- Para el iniciador pirotécnico, consulte Detonador de tubo de choque
El tubo de choque es un instrumento que se utiliza para replicar y dirigir ondas expansivas a un sensor o modelo con el fin de simular explosiones reales y sus efectos, generalmente a menor escala. Los tubos de choque (y las instalaciones de impulso relacionadas, como túneles de choque, tubos de expansión y túneles de expansión) también se pueden utilizar para estudiar el flujo aerodinámico bajo una amplia gama de temperaturas y presiones que son difíciles de obtener en otros tipos de instalaciones de prueba. Los tubos de choque también se utilizan para investigar fenómenos de flujo compresible y reacciones de combustión en fase gaseosa . Más recientemente, los tubos de choque se han utilizado en la investigación biomédica para estudiar cómo las ondas expansivas afectan a las muestras biológicas. [1] [2]
Una onda de choque dentro de un tubo de choque puede ser generada por una pequeña explosión (impulsada por explosión) o por la acumulación de altas presiones que hacen que los diafragmas exploten y una onda de choque se propague por el tubo de choque (impulsada por gas comprimido) .
Historia
Un estudio temprano de los tubos de choque impulsados por compresión fue publicado en 1899 por el científico francés Paul Vieille , aunque el aparato no se llamó tubo de choque hasta la década de 1940. [3] En la década de 1940, el interés revivió y los tubos de choque se utilizaron cada vez más para estudiar el flujo de gases que se movían rápidamente sobre los objetos, la química y la dinámica física de las reacciones de combustión en fase gaseosa. En 1966, Duff y Blackwell [4] describieron un tipo de tubo de choque impulsado por explosivos de alta potencia. Estos tenían un diámetro de 0,6 a 2 my una longitud de 3 a 15 m. Los propios tubos se construyeron con materiales de bajo costo y produjeron ondas de choque con presiones dinámicas máximas de 7 MPa a 200 MPa y duraciones de unos pocos cientos de microsegundos a varios milisegundos.
Tanto los tubos de choque impulsados por compresión como los impulsados por explosión se utilizan actualmente para aplicaciones científicas y militares. Los tubos de choque impulsados por gas comprimido se obtienen y mantienen más fácilmente en condiciones de laboratorio; sin embargo, la forma de la onda de presión es diferente a la de una onda expansiva en algunos aspectos importantes y puede no ser adecuada para algunas aplicaciones. Los tubos de choque impulsados por explosiones generan ondas de presión que son más realistas que las ondas expansivas de campo libre. Sin embargo, requieren instalaciones y personal experto para el manejo de explosivos de alta potencia. Además, además de la onda de presión inicial, sigue un efecto de chorro causado por la expansión de gases comprimidos (impulsados por compresión) o la producción de gases en rápida expansión (impulsados por explosiones) y puede transferir impulso a una muestra después de que la onda expansiva haya pasado. . Más recientemente, se han desarrollado tubos de choque a escala de laboratorio impulsados por mezclas de aire y combustible que producen ondas expansivas realistas y se pueden operar en instalaciones de laboratorio más comunes. [5] Debido a que el volumen molar de gas es mucho menor, el efecto de chorro es una fracción del de los tubos de choque impulsados por gas comprimido. Hasta la fecha, el tamaño más pequeño y las presiones máximas más bajas generadas por estos tubos de choque los hacen más útiles para pruebas preliminares no destructivas de materiales, validación de equipos de medición como transductores de presión de alta velocidad y para investigación biomédica, así como para aplicaciones militares.
Operación
Un tubo de choque simple es un tubo, rectangular o circular en sección transversal, generalmente construido de metal, en el que un gas a baja presión y un gas a alta presión se separan usando alguna forma de diafragma . Véanse, por ejemplo, los textos de Soloukhin, Gaydon y Hurle y Bradley. [6] [7] [8] El diafragma se abre repentinamente bajo condiciones predeterminadas para producir una onda que se propaga a través de la sección de baja presión. El choque que eventualmente se forma aumenta la temperatura y la presión del gas de prueba e induce un flujo en la dirección de la onda de choque. Se pueden realizar observaciones en el flujo detrás del frente incidente o aprovechar los tiempos de prueba más largos y las presiones y temperaturas enormemente mejoradas detrás de la onda reflejada.
El gas de baja presión, denominado gas impulsado, se somete a la onda de choque. El gas de alta presión se conoce como gas conductor. Las secciones correspondientes del tubo también se denominan secciones motrices y motrices. El gas conductor generalmente se elige para que tenga un peso molecular bajo (por ejemplo, helio o hidrógeno ) por razones de seguridad, con alta velocidad de sonido , pero puede estar ligeramente diluido para "adaptar" las condiciones de la interfaz a lo largo del choque. Para obtener los choques más fuertes, la presión del gas impulsado está muy por debajo de la presión atmosférica ( se induce un vacío parcial en la sección impulsada antes de la detonación).
La prueba comienza con el estallido del diafragma. [9] Se utilizan comúnmente varios métodos para reventar el diafragma.
- A veces se usa un émbolo accionado mecánicamente para perforarlo o se puede usar una carga explosiva para reventarlo.
- Otro método consiste en utilizar diafragmas de plástico o metales para definir presiones de ruptura específicas. Los plásticos se utilizan para las presiones de ruptura más bajas, el aluminio y el cobre para niveles algo más altos y el acero dulce y el acero inoxidable para las presiones de ruptura más altas. [10] Estos diafragmas se marcan con frecuencia en un patrón en forma de cruz a una profundidad calibrada para asegurar que se rompan uniformemente, contorneando los pétalos de modo que la sección completa del tubo permanezca abierta durante el tiempo de prueba.
- Otro método más para romper el diafragma utiliza una mezcla de gases combustibles, con un iniciador diseñado para producir una detonación en su interior, produciendo un aumento repentino y brusco de lo que puede ser o no un impulsor presurizado. Esta onda expansiva aumenta la temperatura y la presión del gas impulsado e induce un flujo en la dirección de la onda de choque, pero a menor velocidad que la onda principal.
El diafragma que estalla produce una serie de ondas de presión , cada una de las cuales aumenta la velocidad del sonido detrás de ellas, de modo que se comprimen en un choque que se propaga a través del gas impulsado. Esta onda de choque aumenta la temperatura y la presión del gas impulsado e induce un flujo en la dirección de la onda de choque, pero a una velocidad menor que la onda principal. Simultáneamente, una onda de rarefacción , a menudo denominada onda de Prandtl-Meyer, regresa al gas impulsor.
La interfaz, a través de la cual se produce un grado limitado de mezcla, separa los gases impulsados y impulsores se denomina superficie de contacto y sigue, a menor velocidad, la onda principal.
Un 'tubo de choque químico' implica separar los gases impulsores y conducidos por un par de diafragmas diseñados para fallar después de demoras predeterminadas con un 'tanque de descarga' final de sección transversal muy aumentada. Esto permite una reducción extremadamente rápida (enfriamiento) de la temperatura de los gases calentados.
Aplicaciones
Además de las mediciones de las tasas de cinética química , se han utilizado tubos de choque para medir las energías de disociación y las tasas de relajación molecular [11] [12] [13] [14], se han utilizado en pruebas aerodinámicas. El flujo de fluido en el gas impulsado se puede utilizar mucho como un túnel de viento , permitiendo temperaturas y presiones más altas en el mismo [15] que replican las condiciones en las secciones de turbina de los motores a reacción . Sin embargo, los tiempos de prueba están limitados a unos pocos milisegundos, ya sea por la llegada de la superficie de contacto o por la onda de choque reflejada.
Se han desarrollado aún más en túneles de choque , con una boquilla y un tanque de descarga adicionales . El flujo hipersónico de alta temperatura resultante se puede utilizar para simular el reingreso atmosférico de naves espaciales o naves hipersónicas, nuevamente con tiempos de prueba limitados. [dieciséis]
Los tubos de choque se han desarrollado en una amplia gama de tamaños. El tamaño y el método de producción de la onda de choque determinan el pico y la duración de la onda de presión que produce. Por lo tanto, los tubos de choque pueden usarse como una herramienta para crear y dirigir ondas expansivas a un sensor u objeto con el fin de imitar explosiones reales y el daño que causan en una escala menor, siempre que tales explosiones no involucren temperaturas elevadas. y metralla o escombros voladores. Los resultados de los experimentos con tubos de choque se pueden utilizar para desarrollar y validar un modelo numérico de la respuesta de un material u objeto a una onda expansiva ambiental sin metralla ni escombros voladores. Los tubos de choque se pueden usar para determinar experimentalmente qué materiales y diseños serían los más adecuados para el trabajo de atenuar las ondas expansivas ambientales sin metralla o escombros voladores. Los resultados pueden luego incorporarse en diseños para proteger estructuras y personas que podrían estar expuestas a una onda expansiva ambiental sin metralla o escombros voladores. Los tubos de choque también se utilizan en la investigación biomédica para averiguar cómo los tejidos biológicos se ven afectados por las ondas expansivas.
Existen alternativas al clásico tubo de choque; para experimentos de laboratorio a muy alta presión, también se pueden crear ondas de choque utilizando láseres de pulso corto de alta intensidad. [17] [18] [19] [20]
Ver también
- Túnel de viento hipersónico
- Pistola de gas ligero
- Tubo de Ludwieg
- Ventilador de expansión
- Detonador de tubo de choque
- Onda de choque
- Túnel de viento supersónico
Referencias
- ^ Cernak, Ibolja (2010). "La importancia de la respuesta sistémica en la patobiología del neurotrauma inducido por blastos" . Fronteras en neurología . 1 : 151. doi : 10.3389 / fneur.2010.00151 . PMC 3009449 . PMID 21206523 .
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enlaces externos
- Página del tubo de choque RPI
- Calculadora de tubo de choque
- Diagrama xt del tubo de choque
- Grupo de tubo de choque de alta presión