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고성능 폭약이 기폭해서 폭굉이 발생하면 폭굉 속도는 8,000/s 정도가 된다. 폭굉파는 폭약을 고속, 고압, 고밀도인 고온 가스로 변화시키며, 압력은 100~300kbar, 온도는 3,000~4,000에 도달한다. 폭굉의 전면이 폭약의 표면에 도달하면 가스가 급속한 팽창을 일으켜서 주위 공기에 강력한 충격파(shock wave)를 전달하고 이 충격파는 초음속으로 외부에 전달된다.

 

충격파 전면(shock front)의 직후는 압력, 온도, 밀도가 매우 높고, 폭굉으로 발생한 가스와 공기가 바깥쪽으로 강한 유동을 발생시킨다. 폭발적으로 형성된 가스는 더욱더 확대되고, 충격파는 폭원에서 이동한다. 가스의 팽창이 지속되면 충격파 전면은 강하게 압축된 공기의 벽과 함께 전달된다. 하지만 충격파 전면의 속도, 최대 압력, 온도는 거리가 증가하면서 급속히 약해진다. 결국, 팽창한 가스가 냉각되면서 압력은 대기압보다 낮아지고, 다시 대기압으로 돌아간다. 폭풍파는 폭약으로부터 외부로 이동할 때 충격파 전면의 뒤쪽에 공기의 질량 전달이 바람을 일으킨다. 이것을 동압(dynamic pressure)이라고 하며, 충격파 후방의 풍속과 공기 밀도의 함수이다. 충격파두면(shock wave front face)의 압력은 정과압(static overpressure)이라고 한다.

 

폭약이 지표면이나 공중에서 폭발하면 폭발로 발생한 폭풍파(blast wave)가 $t_0$초 후 어느 지점에 도달하고 그림과 같이 압력 변동이 발생한다. 폭풍으로 발생하는 압력을 폭풍압(blast pressure) 또는 폭압이라고 한다. 폭풍파가 도달할 때까지는 대기압($p_0$, ambient air pressure)이며, 폭풍파가 도달하면 압력이 순간적으로 상승하여 피크 과압($p_{so}$)에 도달한다. 이후, 압력은 급격히 감소하여 대기압 이하의 압력(음압: underpressure)으로 감쇠한 후 대기압으로 돌아온다.

 

* 피크 과압: 초기 압력으로부터 증가한 최대 압력으로 최대 폭풍압 또는 최대 과압 (peak static overpressure)이라고 한다.

 

폭풍압 특성

 

다음 그림은 지상의 목조 1층 건물이 폭발로 부서지는 과정을 나타냈다. 건물은 양압과 음압의 반복으로 폭풍파의 작용을 받게 된다. 따라서 양압 단계에서 손상을 받지 않은 부분도 음압으로 파손될 수 있다.

 

폭발이 일어나기 전
폭풍파가 내습(양압 단계)
폭풍파의 역풍(음압 단계)
폭풍파가 떠난 후 피해 상황

 

다음 그림은 폭발이 발생한 후 폭풍파의 형태가 시간이 지나가면서($ t_1 \rightarrow t_5$) 변화하는 양상을 나타낸 것이다. 폭원에서 조금 떨어진 위치(시각 $t_5$)에서 음압이 발생한다. 이런 폭압 특성을 가지는 폭발하중을 고려하여 구조물을 설계할 때 폭풍압-시간 관계에서 양압 부분의 충격량을 이용하는 것이 효과적이다. 또한 최대 폭풍압의 크기는 구조물 내폭설계에서 가장 기본이 되는 설계변수이며, 폭발하중을 받는 각종 구조물의 응답을 예측하는 데 매우 중요한 지표이다.

 

충격파의 형성과 거리에 따른 감쇠

 

폭풍압이 벽과 같은 평면에 수직으로 작용했을 때 반사압(reflected pressure)이 발생한다. 반사압은 폭원에서 거리가 먼 경우 피크 과압($p_{so}$, peak overpressure)의 약 2배이므로, 구조물의 전면(폭풍의 진행 방향에 수직인 면)에 작용하는 압력은 반사압($p_r$)에 가까운 값이 된다. 한편, 폭풍의 진행 방향에 평행인 면(구조물의 측면 벽 등)에 작용하는 폭발압력은 $p_{so}$와 거의 같은 압력이다. 이때 폭압($p_{so}$)은 입사압 (incident pressure 또는 side-on overpressure)이라고 한다.

 

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