автореферат диссертации по инженерной геометрии и компьютерной графике, 05.01.01, диссертация на тему:Метод расчета цилиндрических отражателей взрывных волн для тушения лесных пожаров

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МЕТОД РОЗРАХУНКУ ЦИЛІНДРИЧНИХ ВІДБИВАЧІВ ВИБУХОВИХ ХВИЛЬ ДЛЯ ГАСІННЯ ЛІСОВИХ ПОЖЕЖ

Спеціальність 05.01.01 -Прикладна геометрія, інженерна графіка

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РГ6 05 2 ‘і 0!!Т НМ

РЕВА Григорій Васильович

УДК 515.2+614.8

Донецьк - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському інституті пожежної безпеки Міністерства внутрішніх справ України

Науковий керівник: - доктор технічних наук, професор Куценка Леонід Миколайович, професор кафедри пожежної техніки, Харківський інститут пожежної безпеки МВС України;

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Скиоап Іван Андрійович, завідувач кафедри нарисноі геометрії та інженерної графіки,

Донецький державний технічний університет;

- кандидат технічних наук, доцент Дворецький Олександр Тшюфіштич,

. доцент кафедри нарисної геометрії і графіки,

Кримська академія природоохоронного і курортного будівництва (м. Сімферополь)

Провідна установа: Таврійська державна агротехнічна академія,

кафедра прикладної математики і обчислювальної техніки,

Міністерство агропромислового комплексу України (м. Мелітополь)

Захист відбудеться «/Р» Ж О 6/7)Н Я 2000 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.052.04 в Донецькому державному технічному університеті за адресою:

83000, Донецьк - 00, вул. Артема 58, корпус 6, ауд. 6,202 З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького державного , технічного університету за адресою:

83000, Донецьк - 00. вул, Артема 58, корпус 2

Автореферат розісланий « Я-їЛі/жня-

2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Івчснко Т.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Лісовий фонд .України становить близько 7,7 млн. гектарів. Щорічно в Україні виникає понад 3 тис. лісових пожеж. Один із методів гасіння пожеж базується на застосуванні ударних вибухових хвіаь. Проте, при вільному вибуху тільки частина енергії ударної хвилі йде безпосередньо на збивання полум’я. Інша ж частина надходить у навколишнє середовище, завдаючи йому іноді чималої додаткової шкоди. Для забезпечення максимального ефекту від вибуху на практиці використовують спеціальні відбивачі. Тоді ударна хвиля, яка діє на пожежу, буде сумою прямої й відбитої від екрана хвилі, що підвищує ефективність дії вибулу в зоні піролізу лісової пожежі Крім того, застосування відбивачів дозволяє зменшиш потужність зарядів, що робить вибухи екологічно безпечними.

При гасінні лісових пожеж направленими вибухами зараз застосовують відбивачі, що мають форму площини або двогранного кута. Одним зі шляхів підвищення ефективності дії відбивачів ударних хвиль є «удосконалення» їх геометричної форми. В технічних впровадженнях, звичайно, застосовуються параболічні відбивачі (наприклад, «тарілки» супутникових телевізійних антен). Але для лісового пожежогасіння такі відбивачі мало придатні, адже їх складно оперативно виготовляти і доставляти до місця використання.

Тому актуальною є розробка нового класу відбивачів з високими фокусуючими характеристиками, які можна виготовити па місці використання. В дисертаційній роботі запропоновано конструкцію та метод розрахунку циліндричного відбивача, утвореного шляхом пружного згину подовжніми силами металевого листа прямокутної форми. З курсу опору матеріалів відомо, шо в результаті згину профіль циліндра набуде форми синусоїди. Звідси виникає задача розрахунку циліндричних відбивачів на основі вивчення «оптичних» властивостей синусоїди.

Значний вклад в методи розрахунку відбивальних систем зробили О.Л.Підгорний та його учні: І.В.Волошина, О.Т.Дворецький, І.І.Коваленко, М.І.Снісаренко, Б.І.Черніков та ін. Суміжні з цим питання розглядали В.О.Анпілогова, В.В.Ванін, С.М.Коваїьов, В.Є.Михайленко, В.М.Найдиш, В.С.Обухова, А.В.Павлов, Н.І.Седлецька, І.А.Скидан та ін. Однак, в проведених дослідженнях не було створено наскрізне інформаційне забезпечення проектування відбивальних систем. Зокрема, це стосується і циліндричних синусоїдальних поверхонь, призначених для формування направлених вибухових хвиль. Причиною була відсутність математичних процесорів, що дозволяють провадити дослідження на аналітичному рівні з можливістю графічного зображення результатів. Роботи Л.М Куиенка. О.Д.Мазуренко та

Н.І.Середи продовжили дослідження відбивальних поверхонь на основі геометричного моделювання перебігу променів у просторі відбивальної системи засобами процесора Маріє V Г14/К5.

Отже, для розрахунку відбивальник циліндричних поверхонь необхідні теоретичні дослідження стосовно геометричного моделювання перебігу променів, фронтів хвиль та обвідних відбитих променів (катакаустик), що входить до кола питань, які вивчає прикладна геометрія.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано на кафедрі пожежної техніки Харківського інституту пожежної безпеки МВС України в рамках науково-дослідної теми «Розробка відбивачів -фокусаторів ударних хвиль направлених вибухів для боротьби з верховими лісовими пожежами». Тема N ОЮОиОООЗИ (напрямок - 6.5; проблема - 6.5.4). Замовники - Державний комітет лісового господарства України та Головне управління Державної пожежної охорони МВС України.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка теоретичної бази розрахунку оптичних властивостей циліндричних відбивачів, утворених шляхом пружного згину подовжніми силами металевого листа прямокутної форми, та складання на цій основі алгоритмів моделювання перебігу відбитих променів і побудови зображень фронтів вибухових хвиль з можливістю визначати ефективності їх дії шляхом обчислення площ поверхонь фронтів.

■ Об 'ектом дослідження є явище відбиття променів від кривих поверхонь, яке широко використовується в оптичному приладобудуванні, в архітектурній акустиці, в радіотелескопах, в антенних конструкціях та геліоустановках.

Предметом дослідження є синусоїдальні циліндричні відбивачі для формування направлених вибухів при гасінні лісових пожеж.

Методи дослідження: геометричне моделювання перебігу променів в просторі відбивальної системи, метод оберненого променя, методи теорії пружності, геометричне моделювання поверхні фронту відбитої хвилі.

Для досягнення мети досліджень у дисертації поставлено такі задачі:

1) розробити методи трасування променів, відбитих від кривої поверхні;

2) виявити у відбивальній системі двоїсті точки і, на базі цього, реалізувати метод оберненого променя для визначення місця розташування джерела променів (квазифокуса) та обчислити координати квазифокуса синусоїди;

3) визначити величину згину металевого листа та розрахувати місце положення джерела променів, що забезпечить дію циліндричного відбивача;

4) обчислити довжину та висоту згину металевого листа в залежності від його довжини за умови, що джерело променів розташовано на рівні висоти згину;

5) скласти алгоритми побудови зображень сім’ї фронтів хвилі, які відбиті синусоїдальною поверхнею, та шляхом обчислення величин площ поверхонь хвиль визначити (віртуальну) ефективність їх дії.

6) Розрахувати параметри моделі відбивача і перевірити ефективність його дії шляхом проведення натурних експериментів.

Наукову новизну одержаних результатів роботи складають:

- опис сім’ї променів та фронтів хвиль, відбитих синусоїдальним циліндром;

- обчислення координат квазифокуса кривої (як приклад - синусоїди):

з

- визначення величини згину металевого листа та місця розташування джерела так, щоб відбиті промені були спрямовані вздовж осі симетрії згину;

- виявлення залежності від довжини листа двох параметрів - висоти та довжини згину, коли джерело променів розташовано на рівні кінців згину, що забезпечує дію відбивача.

Вірогідність результатів підтверджується доведеннями тверджень і графічними зображеннями сім’ї відбитих променів та фронтів хвиль для тестових прикладів, а також розрахунками реальної відбивальної синусоїдальної циліндричної поверхні в процесі впровадження методу в практику.

Практичне значення одержаних результатів. Викладені в дисертації результати досліджень с науковою основою для практичного використання інформаційного забезпечення проектування відбивальних систем на основі сучасних математичних процесорів. Одержані результати дозволяють створювати та впроваджувати в реальну практику алгоритми розрахунку' відбивальних систем, що забезпечать функціювання розроблених відбивачів. Впровадження результатів роботи виконано в підрозділах Державного комітету лісового господарства України та Головного управління Державної пожежної охорони МВС України. Реалізація підтверджується актом про впровадження.

Особистий внесок здобувача. Особисто автором розроблена теоретична основа методу геометричного моделювання об’єктів відбивальних систем із застосуванням процесора Маріє V. Конкретний внесок до наукових праць полягає в опису перебігу відбитих променів і поверхонь фронтів відбитих хвиль

з можливістю обчислення їх площ з метою оцінки інтенсивності дії хвиль, а також складені програми побудови зображень поверхонь фронтів хвиль.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювались на:

- міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні проблеми

геометричного моделювання», (м. Мелітополь, 1999 р.),

- науковому семінарі кафедри нарисної геометрії та інженерної графіки ХДПУ під керівн. к.т.н., професора А.М.Краснокутського (м. Харків, 1999 р.);

- XV науково-практичній конференії «Проблеми горіння і гасіння пожеж на рубежі століть» (м. Москва ,1999 р.);

- науковому семінарі Харківського інституту пожежної безпеки МВС України під керівн. д.т.н., професора Ю.О.Абрамова (м. Харків, 2000 р.};

- міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні проблеми

геометричного моделювання», (м. Донецьк, 2000 р.).

Публікації. За результатами наукових досліджень опубліковано 16 робіт (з них 7 статей одноосібно та 8 статей у виданнях, які рекомендовано ВАК України).

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури зі 155 найменувань та додатків Робота містить 157 сторінок основного тексту', 4 таблиці та 47 рисунків, побудованих за допомогою комп'ютера.

ЗМГСТ РОБОТИ

Вступ містить загальну характеристику роботи. Обгрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовано мету та задачі досліджень. Показано наукову новизну і практичну цінність отриманих розв’язків.

У першому розділі наведено методи гасіння лісових пожеж на основі використання вибухів - від підриву шлангового заряду до скидання авіаційних бомб. Наголошено, що така технологія пожежогасіння не завити с виправданою, бо при цьому значна (у процентному відношенні) частка енергії вибуху не спрямована на гасіння лісової пожежі, а втрачається марно, і навколишньому середовищу часто завдається додаткова шкода. Більш «тонка» технологія пожежогасіння базується на використанні направлених вибухів. Тоді на лісову пожежу спрямовується подвійний вплив як безпосередньо від ударної хвилі вибуху, так і від хвилі вибуху, відбитої від спеціального відбивача. Джерелом вибуху звичайно с точковий або шланговий заряд марки ПЖВ-20.

Як зразок, наведено методику локалізації та гасіння лісових пожеж, розроблену в Томському державному університеті під керівництвом А.М.Гришина. Відбивальний екран пропонується виготовляти з картону або дюралюмінію у вигляді кута в 120° як згину площини і в ньому розташовувати шланговий заряд. На рис. 1 наведено схему натурних випробувань, де 1 - фронт пожежі, 2 - шланговий заряд, 3 - відбивальний екран. Наявність жорсткого екрану такої форми сприяло фокусуванню вибуху, і це дало підвищення тиску у фронті хвилі вибуху від 11 до 43%.

Розвинути метод гасіння пожеж на основі направлених вибухів можна шляхом розробки штих віобіша'іьпих скрапів. При цьому відбивачі вибухових хвиль повинні задовольняти умовам технологічності виготовлення (бажано, на

місці їхнього використання), можливості транспортування в умовах бездоріжжя, міцності й довговічності використання та малій коштовності.

В роботі запропоновано новий .клас відбивачів з циліндричними синусоїдальними відбивальними поверхнями. Вони утворені шляхом пружного згинання металевого листа прямокутної форми. На рис. 2 зображено можливу схему конструкції відбивача 1, де 2 - вибухівка, а згин зафіксовано арматурними прутами 3.

Для з’ясування процесу в роботі наведено елементи теорії відбиття ударних вибухових хвиль від кривих поверхонь і надано визначення енергетичних параметрів вибуху. Зазначено, що істотною ознакою процесу вибуху є наявність різкого стрибка тиску в середовищі, що оточує місце вибуху. В результаті утворюється детонаційна ударна хвиля, яка поширюється з максимально можливою для даної вибухової речовини і даних умов швидкістю, шо перевищує швидкість звука в цій речовині. На відміну від звукових хвиль детонаційні ударні хвилі характеризуються особливостями: ударні

хвилі супроводжуються переміщенням середовища в напрямку поширення фронту' збурення; швидкість ударної хвилі залежить від її інтенсивності, що не властиво для звукових хвиль; ударна хвиля не має періодичного характеру, а поширюється у вигляді одиночного стрибка ущільнення.

В результаті досліджень в роботі обрано дві гіпотези дослідження, які «перекладають» на мову геометрії фізичне явище вибуху, і, у певній мірі, узгоджуються з фізичною моделлю процесу відбиття ударних хвиль.

Перша гіпотеза узгоджується з особливостями ударних хвиль при косому відбитті від перепони. Показано, шо коли виконується тотожність яі=рі/ро=1, де р(, та рі - значення тисків, відповідно, перед та за фронтом падаючої ударної хвилі, то ударні хвилі вибухів є порівняно слабкими, і, можна вважати, що відбиття ударних хвиль має виконуватися за «оптичними» властивостями - «кут падіння дорівнює куту відбиття».

В роботі наведено залежності кута відбиття <р: від кута падіння ф„ для падаючих ударних хвиль різної сили - тобто відносно величини зі].

Друга гіпотеза визначається енергетичними параметрами дії вибухів. Аналіз характеру затухання вибухових хвиль дозволяє вважати, шо значення амплітуди Р вибухової хвилі на відстані Я є величиною, обернено пропорційною до площі поверхні хвилі у тій фазі, яка відповідає обраному Я.

Тобто вважається, шо інтенсивність дії ударної хвилі є величиною, оберненою до площі поверхні ділянок фронтів хвилі, які підпорядковані до закону гомотетії.

Рисунок 2. Схема конструкції синусоїдального відбивача

В другому розділі розглянуто два методи трасування променів, відбитих від кривої або поверхні, - координатний і за допомогою рівнянь.

Перший метод дозволяє описувати координати початку- і кінця кожного з відбитих від кривої (або поверхні) променів. Нехай в декартовій системі координат Oxyz профіль циліндричної поверхні описано рівнянням z = f(x). Джерело вибуху розташуємо в точці з координатами S(xn ,у(), z»).

Твердження І. Точку на відбитому промені визначимо за координатами

л ~ -*і — .^і У ті J і - = ^. + ziiuJ , (І)

_ дтп _ Увн> j: __ zi<id . ,

де • то ти , ~шп ,хцц) --ї| — л:,, + _А'ш,уй(л — v, — v„,

Ik k = z£l{lA[h.ZlA^Zbl dis-Jx2 -i- VJ +-2 -A, h f':(x ) + 1 ’ ~ * lilP - liin llir‘ ’

xj, у і, zi - координати точки падіння, a t - величина, яка характеризує час розповсюдження хвилі вибуху.

Наведені співвідношення покладено в основу програм трасування променів, відбитих від синусоїдального циліндра.

' Другий метод дозволяє одержати рівняння сім’ї відбитих променів і базується на співвідношеннях між характерними кутами відбивальної системи -тобто кутами, які утворюють з віссю Ох дотична до кривої в точці падіння, та два промені - падаючий і відбитий.

В роботі рівняння сім’ї відбитих променів використовуються для визначення їх обвідної (катакаустики), завдяки чому реалізується метод оберненого променя, який застосовується при розв'язанні задач оптики. Суть його полягає в тому, шо коли промінь виходить з точки А і після відбиття від поверхні П потрапляє в точку В, то, виходячи з точки В і здійснивши обернений шлях, промінь потрапить в точку А. Тобто (теоретично) точки джерела і приймача променів при розрахунках можна міняти місцями. На практиці для реалізації метода оберненого променя необхідно у вибивальній системі виявити точки, які підпорядковані закону двоїстості. Показано, що між точкою джерела променів та точкою повернення катакаустики існує залежність двоїстості.

Твердження 2. Якщо А є точкою джерела променів, а В - точкою повернення катакаустики, то точки А і В задовольняють властивостям ' двоїстості - тобто, якщо точка В є джерелом променів, то А буде точкою повернення катакаустики.

На рис. 3. зображено приклади двоїстих точок джерела і точок повернення катакаустики; А(-0,7; 1,8); В(0,25; 0,65) і синусоїди у=0,9 (I- cos х) (зверху) та А(0, 2,2); В(0; 0,8) і синусоїди у = 0,9 (1 - cos х) (знизу).

Як головний, розглянуто випадок, коли одна з точок є невласною (тобто безмежно віддаленою). Тоді точку повернення катакаустики пропонується називати квазифокусом кривої. Отже, якщо точку джерела променів розмістити

у КЕШІіфоКуСІ кривої, то відбиті від кривої промені мають «перетнутися» в невласній точці - тобто розташуватися «майже паралельно» осі симетрії кривої.

Твердження 3. Якщо на синусоїду у = р{1 - cos х) падають паралельні промені назустріч напряму осі Оу, то рівняння катакаустнки мас вигляд

- 0,12 5р2: + 0,125/72rcos4r - 0.5г cos 2г + 0,5 sin 2 г -

- 0,125/?2 sin4г + 0,25р: sin 2: - 0,5г Л<'} = 0,125р2 cos4г - 0,5cos2г - 0,125р2 - 0,5 ;

0.75/r cosr+ 0,187// cobr-0,156pJ cos3r-0,25/г cos3r-0,125р~ -

- 0,03125/?4 cos5r - 0.5/г + 0.125р* cos4r - 0,5 cosz - 0,5/г cos2r

0,125/7! cos4r~0.5ficos2r -0,125/)'- 0.5/7 '

Звідси, при z = 0 маємо х(,= 0, у., ~ 0,5 / р. Наслідком цього ( твердження 4.

ТперОжуїшя 4. Якщо на синусоїду у *- р(1 - cos х) промені падають назустріч напряму осі Оу, то квазифокус синусоїди мас координати К(0; 0,5/р).

Складено Маріе-програму для побудови відбитих променів для синусоїди у -• р(1 - cos х) в залежності від значення параметра р із умови, що джерело променів розташовано в квазифокусі синусоїди.

Рисунок 4. Приклади відбиття променів синусоїдою у = р (1 - cos х)

для параметрів р=0,5 (а); 0,75 (б); 1 (в); 1,5 (г)

Приклади виконання програми для р = 0,5; 0,75; 1 і 1,5 наведено на рис, 4. Наочно можна простежити за тим, як «паралельні» відбиті промені формуються різними «за виглядом» синусоїдами, що відповідають різним значенням параметра р. При цьому значення параметра р можна обрати визначальним фактором певного конструктивного оформлення відбивача.

Для конструкції відбивача, що зображено на рис. 2, характерним с розміщення вибухівки в площині чотирикутника, який утворено вершинами листа після його згину. Тобто точка джерела променів має розмішуватися на рівні кінців фрагмента синусоїди. Звертаючись до рис. 4 бачимо, що цій умові приблизно задовольняє значення р = 0,75. Далі в роботі це значення буде уточнено

В третьому розділі наведено геометричний розрахунок циліндричного синусоїдального відбивача. В основу розрахунків покладено відомий з курсу опору матеріалів факт - для малих відхилень профіль подовжньо вигнутого стержня має форму синусоїди. Показано, шо цю форму також матиме і профіль згину металевого листа, якщо його розглядати як сукупність стержнів, розташованих впродовж листа.

Для забезпечення дії циліндричного синусоїдального відбивача визначено величину згину металевого листа та розраховано місце розташування джерела «променів» (вибухової речовини). При цьому вважалося, що за особливостями конструкції відбивача (див. рис. 2), джерело вибуху мас бути розташовано в площині вершин чотирикутника після згину. Позначимо через Н та S, відповідно, висоту' та довжину згину стержня (рис. 5). В системі координат Oxv синусоїду на проміжку [-я/2, я/2] опишемо рівнянням у = k (і - cos х).

В роботі визначено співвідношення між величинами Н та S, щоб у разі розміщення джерела у точці А, відбиті від кривої промені були спрямовані «паралельно» осі (тобто перетиналися у Рисунок 5. Висота Н та довжина S невласній точці). Мовою геометрії це згину перетину листа означає, що слід визначити таке значення к, щоб квазифокус синусоїди було розташовано на однаковому рівні з точками кінців її частини на проміжку [-я/2, я/2].

Означену задачу розв’язано за допомогою твердження 4. Дійсно, легко перевірити, що для синусоїди у = k(l - cos х) виконується у(я/2) = к. Тому для забезпечення умови розташування квазифокуса на рівні кінців синусоїди в

точках -я/2 та я/2, маємо тотожність k = — , звідки k = = 0,707 < що

визначає положення квазифокуса синусоїди у = 0,707 (1 - cos х).

Для формування відбивача необхідно визначити величини S і Н в залежності від довжини L металевого листа. На проміжку [-я/2, я/2] довжину L*

синусоїди у = k (І - cos х) обчислюють за формулою /- = 2 JVF+A’‘sm‘.r

О

шо дорівнює значенню еліптичного інтегршіа другого роду Е(ік, я/2), де і -комплексна одиниця. Тобто L* =- 2 Е(ік, л/'2). Для обчислення еліптичних інтегралів складено програму (рис. 6),

> restart: with(plots):

> plot(2.*EllipticE(k*I), k-O.,1, thickness=2) ;

> for і from 1 to 14 do k:=0.35+i*0.05:

> print(k,' ' ,2.*EllipticE(k*I)); od:

Рисунок 6. Програма обчислення L* на проміжку -re/2 ... я/2

Тоді, маємо пропорцію Ь : 2 Е(0.707 і тс/2) = Н : 0.707, з якої обчислимо величину Н = 0.3536 І. / Е(0.707 і, тс/2). Остаточно формула для обчислення висоти згину мас вигляд Н = 0.2018 Ц або М * Ь / 5.

Для практики більш зручною є залежність величини Б від Ь. Задача

.V 2____________

зводиться до розв'язання рівняння /- = 2 ]" у!\ + к: яііГ л сіх відносно змінної 8 за

СІ

сталими значеннями к та Ь. На рис. 7 наведено програму для визначення величин Б та Н в залежності від Ь для певних значень к.

> restart: with(plots): k := 0.707:

> for i from 0 to 10 do

> L := 3. + 0.l*i: S := L: while

2*evalf (Int (sqrt (1. + k-2*sin (x) *2) ,x=0 . . S/2)) > L

> do S := S - L/10000.i od:

> H := k*(1.-cos(S/2)):

> print('L=', L, ' S=', S, ' H=',H): od:

Рисунок 7. Маріе-програма обчислення S та H в залежності від L.

-2

-4

}1.5

Рисунок N. Промені, шо відбито поверхнею для випадку д, - к = 0,707

ТвсрОжушія 5. Відбивальпа система синусоїдального типу мас діяти тоді, коли параметри згину листа довжиною І, обчислювати за формулами Я 0,9Ь і Н = 0,2 Ц а джерело променів розмістити на рівні висоти згину Н.

На рис. 8 наведено різні ракурси зображення відбитих променів для запропонованого відбивача.

В четвертому розділі розглянуто метод оцінки інтенсивності дії хвилі вибуху для циліндричного відбивача і надано схему проведення тестових іспитів макету реального відбивача. .

Під інтенсивністю дії ударної хвилі вибуху заряду з характерним розміром d в роботі розуміється її певний параметр (амплітуда і\ тривалість Т або імпульс і), прояв якого потрібно порівняти (оцінити) на відстані R від центру заряду, п залежності від форми віїк'півачьної поверхні. Мова йде не про вимірювання інтенсивності дії вибухових хвиль, а лише про порівняння інтенсивності дії вибухових хвиль, які відбито від екрану певної геометричної форми. Дослідження проводиться на основі другої гіпотези роботи: інтенсивність діі ударної хвилі є величиною, оберненою до площі поверхні ділянок фронтів хвилі, які підпорядковані до закону гомотетії.

Для якісної оцінки інтенсивності дії вибухової хвилі було складено Маріе-програму побудови зображень поверхонь її фронтів. Програма дозволила одержати аналітичні описи сім'ї фронтів вибухової хвилі в залежності від шляху, пройденого елементами поверхні.

Твердження 6 Для циліндричної поверхні, рівняння профілю якої маг вигляд z - k(i - cos х), і точки S(0, 0, zo) як джерела променів, описом фронтів ударної хвилі будуть вирази

,, xm - + k(\- cosx) х(т2 - і) - 2т(:ц - £(! - cosa'))

Л (л\ у) = 2т ——— -------------------------------------------------------------з- 2. —,-/ ;

1 + т Л(\ + т )

Y(х,у) = 2v! / А ;

2k{l-cosx) + :n(m: - l) + 2.vw Z(.y, у) =--------

1+ ІІГ

( — A-f 1 — cos.v))(/?>* - 1) + 2.v/и •

,-)(! + т")

де/я = £sin* і А = -Jx2 + у1 + г,; - 2:,, f(x) + к:(\ - cos.v):

Твердження 7. Для циліндричної поверхні з профілем у вигляді синусоїди г - 0,707( 1- cos х) і точки S(0; 0; 0,707) як джерела променів опис сім'ї фронтів ударної хвилі має вигляд

/tasirr ,v + 625л7 (І + cos' х) - (! 250/ + Л)sin.reosj: ,, у/

\(п= ,^(!.5-0.5cos:.v) ; ІП~Л:

А-0.3334Acos: х - 1.3332.4 cos.v +416.52/cos.v+...

.+416,7300/cos’-v + ! 666,5202*/ sin* - 1,3332/ivsm* Z(l)= Л (1,4140-0,4714cos2 .v) ' ’

де A - ^/з9062(.ї: + v2) + 195364 cos: .x .

На рис. 9 наведено приклад виконання складеної Маріе-програми.

поверхні z = 0,707(1- cos x) і джерела в точці (0; 0; 0,707)

Графічні представлення поверхонь хвиль дають змогу порівнювати інтенсивності дії хвилі за розмірами просторових чотирикутників, які складають зображення поверхні хвилі: чим більшою є площа чотирикутника, тим меншу інтенсивність дії хвилі він «забезпечує». Для аналізу наведено приклади поверхонь хвиль, відбитих від циліндричної поверхні в залежності від різних положень джерела вибуху.

Кількісні характеристики відбитих хвиль в роботі одержано за допомогою обчислення суми площ елементарних чотирикутників. В результаті обчислень показано, що синусоїдальний відбивач дозволяє збільшити інтенсивність дії вибухової хвилі майже в два рази порівняно з випадком, коли відбивачем є фрагмент площини.

Описано результати проведених натурних експериментів. На рис. 10 наведено фотографію макет)' оптичного відбивача, який складається з відбивальної дзеркальної поверхні J (пластини електроглянсувача), лампи як точкового джерела променів 2, натяжного тросу 3 та механізму регулювання величини згину 4.

На рис. 11 наведено схему експерименту, проведеного на основі оптичної аналогії; тут 1 - відбивальна поверхня, 2 - джерело променів, 3 - відбиті промені,

4 - екран, 5 - люксомір, 6 - графік освітленості.

І'исунок 10. Макет відбивача

Проведено серію натурних експериментів, що мали порівняльний характер в залежності від вигляду відбивача. Було розкладено 7 багать з кроком 10 м. Як вибухівка використовувалися 4 патрони шлангового заряду ПЖВ-20 загальною вагою 1,2 кг. Відстань від джерела вибуху до першого вогнища становила ЗО м. На рис. 12 схематично показано кількість погашених вогнищ у випадку вільного вибуху та для випадків застосування різних відбивачів - у вигляді площини, двогранного кута та циліндричного синусоїдального відбивача.

Експеримент 1. Дія вибухової хвилі без відбивального екрану

_______иГмГУі_ , ІПД-У ІГМГУ....-----------------

7і у Експеримент 2. Дія вибухової хвилі з плоским екраном

'‘Експеримент 3. Дія вибухової хвилі з екраном у вигляді кута

А

% §! І§

Експеримент 4. Дія вибухової хвилі з циліндричнім екраном

І У

І'исунок 12. Схема проведення натурних експериментів на вогнищах

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в розробці теоретичної бази розрахунку оптичних властивостей синусоїдальних циліндричних відбивачів, утворених шляхом пружного згину подовжніми силами металевого листа прямокутної форми, та складання на цій основі алгоритмів моделювання перебігу відбитих променів і побудови зображень фронтів вибухових хвиль з можливістю визначати ефективність їх дії шляхом обчислення площ поверхонь фронтів відбитих хвиль.

При цьому одержано такі результати, які мають наукову та практичну цінність.

1. Наведено критичний аналіз щодо використання відбивачів ударних вибухових хвиль для гасіння лісових пожеж. Зазначена, що перевагу при цьому слід надати відбивачам, які можливо виготовити на місці їхнього використання.

2. Розроблено метод опису сім’ї променів та поверхонь фронтів хвиль, відбитих синусоїдальним циліндром.

3. У відбивальній системі виявлено двоїсті точки, і на базі цього реалізовано метод оберненого променя для визначення місця розташування джерела променів (квазифокуса кривої). Як приклад запропоновано метод обчислення координат квазифокуса синусоїди.

4. Визначено величини згину металевого листа прямокутної форми та місця розташування джерела так, щоб відбиті синусоїдальним циліндром промені було спрямовано вздовж осі симетрії згину.

5. Виявлено умови у вигляді залежностей Б = 0,9Ь і Н = 0,2Ь (де І. -довжина металевого листа, Н та Б - висота та довжина згину відповідно), що забезпечують дію відбивача, коли джерело променів розташовано на рівні кінців згину.

6. Складено алгоритми побудови зображень сім’ї променів та поверхонь фронтів хвиль, відбитих синусоїдальним циліндром в залежності від місця розташування джерела променів. При цьому віртуальна ефективність дії вибухових хвиль визначається шляхом обчислення величин площ їх поверхонь.

7. Вірогідність одержаних результатів підтверджено шляхом доведення • тверджень і побудовою за допомогою ЕОМ графічних зображень відбитих

променів та поверхонь ударних хвиль для тестових прикладів.

8. Розв'язано задачу проектування реальних відбивачів, дію яких перевірено шляхом проведення натурних випробувань.

9. Впровадження результатів роботи виконано в підрозділах Державного комітету' лісового господарства України та Головного управління Державної пожежної охорони МВС України при проектуванні і виготовленні відбивачів ударних хвиль, призначених для гасіння лісових пожеж за технологією направленого вибуху. Реалізація підтверджується актом про впровадження.

Основні положення дисертації опубліковано у таких роботах:

1. Рева Г.В. Изображение огибающей семейства лучей, отраженных от синусоиды. - // Труды / Таврическая государственная агротехническая академия. - вып. 4, том 5. - Мелитополь: ТГАТА, 1999 - С. 121 - 124

2. Куценко Л.М., Рева Г.В., Середа ИЛ. Про відбивачі ударних хвиль направлених вибухів для гасіння верхових лісових пожеж. // Труды / Таврическая государственная агротехническая академия. - вып. 4, том 6. -Мелитополь: ТГАТА, 1999 - С. 26 -29

3. Рева Г.В. Основи геометричного моделювання відбиття ударної хвилі вибуху від плоскої перепони. // Прикладна геометрія та інженерна графіка. Вип 66. Київ: КНУБА, 1999. - С. 186-188

4. Рева Г.В. Відбиття ударної хвилі від плоскої перепони при розрахунку відбивача направленого вибуху: // Проблемы пожарной безопасности, -Харьков: ХИПБ, 1999, Вып. 6 - С. 135 - 137

5. Рева Г. В. Метод розрахунку синусоїдальної відбивальної системи. І і Прикладна геометрія та інженерна графіка. Вип.67.Київ:КНУБА, 2000. - С. 226230

6. Рева Г.В. Розрахунок відбивачів ударних вибухових хвиль для гасіння лісових пожеж. // Проблемы пожарной безопасности. Харьков: Фолио, 2000 . Вып. 7-С. 171 - 176

7. Рева Г.В., Середа Н.І. Зображення фронту хвилі, яка відбита від циліндричної синусоїдальної поверхні. // Проблемы пожарной безопасности. -Харьков:ХИПБ МВД Украины,1998. Юбил. вып. 4.2 - С.35-38

8. Рева Г.В., Куценко Л.М. Зображення фронту хвилі у відбивальній системі з точковим джерелом променів. // Проблемы пожарной безопасности.. Харьков, ХИПБ МВД Украины, Юбил. выпуск. Ч. 2 - С. 24-28

9. Рева Г.В., Куценко Л.М. Метод розрахунку відбивачів ударних вибухових хвиль для гасіння лісових пожеж. Харків: ХІГ1Б МВС України, 1998. -19 с.

10. Рева Г.В., Куценко Л.М. Метод оцінки інтенсивності дії ударної хвилі направленого вибуху для гасіння лісових пожеж. Харків: Х1ПБ МВС України.

1998.-80 с. ’

11. Куценко Л.М., Рева Г.В. Розробка відбивача ударних хвиль направлених вибу'хів для гасіння верхових лісових пожеж. В зб. Науково-практичні проблеми моделювання та прогнозування надзвичайних ситуацій. -Київ: МНС України. КНУБА, 1999. Вип. 2 - С.4^8 - 52

12. Реви Г.В., Куценко Л.Н., Кулешов Н.Н. Изображение фронта ударной волны, отраженной цилиндрической синусоидальной поверхностью. // Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков. Труды XV научнопрактической конференци. 4.1. - М.: ВНИИПО, 1999. - С. 307 - 309

13. Рева Г.В. Гасіння верхових лісових пожеж ударними хвилями направлених вибухів. // Пожежна безпека - Черкаси: ЧІПБ МВС України, 1999. Ч. І -С. З - 6

14. Рева Г.В., Середа НА. Геометричне моделювання перебігу променів у циліндричному відбивачі. // Пожежна безпека. - Черкаси: ЧІПБ МВС України,

1999, Ч. 1 -С. 6-9

15. Рева Г.В., Сеичихин Ю.Н. Отражатель для тушения лесных пожаров ударными волнами направленных взрывов. // Тезисы международной научнопрактической конференції «Современные проблемы геометрического моделирования». - Донецк: ДГТУ, 2000. - С. 87 - 89

16. Рева Г.В. Геометричний розрахунок відбивачів ударних хвиль для гасіння лісових пожеж. // Тезисы международной научно-практической конференції «Современные проблемы геометрического моделирования». -Донецк: ДГТУ, 2000. - С. 139 - 140

АНОТАЦІЯ

Рева Григорій Васильович. Метод розрахунку циліндричних відбивачів вибухових хвиль для гасіння лісових пожеж. - Рукопис.

■ Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.01.01 - Прикладна геометрія, інженерна графіка. - Донецький державний технічний університет. Україна, Донецьк, 2000.

Захищається дисертація та 16 наукових робіт, в яких викладається метод розрахунку синусоїдальних циліндричних відбивачів, утворених шляхом пружного згину подовжніми силами металевого листа прямокутної форми, та складання на цій основі алгоритмів моделювання перебігу відбитих променів і побудови зображень фронтів вибухових хвиль з можливістю визначати ефективності їх дії шляхом обчислення площ поверхонь фронтів відбитих хвиль. У відбивальнін системі виявлено двоїсті точки, і, на базі цього, реалізовано метод оберненого променя для визначення місця розташування джерела променів - квазифокуса синусоїди. Обчислено величини згину металевого листа та місця розташування джерела так, щоб відбиті синусоїдальним циліндром промені було спрямовано вздовж осі симетрії згину. Виявлено умови, шо забезпечують дію відбивача, коли джерело променів розташовано на рівні кінців згину. Складено алгоритми побудови зображень сім’ї променів та поверхонь фронтів хвиль, відбитих синусоїдальним циліндром в залежності від місця розташування джерела променів. Ефективність дії вибухових хвиль визначається шляхом обчислення величин площ їх поверхонь. Впровадження результатів роботи виконано в підрозділах Державного комітету лісового господарства України та Головного управління Державної пожежної охорони МВС України при проектуванні і виготовленні відбивачів ударних хвиль, призначених для гасіння лісових пожеж за технологією направленого вибуху.

Ключові слова: відбивальна поверхня, синусоїдальний циліндр, фронт відбитої хвилі, квазифокус синусоїди.

АННОТАЦИЯ

Рева Григорий Васильевич. .Метод расчета цилиндрических отражателей взрывных волн для тушения лесных пожаров. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.01.01 - Прикладная геометрия, инженерная графика. -Донецкий государственный технический университет. Украина, Донецк, 2000.

Защищается диссертация и 16 научных работ, в которых изложен метод расчета оптических свойств синусоидальных цилиндрических отражателей, образованных путем упругого сгиба продольными силами металлического листа прямоугольной формы. На этой основе были составлены атгоритмы моделирования хода отраженных лучей и построения изображений фронтов взрывных волн. Полученные изображения поверхностей ударных взрывных волн позволили на качественном и количественном уровне определять эффективности их действия путем вычисления площадей соответствующих поверхностей фронтов отраженных волн. Приведен критический анализ относительно использования отражателей ударных взрывных волн для тушения лесных пожаров. Отмечено, что преимущество при этом принадлежит отражателям, которые возможно изготовить на месте их использования.

В качестве рабочих выбрано две гипотезы исследований. Первая гипотеза предполагает, что взрывные ударные волны, отражаясь от преграды, подчиняются «оптическому» закону - «угол отражения равен углу падения». Вторая гипотеза предполагает, что интенсивность действия виртуальной взрывной ударной волны является величиной, обратной площади поверхности геометрического образа этой волны. Разработан метод описания семейства лучей и поверхностей фронтов волн, отраженных синусоидальным цилиндром. В отражательной системе выявлены двойственные точки. В качестве двойственных выступает пара точек - точка источника лучей и точка возврата катакаустики. На базе выявленного «закона двойственных точек» реализован метод обратного луча для определения месторасположения источника лучей (квазифокуса кривой). В качества примера предложен метод вычисления координат квазифокуса синусоиды.

Определены величины изгиба металлического листа прямоугольной формы и месторасположения источника лучей так, чтобы отраженные синусоидальным цилиндром лучи были направлены вдоль оси симметрии изгиба. Выявлены условия, которые обеспечивают действие отражателя, когда источник лучей расположен на уровне концов сгиба; для этого найдены зависимости от длины металлического листа двух параметров - высоты и длины сгиба. Составлены алгоритмы построения изображений семейства лучей и поверхностей фронтов волн, отраженных синусоидатьным цилиндром в зависимости от месторасположения источника лучей. При этом виртуальная эффективность действия взрывных волн определяется путем вычисления величин площадей их поверхностей.

Достоверность полученных результатов подтверждается путем доказательства утверждений и построения с помощью ЭВМ графических изображений отраженных лучей и поверхностей ударных волн для тестовых примеров. Решена реальная задача проектирования отражателей, действие которых проверено путем проведения натурных испытаний. Внедрение результатов работы выполнено в подразделениях Государственного комитета лесного хозяйства Украины и Главного управления Государственной пожарной охраны МВД Украины при проектировании и изготовленные отражателей ударных волн, предназначенных для тушения лесных пожаров по технологии направленного взрыва.

Ключевые слова:, отражательная поверхность, синусоидальный цилиндр, фронт отраженной волны, квазифокус синусоиды.

SUMMARY

Reva Grygory Vasylyovych. A calculation method of blast wave cylindrical reflectors for wildfire extinguishing. - Manuscript.

Dissertation for the degree of Candidate of engineering in specialty 05.01.01 -applied geometry, technical graphics. - Donetsk State Technical University'. Ukraine, Donetsk, 2000.

The dissertation and 16 scientific works are defended. They present a calculation method for sine cylindrical reflectors made by longitudinal forces bend of a rectangular metal sheet and synthesis of modelling algorithms for the reflected rays course and constructing the pictures of the blast wave fronts with the possibility of determining the efficiencies of their action by calculating the surfaces of the reflected wave fronts. Dual points were found in the reflection systems. This was the basis of implementing a reversed ray method for detennining the ray source site - the sinusoid quasi-focus. The values of the metal sheet, band and the source site position were calculated to enable the rays reflected by the sine cylinder to be directed along the axis of symmetry of the bend. The conditions enabling the reflector to work when the rays source is on the level of the bend ands are found. The results of the work were implemented in the departments of the State Forestry Committee of Ukraine and the Chief Fire Service Directorate of the Ministry of Internal Affairs of Ukraine during design and production of blast waves reflectors for pinpoint blast wildfire extinguishing.

Key words: reflecting surface, sine cylinder, reflected wave front, sinusoid quasi-focus.

Підписано до друку 5.09.2000 р. Формат 60x80 1\1б

Друк, ризограф. Ум. друк. арк. 1,25

Тираж 100_____________________________ Вид. № 77 Зам. № 117

Х1ПБ МВС України, 61023, м. Харків, вул. Чернишевського, 94.