υποδομής.

Τα πιο πάνω προβλήματα εκδηλώθηκαν κατά καιρούς τόσο στην Κύπρο όσο και στην Ελλάδα, με προεξάρχουσα την περίπτωση της έκρηξης στην Ναυτική Βάση στο Μαρί το 2011 με τεράστιες συνέπειες όπως, μεταξύ άλλων, ανθρώπινα θύματα, την πλήρη  καταστροφή του γειτνιάζοντα Ηλεκτροπαραγωγικού Σταθμού της Αρχής Ηλεκτρισμού Κύπρου και την πρόκληση ζημιών σε κτήρια οικισμών της ευρύτερης περιοχής.

Το φαινόμενο της έκρηξης προκύπτει από την ξαφνική απελευθέρωση ενέργειας. Η απελευθέρωση,  είναι ξαφνική και συμβαίνει τόσο γρήγορα με αποτέλεσμα να υπάρχει τοπική συσσώρευση ενέργειας στο σημείο της έκρηξης. Αυτή η συσσωρευμένη ενέργεια στη συνέχεια διαχέεται ξαφνικά με διάφορους τρόπους, όπως σε ωστικά κύματα ή ίσως με θερμική ή ιονίζουσα ακτινοβολία. Η σημασία της ταχύτητας απελευθέρωσης ενέργειας μπορεί να απεικονιστεί λαμβάνοντας υπόψη τον πεπιεσμένο αέρα σε ένα πνευματικό ελαστικό (σχήμα 2).

Το μέγεθος μιας έκρηξης καθορίζεται από την ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται. Αυτό μπορεί να εκφραστεί απευθείας σε μονάδες ενέργειας όπως joules. Είναι αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ότι η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την έκρηξη της εκρηκτικής ύλης  TNT, ανέρχεται περίπου στις 4610 joules ανά γραμμάριο (J / g). Το ΤΝΤ είναι μία χημική εκρηκτική ουσία που χρησιμοποιείτε για την κατασκευή διαφόρων εκρηκτικών υλών ή συμμετέχει σε αυτές καθώς επίσης χρησιμοποιείτε από την επιστημονική κοινότητα ως σημείο αναφοράς  για τον καθορισμό επιπλέον χαρακτηριστικών μιας χημικής εκρηκτικής ύλης όπως είναι η εκρηκτική ισχύς.

Η εκρηκτική ισχύς μιας χημικής εκρηκτικής ύλης εκφράζει το μέγεθος της έκρηξής της σε σχέση με το μέγεθος της έκρηξης για την ίδια ποσότητα TNT. Η εκρηκτική ισχύς εκφράζεται συνήθως ως ποσοστό και μπορεί να προσδιοριστεί απευθείας από μετρήσεις πεδίου σε κύματα έκρηξης και από εργαστηριακές δοκιμές. Μία από αυτές τις συμβατικές εργαστηριακές δοκιμές είναι η δοκιμή μπλοκ Trauzl όπου γίνετε μέτρηση της διαστολής που προκαλείται από έκρηξη που περιέχεται μέσα σε ένα μπλοκ μολύβδου ή αλουμινίου. Όσο μεγαλύτερη είναι η εκρηκτική απελευθέρωση ενέργειας, τόσο μεγαλύτερη είναι η διαστολή που προκαλεί.

Υπάρχουν δύο μηχανισμοί, με τους οποίους η ενέργεια που απαιτείται για την ενεργοποίηση της αντίδρασης έκρηξης, μπορεί να μεταφερθεί από υλικό που έχει εκραγεί σε υλικό που δεν έχει εκραγεί. Ένα, κυρίως μηχανικής φύσης, δρα μέσω δυνάμεων πίεσης σοκ. Ο προκύπτων αντίκτυπος στα γειτονικά υλικά αποτελεί τη βάση για τον μηχανισμό έκρηξης. Εκρηκτικά όπως το TNT που εκρήγνυνται με αυτόν τον μηχανισμό ονομάζονται «εκρηκτικά έκρηξης» ή «υψηλά εκρηκτικά».

Η αποσύνθεση ενός εκρηκτικού από τη διαδικασία έκρηξης προχωρά πολύ γρήγορα λόγω της πολύ γρήγορης μετάδοσης των σχετικών μηχανικών δυνάμεων. Τέτοια μηχανικά φαινόμενα είναι σχετικά ανεξάρτητα από τις εξωτερικές συνθήκες. Έτσι, οι εκρήξεις είναι σχετικά ανεξάρτητες από τις συνθήκες περιβάλλοντος, αλλά είναι αρκετά ευαίσθητες στην πυκνότητα του εκρηκτικού. Οι ταχύτητες έκρηξης είναι πάντα μεγαλύτερες από την ταχύτητα του ήχου, γιατί η αύξηση της πίεσης σε μια έκρηξη είναι πολύ μεγαλύτερη από την απειροελάχιστη αύξηση της πίεσης που σχετίζεται με ένα ηχητικό κύμα.

Ένας δεύτερος μηχανισμός διάδοσης μιας  έκρηξης σε ένα εκρηκτικό είναι λόγο θερμότητας. Εδώ το υλικό που περιβάλλει μια αρχική θέση έκρηξης θερμαίνεται πάνω από τη θερμοκρασία αποσύνθεσής του, έτσι ώστε αυτό να εκρήγνυται. Εκρηκτικά, όπως τα προωθητικά παρουσιάζουν αυτόν τον μηχανισμό έκρηξης, είναι γνωστά ως «εκρηκτικά ανάφλεξης» ή «χαμηλά εκρηκτικά». Η μεταφορά ενέργειας με θερμικά μέσα μέσω διαφοράς θερμοκρασίας είναι μια σχετικά αργή διαδικασία και εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από εξωτερικές συνθήκες όπως η πίεση περιβάλλοντος. Οι ταχύτητες, ωστόσο, είναι πάντα υποηχητικές, δηλαδή είναι πάντα μικρότερες από την ταχύτητα του ήχου στο εκρηκτικό.

Μια έκρηξη συνοδεύεται από τη διάδοση του ωστικού κύματος, στο χώρο και στο χρόνο, με κύριο χαρακτηριστικό την έντονη μεταβολή (αυξομείωση) της πίεσης του αέρα (σχήμα 3). Το πρόβλημα αυτό καθώς και οι συνέπειες του στον άνθρωπο, το φυσικό και δομημένο περιβάλλον αποτελούν αντικείμενα συστηματικής έρευνας κυρίως σε προηγμένες και υπό-ανάπτυξη χώρες όπου ο κίνδυνος από τέτοιες εκρήξεις βαίνει συνεχώς αυξανόμενος λόγω κυρίως της τεχνολογικής και οικονομικής ανάπτυξης και της ευρείας χρήσης ουσιών οι οποίες μπορεί να καταστούν εν δυνάμει εκρηκτικές ύλες. Οι αριθμητικές εκφράσεις που περιγράφουν τέτοια προβλήματα έχουν σχετικούς περιορισμούς και δυσκολίες στην εφαρμογή τους για περιπτώσεις σύνθετων προβλημάτων. Γι’ αυτό, τις τελευταίες δεκαετίες έχουν αναπτυχθεί και αριθμητικές μέθοδοι προσομοίωσης καθώς και κατάλληλα λογισμικά για σκοπούς μελέτης και έρευνας αυτών των φαινομένων, ικανά να προσομοιώσουν τόσο μια έκρηξη όσο και τη διάδοση του ωστικού κύματος στο χώρο και το χρόνο αλλά και να εκτιμήσουν τις συνέπειες του στον άνθρωπο και το περιβάλλον. (σχήμα 4 και σχήμα 5)

Για να μπορέσει να γίνει κατανοητό το φαινόμενο της έκρηξης απαιτούνται πολύπλοκες μαθηματικές εξισώσεις. Η πολυπλοκότητα των μαθηματικών εξισώσεων απαιτεί τη χρήση εξιδεικευμένου  λογισμικού έτσι ώστε τα δεδομένα που θα εισαχθούν (έκρηξη, υπερπίεση, διασπορά νέφους ατμών κλπ) , να αναλυθούν και να επεξεργαστούν καλύτερα και η παρουσίαση των αποτελεσμάτων να είναι πιο λεπτομερής και πιο κατανοητή.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή, η οποία εκπονείται με υποτροφία του Πανεπιστημίου Frederick, έχει ως κύριους στόχους:

1. Την υπολογιστική προσομοίωση των εκρήξεων και της διάδοσης του ωστικού κύματος για διάφορα είδη και ποσότητες εκρηκτικών υλών με τη χρήση κατάλληλων λογισμικών.
2. Τη διερεύνηση της επιρροής της τοπογραφίας στη διάδοση του ωστικού κύματος.
3. Την εκτίμηση των συνεπειών στον άνθρωπο, το φυσικό και το δομημένο περιβάλλον για διάφορα σενάρια εκρήξεων.
4. Τη διατύπωση προτάσεων προληπτικών μέτρων τα οποία θα μπορούσαν να συμβάλουν στη μείωση των πιο πάνω συνεπειών και την εναρμόνιση αυτών των εισηγήσεων στο πλαίσιο των σχετικών διατάξεων ευρωπαϊκών προτύπων.

πηγή: Εργοληπτικόν Βήμα Νο_142 της ΠΕΣΕΔΕ

 Ακολουθήστε το gobhma.gr στο Google News για να έχετε έγκαιρη & έγκυρη τεχνική ενημέρωση