气体爆轰理论

爆炸力学讲义1. 引言爆炸力学是研究爆炸现象及其背后的物理和化学原理的科学领域。

本讲义将介绍爆炸力学的基本概念、原理和应用，以帮助读者更好地理解和应对与爆炸相关的问题。

2. 爆炸基础知识2.1 爆炸定义爆炸是指在一定条件下，物质内部能量迅速释放并产生剧烈的火焰、光亮、声响和气体冲击波等现象。

它是一种极为复杂的物理过程，涉及能量转换、物质相变和反应动力学等多个方面。

2.2 爆轰与爆燃在爆炸中，有两个重要概念需要区分：爆轰和爆燃。

爆轰是指在超声速下，火焰由点火源向未点火区域传播，并产生可见的冲击波。

而爆燃则是指火焰以亚声速蔓延，并没有明显的冲击波。

2.3 爆速与传播方式爆速是指爆炸波传播的速度。

根据传播方式的不同，爆速可以分为两种类型：很快爆速和相对较慢的爆速。

其中，很快爆速通常用于高爆炸物，而相对较慢的爆速通常用于低爆炸物。

3. 爆炸物理学3.1 爆炸能量在一个完整的化学反应中，反应物与产物之间的能量差称为焓变。

当焓变为负值时，反应释放出能量；当焓变为正值时，反应吸收能量。

在爆炸中，焓变通常为负值，因此释放出大量能量。

3.2 燃烧过程在一个典型的固体燃料中，可分为三个阶段：引燃、扩展和消耗。

引燃阶段是指点火源接触到固体表面并引发可燃物质开始氧化反应；扩展阶段是指火焰从点火源向周围蔓延；消耗阶段是指可燃物质被完全消耗。

3.3 爆轰过程在一个典型的气体爆炸中，可分为四个阶段：压缩、点火、爆轰和扩展。

压缩阶段是指气体被压缩到一定程度；点火阶段是指点火源引发气体燃烧；爆轰阶段是指反应物快速释放能量，并形成冲击波；扩展阶段是指冲击波向周围传播。

4. 爆炸力学应用4.1 爆炸物品安全处理由于爆炸物品可能对人员和环境造成严重伤害，因此安全处理是至关重要的。

包括合理储存、运输和处理爆炸物品的规范，以及采取适当的安全措施来减少事故风险。

4.2 爆破工程爆破工程广泛应用于采矿、建筑和拆除等领域。

通过控制爆炸能量的释放方式和方向，可以实现精确的地质勘探、岩土工程处理和建筑拆除等目标。

爆燃、爆轰与爆炸
目前，很多安全工程技术中的概念并没有统一，这里只是一种解释。

一、燃烧过程可以产生爆炸，燃烧导致的爆炸可以按照燃烧速度分为两类：
1 爆炸性混合气体的火焰波以低于声速传播的燃烧过程称为爆燃;
2 爆炸性混合气体的火焰波在管道内以高于声速传播的燃烧过程称为爆轰。

(注：声速的绝对数值取决于介质，例如空气中的声速和氢气中的声速当然是不一样的。

)
二、爆炸可以是化学爆炸(例如由燃烧产生)和物理爆炸(例如快速蒸发引起
的爆炸)，但是它的共同物理本质就是压力骤变形成压缩波，按照爆炸传播速度
分为三类：
1 轻爆爆炸传播速度数量级0.1~10m/s;
2 爆炸(狭义) 爆炸传播速度数量级10~1000m/s;
3 爆轰爆炸传播速度大于1000m/s。

这里的“爆轰”定义包涵了燃烧过程中的爆轰。

爆炸：一种极为迅速的屋里或化学的能量释放。

爆炸三要素：放热性，迅速性，产生气体。

（物理，化学，核爆炸）炸药化学变化的形式：1.缓慢的化学变化，2.燃烧，3.爆轰气体的状态参量：P V T 物理性质：1.连续性，2.可压缩性，3.粘性，4.导热性。

爆炸破坏作用的直接原因：压力突变。

炸药：在外界因素的作用下可以引起高速化学反应并能升V恒大两气体产物和放出大量热量的物质。

炸药的特点：体积小，质量轻，制造和控制容易。

冲击：是抛射体（弹体）以一定的速度向被撞击物（靶板）进行撞击，在撞击瞬间能量进行急骤转化的现象。

冲击现象的特点：载荷强度高，作用时间短。

理想气体的状态方程：PV=nRT热力学第一定律：外界对系统所传递的热量，一部分使系统的内能增加，一部分用于系统对外界所做的功：Q=E2-E1+A对于单位质量的气体：dq=de+pdv定容比热：de=CvdT →e-e0=Cv（T-T0）取T0=0 有E=CvT单位质量理想气体的内能等于定容比热与绝对温度的乘积。

定压比热：dq=CvdT+d(pv)=vdp等压条件下dp=0 由pv=RT可得Cp=Cv+R理想气体的定压比热与定容之热之比，成为理想气体的绝热指数：γ=Cp/Cv →Cv=R/(γ-1) Cp=γR/（γ-1）单原子气体γ=1.67，双原子气体γ=1.4，多原子气体γ=1.33，对于理想气体γ=1.4 焓：H=E+pV h=e+pv →dh=dq+vdp等压过程：dp=0 →dh=CpdT →h-h0=Cp（T-T0）在绝对温度时h0=CpT0=0 有h=CpT熵：ds=CpdTT−Rdpp对于等熵过程：等熵要求：1、在整个过程中系统与外界没有任何热量交换，即整个过程是绝热的2、在整个过程中系统内部不容许由于其体分子的粘性摩擦或气体分子与容器壁的摩擦而产生热量。

热力学第三定律：当宏观体系的绝热温度为0K时，体系的熵为0热力学第二定律：在任何一种与外界无能量交换的隔离系统中所发生的过程若是一种可逆过程，则熵值始终保持不变，然而一旦发生了不可逆过程，系统的熵值将增大。

第9章可燃气体爆轰本章首先简要介绍爆轰、爆炸、爆燃等基本概念，然后着重论述了经典爆轰理论（CJ理论和ZND模型），给出爆轰波三维结构和胞格结构；最后分析典型爆轰基本现象（直管中气体爆轰、爆轰波反射、爆轰波绕射等）。

主要目的是使读者认识爆轰基本理论，搞清爆轰传播机理，并逐步掌握爆轰问题的分析和研究方法。

9.1 引言爆炸现象是自然界包括工业生产活动和人类活动中常见的现象之一。

所谓爆炸是指能量发生急剧转化的物理化学过程。

其包括物理爆炸、化学爆炸和核爆炸三类。

如锅炉蒸汽爆炸属于物理爆炸，火药爆炸、可燃气体爆炸等属于化学爆炸，而原子弹爆炸、氢弹爆炸、宇宙大爆炸等属于核爆炸。

爆轰，相对于爆炸来说，相对狭义。

具体说，爆轰是在燃烧介质中激烈而且迅速传播的一种化学形式，燃烧产物质点运动方向与波传播方向一致。

爆轰在介质的传播速度相对于未燃介质是超声速的，这是爆轰区别于其它燃烧形式的最显著的特征。

因此，可将爆轰定义为：相对于未燃介质以超声速传播的激烈燃烧形式。

以恒定速度稳定传播的爆轰称为稳定爆轰；没有达到稳定速度的爆轰称为非稳定爆轰。

而爆燃是可燃介质燃烧速度相对缓慢（一般为每秒几厘米至几百米的量级）的一种化学形式。

其在介质中以亚声速传播，燃烧产物质点运动方向与波传播方向相反。

爆轰波是带有化学反应的激波。

即爆轰波由诱导激波和化学反应区组成。

诱导激波加热、压缩并引发化学反应。

化学反应释放的能量支持诱导激波并推动其在反应气体中传播。

因此，爆轰波与流体动力学中的激波不同，其不但包括诱导激波阵面，还包括其后紧跟的化学反应区。

一般来说，诱导激波厚度约10-5cm量级，化学反应区宽度为mm量级。

图1为直管道内的爆轰波。

可以看出，爆轰波并非平面波，而具有三维结构。

图2为爆轰波在斜劈上的反射。

由于壁面对爆轰波的压缩，导致马赫反射的形成，波阵面明显发生弯曲。

图3为爆轰波在管道开口处的绕射。

可以看出，爆轰波越强，受到开口的影响相对较小，离开开口后仍维持爆轰状态。

凝聚炸药的爆轰反应机理
凝聚炸药是一种含有固体燃料和氧化剂的炸药。

在爆轰反应中，以下是凝聚炸药的常见爆轰反应机理：
1. 初次爆轰阶段：在起爆源（如火花、冲击波等）的作用下，凝聚炸药中的固体燃料和氧化剂发生瞬时点燃，形成许多燃烧区域。

此时，燃烧区域中的压力和温度迅速升高，周围固体燃料和氧化剂被加热和分解。

2. 转变阶段：在初次爆轰阶段后，燃烧区域中的温度继续上升，燃烧速度加快，燃烧区域内的升压速度超过了压力波传播速度，形成了一个区域性的“炸药爆轰波”。

3. 爆轰阶段：在转变阶段后，由于能量的高度集中，燃烧区域内的温度和压力剧增，固体燃料和氧化剂迅速反应产生大量气体。

同时，由于升压速度快于火焰的扩散速度，燃烧区域的前沿形成大量高温和高压气体的激波。

4. 惯性阶段：在爆轰阶段后，燃烧区域内的火焰前沿已经结束，但气体仍在高压下继续膨胀，从而形成激波。

此时，能量转化为激波能量，激波在炸药中传播，引起物质的破碎和声光效应。

总结起来，凝聚炸药的爆轰反应机理可以分为初次爆轰阶段、转变阶段、爆轰阶段和惯性阶段。

在这个过程中，固体燃料和氧化剂反应产生气体，形成激波并释放巨大的能量。

这些反应的连续发生导致了凝聚炸药的爆炸。

爆轰的概念爆轰是指在燃烧过程中由于某种原因，燃料快速氧化反应产生的剧烈能量释放现象。

这种能量释放通常伴随着巨大的压力波、冲击波、火焰和气体的快速膨胀等特征。

爆轰是一种危险且破坏性极大的现象，经常出现在爆炸、火灾等事件中。

了解爆轰的概念，有助于我们对这类危险事件进行预防和处理。

爆轰的概念可以从不同的角度进行考虑。

从化学反应的角度看，爆轰是指燃料和氧化剂之间的快速氧化反应过程。

在爆轰过程中，燃料和氧化剂的反应速度远远超过了传统燃烧的速度，导致能量快速释放。

这种高速反应会形成火焰球、高温和高压等特征，从而产生爆炸力和冲击波。

从热力学的角度看，爆轰是燃料在氧化剂存在下的自持续燃烧过程。

在正常燃烧中，需要外部的能量输入来维持燃烧过程。

但在爆轰中，一旦燃料和氧化剂到达一定的浓度范围，燃烧反应会变得自持续，进一步释放更多的能量。

这种自持续反应会形成能量的正反馈过程，导致爆轰的产生。

从物理学的角度看，爆轰是指能量在某一区域内快速释放导致的大规模破坏效应。

在爆轰过程中，能量以冲击波的形式传播，从而对周围物体产生巨大的压力和力量。

这会引起崩塌、破裂、震动和火灾等一系列问题，对人、物和环境造成巨大的威胁。

爆轰的产生通常需要满足以下条件：适当的燃料浓度、可燃物质的形态和分布状态、适当的氧化剂浓度、足够的能量源（如火焰、电火花等）以及适当的温度和压力等。

当这些条件满足时，爆轰可能发生。

爆轰在人类社会中具有重要的意义。

一方面，爆轰现象的研究有助于我们理解火灾、爆炸等事故的发生机理和过程，从而提高防范和应对的能力。

另一方面，爆轰现象的研究也对能源开发、火箭动力等领域具有重要的意义。

通过深入了解爆轰的机理，可以更好地设计和控制能量释放过程，提高能源利用效率和安全性。

为防止爆轰事故的发生，我们可以采取一系列的措施。

首先是燃料和氧化剂的控制，合理调整其浓度和分布状态，避免过高的反应速度和能量释放。

其次是温度和压力的控制，避免达到爆轰反应所需要的条件。

气体爆燃和爆轰的的发生条件
一、气体爆燃的发生条件
1、火灾危险性分析
发生爆燃的前提条件是有适宜的条件，火灾危险性分析是评估火灾危险性的重要方法，其中包括气体爆燃危险性分析，评估气体爆燃危险性的因素有火源、易燃物、可燃气体及其气体混合物分布、不同的温度、压力和火源爆发力等因素。

2、可燃气体与火源—气体爆燃三元组
构成气体爆燃的三元组是可燃气体、氧气和火源。

如果三元组的三者任一条件不满足，则气体爆燃不会发生，可燃气体是气体爆燃的主要成分，它必须具备一定的条件才能燃烧。

氧气是燃烧的必要条件，而火源是促使燃烧的原因，具备了以上三者，气体燃烧才会发生。

三、气体爆轰的发生条件
1、气体极端温度、压力下的发生
气体爆轰是指在极端温度、压力下引起的气体稳定性危害，爆轰是由气体发生大量化学反应的结果，而这种大量化学反应需要温度和压力必须达到爆轰的临界值才能发生，温度高于爆燃的临界温度，压力大于爆燃的临界压力时，气体就会发生爆轰，这意味着气体爆轰主要依赖于温度和压力。

2、气体积聚
气体爆轰的另一个发生条件是气体的积聚。

气体在一定的温度压力下，当气体积聚到一定的量时，即使不存在火源，也会产生爆轰的
效果，由于火源的存在可以明显加速爆轰的发生。

因此，气体爆燃和爆轰的发生条件主要有：
1、可燃气体与火源—气体爆燃三元组：可燃气体、氧气和火源；
2、气体极端温度、压力下的发生：温度高于爆燃的临界温度，压力大于爆燃的临界压力；
3、气体积聚：气体在一定的温度压力下当积聚到一定的量时可以引起爆轰。