Effect of Porosity Distribution and Orifice Geometry on Blast- Wave Attenuation In Porous Plate Arrays
यह अध्ययन शॉक-ट्यूब प्रयोगों और सीएफडी (CFD) सिमुलेशन को जोड़कर यह प्रदर्शित करता है कि आंतरिक छिद्र ज्यामिति को अनुकूलित करना, विशेष रूप से निरंतर अपसारी प्रोफाइल्स का उपयोग करके, और सरंध्रता प्रवणता (porosity gradients) को रणनीतिक रूप से व्यवस्थित करना, केवल सरंध्रता के प्रभावों के परे, कठोर छिद्रपूर्ण प्लेट सरणियों में ब्लास्ट-वेव क्षीणन को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है।
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जब कोई विस्फोट होता है, तो यह अविश्वसनीय गति से बाहर की ओर दौड़ती हवा की एक दीवार भेजता है। यह दीवार, जिसे ब्लास्ट वेव (विस्फोट तरंग) कहा जाता है, अत्यधिक दबाव लेकर चलती है जो आग या मलबे के पहुँचने से बहुत पहले ही इमारतों को चकनाचूर कर सकती है और लोगों को घायल कर सकती है। संकीर्ण स्थानों में, जैसे कि किसी गलियारे या सुरंग में, यह दबाव केवल गुजर नहीं जाता; यह दीवारों और छतों से टकराकर वापस लौटता है, इकट्ठा होता है और और भी अधिक विनाशकारी हो जाता है। संरचनाओं को इस अदृश्य हथौड़े से बचाने के लिए, इंजीनियर अक्सर निष्क्रिय बाधाओं (पैसिव बैरियर्स)—छेद वाली ठोस दीवारों—का सहारा लेते हैं। ये छिद्रयुक्त बाधाएं दबाव की एक एकल, विशाल दीवार को कई छोटी, कमजोर अंतःक्रियाओं में तोड़कर काम करती हैं। जैसे ही शॉक वेव छेदों से टकराती है, यह विभाजित होती है, घूमती है और परावर्तित होती है, जिससे इस प्रक्रिया में ऊर्जा का ह्रास होता है। शोधकर्ता लंबे समय से यह सवाल पूछ रहे थे कि ब्लास्ट वेव को सबसे अधिक नुकसान पहुँचाने के लिए इन छेदों को कैसे डिजाइन किया जाए। दशकों तक, ध्यान इस बात पर केंद्रित रहा कि छेदों की संख्या कितनी है और प्लेटों के बीच की दूरी कितनी है, लेकिन प्रत्येक छेद के भीतर की वास्तविक आकृति को काफी हद तक अनदेखा किया गया है।
रोड आइलैंड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने उस लापता हिस्से को करीब से देखने का निर्णय लिया: छेदों की आंतरिक ज्यामिति (इंटरनल ज्योमेट्री)। वे जानना चाहते थे कि क्या हवा जिस मार्ग से बाधा के माध्यम से गुजरती है, वह छेद के आकार जितना ही महत्वपूर्ण है। यह पता लगाने के लिए, उन्होंने एक लंबी, संकरी ट्यूब बनाई जो एक नियंत्रित ब्लास्ट वेव उत्पन्न कर सकती थी, जो अनिवार्य रूप से एक लघु विस्फोट कक्ष था। उन्होंने इस ट्यूब के भीतर छेदों वाली कठोर प्लेटों की श्रृंखला रखी और मापा कि अंतिम छोर तक कितना दबाव पहुँचा। उन्होंने सीधी, बेलनाकार छेदों वाली प्लेटों का परीक्षण किया, लेकिन उन्होंने ऐसी प्लेटें भी बनाईं जहाँ छेद संकरे होते गए, यानी हवा के गुजरते समय चौड़े या संकरे होते गए। कुछ छेद एक फनल (कीप) की तरह थे जो संकरा होता जा रहा था, कुछ ऐसे थे जो फैलते हुए चौड़े हो रहे थे, और कुछ में जटिल, स्टेप वाले आकार थे। धातु की प्लेटों के भीतर क्या हो रहा है, यह देखने के लिए जहाँ उनकी आँखें नहीं पहुँच सकती थीं, उन्होंने हवा, घनत्व और दबाव की अदृश्य तरंगों को विज़ुअलाइज़ करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया।
परिणामों ने दिखाया कि विस्फोट को रोकने में छेद का आकार एक महत्वपूर्ण कारक है। शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल छेदों को छोटा बनाना प्रभावी था; छोटे खुलेपन वाली श्रृंखलाओं ने बिना छेद वाली ठोस दीवार की तुलना में पीछे की दीवार से टकराने वाले पीक प्रेशर (शिखर दबाव) को लगभग 38 प्रतिशत कम कर दिया। हालाँकि, उन छेदों की व्यवस्था भी उतनी ही महत्वपूर्ण थी। जब उन्होंने उन प्लेटों का परीक्षण किया जिनमें छेद बाधा के सामने से पीछे की ओर जाते समय क्रमिक रूप से छोटे होते गए, तो अंत में दबाव का उछाल उस स्थिति की तुलना में काफी कम था जब छेद बड़े होते जा रहे थे। यह सुझाव देता है कि सबसे सख्त प्रतिबंध को बिल्कुल सामने रखना, जहाँ ब्लास्ट सबसे मजबूत होता है, प्रारंभिक प्रभाव को कम करने का सबसे कुशल तरीका है।
लेकिन सबसे आश्चर्यजनक खोज आकार वाले छेदों से मिली। टीम ने पाया कि एक विशिष्ट डिज़ाइन, जहाँ छेद प्रवेश द्वार से निकास द्वार तक लगातार चौड़ा होता जाता है, उनके द्वारा परीक्षण किए गए अन्य सभी कॉन्फ़िगरेशन से बेहतर प्रदर्शन करता है। इस फैलते हुए आकार (डाइवर्जिंग शेप) ने एक खाली दीवार की तुलना में पीक प्रेशर को लगभग 48 प्रतिशत और ब्लास्ट के कुल बल को 21 प्रतिशत से अधिक कम कर दिया। इसके विपरीत, छेद जो संकरे होते गए या जिनके अंदर जटिल स्टेप्स थे, वे उतने अच्छे प्रदर्शन नहीं कर सके, भले ही उनमें खुले स्थान की मात्रा समान थी। कंप्यूटर सिमुलेशन ने बताया कि ऐसा क्यों हुआ: जैसे ही शॉक वेव चौड़े होते छेद में प्रवेश करती है, यह सुचारू रूप से और धीरे-धीरे फैलती है, जिससे ऊर्जा का नुकसान होता है और हिंसक, अराजक भंवर या तीखे परावर्तन पैदा नहीं होते जो लहर को फिर से मजबूत कर सकें। अन्य आकारों के कारण हवा दब जाती है और फिर अचानक फैल जाती है, जिससे माध्यमिक शॉक वेव्स और अशांत जेट (टर्बुलेंट जेट्स) पैदा होते हैं जो दबाव को ऊँचा रखते हैं।
यह अध्ययन पुष्टि करता है कि एक छिद्रयुक्त बाधा की आंतरिक वास्तुकला उसके समग्र खुलेपन के समान ही महत्वपूर्ण है। जबकि पिछले डिज़ाइन छेदों की संख्या पर केंद्रित थे, यह शोध दिखाता है कि हवा उन छेदों के माध्यम से जो मार्ग लेती है, वह निर्धारित करता है कि कितनी ऊर्जा नष्ट होती है। निरंतर चौड़ा होता मार्ग शॉक वेव के लिए एक सौम्य ब्रेक की तरह कार्य करता है, उसे धीमा करता है और उसकी ऊर्जा को किसी भी अन्य परीक्षित आकार की तुलना में अधिक प्रभावी ढंग से फैला देता है। हालाँकि शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि उनके निष्कर्ष विशिष्ट स्थितियों पर आधारित थे और वास्तविक दुनिया के विस्फोट भिन्न हो सकते हैं, साक्ष्य स्पष्ट रूप से एक नए डिज़ाइन सिद्धांत की ओर संकेत करते हैं। बाधा के आंतरिक रास्तों को हवा को बाहर की ओर निर्देशित करने के लिए आकार देकर, इंजीनियर ब्लास्ट वेव की विनाशकारी शक्ति के खिलाफ हल्के और अधिक प्रभावी कवच बना सकते हैं।
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