第四講 燃氣的爆炸效應分析

11第四講燃氣的爆炸效應分析爆炸效應4.1爆炸效應的分類爆炸是一種極為迅速的物理或化學的能量釋放過程。一旦失控，發(fā)生爆炸事故，就會產(chǎn)生巨大的破壞作用。1.直接破壞2.沖擊波破壞3.火災4.中毒5.環(huán)境污染2爆炸效應4.1.1爆炸的直接破壞機械設備、裝置、容器等爆炸后產(chǎn)生許多碎片，飛出后會在相當大的范圍內(nèi)造成危害。一般碎片在100～500米內(nèi)飛散。3爆炸效應4.1.2爆炸的沖擊波效應爆炸時，產(chǎn)生的高溫高壓氣體以極高的速度膨脹，象活塞一樣擠壓周圍空氣，把爆炸反應釋放出的部分能量傳遞給壓縮的空氣層，空氣受沖擊而發(fā)生擾動，使其壓力、密度等產(chǎn)生突變，這種擾動在空氣中傳播就稱為沖擊波。4爆炸效應4.1.2爆炸的沖擊波效應2011年11月14日晨，西安市科創(chuàng)路一家餐飲店發(fā)生爆炸，強烈的沖擊波將餐飲店所在的商業(yè)大廈一層炸毀，并波及路人。事故造成9人死亡，34人住院治療。初步判定爆炸原因為液化氣罐泄漏。5爆炸效應4.1.2爆炸的沖擊波效應沖擊波的傳播速度極快，在傳播過程中，可以對周圍環(huán)境中的機械設備和建筑物產(chǎn)生破壞作用和使人員傷亡。所有的爆炸都伴有沖擊波，沖擊波總是在物質膨脹速度變得大于局域聲速（340米/秒）時發(fā)生。沖擊波還可以在它的作用區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生震蕩作用，使物體因震蕩而松散，甚至破壞。6爆炸效應4.1.2爆炸的沖擊波效應沖擊波的破壞作用主要是由其波陣面上的超壓引起的。在爆炸中心附近，空氣沖擊波波陣面上的超壓可達幾個甚至十幾個大氣壓（1個大氣壓=100KPa=1kgf/cm2）“煤氣罐”是鋼制的移動式壓力容器，具有爆炸危險，它的壁厚僅2.5mm左右（新鋼瓶出廠標定壁厚），非常簿，它時刻都承受著來自內(nèi)部介質產(chǎn)生的壓力，正常使用時內(nèi)部壓力0.5～1.2MPa(合5～12kgf/cm2)，整個橫截面要承受1000公斤左右的拉力。7爆炸效應4.1.2爆炸的沖擊波效應沖擊波大面積作用于建筑物時波陣面超壓在20kPa～30kPa內(nèi)可使大部分磚木結構建筑物受到強烈破壞波陣面超壓在100kPa以上時除堅固的鋼筋混凝土建筑外，其余部分將全部破壞注：建筑結構混凝土、砌體、鋼結構、輕型鋼、木結構8爆炸效應4.1.3造成火災爆炸后，爆炸氣體擴散只發(fā)生在極其短促的瞬間內(nèi)對一般可燃物來說，不足以造成起火燃燒，而且沖擊波造成的爆炸風還有滅火作用爆炸后，高溫高壓使建筑物內(nèi)遺留大量的熱或殘余火苗會把可燃氣體、易燃或可燃液體的蒸氣點燃，也可能把其它易燃物點燃引起火災。這種情況在油罐、液化氣瓶爆破后最易發(fā)生9爆炸效應4.1.4中毒在密閉居室中使用燃氣取暖、做飯，由于通風不良，供氧不充分，可產(chǎn)生大量一氧化碳積蓄在室內(nèi)城區(qū)居民使用管道煤氣，其一氧化碳量為25%～30%。如果管道漏氣、開關不緊，或燒煮中火焰被撲滅后，煤氣大量溢出，可造成中毒使用燃氣熱水器，通風不良，洗浴時間過長

10爆炸效應4.1.5環(huán)境污染開采造成地面塌陷，植被破壞煤、天然氣、石油燃燒都有CO2產(chǎn)生，導致溫室效應天然氣不完全燃燒會生成CO，甲烷本身也是大氣污染源，它造成溫室效應的能力是CO2的十幾倍，天然氣內(nèi)也有少量H2S等雜質，污染空氣煤含有S，石油含有S、N，燃燒后均可以導致酸雨11爆炸效應12作業(yè)場所化學品安全標簽危險性分級爆轟波4.2爆轟波detonationwave以超聲速運動的激波，又稱為沖擊波，帶有化學反應的沖擊波，稱為爆轟波。即：沖擊波+化學反應=爆轟波13爆轟波4.2爆轟波detonationwave19世紀80年代初，法國物理學家M.貝特洛、P.維埃耶、E.馬拉爾和H.-L.勒夏忒列等做過火焰?zhèn)鞑嶒?。他們將一個充滿可燃氣體混合物的管子一端點燃，發(fā)現(xiàn)火焰通常以每秒數(shù)厘米到數(shù)米的低速傳播，但是在某些特殊情況下，這種緩慢的燃燒過程能夠轉變?yōu)楦咚俚奶厥馊紵^程，他們稱這種現(xiàn)象為爆轟。14爆轟波15爆轟形成過程示意圖（a）正常火焰?zhèn)鞑—O前面形成一系列壓縮波d—d，d′—d′，d″—d″……（b）正?；鹧?zhèn)鞑—O前方爆轟波U—U已形成，并使未燃混合氣著火；（c）正?；鹧?zhèn)鞑ヅc爆轟波引起的燃燒合二為一爆轟波爆轟形成條件

1．初始正?；鹧?zhèn)鞑ツ苄纬蓧嚎s擾動2．管子要足夠長或自由空間的預混氣體積要足夠大爆轟前期間距：正常火焰峰與爆轟形成位置之間的距離稱爆轟前期間距。對于光滑的管子，該爆轟前期間距為管徑的數(shù)十倍。對于表面粗糙的管子，爆轟前期間距為管徑的2～4倍。3．可燃氣濃度要處于爆轟極限范圍內(nèi)爆轟極限范圍一般比爆炸極限范圍要窄4．管子直徑大于爆轟臨界直徑管子能形成爆轟的最小直徑稱爆轟臨界直徑，約為12～15mm。16爆轟波17爆轟極限與爆炸極限的比較可燃氣體爆炸極限（體積％）爆轟極限（體積％）下限下限上限下限氫—空氣4.075.618.359.0氫—氧4.793.915.090.0一氧化碳—氧15.794.038.090.0氨—氧13.579.025.475.0乙炔—空氣1.582.04.250.0乙炔—氧2.5

3.592.0丙烷—氧2.355.03.237.0乙醚—空氣1.736.02.84.5乙醚—氧2.182.02.624.0爆轟波4.2.1爆轟波的結構爆轟波的結構是爆轟研究的主要問題。D.L.查普曼于1899年、E.儒蓋于1905年分別提出最簡單的爆轟波結構理論，后稱為C-J理論。20世紀40年代，Я.Б.澤利多維奇、J.von諾伊曼和W.杜林各自獨立地建立起了爆轟波內(nèi)部結構的模型，后稱為ZND模型。18爆轟波4.2.1爆轟波的結構C－J理論它把爆轟波簡化為一個沖擊壓縮間斷面，其上的化學反應瞬時完成，在間斷面兩側的初態(tài)、終態(tài)各參量可以用質量、動量和能量三個守恒定律聯(lián)系起來，經(jīng)變換：19e＝e(p，v)爆轟波4.2.1爆轟波的結構C－J理論式中p為壓強，v為比容，e為比內(nèi)能，u為質點速度，D為爆轟波傳播速度，下標"0"表示初態(tài)。第二式在p-v平面內(nèi)為一直線，通常稱為瑞利線；第三式稱為許貢紐方程，它是p-v平面內(nèi)的一條曲線，稱為許貢紐線。一切同初態(tài)（p0，v0）滿足守恒的狀態(tài)點都在這條線上。20爆轟波4.2.1爆轟波的結構C－J理論四個方程中共有五個未知量，要單值確定爆轟參量，還須找出第五個方程。為此，查普曼和儒蓋提出了著名的假設（稱為C-J假設或C-J條件）：穩(wěn)定爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)對應于許貢紐線和瑞利線的切點J，即C-J點（圖1），該點的爆速DJ是極小值，可以證明，在J點有下面關系：21DJ＝uJ＋cJ式中c為聲速，下標“J”表示J點的值。圖1曲線的BA段對應于爆轟過程，AE段不對應于任何實際過程，EF段對應于爆燃過程。爆轟波4.2.1爆轟波的結構C－J理論對實際爆轟系統(tǒng)應用C-J理論進行計算，一般都能得到同實驗爆速值相近的結果，這表明C-J理論基本正確。但是，對氣相爆轟進行精密測量得到的爆轟壓強和密度值，比用C-J理論得到的值約低10％～15％，對爆轟產(chǎn)物實測得到的馬赫數(shù)比計算的C-J值約高10％～15％。這表明C-J理論是一種近似理論。22爆轟波23C-J理論C-J假定爆轟波能夠定常傳播的約束條件---C-J條件：

D－u1=C1，其中C1為1區(qū)的聲速。①

流動是理想的、一維的，不考慮介質的粘性、擴散、傳熱以及流動的湍流等性質。②

爆轟波陣面是平面，其陣面的厚度可忽略不計，它只是壓力、質點速度、溫度等參數(shù)發(fā)生突躍變化的強間斷面。③

在波陣面內(nèi)的化學反應瞬間完成的，其反應速率為無限大，且反應速率為無限大，且反應產(chǎn)物處于熱力學平衡狀態(tài)。④

爆轟波陣面的參數(shù)是定常的。可求解爆轟參數(shù)：P1、ρ1

、e1

、u1

、D爆轟波4.2.1爆轟波的結構ZND模型爆轟波具有雙層結構：前面一層是以超聲速推進的激波，緊跟在后面的一層是化學反應區(qū)。激波仍作為一個強間斷面，爆轟物質被瞬時地壓縮到高溫高密度狀態(tài)，接著開始化學反應，直到反應區(qū)末端達到C-J狀態(tài)，在反應區(qū)內(nèi)忽略粘性和熱傳導的影響。除初始物質、爆轟產(chǎn)物和它們的混合物的狀態(tài)方程外，還必須建立反應速率方程：24式中ξ為化學反應程度變量，稱反應進度；t為時間；λ為反應速率，它是壓強p、溫度T和ξ的函數(shù)。在ZND模型中，ξ=0對應于反應區(qū)的初態(tài)，即激波后的狀態(tài)；ξ=1對應于反應區(qū)的終態(tài)。爆轟波25ZND模型的物理圖像PxP0P1（PN)PC-J(PM)爆轟產(chǎn)物炸藥反應區(qū)x0η=1,曲線2A(P0,V0)MNKLPVN1P1=2PC-Jη=0,曲線1爆轟波4.2.1爆轟波的結構20世紀20年代，C.坎貝爾和D.W.伍德黑德在研究氣體混合物的爆轟特性時，首先觀察到爆轟波中有周期性擾動存在。近20年的大量實驗研究發(fā)現(xiàn)，氣體爆轟波陣面都具有復雜的三維結構。在扁平管中，可以觀察到在煙碳層平面上具有很規(guī)則的胞格結構。在擴展的球形爆轟中也觀察到類似的結構。實驗表明，除了沿爆轟波傳播方向前進的波外，還有橫向的弱激波在作周期性的脈動。圖3為爆轟波陣面結構。根據(jù)迄今為止的大量的實驗研究結果可以設想，爆轟波一般具有不定常、非平面和多波頭的胞格結構。C-J狀態(tài)只是一個宏觀熱力學的平均狀態(tài)，它是大量微觀或準微觀狀態(tài)的綜合表現(xiàn)。26爆轟波27爆轟波4.2.2爆轟波的速度燃燒時火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?0-4～10m/s的量級，小于燃燒物料中的聲速；而爆轟波傳播速度則在103～104m/s的量級，大于物料中的聲速?；瘜W計量的甲烷、氧混合物在常壓下的燃燒速度為10m/s，而爆轟速度則約為2820m/s。計算：C-J點28爆轟波29爆轟波30爆轟波4.2.2爆轟波的速度爆轟測試常用的儀器有高速照相機、X射線閃光照相機、高分辨的時間測定儀和脈沖示波器等。目前已有：①畫幅頻率達2×107幅／秒、掃描速度為20～60毫米／微秒、象質分辨率達25線／毫米的轉鏡式高速照相機;②電壓高達3～6兆伏、閃光時間為20納秒的X射線閃光照相機；③時間分辨率為納秒的多通道時間測定儀；④可以測量10～30吉帕動態(tài)壓力、頻率響應為1兆赫以上的動態(tài)測量元件。此外，激光干涉測速、激光全息技術和脈沖激光光譜技術等也已逐漸應用于爆轟的測試工作。31爆轟波

某些可燃混氣爆轟波波速實測結果2209C2H4+3O22363C2H6+3.5O21880CH4+1.5O2+2.5N22146CH4+2O212642CO+O228212H2+O2U0（m/s）混合物可燃混合氣體的爆炸效應4.3可燃混合氣體的爆炸效應宏觀表現(xiàn)：對周圍物體的直接破壞作用強弱：取決于爆炸后產(chǎn)生的沖擊波壓力后面的壓縮波的波速都將比前面的壓縮波的傳播速度快，不難想象，經(jīng)過一段時間后，這些壓縮波將會疊加在一起，波的能量也將迅速增大，即形成所謂的“激波”。激波前后氣體的參數(shù)（壓力、溫度、密度等）發(fā)生了顯著的變化。33OOBBAA可燃混合氣體的爆炸效應4.3.1爆轟沖擊波壓力——立方根法則在計算距爆炸中心某處的沖擊波壓力時，引入了等效距離由此可以計算出距離爆炸中心產(chǎn)生的沖擊波壓力34可燃混合氣體的爆炸效應4.3.1爆轟沖擊波壓力——立方根法