第四講 燃?xì)獾谋ㄐ?yīng)分析

11第四講燃?xì)獾谋ㄐ?yīng)分析爆炸效應(yīng)4.1爆炸效應(yīng)的分類爆炸是一種極為迅速的物理或化學(xué)的能量釋放過程。一旦失控，發(fā)生爆炸事故，就會(huì)產(chǎn)生巨大的破壞作用。1.直接破壞2.沖擊波破壞3.火災(zāi)4.中毒5.環(huán)境污染2爆炸效應(yīng)4.1.1爆炸的直接破壞機(jī)械設(shè)備、裝置、容器等爆炸后產(chǎn)生許多碎片，飛出后會(huì)在相當(dāng)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(yīng)4.1.2爆炸的沖擊波效應(yīng)爆炸時(shí)，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(yīng)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(dòng)，使其壓力、密度等產(chǎn)生突變，這種擾動(dòng)在空氣中傳播就稱為沖擊波。4爆炸效應(yīng)4.1.2爆炸的沖擊波效應(yīng)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(qiáng)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?yàn)橐夯瘹夤扌孤?爆炸效應(yīng)4.1.2爆炸的沖擊波效應(yīng)沖擊波的傳播速度極快，在傳播過程中，可以對(duì)周圍環(huán)境中的機(jī)械設(shè)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(zhì)膨脹速度變得大于局域聲速（340米/秒）時(shí)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(yīng)4.1.2爆炸的沖擊波效應(yīng)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(dá)幾個(gè)甚至十幾個(gè)大氣壓（1個(gè)大氣壓=100KPa=1kgf/cm2）“煤氣罐”是鋼制的移動(dòng)式壓力容器，具有爆炸危險(xiǎn)，它的壁厚僅2.5mm左右（新鋼瓶出廠標(biāo)定壁厚），非常簿，它時(shí)刻都承受著來自內(nèi)部介質(zhì)產(chǎn)生的壓力，正常使用時(shí)內(nèi)部壓力0.5～1.2MPa(合5～12kgf/cm2)，整個(gè)橫截面要承受1000公斤左右的拉力。7爆炸效應(yīng)4.1.2爆炸的沖擊波效應(yīng)沖擊波大面積作用于建筑物時(shí)波陣面超壓在20kPa～30kPa內(nèi)可使大部分磚木結(jié)構(gòu)建筑物受到強(qiáng)烈破壞波陣面超壓在100kPa以上時(shí)除堅(jiān)固的鋼筋混凝土建筑外，其余部分將全部破壞注：建筑結(jié)構(gòu)混凝土、砌體、鋼結(jié)構(gòu)、輕型鋼、木結(jié)構(gòu)8爆炸效應(yīng)4.1.3造成火災(zāi)爆炸后，爆炸氣體擴(kuò)散只發(fā)生在極其短促的瞬間內(nèi)對(duì)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(fēng)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(huì)把可燃?xì)怏w、易燃或可燃液體的蒸氣點(diǎn)燃，也可能把其它易燃物點(diǎn)燃引起火災(zāi)。這種情況在油罐、液化氣瓶爆破后最易發(fā)生9爆炸效應(yīng)4.1.4中毒在密閉居室中使用燃?xì)馊∨?、做飯，由于通風(fēng)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(guān)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?xì)鉄崴?，通風(fēng)不良，洗浴時(shí)間過長

10爆炸效應(yīng)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(dǎo)致溫室效應(yīng)天然氣不完全燃燒會(huì)生成CO，甲烷本身也是大氣污染源，它造成溫室效應(yīng)的能力是CO2的十幾倍，天然氣內(nèi)也有少量H2S等雜質(zhì)，污染空氣煤含有S，石油含有S、N，燃燒后均可以導(dǎo)致酸雨11爆炸效應(yīng)12作業(yè)場(chǎng)所化學(xué)品安全標(biāo)簽危險(xiǎn)性分級(jí)爆轟波4.2爆轟波detonationwave以超聲速運(yùn)動(dòng)的激波，又稱為沖擊波，帶有化學(xué)反應(yīng)的沖擊波，稱為爆轟波。即：沖擊波+化學(xué)反應(yīng)=爆轟波13爆轟波4.2爆轟波detonationwave19世紀(jì)80年代初，法國物理學(xué)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?shí)驗(yàn)。他們將一個(gè)充滿可燃?xì)怏w混合物的管子一端點(diǎn)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(zhuǎn)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?；鹧?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．初始正常火焰?zhèn)鞑ツ苄纬蓧嚎s擾動(dòng)2．管子要足夠長或自由空間的預(yù)混氣體積要足夠大爆轟前期間距：正?；鹧娣迮c爆轟形成位置之間的距離稱爆轟前期間距。對(duì)于光滑的管子，該爆轟前期間距為管徑的數(shù)十倍。對(duì)于表面粗糙的管子，爆轟前期間距為管徑的2～4倍。3．可燃?xì)鉂舛纫幱诒Z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?xì)怏w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(jié)構(gòu)爆轟波的結(jié)構(gòu)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(jiǎn)單的爆轟波結(jié)構(gòu)理論，后稱為C-J理論。20世紀(jì)40年代，Я.Б.澤利多維奇、J.von諾伊曼和W.杜林各自獨(dú)立地建立起了爆轟波內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模型，后稱為ZND模型。18爆轟波4.2.1爆轟波的結(jié)構(gòu)C－J理論它把爆轟波簡(jiǎn)化為一個(gè)沖擊壓縮間斷面，其上的化學(xué)反應(yīng)瞬時(shí)完成，在間斷面兩側(cè)的初態(tài)、終態(tài)各參量可以用質(zhì)量、動(dòng)量和能量三個(gè)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(jié)構(gòu)C－J理論式中p為壓強(qiáng)，v為比容，e為比內(nèi)能，u為質(zhì)點(diǎn)速度，D為爆轟波傳播速度，下標(biāo)"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(diǎn)都在這條線上。20爆轟波4.2.1爆轟波的結(jié)構(gòu)C－J理論四個(gè)方程中共有五個(gè)未知量，要單值確定爆轟參量，還須找出第五個(gè)方程。為此，查普曼和儒蓋提出了著名的假設(shè)（稱為C-J假設(shè)或C-J條件）：穩(wěn)定爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于許貢紐線和瑞利線的切點(diǎn)J，即C-J點(diǎn)（圖1），該點(diǎn)的爆速DJ是極小值，可以證明，在J點(diǎn)有下面關(guān)系：21DJ＝uJ＋cJ式中c為聲速，下標(biāo)“J”表示J點(diǎn)的值。圖1曲線的BA段對(duì)應(yīng)于爆轟過程，AE段不對(duì)應(yīng)于任何實(shí)際過程，EF段對(duì)應(yīng)于爆燃過程。爆轟波4.2.1爆轟波的結(jié)構(gòu)C－J理論對(duì)實(shí)際爆轟系統(tǒng)應(yīng)用C-J理論進(jìn)行計(jì)算，一般都能得到同實(shí)驗(yàn)爆速值相近的結(jié)果，這表明C-J理論基本正確。但是，對(duì)氣相爆轟進(jìn)行精密測(cè)量得到的爆轟壓強(qiáng)和密度值，比用C-J理論得到的值約低10％～15％，對(duì)爆轟產(chǎn)物實(shí)測(cè)得到的馬赫數(shù)比計(jì)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(dòng)是理想的、一維的，不考慮介質(zhì)的粘性、擴(kuò)散、傳熱以及流動(dòng)的湍流等性質(zhì)。②

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

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

爆轟波陣面的參數(shù)是定常的?？汕蠼獗Z參數(shù)：P1、ρ1

、e1

、u1

、D爆轟波4.2.1爆轟波的結(jié)構(gòu)ZND模型爆轟波具有雙層結(jié)構(gòu)：前面一層是以超聲速推進(jìn)的激波，緊跟在后面的一層是化學(xué)反應(yīng)區(qū)。激波仍作為一個(gè)強(qiáng)間斷面，爆轟物質(zhì)被瞬時(shí)地壓縮到高溫高密度狀態(tài)，接著開始化學(xué)反應(yīng)，直到反應(yīng)區(qū)末端達(dá)到C-J狀態(tài)，在反應(yīng)區(qū)內(nèi)忽略粘性和熱傳導(dǎo)的影響。除初始物質(zhì)、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(yīng)速率方程：24式中ξ為化學(xué)反應(yīng)程度變量，稱反應(yīng)進(jìn)度；t為時(shí)間；λ為反應(yīng)速率，它是壓強(qiáng)p、溫度T和ξ的函數(shù)。在ZND模型中，ξ=0對(duì)應(yīng)于反應(yīng)區(qū)的初態(tài)，即激波后的狀態(tài)；ξ=1對(duì)應(yīng)于反應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)20世紀(jì)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(shí)，首先觀察到爆轟波中有周期性擾動(dòng)存在。近20年的大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，氣體爆轟波陣面都具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。在擴(kuò)展的球形爆轟中也觀察到類似的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，除了沿爆轟波傳播方向前進(jìn)的波外，還有橫向的弱激波在作周期性的脈動(dòng)。圖3為爆轟波陣面結(jié)構(gòu)。根據(jù)迄今為止的大量的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可以設(shè)想，爆轟波一般具有不定常、非平面和多波頭的胞格結(jié)構(gòu)。C-J狀態(tài)只是一個(gè)宏觀熱力學(xué)的平均狀態(tài)，它是大量微觀或準(zhǔn)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(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?0-4～10m/s的量級(jí)，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(jí)，大于物料中的聲速?；瘜W(xué)計(jì)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(jì)算：C-J點(diǎn)28爆轟波29爆轟波30爆轟波4.2.2爆轟波的速度爆轟測(cè)試常用的儀器有高速照相機(jī)、X射線閃光照相機(jī)、高分辨的時(shí)間測(cè)定儀和脈沖示波器等。目前已有：①畫幅頻率達(dá)2×107幅／秒、掃描速度為20～60毫米／微秒、象質(zhì)分辨率達(dá)25線／毫米的轉(zhuǎn)鏡式高速照相機(jī);②電壓高達(dá)3～6兆伏、閃光時(shí)間為20納秒的X射線閃光照相機(jī)；③時(shí)間分辨率為納秒的多通道時(shí)間測(cè)定儀；④可以測(cè)量10～30吉帕動(dòng)態(tài)壓力、頻率響應(yīng)為1兆赫以上的動(dòng)態(tài)測(cè)量元件。此外，激光干涉測(cè)速、激光全息技術(shù)和脈沖激光光譜技術(shù)等也已逐漸應(yīng)用于爆轟的測(cè)試工作。31爆轟波

某些可燃混氣爆轟波波速實(shí)測(cè)結(jié)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(yīng)4.3可燃混合氣體的爆炸效應(yīng)宏觀表現(xiàn)：對(duì)周圍物體的直接破壞作用強(qiáng)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(shí)間后，這些壓縮波將會(huì)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(yīng)4.3.1爆轟沖擊波壓力——立方根法則在計(jì)算距爆炸中心某處的沖擊波壓力時(shí)，引入了等效距離由此可以計(jì)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(yīng)4.3.1爆轟沖擊波壓力——立方根法