第4章 气体爆轰理论

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,4,章,气体爆轰理论,1,本章主要内容,4.1,气体爆轰现象,4.2,爆炸浓度极限及其确定方法,4.3,气体爆轰参数的计算,4.4,螺旋爆轰现象及胞格结构,4.5,影响气体爆轰传播的因素,4.6,云雾爆轰现象,2,4.1,气体爆轰现象,3,4.1,气体爆轰现象,凡是在常温常压下以气态存在，经撞击、摩擦、热源或火花等点火源的作用能发生燃烧爆炸的气态物质，统称为,可燃性气体,。,可燃性气体可分为无机气体和有机气体。,4,4.1,气体爆轰现象,通常，可燃性气体按使用形态可分为,5,类：,可燃气体：,氢气、煤气、四个碳以下的有机气体（如甲烷、乙烯、丙烷等）均属此类。它们在常温常压下以气态存在，和空气形成的混合物容易发生燃烧或爆炸。,可燃液化气：,如液化石油气、液氨、液化丙烷等。这类气体在加压降温的条件下即可变为液体，压缩储存在贮灌中。液化石油气的主要成分是丙烷、丙稀、丁烷和丁烯等。常温常压下为气体，,0.8,1.5MPa,压力即可液化为液体。,5,4.1,气体爆轰现象,可燃液体的蒸气：,如甲醇、乙醚、酒精、笨、汽油等的蒸气，这些蒸气在燃烧液体表面上有较高的浓度，当它和空气混合物的浓度达到一定程度时，容易发生燃烧或爆炸。,助燃气体：,如氧、氯、氟、氧化亚氮、氧化氮、二氧化氮等。它们在化学反应中能作为氧化剂，把它们和能作为还原剂的可燃性气体混合，会形成爆炸性混合物。,6,4.1,气体爆轰现象,分解爆炸性气体：,如乙烯、乙炔、环氧乙烷、炳二烯等。它们不需要与助燃气体混合，本身就会发生爆炸。,可燃气体是与外界的空气或氧发生燃烧或爆炸而释放能量的。这一点与炸药不同。,军事上利用这些可燃气体本身不携带氧，靠周围环境中的氧释放能量这一优点，研究开发具有大面积杀伤破坏效应的,燃料空气炸弹,。,7,4.2,爆炸浓度极限及其确定方法,8,4.2.1,气体爆炸浓度极限,9,4.2,爆炸浓度极限及其确定方法,通常情况下，气体混合物中可燃成分的浓度处于一定范围内时，才会发生爆炸现象，这个浓度范围称为,爆炸浓度范围,。能够发生爆炸的最低浓度叫,爆炸浓度下限,，而能够发生爆炸的最高浓度叫做,爆炸浓度上限,。如表,4-1,所示。,10,4.2.1,气体爆炸浓度极限,表,4-1,混合气体的爆炸浓度范围,注意,:,表中的,爆炸,浓度,极限,(explosive limit),和,爆轰,浓度,极限,的区别。工程上，爆炸浓度极限通常包括爆燃部分。,11,4.2.1,气体爆炸浓度极限,当可燃物含量,很稀,或,很浓,时，化学反应进行很慢，单位时间内放出的总化学反应能量较小，就不能支持前沿冲击波去激发下层混合气体的化学反应。即使没有任何能量耗散，也不能使爆轰波稳定传播。,12,4.2.1,气体爆炸浓度极限,在混合气体的爆炸浓度范围内，存在一个,最佳浓度,。这时，,爆速最大,、,压力,和,反应放出热,也最大。从安全角度看，最佳浓度时的威力最大、破坏效应也最严重，如图,4,1,所示。,图,4,1,浓度和爆速的关系（,C,2,H,2,O,2,）,13,4.2.1,气体爆炸浓度极限,爆炸浓度极限不是一个固定的物理常数，它与,点火能,、,初始温度,、,压力,等因素有关。,（,1,）点火能,一般来说，点火能量越大，传给周围可燃混合物的能量越多，引起临层爆炸的能力越强，火焰越易自行传播，从而爆炸浓度范围变宽。即,a,b,中的,a,变小，,b,变大。但当点火能达到一定程度时，爆炸浓度范围变化就不明显了。,14,4.2.1,气体爆炸浓度极限,表,4-2,为甲烷和空气混合物在不同能量的点火条件下爆炸浓度极限的实验结果。当点火能达到一定程度时，对爆炸浓度极限的影响就不明显了。,表,4-2,点火能,对,甲烷空气混合气体,爆炸浓度极限的影响,15,4.2.1,气体爆炸浓度极限,（,2,）初始温度,初始温度升高，会使化学反应的速度加快。在相同的点火能下，可燃气体混合物的,初始温度越高,，燃烧反应,越快,，于是单位时间,放热越多,，火焰越易传播，因而爆炸极限范围,变宽,，如图,4,2,所示。,16,4.2.1,气体爆炸浓度极限,图,4,2,温度对爆炸极限的影响（甲烷）,17,4.2.1,气体爆炸浓度极限,（,3,）压力,混合气体压力提高，爆炸浓度范围扩大。处于高压下的气体，其分子比较密集，单位体积中所含混合气分子较多，分子间传热和发生化学反应比较容易，反应速度加快，而散热损失显著减少，因此,爆炸浓度范围扩大,。压力对爆炸浓度上限的影响较大。表,4-3,压力对甲烷空气混合气体爆炸极限的影响。,18,4.2.1,气体爆炸浓度极限,表,4-3,压力对甲烷空气混合气体爆炸极限的影响。,19,4.2.1,气体爆炸浓度极限,在减压的情况下，随着压力的降低，爆炸范围不断缩小。当压力降到某一数值时，则会出现上限浓度和下限浓度重合。如果压力再继续下降，则混合气便不会爆炸了，这一压力称为,爆炸极限的临界压力,。,20,4.2.1,气体爆炸浓度极限,（,4,）惰性气体,在可燃混合气中添加惰性气体，可使混合气体爆炸范围缩小。当惰性气体大于一定浓度时，混合气体便不能发生燃烧、爆炸。如表,4-4,所示,21,4.2.1,气体爆炸浓度极限,表,4-4 CO,2,对汽油蒸气爆炸浓度极限的影响,22,4.2.2,爆炸浓度极限的计算,23,4.2.2,爆炸浓度极限的计算,（,1,）按完全燃烧,1,摩尔可燃性气体所需的,氧摩尔数,n,o,估算,式中,可燃混合气体的,爆炸下限,可燃混合气体的,爆炸上限,24,4.2.2,爆炸浓度极限的计算,【,例,】,C,3,H,8,+5O,2,3CO,2,+4H,2,O,（实测值为,2.1%,）,（,实测值为,9.5%,）,25,4.2.2,爆炸浓度极限的计算,（,2,）按化学计量浓度估算,可燃混合物中的可燃物与氧或空气中的氧燃烧时到达完全氧化反应的浓度称为,化学计量浓度,。,设可燃气体的分子式为：,C,a,H,b,O,c,+n,0,O,2,aCO,2,+b/2H,2,O,则,n,0,=a+b/4,-,c/2,26,4.2.2,爆炸浓度极限的计算,如果把空气中氧气的浓度取为,20.9%,，则可燃气体在完全燃烧的情况下，空气中的化学计量浓度的计算式如下：,在氧气中， 则为：,于是，爆炸浓度极限可估算如下：,该式可用来估算,烷烃,以及其它,有机可燃气体,的爆炸浓度极限，但,不适用于乙炔以及氢、硫、氯,等无机气体。,27,4.2.2,爆炸浓度极限的计算,【,例,】,C,3,H,8,+5O,2,3CO,2,+4H,2,O,解：,n,0,=5,在空气中：,（实测值为,2.1%,）,（,实测值为,9.5%,）,28,4.2.2,爆炸浓度极限的计算,在,氧气中：,29,4.2.2,爆炸浓度极限的计算,（,3,）北川法计算爆炸浓度上限,此法是由日本北川彻三提出来的。他认为，在各有机同系物中，可燃气分子中的,碳原子数,a,与可燃气达到爆炸上限所必需的,氧摩尔数,n,o,之间存在着直线关系。如果是烷烃，其关系为：,据此，爆炸浓度上限的计算公式为：,30,4.2.2,爆炸浓度极限的计算,（,4,）多组分可燃气体混合物的爆炸浓度极限,如果多组分可燃气体反应特性接近或为同系物时，它们与空气构成的爆炸性混合物的爆炸浓度极限可根据理,查特里（,Le,Chatelier,）,法则计算，即,式中 分别为第,i,种组分在可燃物中的浓度。,分别为第,i,种组分的爆炸浓度极限（下限,或上限）。,31,4.2.2,爆炸浓度极限的计算,上式需满足以下条件：,1,、,2,、各组分间不发生化学反应且爆炸时不发生催化作用；,3,、各组分的爆炸浓度极限已知。,32,4.2.2,爆炸浓度极限的计算,【,例,】,某天然气含甲烷,80,，乙烷,15,，丙烷,4,，丁烷,1,，求天然气的爆炸浓度极限。,设,A,、,B,、,C,、,D,分别表示甲烷、乙烷、丙烷、丁烷,已知,33,4.2.2,爆炸浓度极限的计算,由上式可得：,爆炸浓度下限：,爆炸浓度上限：,以上公式均没考虑温度、压力等因素的影响,34,4.3,气体爆轰参数的计算,35,4.3,气体爆轰参数的计算,本节主要介绍气体爆轰参数的近似计算。,假定：,（,1,） ，即认为 与气体温度和组分无关；,（,2,）原始混合物的压力 与,CJ,压力 相比可以忽略。,则爆轰波的,Hugoniot,方程变为：,(1),36,4.3,气体爆轰参数的计算,由等熵方程 可得：,(2),由,CJ,条件知：,(3),移项整理可得：,忽略 得,: (4),37,4.3,气体爆轰参数的计算,将（,4,）式代入波速方程 可得,(5),将（,4,）、（,5,）式代入（,1,）式可得：,(6),由 和 可得：,(7),38,4.3,气体爆轰参数的计算,把（,4,）式代入（,7,）式可得：,(8),由,CJ,条件 可得,(9),39,4.3,气体爆轰参数的计算,将（,4,）和（,5,）式代入状态方程 可得：,(10),因此，（,4,）（,10,）式即为爆轰参数的近似公式。,40,4.3,气体爆轰参数的计算,需要注意的是：,（,1,）作为一种近似估算， 可按近似的爆炸反应式确定；,（,2,） 的单位是单位质量（,1kg,）,爆炸物的定容比热 ；,（,3,） 为,1kg,爆炸物爆炸后形成气体产物的摩尔数。,41,4.3,气体爆轰参数的计算,【,例,】,已知混合气爆炸反应式为：,CH,4,+2O,2,+8N,2,CO,2,+2H,2,O+8N,2,+801.72KJ,试求该混合爆炸物的爆速,D,。（,k,1.28,）,解：,则,42,4.3,气体爆轰参数的计算,【,作业,】,：,根据上述例子，计算常温常压下,CH,4,2O,2,混合气体发生爆炸时的爆速和,CJ,压力。,（,k,1.28,）,43,4.4,螺旋爆轰现象及胞格结构,44,4.4,螺旋爆轰现象及胞格结构,目前为止，爆轰波结构总是基于,ZND,模型中提出的一维的、光滑的稳定爆轰波。但实际上，爆轰波阵面是,三维的,、,不光滑的,、,不稳定的,。,爆轰波在接近爆轰极限的气体内，或者在化学反应活化能比较高、较难起爆的气体中传播时，实验发现了一种称为“,螺旋爆轰,”现象。,45,4.4,螺旋爆轰现象及胞格结构,1926,年，,Campbell,和,Woodhead,在研究气体混合物,2CO+O,2,的爆轰时发现了这种现象。他们用,高速照相机,记录了螺旋爆轰的传播过程，得到了如图所示的图像,。,46,4.4,螺旋爆轰现象及胞格结构,由图可见，爆轰波阵面的,传播速度是不均匀的,，出现,周期性的振动现象,；爆轰波后产物区，有规则的水平光亮条纹线，而且此光亮条纹线与波阵面的波纹状迹线有关。波阵面迹线上的每一个突峰处，对应于反应产物区中的一条光亮条纹。,如果螺旋爆轰波在涂有粉末的管子中传播时，在管壁上会留下,螺旋运动的迹线,。,47,4.4,螺旋爆轰现象及胞格结构,螺旋爆轰分为,单头的,和,多头的,。,单头,一般出现在接近爆炸极限或很难起爆的混合气体中；,多头,一般出现在混合气体中含有加速反应的物质，或者在位于爆轰极限范围内，但远离爆轰极限的情况下。,48,4.4,螺旋爆轰现象及胞格结构,实验证明，螺旋爆轰是个普遍存在的现象，它主要是由于爆轰波反应区内,流动的非一维性,造成的，即存在,横向波,，使得反应区成为多波系的,非定常结构,。,螺旋爆轰是这种非定常多维结构爆轰波的外在表现，用高速纹影照相、闪光干涉仪及烟炱实验技术，已经观察到这种爆轰波的非定常结构在时间和空间上有一定规律的,胞格结构,(cell-structure),。,49,4.4,螺旋爆轰现象及胞格结构,图,4,4,是在,30,（,2H,2,O,2,）,70,Ar,中的爆轰波通过后，在侧壁上由烟炱实验得到的胞格痕迹。这种胞格结构是由反应区内大量横波之间的相互作用形成的。,图,4,4,胞格爆轰的烟炱图,50,4.4,螺旋爆轰现象及胞格结构,51,4.4,螺旋爆轰现象及胞格结构,52,4.4,螺旋爆轰现象及胞格结构,53,4.4,螺旋爆轰现象及胞格结构,爆轰的胞格结构既存在于,气体爆轰,中又存在于,凝聚炸药爆轰,中。总之，实际爆轰波都是非一维的不定常结构。,ZND,模型是对它们的简化，称为,光滑的理想爆轰波,。,54,4.5,影响气体爆轰传播的因素,55,4.5,影响气体爆轰传播的因素,影响气体爆轰传播的因素很多。,气体爆轰的传播速度约在,10003500m/s,。,1,、,气体爆轰波的传播速度与盛气体管子的放置方法（垂直或水平、或倾斜）、起爆源的种类、引爆端是闭口还是开口等无关。,与管子的形状有关,。,56,4.5,影响气体爆轰传播的因素,2,、混合气体的,初始温度,对爆轰波速度影响很小，随温度升高，爆速稍微下降，这是因为温度高使气体密度减小所造成的。如爆鸣气（,2H,2,O,2,）,初始温度为,10,0,C,时，测出的爆速值为,2821m/s,，,而,100,0,C,时为,2790m/s,。,3,、,混合气体的爆速随,初始压力,的提高而提高。,57,4.5,影响气体爆轰传播的因素,根据,Cook,对初始压力,p,0,在,5,10,10,4,Pa,范围内对,H,2,-O,2,-N,2,，,H,2,-O,2,-Ar,，,C,2,H,2,-O,2,等气体混合物测定的爆速数据，整理得到了如下的关系式：,式中,D,p,和,D,p0,分别表示压力为,p,和,p,0,时的爆速，,为常数。一些气体混合物的,值和,D,p0,值列于表,4-5,。,58,4.5,影响气体爆轰传播的因素,表,4-5,一些气体混合物的,值和,D,p0,值,59,4.5,影响气体爆轰传播的因素,4,、混合气体的爆速随,初始密度,的增大而增大。,气体混合物初始密度增大将引起爆速的提高。,对遵守定余容,Abel,方程的气体，推导得到如下的爆速计算式,比容变化公式为：,60,4.5,影响气体爆轰传播的因素,图,4-5,为爆鸣气在,=0.75cm,3,/g,时爆速,D,与,0,之间的理论关系。,图,4-5,爆鸣气的爆速,D,与,0,之间的关系,（坐标原点有误）,61,4.5,影响气体爆轰传播的因素,5,、加入,惰性气体,，对于较轻的惰性气体如,He,，,爆速增加；对于较重的惰性气体如,Ar,，,爆速减小。这是因为轻气体使得爆炸反应产物的,平均分子量,减小，重气体使得分子量增大。但惰性气体的加入都使得爆温下降，这是因为惰性气体吸热造成的。如表,4-6,所示。,62,4.5,影响气体爆轰传播的因素,表,4-6,添加不等量,H,2,以及,He,、,Ar,对爆鸣气爆速和爆温的影响,63,4.6,云雾爆轰现象,64,4.6,云雾爆轰现象,所谓,云雾爆轰,系指液体燃料雾滴散布于气体氧化剂或空气当中形成的,液一气,两相混合物的爆轰。,近,30,年来的实验研究表明，这种两相体系，在适当的混合比例条件下可以利用药柱爆炸或强冲击波激起其爆轰的传播。,65,4.6,云雾爆轰现象,云雾爆轰是一种不均匀爆轰。不均匀相爆轰的研究大致分为四种类型，即：,(1),不挥发油滴悬浮于氧气或空气中所发生的不均匀爆轰；,(2),充有氧气的管子内壁上涂以液态油膜所发生的不均匀爆轰；,(3),充有氧气的管子内壁上涂以固态碳氢化合物或固态碳粉末所发生的不均匀爆轰；,(4),金属粉末或其他固体可燃物粉尘悬浮于氧气中所产生的不均匀爆轰。,66,4.6,云雾爆轰现象,这类课题的研究之所以受到重视，一个原因是与采煤、采油等矿业生产，以及石油、化工、粮食、纺织等工业生产的安全性紧密相关，另一方面的原因则是与近,30,年来发展起来的所谓,燃料空气炸弹,(FAE),这一武器技术的研究相关。,67,4.6,云雾爆轰现象,2007,年,11,月,24,日，上海浦东一个,加油站发生爆炸,，,4,人死亡。,68,4.6,云雾爆轰现象,69,4.6,云雾爆轰现象,经过专家分析，认为这起爆炸事故是在停业检修过程中，现场施工人员违章作业，在未对与管道相通的,2,号储气罐进行有效安全隔离情况下，用压缩空气对管道实施气密性试验，导致该储气罐内未经清洗置换的液化石油气与压缩空气混合，引起化学性爆炸。,70,4.6,云雾爆轰现象,20,世纪,60,年代末和,70,年代初，美国在侵越战争中首先使用了,燃料空气炸弹,，为其开辟,直升飞机着陆场,、,破坏地面防护设施,、,雷达,和,各种机动车辆,，以及利用它爆炸所形成的强烈冲击波,扫除地雷,、,杀伤有生力量,等。近些年来，大力开展利用燃料一空气炸弹对付各种储罐、飞机、机库、导弹发射场以及各种海上舰船等的新武器的研究工作已取得显著进展。,71,4.6,云雾爆轰现象,正因为如此，两相不均匀爆轰，特别是油滴一氧气或空气所构成的所谓,云雾爆轰,的研究，已成为国内外重要的研究课题。,美军在越南战争中使用的,CBU,型燃料空气炸弹是一种圆筒形容器，内装有约,37kg,的环氧乙烷,(C,2,H,4,O),燃料。,72,4.6,云雾爆轰现象,在距地面一定高度上炸开弹体，顿时形成有大量直径约为,零点几厘米,乃至,零点几毫米,的小油滴散布于周围的空气当中，并在,几十毫秒,时间内形成直径为,十几米,、,高数米,的云雾气团,(,此时，使所形成云雾团内环氧乙烷的浓度确保在爆炸浓度上下限，即在,6,24,范围之内,),，而后借助于从弹内抛掷到一定高度位置上的起爆装置引爆。,73,4.6,云雾爆轰现象,云爆弹结构,引爆,药药,液体燃料,壳体,中心药柱,二次引爆,74,4.6,云雾爆轰现象,云雾爆轰波的传播速度约为,1.5,3km/s,，,所形成的爆轰压力可达,1.0,3.0MPa,。,云雾爆轰所形成的气体产物向周围的膨胀流动以及所形成的,爆炸冲击波超压,是导致,人畜死伤,和,各种设施破坏,的主要原因。,此外，云雾爆轰过程中大量消耗空气中的氧而引起,窒息效应,也是造成有生力量死伤的重要原因。,75,4.6,云雾爆轰现象,云雾爆轰是一种两相混合物的不均匀爆轰。显然，与均匀的气相爆轰相比，云雾爆轰现象及其机理要复杂的多。因此，为认识这一事物的化学物理本质，掌握并利用它内在的规律，多年来开展了一系列的实验与理论研究工作。,76,4.6,云雾爆轰现象,温压弹,是在燃料空气炸弹的基础上研制出来的，是燃料空气炸弹的高级发展型。温压炸药兼具高爆炸药和燃料空气炸药的特点，准确地说是一种富含燃料的高爆炸药。,温压炸药中添加了铝、硼、硅、镁等物质的粉末，这些粉末在加热状态下起燃并释放大量能量，大大增强了温压炸药的热效应和压力效应。,77,4.6,云雾爆轰现象,温压弹,爆炸压力场,/,温度场是复杂流场，对于实用弹药，燃料被抛撒后，与空气混合时间可达到,100-200ms,，燃料与空气不可能混合均匀，各区域内燃料浓度分布有随机性，因此爆轰压力和温度场分布有不对称性。,温压炸药与凝聚炸药爆炸相比，温压炸药能量密度小、爆速小、爆压低，但作用范围大。,78,4.6,云雾爆轰现象,研究结果表明：大致在小于,2/3,云雾半径的范围内，温压炸药的爆炸场超压小于同质量,TNT,的爆炸场超压，但在大于,2/3,云雾区半径范围内，温压炸药的爆炸场超压均显著大于,TNT,的爆炸场超压。,79,4.6,云雾爆轰现象,三种炸药火球表面的最高温度,80,4.6,云雾爆轰现象,温压炸药与,B,炸药的爆炸火球体积的对比,81,本章要点,理解气体爆炸浓度极限及其计算方法；,掌握气体爆轰参数的近似计算；,理解螺旋爆轰现象；,了解影响气体爆轰传播的因素；,了解云雾爆轰现象。,82,