爆轰波稳定传播条件

stable propagation condition of detonation wave 亦称为C—J条件。卡普曼提出的条件是：实际的爆轰是对应于所有可能稳定传播的速度中最小的；爆轰产物所处的状态是雨果里奥绝热曲线与米海尔逊直线相切的切点所确定的状态，这就是如图3—8上的Z点所对应的状态。其数学表达式-(dP／dV)H=(P2-P1)／(V0-V2)。儒格所提出的稳定条件是，爆轰波相对于爆轰产物的传播速度，等于爆轰产物中的音速：D-u2＝C2或D＝u2+C2，式中D为爆轰波传播的速度；u2为爆轰波阵面上产物质点的速度；C2为爆轰波阵面上产物的音速。把卡普曼和儒格的说法综合为：爆轰波若能稳定传播，爆轰反应终了产物的状态应与米海尔逊直线和爆轰波雨果里奥曲线相切点Z的状态相对应。切点Z的状态即为稳定传播的爆轰波反应终了产物的状态，称为C—J状态。由于在此点膨胀波传播的速度等于爆轰波向前推进的速度，爆轰波后面的膨胀波就不能传入爆轰化学反应区中，反应区所释放的能量不发生损失，全部用来支持爆轰波的稳定传播。

图3—8 爆轰波绝热曲

《安全工程大辞典》（化学工业出版社）

3-爆轰波的流体力学理论2

3.8 聚能效应 3.8.1 聚能效应的基本现象 20世纪50年代以来，各国学者都在探求爆炸产物的有效利用问题。与前面介绍的爆炸作用不同，聚能效应是通过利用特殊形状的装药来达到提高其局部爆炸破坏作用的目的。随着测试手段的科学化和现代化，瞬时高压作功的物理过程能够得以揭示，炸药爆炸的聚能效应也就逐渐得到了广泛的应用。目前，聚能装药在战时被广泛应用于各种穿甲、破甲雷弹及战时破坏作业（如大型桥梁、建筑物的破坏）；在平时用于快速切割金属（如打捞沉船等）、在硬土或冻土中快速穿孔、破碎孤石（悬石和危石）、在抢险救灾中快速清除障碍物（陆上或水中障碍物，如楼房、桥梁、树木等）、利用线性聚能装药拆除大型钢结构建筑物、桥梁以及切割贵重石材等。根据爆轰产物沿其外法线方向散射这一基本规律，在装药底部或一侧予留空穴（如锥形、半球形、线形、抛物形、双曲线形等），或再加药型罩并取适当炸高（从聚能药包的底面（即药型罩底面）到穿孔目的物间的距离），爆炸时，由于空穴的存在，从而产生冲击、高压、碰撞、高密度、高速运动的气体流或金属流（带金属罩时），就可使爆炸能量沿轴线方向向外射出较高能量密度的聚能流，并集中到一定方向上发挥作用。这种利用装药一端（侧）的空穴使爆轰产物聚集、增加能量密度、以提高局部破坏作用的现象称为聚能现象，其效应称为聚能效应或空心效应，又称诺尔曼效应。能形成聚能流的装药称为聚能装药，其装置为聚能装置。聚能效应是外部装药爆炸直接作用的一种特殊情况（非接触爆破），其作用在于使爆炸能在一定的方向集中起来，从而使爆炸的局部破坏效应增强。其主要特点是：装药底部（或一侧）有空穴；装药底面（或一侧）与目标间有一最有利距离；破甲能力很强。有空穴是其基本特点，也是形成聚能效应的基本条件。聚能装药爆炸后，具有高温、高压的爆轰产物沿装药表面法线方向迅速散射时，在空穴影响下，必然在空穴前方汇集于一点（线性装药汇集成一线），此点（线）处的爆轰产物密度可增大数倍，速度可达每秒万米以上，温度可达数千摄氏度，压力可达几十兆帕。若空穴外壳采用金属药型罩，则会形成密度更大、压力更高的射流。在这种高温高压高速射流作用下，目标可视作流体，对目标具有很大的穿透能力，达到穿孔或切割的目的。不同的装药形式具有不同的破坏效果。对于普通无空穴的园柱体装药，爆炸后爆轰产物近似沿装药表面法线方向散射，其速度一般为每秒数千、压力数量级一般为1×104MPa；当装药一端制成锥形空穴起爆后，爆轰产物质点以一定速度沿近似垂直于锥形空穴表面的方向向药柱轴线汇聚，使能量集中，此处聚能流速度高达每秒万米以上，密度比普通装药大4~5倍，高压的爆轰产物在沿轴线汇聚时，形成更高的压力区，比普通装药高10余倍，这种高压迫使爆轰产物向周围低压区膨胀，使能量分散。由于上述两个因素的综合作用，气流不能无限地集中，而在离药柱端面某一距离处达到最大的集中，以后又迅速飞散开了。也就是气流在聚能过程中，动能（约占总能量的1/4）是能够集中的，而位能（约占3/4）不但不能集中，反而起飞散作用。如果设法把能量尽可能转化成动能形式，就能进一步提高能量的集中程度。提高的方法是在空穴内表面嵌装一个形状相同的药型罩。这种装药形式的爆轰产物在推动罩壁向轴线运动过程中，将能量传递给金属罩。由于金属罩的可压缩性很小，因此内能增加很少，能量的极大部分表现为动能形式，这样就可避免由于高压膨胀引起的能量分散而使能量更加集中，形成一束速度和动能比气体射流更高的金属射流。研究表明，由于金属流速度高，直径小，金属呈热塑状态，密度远比

冲击波与爆轰波精品

第四章冲击波与爆轰波爆轰(detonation)是炸药化学变化的基本形式，是决定炸药应用的重要依据。爆轰反应传播速度非常大，可达每秒数千米，反应区压力高达几十吉帕（几十万个大气压），温度也在几千K以上，爆轰的速度、压力、温度等决定着炸药的做功能力和效率。研究炸药的爆轰现象和行为，认识炸药的爆炸变化规律对合理使用炸药和指导炸药的研制、设计等有重要的理论和实际意义。在爆轰现象发现之前人们就建立了冲击波理论，后来在冲击波理论的基础上建立了描述爆轰现象的经典爆轰波理论，这个理论至今仍然是十分有用无法被替代。炸药在爆炸过程中经常会产生一些波，如爆炸在炸药中传播时形成爆轰波。爆轰产物向周围空气中膨胀时形成冲击波，爆轰波和冲击波过后，介质在恢复到原来状态的过程中会产生一系列膨胀波等，因而在研究炸药爆轰以及爆轰后对外界的作用时，始终离不开波。爆轰的传播可以看成波动过程，具有波动的性质，简要介绍波的基础知识并回顾爆轰理论的发展过程和阶段对学习和掌握炸药的爆轰原理是有必要的。 4.1 爆轰理论的形成与发展（1）爆轰现象的发现：1881年、1882年，Berthlot，Vielle，Mallard和Le. Charelier 在做火焰传播实验时首先发现的。他们的研究揭示，可燃气火焰在管道中传播时，由于温度、压力、点火条件等不同，火焰可以以两种完全不同的传播速度传播，一种传播速度是每秒几十—几百米，一种是每秒数千米，习惯上把前者称为爆燃，后者称为爆轰，可见爆轰也是一种燃烧—是一种迅速而激烈燃烧。（2）1899年，1905～1917年，Chapman和Jouguet分别独自地对爆轰现象作了简单的一维理论描述（即C-J理论），这一理论是借助气体动力学原理而阐释的。他们提出一个简单而又令人信服的假定，认为爆轰过程的化学反应在一个无限薄的间断面上瞬间完成，原始炸药瞬间转化为爆轰反应产物。不考虑化学反应的细节，化学反应的作用如同外加一个能源而反映到流体力学的能量方程中，这样就诞生了以流体动力学和热力学为基础的、描述爆轰现象的较为严格的理论—爆轰波的C-J理论。爆轰波的C-J理论并没有考虑到化学反应的细节，认为化学反应速度无限大，反应瞬间完成，这和实际情况是不相符合的，但是对化学反应的细节进行研究和描述十分困难，这个问题也是爆轰波的结构问题，一直爆轰学的一个重要研究领域。（3）1940年，前苏联的Zeldovich，1942年，美国人V on.Neumann和1943年德国人Doering各自独立对C-J理论的假设和论证作了改进，提出了爆轰波的ZND 模型。ZND理模型要比C-J理论更接近实际情况。他们认为爆轰时未反应的炸药首先经历了一个冲击波预压缩过程，形成高温高密度的压缩态，接着开始化学反应，经历一定时间后化学反应结束，达到反应的终态。ZND模型首次提出了化学反应的引发机制，并考虑了化学反应的动力学过程，是C-J理论的重要发展。上述两种理论被称为爆轰波的经典理论。——都是一维理论。（4）上世纪50年代，通过实验的详细观察，发现爆轰波波阵面包含复杂的三维结构，这种结构被解释为入射波，反射波和马赫波构成的三波结构。（5）上世纪50～60年代，进行了大量的试验研究，实验结果显示：反应区末端状态参数落在弱解附近，而不是C-J参数，说明实际爆轰比C-J理论和ZND模型更为复杂，同时开展了计算机数值模拟。（6）上世纪50年代，Kirwood和Wood，推广了一维定常反应理论，指出定常

爆震现象

1 发动机爆震 1.1 爆震产生原理及特征爆震是发动机运行时一种不正常燃烧的现象。发动机正常燃烧时，火花塞接到ECU 的点火信号后,对可燃混合气进行点火，火焰从火焰核心（离火花塞近的可燃混合气）以30～40m/s 的速度，向四周的未燃烧的混合气区传播，使燃烧室内混合气循序燃烧，直至结束。汽油机发生爆震时，在汽油机燃烧室内火焰传播过程中，远离火花塞的未燃混合气（末端混合气），被已燃混合气的膨胀所压缩，此处的局部温度由于热辐射作用而超过燃料的自燃温度，从而产生自发反应，形成一个或多个火焰核心，这时末端混合气在正常火焰传播到以前先行发火燃烧。这种自行发火燃烧会发出极强的火光，燃烧温度常在4 000 ℃以上，火焰传播速度达200 ～1 000 m/s 以上，比正常燃烧的火焰传播速度高数倍甚至数十倍。当正常燃烧和爆震两个方向相反的燃烧压力波相遇时，会产生剧烈的气体震动，并发出特有的金属撞击声，所以称为“爆震”。轻微的爆震无法被人的感官所察觉，在此我们称它为‘无感爆震’，因此当你能感觉得到引擎爆震所产生的噪音和震动时，这时的爆震情况已经严重得超乎你的想象，我们称它为“有感爆震”。生有感爆震时，发动机有哒哒的金属敲击发动机缸体的声音，而且发动机各部件温度急剧上升，油耗增大，发动机和车身能感到震动。至今人们对爆震的具体的产生机理还没能彻底掌握。目前大家普遍接受的有两种理论，即自燃(auto ignition)理论和爆燃(detonation)理论。下面具体阐述：自燃理论最早在1919年由H．R．Richardo提出，这种理论认为爆震是因为气缸中远离火花塞的一部分混合气自发燃烧引起的，这部分混合气又称末端混合气。当末端混合气的温度和压力超过自燃点时，这部分混合气将自发燃烧，从而产生强烈的压力波，高频压力波向外传播而导致气缸壁尖锐的敲击声。这种理论也是目前已被广为接受。另一种理论为爆燃理论。对预混合气的燃烧，火焰在传播过程中受到周围条件的限制，突然产生高压和高速传播的现象，火焰前峰从火花塞到气缸壁加速传播，即正常的火焰前峰由于冲击波的高压提供的能量，从亚音速转变为超音速传播，燃烧反应异常猛烈，并产生强烈的冲击波，冲击波在气缸壁之间来回反射。碰撞压力虽然持续时间短但是幅值大，从而产生尖锐的敲击声。这种理论1963年由S．Curry提出的。爆震是指点火燃烧中本应逐渐燃烧的部分可燃混合汽突然自燃的现象。点火预提前角过大时，活塞还在压缩混合汽的过程中，混合汽已全部燃烧。压力急剧增大作用于迎面而来的活塞上，阻止活塞继续向上运动，特别是刚点燃的混合汽受到上行活塞的剧烈压缩后，使未燃烧的那部分混合汽温度升高，便会突然形成全部爆炸式的燃烧，学名称其为爆震或爆燃。爆震使发动机汽缸内发出尖锐的金属敲击声，这种钝击声音如果持续较长时间，会使发动机功率降低，燃料消耗增大，发动机过热和排气冒烟，严重时造成发动机损伤。汽油机燃烧的特点是燃烧室内有明显的火焰前锋在传播。燃烧产物的膨胀使火焰前锋急速地向前推移，致使未然混合汽受到强烈的压缩和热辐射，使距离火焰核心较远处的混合汽温度急剧地升高甚至超过燃料的自燃温度，造成这部分混合汽的着火延迟时间极大地缩短。这就促使火焰前锋到达以前，远端的混合汽已经自燃着火了，在燃烧室内形成新的火焰核心(发火点在2个以上)，这样的燃烧与正常情况完全不同。正常燃

炸药的爆轰、爆速与间隙效应

炸药的爆轰、爆速与间隙效应爆轰是炸药在瞬间发生分解应应的一种特定形式，其实质是爆轰波有炸药中的传播。爆轰波是炸药爆轰时的前阵面，是带冲击波的化学应区，爆轰波是爆轰作用的激发源。爆轰的特点是：（1）化学反应区很薄，凝聚相炸药的化学反应区厚度在0.5mm~2.5mm之间；（2）化学反应区以常速传播，该速度大于炸药中的声速。（3）在波阵面上产生很高的温度梯度和压力梯度。一、爆速炸药中爆轰波传播的速度称为爆速。常用炸药的爆速在2500m\s~7000m/s之间。影响炸药爆速的因素有：

（1）药柱直径。爆速随药柱直径增大而增大，当药柱直径增大到一定值后，爆速即可接近理想爆速成药柱为理想封闭，爆轰产物不发生径向流动时即可达到理想爆速）。反之，减少药柱直径，爆速将相应降低。当药柱直径减小到定值后，爆轰波就不再能稳定传播，最终将导致熄爆，这是因为有效能量已减少到不能再到持爆轰波稳定传播。爆轰波能稳定传播的最小药柱直径称为临界直径，临界直径的爆速成称为临界爆速。（2）炸药密度。对于单质炸药，爆速随密度的增大而增大；对于混合炸药，密度与爆速的关系比较复杂。在一定范围内，噌大密度能提高理想爆速；但超过这个范围继续增大密度，就会导致爆速下降，最终导致熄爆。（3）炸药粒度。粒度虽不会影响炸药的理想爆速，但减小粒度一般能提高炸药的反应速度，减小反应时间和反应区厚度，从而减小临界直径，提高爆速。（4）药柱外壳。药柱外壳不会影响炸药的理想爆速。但外壳能减小炸药的临界直径，所以当药柱直径较小，爆速距理想爆速相差较大时，增强外壳可提高爆速，其效果与加大药柱直径相同。二、间隙效应

爆轰

爆轰 1、爆燃与爆轰爆燃以亚音速传播。爆燃速率受反应区（火焰阵面）向未燃物的热量和反应组分扩散控制。爆燃的实际速度取决于外部约束程度以及可燃混合物的尺寸和形状。假定未燃气体处于静止，火焰则以特征层流燃烧速度传播进入未燃气体。层流燃烧速度是未燃气体的基本参数，其值的大小反应了混合物的反应性。如果未燃气体处于湍流，燃烧速度升高，称为湍流燃烧速度。如果未燃气体处于运动状态，一个静止的观察者测得的火焰速度是未燃气体速度与燃烧速度的和，该火焰速度称为爆燃速度。典型地，无约束混合气体的爆燃速度在几m/s，管道和其它含有重复设臵的障碍物的容积中，爆燃速度在几百m/s范围。典型地，在含有燃料/空气混合物的密闭容器内，爆燃压力可以达到初始压力的7倍左右。对低速爆燃，火焰阵面处的压力增加可以近似地用1.2M2来给出，这里M是马赫数（即爆燃速度除以未燃气体的音速）。一旦爆燃速度达到音速，将会形成激波。爆轰的主要特征见表附表1 爆轰以超声速传播，典型地，对燃料/空气混合物其速度为1850m/s量级，对燃料/氧气混合物，爆轰速度为3000m/s量级。当燃料为氢气时，相应的爆轰速度可能更高。图1对比给出了爆燃波和爆轰波的结构。对爆轰波，在反应区前方1－10mm处，有一个高压激波阵面，反应区为“火焰”（在快速爆燃中，反应区远远落在激波阵面之后）。因为化学反应速率与温度呈指数关系，因而燃烧非常快。由于较高的激波强度（或激波速度），因而产生高压。图1 爆燃波与爆轰波的比较稳态的爆轰过程具有相应的特征压力/时间曲线，图2给出了典型的稳态爆轰波的压力/时间曲线。爆轰波通过之后，压力突然增加，其后是一个光滑的变化区，逐渐过渡到恒定压力值。在有些情况下，可以测得气体混合物发生点火之前被激波压缩的形成的高压区，这种所谓的“先导激波”区域被称为冯.纽曼尖峰，冯.纽曼尖峰处具有比爆轰压力更高的值。稳态爆轰下，在化学计量比浓度附近，其初始压力上升值达到最大值，当混合物浓度向爆轰极限变化时，初始压力上升值逐渐降低。对燃料/空气混合物，典型的最大爆轰压力为初始压力的15－

北理工爆轰物理学简答题总结

爆轰考点总结 1.爆炸：爆炸的定义：可简单的定义为由能量极为迅速释放而产生的现象。爆炸的特点：○1爆炸具有极大的能量释放速度、形成极高的能量密度，并迅速对外界介质做功形成冲击波的特点。○2爆炸过程中，描述系统状态的物理量会在极短的时间内和极小的空间内发生急剧变化。爆炸的分类：○1物理爆炸○2化学爆炸○3核爆炸 2.炸药的定义及分类：定义：在适当外部激发能量作用下，可发生爆炸变化（速度极快且放出大量热和大量气体的化学反应），并对周围介质做功的化合物或混合物。按应用分类：○1起爆药○2猛炸药○3发射药○4烟火剂按组成分类：○1单质炸药○2混合炸药 3.爆轰、爆轰波、爆轰波阵面：爆轰是一伴有大量能量释放、带有一个以超声速运动的冲击波前沿的化学反应区沿炸药装药传播的流体动力学过程。这种带有高速化学反应区的强冲击波称为爆轰波。爆轰的前沿冲击波和放热反应区通称为爆轰波阵面。 1.炸药爆炸的基本特征：炸药爆炸是一种以高速进行的，能自动传播的化学反应过程，在此过程中放出大量的热、生成大量的气体产物，形成冲击波 1）反应的放热性 2）过程的高速度 3）过程必须形成气体产物 2.炸药的化学反应过程：根据反应速度快慢可分为热分解、燃烧和爆轰三种基本形式。热分解是一种缓慢的化学变化，其特点是在整个物质内部展开，反应速度与环境温度有关。燃烧、爆轰与热分解不同，它们不是在整个物质内发生的，而是在某一局部开始，并以化学反应波的形式按一定的速度一层一层地自行传播。化学反应波的波阵面很窄，化学反应就是在这个很窄的波阵面内进行并完成的。 1.燃烧与爆轰的区别：（1）传播机理不同：燃烧是通过热传导、热辐射及燃烧气体产物的扩散作用传入未反应区的；爆轰则是借助冲击波对炸药的强烈冲击压缩作用进行的。（2）波的速度不同：燃烧传播速度很小；爆轰的传播速度很大，一般数千米每秒。（3）受外界的影响不同：燃烧受外界条件的影响很大；爆轰几乎不受外界条件的影响。（4）产物质点运动方向不同：燃烧产物质点运动方向与燃烧波传播方向相反；爆轰产物质点运动方向与爆轰波传播方向相同。 17.弱扰动与强扰动的区别：当介质（Medium）受到外界作用（如振动、冲击等）时，介质的局部状态参量就会发生变化，这就是扰动（Disturbance）。如果扰动前后介质的状态参数变化量与原来的参数量相比是很微小的，则称这种扰动为弱扰动（Weak disturbance）或小扰动。弱扰动的特点是各种参数的变化量是微小的、逐渐的和连续的，若扰动是等熵的如果扰动前后介质的状态参数发生突跃变化，则称这种扰动为强扰动强扰动形成过程：每一小步的压缩都是一种等熵变化，但由于每经一步压缩后气体的温度都要上升，气体的声速必将上升，这样下一步的压缩波的波速逐渐增加，一旦集中起来，状态参数的变化将不再连续，就会发生突跃，弱扰动变成强扰动，其波速大于声速。 2.压缩波和稀疏波压缩波（Compression Wave）：扰动传过后，介质的压力、密度、温度等状态参数增加的波称为压缩波，其特点是波传播的方向与介质质点运动方向相同。它的波速大于介质当地的声速。稀疏波（Rarefaction Wave）：扰动传过后，介质的压力、密度、温度等状态参数下降的波称为稀疏波，其特点是波传播的方向与介质质点运动方向相反。在稀疏波扰动过的区域中，任意两相邻端面的参数都只差一个无穷小量，因此稀疏波的传播过程属于等熵过程，它的波速等于介质当地的声速或音速。