Tubul de șoc este un instrument folosit pentru a reproduce și detonarea concentratului valuri împotriva unui senzor sau un model pentru a simula explozii reale și a efectelor lor, cel mai adesea la scară redusă. Tuburile de șoc (și accesoriile conexe: tuneluri de șoc, tuburi și tunel de expansiune) pot fi, de asemenea, utilizate pentru a studia fenomenele aerodinamice pe o gamă largă de temperaturi și presiuni, care sunt dificil de obținut într-un tunel de vânt. Tuburile de șoc permit analiza fluxurilor de fluid comprimabil și a arderilor în fază gazoasă. Recent, tuburile de șoc au fost utilizate în cercetarea biomedicală pentru a studia comportamentul țesuturilor vii în undele de șoc.
Unda de șoc este produsă în interiorul tubului fie cu un exploziv (tub de sablare), fie prin partiționarea tubului cu una sau mai multe membrane și creând o diferență critică de presiune în celula primară (tub de aer comprimat).
Francezul Paul Vieille a folosit încă din 1899 un astfel de tub (cu pompă) în studiul cantitativ al efectelor explozivilor. Numele tub de șoc nu a fost folosit pentru a se referi la acest dispozitiv până în anii 1940, când progresele în aerodinamică generate de dezvoltarea propulsiei cu jet au trezit un interes reînnoit pentru acesta. A fost utilizat din ce în ce mai mult pentru studiul fluxurilor rapide de gaz în jurul fuselajelor și în interiorul turbinelor și pentru a clarifica cuplajele fizico-chimice active în arderile în fază gazoasă. În 1966, Duff și Blackwell au descris un tip de tub de șoc care utilizează explozivi mari și fabricat din materiale obișnuite: diametrul lor variază de la 0,60 m la 2 m și lungimea lor de la 3 m la 15 m . Aceste tuburi au produs unde de șoc cu un vârf de presiune dinamic cuprins între 7 MPa și 200 MPa și un timp de propagare de câteva microsecunde până la câteva milisecunde.
Fie că implică o explozie sau comunicarea a două incinte, tuburile de șoc fac astăzi parte din instrumentele științifice care echipează atât laboratoare civile, cât și militare. Tuburile de șoc cu carcase multiple sunt cele mai ieftine (inclusiv întreținerea), dar frontul de undă de presiune este destul de diferit de cel rezultat din detonare și nu sunt potrivite pentru toate aplicațiile. Tuburile de detonare creează fronturi de undă mai apropiate de cele rezultate din explozii în atmosferă, dar utilizarea lor necesită prezența unui personal înalt calificat, precum și a unor panouri de protecție. Pentru ambele tipuri de aparate, unda de șoc este uneori însoțită de un efect de recul legat de expansiunea bruscă a gazelor, care crește energia cinetică a probei din spatele frontului de undă. Mai recent, pentru experimentele de laborator, au fost dezvoltate tuburi de șoc unde explozia, obținută prin aprinderea unui amestec detonant aer-benzină, declanșează o undă de detonare mai aproape de condițiile de câmp liber: volumul molar de gaz rămânând redus, efectul reacției este doar un fracțiune din ceea ce afectează tuburile de șoc multi-cameră. Până în prezent , Aceste tuburi de șoc, datorită dimensiunilor mici și vârfului de presiune rezonabil, au devenit instrumentul de alegere pentru prototipare, testare nedistructivă, validarea senzorilor de presiune dinamică, cercetare biomedicală și chiar aplicații militare.
Un tub de șoc este un tub metalic cu secțiune dreptunghiulară sau circulară, partiționat de o membrană intermediară în două incinte, una conținând un gaz de joasă presiune (incintă în aval), cealaltă un gaz comprimat (incintă în amonte). Membrana separatoare este ruptă (într-un mod în general foarte studiat), ceea ce declanșează o undă care se propagă în incinta din aval. Șocul care rezultă din amestecul brusc al celor două gaze este exoterm și creează un flux în direcția undei de șoc. Suntem, în general, interesați de fluxul din spatele frontului de undă, dar extremele de temperatură și presiune care se stabilesc în spatele undei reflectate persistă mai mult și oferă condiții de înregistrare mai confortabile.
Gazul din incinta din aval, la presiune scăzută, este supus undei de șoc. În ceea ce privește gazul comprimat, alegerea se face în general, din motive de siguranță, pe un corp chimic cu greutate moleculară mică ( heliu sau hidrogen ), unde viteza sunetului este mare, dar care este uneori diluată pentru a regla condițiile interfeței în șoc. Cele mai violente șocuri se obțin prin scăderea presiunii gazului din aval cu mult sub presiunea atmosferică (adică se produce un vid parțial al incintei înainte de detonare).
Experimentul începe cu explozia membranei, care poate fi realizată prin trei metode:
Ruptura diafragmei produce o serie de unde de presiune, fiecare crescând la rândul său viteza sunetului din amonte un pic mai mult , până la punctul în care creează o undă de șoc prin camera de joasă presiune. Această undă de șoc crește temperatura și presiunea gazului din aval și determină curgerea în direcția undei de șoc, dar la o viteză mai mică decât unda inițială. În același timp, o undă de vid , unda Prandtl- Meyer, se propagă în amonte în direcția sursei de gaz.
Interfața dintre cele două volume de gaz se numește „suprafața de contact”: se propagă, cu o viteză mai mică, în spatele undei de șoc.
În chimie, tuburile de șoc utilizate cuprind o pereche de membrane care sunt distruse una lângă alta conform unui interval de timp determinat și o cameră de expansiune, cu un diametru mult mai mare decât restul tubului. Acest volum de evacuare permite o expansiune foarte rapidă însoțită de o scădere a temperaturii gazului (stingere).
Dincolo de măsurătorile ratei de formare în cinetica chimică , măsurătorile energiilor de disociere și rata de relaxare moleculară , aceste dispozitive sunt utilizate în aerodinamică. Fluxul de gaz scuturat de detonare îl simulează pe cel al unui tunel de vânt , dar cu temperaturi și presiuni mult mai mari decât ceea ce permit motoarele staționare: prin acest mijloc putem reproduce condițiile care prevalează în interiorul turbinei unui motor cu reacție . Cu toate acestea, aceste condiții sunt menținute doar câteva milisecunde, datorită propagării suprafeței de contact și a undei de șoc reflectate.
Dezvoltarea acestor tuburi de șoc a condus de atunci la proiectarea „tunelurilor de șoc”, echipate cu o duză și o cameră de expansiune. Temperatura ridicată rezultată din fluxul supersonic poate fi utilizată pentru a simula reintrarea atmosferică a unei nave spațiale sau a navei supersonice, din nou pentru o perioadă scurtă de timp.
Tuburile de șoc au dimensiuni foarte variabile în funcție de necesități. Mărimea și metoda folosită pentru a crea unda de șoc dictează durata și presiunea de vârf a undei produse. Astfel, tuburile de șoc pot fi utilizate atât pentru a crea și concentra o undă de detonare împotriva unui senzor sau a unei ținte, cât și pentru a evalua, ținând seama de efectul scării , daunele produse de explozii reale. Rezultatele experimentelor cu tuburi de șoc sunt esențiale pentru validarea modelelor numerice ale răspunsului (stres și deformare) a unui material sau a unei structuri la o detonare. Tuburile de șoc permit în cele din urmă să se decidă ce materiale și care forme atenuează cel mai bine efectul detonărilor în mod experimental și, prin urmare, să proiecteze sisteme de protecție pentru structuri și persoane expuse riscurilor de detonare. Tuburile de șoc sunt, de asemenea, utilizate în cercetarea biomedicală pentru a observa acțiunea șocului asupra țesutului viu.