爆轰

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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-

19倍,对燃料/氧气混合物,为初始压力的25-30倍。湍流能使这些压力升高非常大(见31)。典型情况下,化学计量浓度的燃料/空气混合物的爆轰产物温度为3000K,当混合物浓度接近爆轰极限时,爆轰产物温度降低。对燃料/氧气混合物,最大温度可能超过4000K。

图2 化学计量浓度乙炔/空气混合物爆轰压力-时间瞬态曲线。

在实际爆炸过程中,可能出现从层流燃烧速度到爆燃速度到爆轰速度的几乎整个连续的燃烧阵面速度。在爆燃情况下,火焰速度受湍流状态的影响非常强,因而爆燃可能加速到爆轰,例如由于障碍物导致的湍流即可能发生爆燃向爆轰的转变。后面将进一步讨论这种爆燃向爆轰转变现象(或DDT)。

大多数工业炸药的应用都是直接在固态下进行直接形成爆轰。该问题超出了本报告的讨论范围。

2、发生爆轰的物质

最近的研究表明,表征物质爆轰感度的一个非常有用的指标是物质的最大试验安全间隙值(MESG)[4,50]。物质的MSEG值越小,越容易形成爆轰。即IIC级的气体最容易形成爆轰。一些常见物质的MESG值见表1,参[5]给出了其它物质的MESG值。

Bull[49]整理了无约束燃料/空气混合物形成稳定爆轰(采用固体炸药起爆)所需的临界能量。同时,该文献中还给出了混合物爆轰感度的其它表示方法。

但是,目前所有的指南尚未给出混合物发生低速爆燃、以及可能加速形成破坏性的快速爆燃和爆轰之间的界限。由于火焰加速受容器几何特征和重复布臵的障碍物的存在影响非常大,因而使该问题变得非常复杂。

众所周知,氢气、乙炔、乙烯和环氧乙烷、乙烷和丙烷等与空气混合时,都可能发生爆轰。对许多常见的溶剂蒸气,如丙酮、苯、甲醇和二甲苯等,在一定的试验条件下,也可能诱导形成爆轰[2]。但要使这些溶剂蒸气发生爆轰所需的点火源强度和其它实验条件非常严格。同样,甲烷只能在非常极端的条件下加速形成爆轰,通常要求管道非常长,且具有很高的湍流强度。

对于空气中的约束爆轰,大多数实验研究都是针对氢气、乙炔、乙烯和丙烷进行的。其它研究包括氨、氰、二硫化碳和四甲基硅的空气或氧气混合物。对于其它氧化剂,包括卤代物(氯/氢混合物的研究最多),溴氧、过氧化氢蒸气、一氧化氮和二氧化氯等发生爆轰的情况所知甚少[3]。

3、爆轰极限[3]

3.1概述

在应用到工程实际中时,需对文献中所报道的爆轰极限特别注意。文献中所报道的爆轰极限值可能比工厂实际中的值高或者低一些。例如,一些管道试验中,由于管道断面太小或者长度过短,而在试验中不能形成爆轰。另一方面,一些试验采用的点火源过强,从而形成过驱(即引起混合物爆炸传播速度比稳态爆轰速度大得多),但这种过驱条件不能在很长的管道长度上得以维持。

典型地,爆轰极限是在较小的容器或管道中测得的。只有数量较少的物质的爆轰极限数据。所测得的爆轰极限取决于装臵的尺寸、形状和几何结构。无约束混合物的爆轰极限比约束爆轰的极限要窄。一些常见物质的爆燃和爆轰极限给出如下表:

可以采用爆燃极限的方法来估算爆轰极限[3,1],但这些估算方法通常通常会过高估算爆轰范围。 可以采用Le Chatelier 规则计算几种可燃气混合时的爆轰极限:

1212100

n

n L c c c L L L =+++

式中,c 为每一种爆轰气体所占的体积百分数(%v/v )。

L 为可燃气的爆轰下限(%v/v )。

至于可燃气体混合气的燃烧极限的计算,上述规则对于含有氢气、甲烷二氧化碳和简单的烷类燃气混合气体的计算结果较好,但对于更复杂的分子,或对含硫物质如硫化氢和二硫化碳等计算精度较差。

3.2初始温度、压力和湿度的影响

关于初始温度对爆轰极限的影响方面的资料甚少。一般地,增加初始温度和初始压力,爆轰极限变宽,而且爆轰上限受到的影响较大。实验研究结果之间也存在不一致,例如当初始温度上升50℃时,氢气/氧气混合物的爆轰范围变窄,而甲烷/氧气混合物的爆轰极限则变宽。

层流燃烧速度随着温度的升高而增加,当混合气(如氢气/氧气)具有较高的燃烧速度时,这种增加非常明显。在对湿度的影响进行测试时,尽管实验是在不同的环境温度下进行,对实验结果的外推也并非简单直接的外推,但人们还是认识到空气湿度的变化能影响火焰的加速特性(4,1)。3.3实验规模的影响

当增大实验容器尺寸时,爆轰极限倾向于变宽[7]。爆轰压力取决于爆轰速度,而并不是容器直接或体积的函数[2,8](但容器形状和尺寸对爆燃速度有影响[2])。

3.4氧气和惰性气体的影响

对所有混合物,当燃气与氧气混合时,更容易发生爆轰,而且所形成的爆轰速度、爆轰压力、爆轰产物温度比该可燃气体与空气的混合物在化学计量浓度下相应的值高。

通常,惰性气体的加入使爆轰极限变窄,特别是爆轰上限。为抑制爆轰,需要加入大量的惰性气体,实际对于每一种情况都需要进行相应的实验测定。如果在较高的温度下,所需的惰性气体量更大,如在文献[10]中发现,当初始温度从293K升高到373K时的情况即是如此。

最近的研究[50]表明,燃料/氧气/氮气混合物中氮气的含量对爆炸特性的影响极大。这些研究表明,燃料/空气混合物的爆轰极限存在差别的主要原因是当量混合物中氮气的含量不同,而不是燃料的种类本身不同造成的。

4、爆轰波的结构[1]

平面爆轰波有复杂的三维胞格结构。大量的横波与先导激波相交、反射(或在管道壁面或障碍物反射),形成一个不断变化着的类似鱼鳞状的胞格结构形式(见图3)。先导激波阵面的表面存在一系列的凸起(即所谓的“马赫杆”)和凹进(即衰减的先导爆炸波),在激波交点处被三波点分隔开。反应区跟随在后面。文献3.5详细给出了爆轰波结构方面的信息。

图3 爆轰波的胞格结构。

胞格宽度 是爆轰波的一个基本特性参数,对于氢气,爆轰胞格的宽度约为8mm,乙烯约为20mm。可以根据爆轰胞格的宽度计算各种爆轰参数,如临界管道直径(能形成自持爆轰传播的

最低管道直径)。胞格长度通常用Lc表示。胞格宽度一般为Lc的0.5-0.6倍,尽管Nettleton[30]认为在大气压下爆轰胞格宽度为0.7-0.8倍Lc。

胞格宽度λ受初始压力、混合物组成和爆轰敏感度等因素的影响。可以通过实验对胞格宽度进行测定,通常所测定的λ值都存在1倍以上的差距[11]。混合物越容易发生爆轰(反应活性较大),其爆轰胞格宽度越小,见下表2:

当初始温度和初始压力增加时,爆轰胞格的宽度呈下降趋势,而且这种变化手温度的影响更为敏感。在文献[10]中进一步给出了相关的信息。

对给定的混合物,存在一个临界管道直径,低于此直径时,不能发生爆轰。这是因为在很窄的管道内,没有足够的空间支持形成爆轰胞格的存在[9]。对于在圆形管道内传播的爆轰波,其临界管道直径的量级为/λπ[1,4],这种临界情况对应于单个爆轰胞格被包围在管道壁面内的情况。对于方形和矩形管道,见图4所示。

图4 在管道与通道内平面爆轰成功传播的要求。

文献11.1和1对于评价从约束区域(建筑、通风管道、管路等)向非约束区域传播的可能性非常有用。为形成爆轰从管道端头向无约束区域的连续传播,对于圆形管道,其临界直径为13λ,矩形管道的临界直径为10λ。参考文献1对爆轰波通过孔洞和缝隙传播的实验研究进行的归纳总结。

在应用这些关系式时,需要考虑相应的安全系数,从而可以考虑所报道的λ取值可能发生的变化(见[11],尽管在该文献中建议无需采用安全系数)。一些专家建议采用的临界直径为/2λπ(即比理论值低50%)[56]。

5、爆轰理论

5.1 引言[3]

两种众所周知的爆轰理论即是CJ 理论和ZND 理论。前者是在纯气体动力学和热力学的基础上建立起来的,假设化学反应非常快。后者引入了有限化学反应速率。

尽管没有考虑详细的化学反应,CJ 理论的预测值可以做到非常精确。由于受所采用的化学反应机理的精度的限制,ZND 理论计算的精度有限。

5.2 CJ 理论[3]

该理论在19世纪早期提出,该理论将质量、动量和能量守恒分析与热力学分析综合起来考虑。CJ 理论是一个一维模型,且假定反应速率无穷大。该模型将爆轰波用一个无限薄的区域来表示,称为“理想”爆轰。该模型忽略了先导激波处冯.纽曼尖峰的瞬时压力5。

CJ 分析可以用于计算如爆轰速度和爆轰压力等爆轰参数6。

CJ 理论的预测值与实验值吻合良好[1,3],现在该模型仍应用广泛。

直径和反应区厚度等。这些所谓的“动力学爆轰参数”可以采用ZND 模型进行计算(计算精度不同)。

CJ (即平均)爆轰压力CJ P (bar )可以用下式进行计算:

2

1

CJ i M P P γγ?+[2.3] 式中γ是定压比热和定容比热之比。

i P 是初始压力(bar )

。 M 是爆轰马赫数(爆轰速度与未燃气体声速的之比)。

在冯.纽曼尖峰处的先导激波之后的峰值压力vn P 近似为CJ 压力的两倍,即:

22111vn i M P P γγγγ??-?- ?++??

[2] Munday[2]建议由于具有较高的持续压力和冲击载荷的综合作用,实际达到的最大压力可能是CJ 预测值的两倍。通常在过驱爆轰中达到的压力高得多8,这种过驱爆轰压力是在稳态爆轰出现之前瞬态存在的一种状态。

5.3 ZND 理论[3]

在20世纪40年代早期,Zel'dovitch, von Neumann 和Doring 分别提出了一个更为详细的爆轰模型。与CJ 理论假设的化学反应速率无限快不同,ZND 模型假设激波与化学反应区是分离的(此即所谓的“非理想爆轰”)。这种激波与反应区的分离对应于所谓的 “诱导延迟时间”,这种诱导

延迟时间的产生是因为有限燃烧反应速率的原因所至[1]。

ZND理论预测的爆轰速度和爆轰压力与CJ预测值类似[11],并与实验值吻合良好,但ZND理论依赖于详细的化学动力学反应机理,因而计算较为复杂。根据ZND理论可以计算得到爆轰极限、起爆能量、临界管道直径和反应区厚度等,但是其计算精度依赖于动力学机理及其相关系数的精度。这些计算值与实验结果并不是十分吻合。

6、压力增强效应和非稳态爆轰类型

6.1过驱爆轰[3]

过驱爆轰是一种人工支持的爆轰形式,其速度大于CJ爆轰速度,因而具有比CJ 爆轰压力高得多的峰值压力。随过驱程度的增大(即爆轰速度大于CJ爆轰速度以上的),存在一个快速的压力上升过程。在爆燃向爆轰的转变过程或者固体炸药的起爆过程中都可能发生过驱现象。过驱爆轰产生的压力可以比稳态爆轰压力高得多,甚至可以达到初始压力的100倍(是CJ压力的5倍)。通常,这种过驱压力存在的时间非常短,但足以引起局部的机械破坏。

6.2 压力叠加

当爆轰在被前面火焰预压过的介质中传播时会发生压力叠加现象,例如在相互连接的容器中即可能出现这种情况。在CJ压力的基础上,压力增加了预压缩比倍。如果爆轰波在壁面发生反射或者传播进入角落时,该压力会进一步增强。

火焰阵面前方的压力波也可能发生反射,例如在弯头、障碍物和管道的远端发生反射,这些压力波汇聚形成与火焰传播方向相反的压力波。这种反射激波可以使得爆燃加速并向爆轰转变,由于这种反射激波的预压缩,可以导致初始压力增加2-5倍。因此,这两种效应均可导致形成破坏性很强的爆轰压力。

6.3回传爆轰

当爆轰形成时,一个很强的压力波传播向已燃气体传播,这就是所谓的回传爆轰。如果回传爆轰向后传播通过火焰加速过程中尚未完全燃烧的气体,则回传爆轰会增强。回传爆轰也可能发生反射(如在封闭端或管道弯头处的反射),并在此向主爆轰波传播。由于炽热的已燃气体的声速增加,反射爆轰会追赶上主爆轰波。在合适的条件下,主爆轰和回传爆轰汇聚在一起形成的阵面的压力可达到2-5倍正常的爆轰压力[3]。

6.4 螺旋爆轰[2,3]

在靠近爆轰极限附近处,或者当压力降低到临界水平时,爆轰阵面以一种稳定的方式形成螺旋,在含尘管道的内表面上形成螺旋状的轨迹。在圆形断面的管道爆轰试验中,也很容易观察到这种现象。

6.4 振荡爆轰[3,9]

振荡爆轰可以发生在管道的爆轰极限附近。爆轰波阵面的速度出现剧烈的脉动,其速度介于0.5到1.5倍CJ爆轰速度之间(见图5)。

图5 振荡爆轰时典型的速度-时间曲线。

振荡爆轰的发生是由于在处于爆轰传播极限的混合物中不断转变为爆轰波的原因。开始形成的爆轰最终衰减为激波-火焰结构。激波-火焰受壁面边界层的作用而加速,经历一次向爆轰的转变,这种过程具有周期性。

这种爆轰的振荡在经历大量的循环周期后明显地趋于一致。振荡爆轰在过驱状态发生处可能引起严重的破坏。文献[46]中进一步给出了振荡爆轰更多的信息,以及采用丙烷/空气混合物的详细实验情况。

6.5准爆轰[8]

在准爆轰中,激波阵面和燃烧区更趋于解耦(即激波火焰分隔更远)。从效果上,准爆轰是跟随在先导激波之后的快速的爆燃。

这种准爆轰在结构上是非稳定的,因而需要存在重复出现的障碍物支持这种准爆轰的持续存在。这种障碍物的存在导致准爆轰的能量和动量损失,从而减缓了波的传播速度,但在湍流燃烧过程中,这种障碍物也促进了能量的快速释放,并促进了横向激波的形成。综合这两种因素的影响,因此可以存在一种以稳定低速(与CJ爆轰速度相比)传播的反应波。

7 爆燃向爆轰的转变(DDT)

7.1 概述

化工行业发生爆轰现象时,通常都与DDT有关。在爆轰混合物中的爆燃火焰(典型速度为1m/s)能通过管道壁面、障碍物等的摩擦形成湍流而加速到爆轰。湍流加速火焰是由于湍流导致火焰阵面发生折皱,从而增加了火焰面积,因而增加了反应速率。这导致当火焰接近音速传播时,在火焰前方形成激波。激波阵面类似一个活塞[2],对火焰前方的未燃气体进行加热和压缩、最终未燃气体发生自动着火,从而在火焰阵面前方形成爆轰。这种情况发生在火焰速度在1000m/s左右时[4]。形成激波后,因此部分气体被压缩,未受扰动的气体则在激波的前方。DDT导致在压缩气体中产生过驱爆轰。如果被激波压缩的气体体积足够大,则在其中形成稳态的爆轰波。一旦激波压缩的气体发生燃烧,爆轰波持续进入为受激波压缩的气体,之前形成的过驱爆轰则衰减为稳态爆轰[56]。在DDT之后,爆炸波也可能回传进入已燃气体。

反应性较强的气体,如氢气、乙炔和乙烯与空气的混合物[8],和其它富氧的燃料环境,特别容易产生DDT过程。然而,在反应性较弱的燃料空气混合物也观察到这种DDT过程。在一次利用丙烷/空气混合物进行的实验中,在处于约束状态并设臵有障碍物的实验容器中进行弱点火,DD 过程发生的距离小于10m[11]。英国气体试验将丙烷/空气混合物充入有管道架中时,DDT过程发生在15m之后。因此,如果约束程度较高或存在有障碍物[11],当气云处于爆轰浓度范围内时,DDT 过程是可以预测的。

混合物的组成和容器的尺寸、形状和几何结构对爆轰的转变过程具有很强的影响,因此将这种实验结果外推应用到规程实际中时需要特别注意。当正好在临界条件时,通常需要采用尽可能与实际几何结构接近的装臵进行直接的试验。

7.2 转变距离

稳定爆燃到形成稳定的爆轰波存在一个转变距离。文献12给出了关于DDT的试验数据和计算转变距离的方程。通常发生DDT过程需要管道长度直径比L/D达到10-60量级,对于湍流敏感混合物,L/D值达到10量级。例外的情况是高反应活性的混合物,不稳定的燃料如乙炔和乙烯等,其发生爆轰转变的距离由L/D给出的值为3。重要的是,发生爆轰转变的管道长径比L/D和特定的系统密切相关,因此,很难将这种长径比给出的转变距离应用到其它情况或试验[13]。Nettleton[3]建议在工业管道中这种转变距离可能只有试验测定值的50%。最近对直径为150mm和300mm的管道中充入氢气/空气、乙烯/空气混合物的试验中,测定到的转变距离分别为9m和15m量级[4]。同时,还注意到这种转变距离与初始环境的条件(温度和湿度)有很大的相关性[4 图5.1.6]。

为形成DDT过程,管道的宽度至少具有临界直径的尺寸。

7.3 初始温度和压力的影响[14,15]

尽管可以预测随着初始温度的增加,转变距离会增加,这可能是由于气体密度的减小的原因,但实际上,目前关于温度对转变距离的影响的信息极少。当初始压力增加时,转变距离会减小,这与混合物浓度趋向于化学计量浓度是一致的。

7.4试验规模的影响

根据目前有限的资料,转变距离随着管道直径的增加而增加(即DDT发生在一个恒定的长径比值处)。大多数试验都是在相对较窄的管道中进行的,这些管道的最大直径为50mm。由于管道弯头、管道连接等因素的影响情况不明,因此很难将前所述的试验结果外推到化工厂中典型的管道中去。同时,在直径较大的管道中,流体粘性(倾向于降低火焰加速)的影响也显得不重要。

管道方向的突然变化和管道直径的减小都可能对DDT过程有利,这是因为这种变化产生的附件湍流有助于火焰加速。管道直径的增加降低了发生DDT的可能性,甚至可能使爆轰衰减为快速爆燃。

7.5 障碍物的影响

障碍物对DDT过程的影响可以分为四个区域来说明[16,17]:

?猝熄区-在该区域,爆燃传播通过障碍物时猝熄,这是由于快速的卷吸和混合作用所至;

?敲缸区-以600-1000m/s的准爆轰速度传播;

?准爆轰区域-发生DDT,速度> 1,000 m/s 但低于CJ速度值;

?稳态爆轰区-对爆轰敏感的混合物,障碍物无影响,为稳态的CJ爆轰。

文献18和19介绍了这些效应的实验研究情况,以及临界管道直径和胞格宽度之间的初步的经验关系式。

7.6 卸爆的影响[21,22,23]

精心设计的卸爆可以泄放降低压力,因此可以防止向爆轰的转变。但一旦在约束空间内形成了爆轰,泄爆对降低爆炸压力没有任何作用[44,45]。

仅当存在有限的泄爆时,卸爆可能诱导湍流,因而可以起到障碍物的作用。例如,在大型实验中采用氢气/空气混合物,火焰速度与超压要比无卸爆时的值高,实验中混合物为富燃混合物,只在容器的顶部开设卸爆口(卸爆面积占13%)。然而,当采用贫燃混合物时,卸爆时的火焰速度和超压比较低。同时,实验还发现当混合物的反应活性很高时,即使开设很大的泄爆面积的情况下,障碍物的存在能抵消这种泄爆作用[22]。当不设臵障碍物时,在管道顶部开设较大的泄爆面积(50%)的确能抑制DDT过程的出现,从而降低爆炸超压。

8 爆炸的直接起爆

直接起始爆轰是指直接点燃混合物,例如可以采用固体炸药或高能量活化起爆,由于这种强激波点火源作用,可以无需经过爆燃阶段而直接形成爆轰。实际上,气体/蒸气通过DDT过程爆轰,而直接起爆形成爆轰则很难出现。

8.1 无约束气云爆轰[3]

如果爆燃从充满障碍物的区域传播进入无约束和无障碍的区域,火焰阵面通常会发生减速,因而爆炸压力也会降低。但在类似情况下,从约束区域传播出的爆轰波可以无衰减地传播进入一个无障碍区域,甚至导致无障碍区域的部分气云产生极高的爆炸压力[11,44]。如果爆轰从管道传播出来(前面所述的爆轰传播临界条件成立)可能出现例外的情况。

尽管事故发生地的河谷提供了一定的约束,哈德森港口(Port Hudson incident)爆炸事故是唯一一起在无约束气云中发生爆轰的例子。

无约束混合物的爆轰极限比小型管道中实验值窄得多。关于无约束混合物的爆轰极限目前所知甚少,这是由于进行实验所需的点火源能量和实验混合物的容积实现起来很困难。表1中给出了一些实验值。

Bull[49]对在常见的燃料/空气混合物在无约束气状态下形成稳态爆轰所需的临界起爆能量(固体炸药起爆)进行了校验。

目前已有相应的估算方法对产生爆轰所需的最低气云直径进行估算[3.3]。事故调查认为对于如火

花正点火能量相对较低的点火源,产生爆轰所需的最低气云直径为50m。一些理论试图模拟无约束火焰阵面的加速过程。

9 爆轰引起的破坏[3]

9.1 概述

可以采用前面的方程分别计算CJ理论压力和峰值压力值,更准确地,可以在真实气体动力学的基础上,采用具有一定精度的数值计算程序进行计算。Mundy[2]认为工程实际中由于较高的持续压力与冲击载荷的综合作用,爆轰所能达到的最大值可以是计算值的两倍。当爆轰在固体壁面上反射时压力增加非常高。例如,对乙烯/空气混合物,其峰值压力瞬间从约18bar增大到约45bar。

爆轰波与约束结构之间的相互作用尚没有通用的理论处理。即使很简单的理论也只能处理激波在单墙上的绕射问题。在更复杂的系统中,各种反射波之间的相互作用是问题的分析变得非常困难,且预测值和实测值之间相差较大。

容器内爆轰的动载荷包括了具有较高值的恒定“运动载荷”和瞬态碰撞加载的综合作用[2]。即使强度相当弱的结构也能承受运动载荷的作用。瞬态碰撞可以达到100倍初始压力以上。但其持续作用时间极短。在考虑容器和其它结构物破坏时,必须同时考虑峰值压力和冲量的作用。关于设备在爆轰载荷作用下失效的详细情况可以参看文献[2],文献[52]中给出了最近对管线的一些研究结果。由于在爆轰作用下发生脆性断裂,因此爆炸能形成大量的碎片[25],但如果容器的强度足够大,也可能造成容器较大的变形破坏和扭曲破坏[26]。另一个典型的标志是球芯可从阀门中消失[20]。在测量变形的基础上估算得到有效爆轰压力通常可能相差一个数量级。因此,很难区分是发生了爆轰还是快速爆燃。

至于爆炸波,容器外部发生的爆轰产生所谓的“绕射载荷”和“推拽载荷”。绕射载荷是由于当爆炸波传播通过物体时在物体前后形成压力差所致,这种压力差能产生一定的载荷。推拽载荷是由于爆风(即爆炸引起的空气流动)对物体施加载荷。进一步可以参看文献[45]。

10. 管线

实验表明,设计标称压力为10bar的管线在发生DD的部位很容易发生破裂,但其能承受稳态爆轰压力而不发生破坏[8,11],这是由于瞬态超压的持续作用时间很短。

管线在振荡爆轰作用下,可形成间距相当有规律的失效,这是因为当管线失效后,当火焰加速到爆轰,然后发生非稳态过驱爆轰熄火的原因。随着火焰的反复加速,这种过程也不断重复[2]。

管线失效通常发生在弯头和连接处,这是由于先导激波在这些部位发生局部反射,从而形成很高的压力。有时甚至发生弯头抛射出的情况[20]。当弯头和连接部位过渡较为光滑时,破坏情况较轻,因为这种情况下当爆轰沿弯头传播时,其利于爆轰阵面保持平面特性。弯头结构在产生最大压力处具有临界效应[53]。

爆轰对管道基座以及管道本身能施加很大的应力,典型地,管道能在支座上其跳脱[20]。由于管道支座的作用是承载静止管道载荷,而非极高的内部瞬态压力,因此管道通常会发生失效[5]。10.1 确定爆轰传播通过厂房时的轨迹

当爆轰传播通过厂房时,其留下的爆轰轨迹信息可以所谓的Luders线的金相分析得到,Luders线是由于钢铁在超过其弹性极限的应力作用时留下的,这种人字形与脆性材料的破坏有关。也可以根据厂房碎片的抛射位臵来确定爆轰轨迹,尽管该方法可能存在很大的不确定性。

11. 爆轰抑制

德国规定了关于承受爆轰的相关标准,该标准规定设计压力为50bar[27]。压力增强效应可能形成比该压力高得多的压力值。但如果容器或其主要构件的特征响应时间小于可能造成破坏的超压的持续作用时间,则不会发生灾难性的破坏。在某些情况下,尽管其计算结果与试验结果有一定的差异,仍可以采用有限元进行计算。

英国和其它许多国家都采用被动式的爆轰捕集器。爆轰捕集器有许多种不同的设计型式。捕集器的基本构件类似于爆燃火焰捕集器,但爆轰情况下,这些构件的强度更高或更坚固能承受爆轰产生的

较高的压力。爆轰捕集器的缺点是其在使用过程中会产生背压,同时对管道还有一定的阻塞作用。经测试,德国的爆轰捕集器可以承受稳态爆轰,而英国的爆轰捕集器是在过驱爆轰条件下进行测试的。现行的英国标准是BS 7244[29]。所有欧洲标准均在2003年由CEN标准[30]取代。

美国海岸警卫队的测试程序[43]要求进行多次测试,并要求爆轰捕集器具有较宽的适用条件和范围。有人认为美国海岸警卫队的测试程序(US Coast Guard)比新近的CEN标准更严格。HSL (Buxton)的爆炸控制小组按照美国海岸警卫队的测试方法对爆轰捕集器进行测试,但所有爆轰捕集器性能均不能满足其测试要求。但HSL的测试是在几年前进行的,且新的爆轰捕集器在性能上已得到改进,显然已能通过美国海岸警卫队的测试要求。US Coast Guard和CEN标准都有一个共同的要求即是要进行爆燃测试,即使是针对爆轰的装臵也需要进行爆燃测试。这些测试标准已包括了在爆燃条件下进行测试的要求,因为人们已经认识到,捕集器设计不仅要防止爆轰,而且要防止速度较低的爆燃。但这样做的理由尚不明了。

图6 主动式爆轰捕集器系统。

主动式爆轰捕集器是探测传播火焰阵面并触发安装在合适位臵的隔绝阀或预加压抑爆容器(见图6).快速动作阀在20-40ms内关闭,抑爆容器在10-20ms内动作。这些装臵的有效动作,都依赖相应的辅助电子系统。通常,抑爆器安装在关断阀之前,以减小关断阀受爆轰作用而变形的危险。采用卸爆也是必要的。仅依靠卸爆是不可能成功地减弱爆轰[55]。

对部分约束爆炸,传统的水雾喷淋系统对于抑制快速爆燃是有效的[54]。

12. 参看文献

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炸药的爆轰爆速与间隙效应

炸药的爆轰爆速与间隙 效应 集团公司文件内部编码:(TTT-UUTT-MMYB-URTTY-ITTLTY-

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 混合炸药细长连续药柱,通常在空气中都能正常传爆。但在炮眼内,如果药柱与炮眼孔壁间存在间隙,常常会发生爆轰中断或爆轰转变为燃烧的现象。这种现象称为间隙效应(曾叫沟槽效应或管道效应)。它

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 混合炸药细长连续药柱,通常在空气中都能正常传爆。但在炮眼内,如果药柱与炮眼孔壁间存在间隙,常常会发生爆轰中断或爆轰转变为

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~2.5mr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

、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 混合炸药细长连续药柱,通常在空气中都能正常传爆。但在炮眼内,如果药柱与炮眼孔壁间存在间隙,常常会发生爆轰中断或爆轰转变为燃烧的现象。这种现象称为间隙效应(曾叫沟槽效应或管道效应)。它不仅降低了爆破效果,而且在瓦斯矿井中进行爆破时,若炸药发生燃烧,就有引发事故的可能。

爆轰 试题

1、 燃烧转爆轰的条件 答:DDT 现象的出现和环境(压力、体系、开口、闭口、外壳强度)、炸药的化学性质(热分解动力学、燃速、点燃难易)、物理性质(密实、多孔)等一系列因素有关, 产生正常爆轰的充分必要条件是:药柱直径大于爆轰的临界直径,在药柱中形成强度超过引致爆轰出现所需的临界压力 cr p 。 1. 高密度炸药中向爆轰的转变 当炸药处于某种外壳内,且在外壳中已形成动态压力 dyn p 时,如果 dyn p

炸药与爆炸的基本理论

第一章 本章小结 本章集中介绍了与炸药爆炸相关的一些基本概念、基本理论和基本实验,这些内容是后续章节的基础。现将其中的要点归纳如下: 1.炸药发生化学变化的三种基本形式,炸药爆炸的三要素,炸药的分类。炸药、单质炸药、混合炸药、起爆药、猛炸药和炸药爆炸的概念。 2.炸药氧平衡的概念极其计算方法。爆热、爆温、爆容、爆炸压力的概念。 3.波、横波、纵波、音波、压缩波、稀疏波、冲击波的概念。冲击波的基本特性。 4.爆轰波、爆轰压力、爆轰温度的概念和爆轰波的结构。凝聚炸药的爆轰反应机理。 5.炸药的使用感度、危险感度、热感度、爆发点、机械感度、撞击感度、摩擦感度、起爆感度和雷管感度的概念。炸药的物理状态和装药条件对炸药感度的影响。 6.炸药的热点起爆理论,爆炸物直接作用于炸药的起爆机理。 7.炸药的爆速、影响爆速的主要因素、爆速的测定方法。作功能力、猛度、殉爆距离的概念及其试验测定方法。炸药的理想爆速、临界爆速、极限直径、临界直径、最佳密度、临界密度的概念。 8.沟槽效应,产生沟槽效应的机理,消除沟槽效应的措施。 9.聚能效应及其应用。 复习题 1.计算硝化甘油和梯恩梯的氧平衡。 2.在铵油炸药中(硝酸铵与柴油的混合炸药),假如 4%木粉作疏松剂,试按零氧平衡设计炸药配方。 3?已知凝聚炸药的绝热指数 K值一般取为3,试推导计算凝聚炸药爆轰波参数

的方程式。 4?已测得某种岩石铵梯炸药的密度 0 1.0g/cm,爆速D=3750m/s。经计算得到其爆温 T b 2592 C。试求这种炸药的其余各项爆轰波参数u H、P H、 H、c H和T H。 5?如果采用理想气体状态方程来计算爆炸压力P,则存在关系P 0(K 1)Q v。试证明:爆轰压力近似等于爆炸压力的2倍。 6?试推导实验测定炸药爆速的导爆索法中计算爆速的公式。 3

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

可燃气体爆燃转爆轰过程的机理探索

可燃气体爆燃转爆轰过程的机理探索 姜宗林,滕宏辉,王春 (中国科学院力学研究所,中国科学院力学高温气体动力学重点实验室,北京,100080) 摘要:本文讨论了可燃气体起爆的两个重要现象:即热点爆炸和反应带加速。研究表明它们是爆燃转爆轰过程中的两种基本流体物理化学过程,都依赖于气体动力学非线性波传播和化学反应不稳定性的相互作用。在化学反应过程中,当可燃气体达到某一临界状态时对温度扰动非常敏感,微弱的温度扰动可以导致化学反应突然加剧,相应的放热膨胀会产生系列压缩波,并以当地声速向周围传播。当压缩波穿过反应与未反应气体面时,由于剧烈的温度变化导致的当地声速突然下降,造成压力波汇聚、形成压力脉冲。压力脉冲可以进一步提高反应界面附加气体热力学状态,而温度的提高又诱导了更剧烈的化学反应。这样一种正反馈机制强化了激波和化学反应,支持了热点爆炸和反应带加速。一般来讲,热点形成于一个球形区域,相应热点爆炸可以产生过驱爆轰,然后经由一个准稳态过程发展成为稳定爆轰。反应带是较窄的带状区域,参加反应的可燃气体相对较少,反应带加速到稳定爆轰是一个渐进过程,没有明显的过驱现象。反应带加速和稳定爆轰的反应区相比,前者存在着明显的反应诱导期,具有更多的反应气体和更高的放热速率。而后者则在三波点碰撞的支撑下围绕CJ爆轰状态作周期性的变化。 1 引言 自然界存在着两种可燃气体燃烧现象:一种是层流燃烧(Laminar Deflagration),相对于未燃气体的传播速度为每秒数米的量级,在无限空间里燃烧产生的超压是微弱的。一种是爆轰(Detonation),传播速度为每秒数千米,燃烧过程伴有强烈的压力升高。层流燃烧依赖于分子扩散和热传导速率;爆轰传播依赖于前导激波的绝热压缩和自燃气体化学能的支撑。这两种燃烧现象广泛存在于自然界和各种工程实际中,可以迅速地由一种模式转变为另一种, 即火焰加速和熄爆。层流燃烧和爆轰依赖于完全不同的物理化学机制,以有两、三个量级差别的速度传播,那么这种转变是怎样实现的?特别是对于爆燃转爆轰,是什么样的物理机制支撑了这种转变?这一直是爆轰物理研究的难题。 根据Lee的分类[1],爆轰波的形成有两种模式:一种模式是借助足够强的点火源产生爆炸波形成过驱爆轰再发展为稳定爆轰;另一种是通过火焰面加速相对缓慢地过渡到稳定爆轰。前一种称为直接起爆,借助强烈的爆炸波完成;而后一种模式则经过爆燃转爆轰过程(Detonation Deflagration Transition, 简称DDT),被称为自起爆模式。最近的研究还表明:即使在点火能量足够实现直接起爆的条件下,点火冲击波的强度往往迅速衰减过CJ爆轰状态,然后再重新加速到稳态爆轰波[2]。这个过程称为爆轰波发展的准稳定期,与DDT发展的后期过程是一致的。因此探索DDT发展机制对于研究可燃气起爆是具有普遍性的。 DDT是一种基本燃烧现象,过去几十年内一直是燃烧理论主要研究的基础问题之一[3]。大量的实验证实:DDT是一个涉及到爆燃波、激波、剪切层、湍流、化学反应、流动不稳定性及这些因素相互作用的复杂过程[3]。过去的研究进展表明DDT涉及到两个重要的流动物理过程:即热点起爆和火焰加速。人们对热点起爆研究比较多,常常称为“爆炸中的爆炸”(Explosion in Explosion)[4] 。关于火焰加速的研究相对较少,而且常常包含一些复杂的现象,如湍流火焰传播、热点形成、界面不稳定性等等。为了建立关于爆轰波发展和传播的一般性理论,有必要对DDT过程中的一些重要现象进行深入的探索,区分、定义出一些基本的气体物理过程,用来作为构造爆轰理论的基础过程。本文应用DCD格式求解了二维多组分NS方程和基元化学反应模型,分别对三个典型算例进行了数值模拟,考察了爆轰波形成过程中热点起爆和反应带加速,探讨了爆轰波发展与传播机制。

爆炸物理学试卷

一、简答题 1. 简述冲击波感度、爆发点、临界起爆压力的定义。(6分) 2. 简述炸药爆炸的基本特征。(6分) 3. 简述冲击波作用下炸药的热点点火机理。(6分) 4. 简述爆轰波的ZND 模型。(6分) 5. 简述冲击波Hugoniot 曲线的物理意义,并画出p-v 图予以说明。(6分) 6. 简要说明强爆轰、弱爆轰和CJ 爆轰过程各自的主要特征。(6分) 7. 简述燃烧转爆轰(DDT )过程及其转化条件。(6分) 8. 简述低速爆轰现象,并解释产生低速爆轰现象的原因。(8分) 二、证明题 已知某炸药的稳定爆轰波速度为D ,未反应炸药的声速和粒子速度分别为0c 和 0u ,证明爆轰波传播速度相对于波阵面前介质是超声速的,即满足关系式00D u c ->。 三、计算题 1. 实验测得空中某处(温度为15摄氏度)的空气平面正冲击波超压为0.1MPa ,假定气体的状态方程为多方指数状态方程p =A ρk ,其中k=1.4。利用气体冲击波参数关系计算该处的冲击波速度D 和质点运动速度u 。(10分) 2. 密度为ρ0=1.60g/cm 3的某炸药,实验测得其CJ 爆速为6000m/s ,已知ZND 模型爆轰反应区某点A 的压力为21.6GPa 。若炸药和爆轰产物均可用多方指数(γ= 3.0)状态方程来描述,忽略炸药的初始压力,计算: (1)该炸药爆轰反应区CJ 面上的压力。(5分) (2)爆轰反应区该点A 的质点运动速度。(5分) 3. 甲烷和空气混合气体的爆轰反应方程式如下: CH 4+2O 2+8N 2=CO 2+2H 2O+8N 2+801.72KJ 已知该混合气体及爆轰产物符合多方指数状态方程(k=1.4),计算甲烷和氧气(CH 4+2O 2)混合气体的爆轰波速度和CJ 压力。(10分)

炸药的爆轰、爆速与间隙效应(正式版)

文件编号:TP-AR-L2956 In Terms Of Organization Management, It Is Necessary To Form A Certain Guiding And Planning Executable Plan, So As To Help Decision-Makers To Carry Out Better Production And Management From Multiple Perspectives. (示范文本) 编订:_______________ 审核:_______________ 单位:_______________ 炸药的爆轰、爆速与间隙效应(正式版)

炸药的爆轰、爆速与间隙效应(正式 版) 使用注意:该安全管理资料可用在组织/机构/单位管理上,形成一定的具有指导性,规划性的可执行计划,从而实现多角度地帮助决策人员进行更好的生产与管理。材料内容可根据实际情况作相应修改,请在使用时认真阅读。 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

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、爆速与间隙效应通用范本

内部编号:AN-QP-HT176 版本/ 修改状态:01 / 00 When Carrying Out Various Production T asks, We Should Constantly Improve Product Quality, Ensure Safe Production, Conduct Economic Accounting At The Same Time, And Win More Business Opportunities By Reducing Product Cost, So As T o Realize The Overall Management Of Safe Production. 编辑:__________________ 审核:__________________ 单位:__________________ 炸药的爆轰、爆速与间隙效应通用范 本

炸药的爆轰、爆速与间隙效应通用范本 使用指引:本安全管理文件可用于贯彻执行各项生产任务时,不断提高产品质量,保证安全生产,同时进行经济核算,通过降低产品成本来赢得更多商业机会,最终实现对安全生产工作全面管理。资料下载后可以进行自定义修改,可按照所需进行删减和使用。 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

爆炸焊接条件下炸药爆轰过程的分析和研究_一_爆轰过程的宏观特性

2002年10月 October 2002 钢 铁 研 究 Research on Iron &S teel 第5期(总第128期) N o.5 (Sum128) 爆炸焊接条件下炸药爆轰过程的分析和研究(一) ———爆轰过程的宏观特性 郑远谋 (甘肃省白银市银铝实业公司) 摘 要 研究了爆炸焊接条件下炸药爆轰的宏观过程。这个过程包括发生、发展、持续和消亡4个阶段。探讨了爆炸焊接边界效应的力学-能量原理,提出了解决此边界效应的有效措施。 关键词 爆炸焊接 炸药 爆轰 边界效应 ANA LYSIS OF EXP LODING PR OCESS IN EXP LOSIVE WE LDING CON DITIONS ———APPARENT FEATURES OF EXP LODING PR OCESS Zheng Y uanm ou (S ilver and Aluminum Industry C o.,Baiyin City ,G ansu Prov.) Synopsis This paper studies apparent features of exploding process in explosive welding con 2ditions.The exploding process consists of four steps ,i.e arising ,developing ,continuing and end 2ing.The mechanical and energy principle to cause boundary effect is discussed and then measures to overcome the effect are put forward. K eyw ords explosive welding explosive exploding boundary effect 联系人:郑远谋,高级工程师,甘肃省(730900)白银市银铝实业公司 1 前 言 用探针法测定了炸药爆速沿爆轰方向的分 布[1] ,指出,这种分布象任何物质的运动规律一样,有一个发生、发展、持续和消亡的过程。然而,在该文的讨论中也明确地指出了现有过程缺少消亡阶段。也就是炸药在爆完的瞬间,其速度是怎样从每秒几千米突然降低到零的。这个问题是经典的和传统的爆炸物理学中至今尚未明确提出和很好解决的课题。本文在实验的基础上,试图讨论之,并以此解决爆炸焊接中的一些理论和实际问题。本文讨论的问题拟称为爆轰过程的宏观特性。2 试验方法 (1)用三合板订做药框(包括底面)和2号岩石硝铵炸药,在3mm ×500mm ×800mm 的铝板上 进行爆轰试验。试验前将铝板置于钢板之上。 (2)用一般的工艺和工艺参数爆炸焊接(3+20)mm ×2000mm ×2000mm 的钛-钢复合板,此 时钛板的长、宽尺寸较钢板大一点。 (3)用一般的工艺和工艺参数爆炸焊接几块(2+25)mm ×150mm ×600mm 的钛-钢复合板, 此时钛板和钢板的长、宽尺寸一样。 (4)用一般的工艺和工艺参数爆炸焊接镍-不锈钢、铝-不锈钢、铝-钢和铜-铝等复合板,测量它们的复板、基板和复合板相应位置上的厚度,并计算它们的减薄率和绘制分布曲线。 (5)用文献[2]提供的工艺和工艺参数爆炸焊接锆-2+不锈钢复合管。3 试验结果和分析 (1)用试验方法(1)获得的结果如图1所示。 ? 93?

超压爆轰产物冲击绝热线的实验研究

第1期曾代朋等:超压爆轰产物冲击绝热线的实验研究77 DG01A、PEIX-9404炸药超压爆轰状态与实验符合很好。本工作采用高速扫描相机测量冲击波在样品中的走时,通过对比法研究炸药超压爆轰产物的冲击绝热线。 2实验方法 超压爆轰产物雨贡纽曲线的测量技术与一般材 料的雨贡纽曲线测量技术相类似。如图1所示,用 直径100mm的平面波透镜起爆JO-9159炸药,驱 动铜飞片,经一定空腔加速后撞击铝基板。在铝基 板下面分别安装直径20mm、厚度5mm的炸药试 样和铝标准试样,用有机玻璃闪光隙技术,通过高速 相机测量冲击波在炸药试样中的传播时间,从而得 到超压爆轰波的传播速度,同样可以得到铝的冲击 波速度。每发实验在垂直于光测线的直径方向,对 称安装6对光纤探针,以监测飞片的击靶速度。利 用以上实验获得的数据和铝的雨贡纽参数,可以计 算出炸药的冲击状态参数(粒子速度和压力)。改变铜飞片速度,可以得到不同的冲击状态,从而得到不同压力下一组炸药超压爆轰冲击状态数据,进而得到冲击波速度(“。)随粒子速度(“。)变化的雨贡纽关图1超压爆轰雨贡纽实验装置示意图Fig.1Experimentalconfigurationfor Hugoniotmeasuring 系或雨贡纽曲线。实验中铜飞片的厚度分别为1.0mm和1.5mm,J0-9159炸药的厚度分别为30mm、40mm、50mm和60mm,通过采用飞片厚度和J0--9159炸药厚度的不同组合,分别使入射到JB-9014试样中的冲击压力在40GPa至60GPa区间分布。 实验中所用的JB-9014炸药试样是一种以超细TATB为主要成分的钝感高聚物粘结炸药[7],另外还含有少量的粘接剂,进行雨贡纽测试的样品密度为1.898g/cm3。 雨贡纽实验所采用的试样尺寸为20mm×5mm。侧向尺寸应选得足够大,以确保一维波效应。5mm厚的样品足够获得所需精度,但不能超过飞板后部入射的稀疏波的追赶厚度。雨贡纽数据由对比方法获得∞]。炸药样品沿铝标准试样固定在51Tim厚的铝基板上。压力由炸药驱动的铜飞板碰撞基板产生,入射压力的大小由飞片的撞靶速度决定。入射冲击波经过基板后,激发基板与光探板之间的气隙发光,再经过样品激发样品与光探板之间的气隙发光,由扫描相机记录冲击波到达基板背面和样品后端面的时间,由样品的厚度可以求得冲击波在样品中的传播速度,通过冲击波守恒关系式即可得到超压爆轰产物的冲击绝热线。 3实验结果处理与分析 以0511—02实验为例,说明对实验结果的处理过程。相机设置的扫描速度为7.5km/s,对装置底部的扫描波形如图2所示,对其进行计算机读数处理,处理结果见图3。样品的边缘由于边侧稀疏的作用,冲击波速度降低,曲线两侧翘起,因此去掉这部分,并把冲击波到达炸药试样和铝标准试样背面的扫描线与冲击波到达基板背面的扫描线位置进行对比,得到冲击波经过JB-9014炸药样品的时间为577弘s,经过LYl2铝标准样品的时间为597弘s,如图3所示。根据样品厚度,得到炸药试样中的冲击波速度D。为8.375km/s,铝标准试样中的冲击波速度D。为8.665km/s。再由LYl2铝标准试样的雨贡纽关系,按以下方法计算出炸药试样中冲击波后的粒子速度。 当冲击波到达基板与炸药试样的界面时,在炸药中入射一个冲击波,并产生反射波,反射波是冲击波还是稀疏波则根据炸药反应后产物的波阻抗所决定。图4是图解过程,OB线的斜率为JD。,Dt,OA线 的斜率为ID。:D。,夕(“)line是LYl2铝标准试样在p-u平面上的雨贡纽线,2S2R线为其反演线。OB与

北京理工大学2016级爆炸物理学习题

爆炸物理学习题 一、填空题 1.炸药的化学变化过程根据反应的速度和反应传播的特性可分为热分解、燃烧和。2.炸药在外界作用下发生爆炸的难易程度称为炸药的。 3.实验测得某炸药的爆轰CJ压力为20.0GPa,该炸药和产物均为常 状态方程,根据ZND 模型,爆轰波前沿冲击波的压力应为。 4.气体爆炸浓度极限随、初始温度、等因素的变化而变化。5.多方指数为1.4的多方气体在一次冲击压缩作用下,密度最大能压缩到原来的 倍。 6.冲击阻抗是介质的动力学刚度,它是介质密度与的乘积。 7.强爆轰波相对波后产物的传播速度(大于、小于、等于)声速。 8.空气冲击波在刚壁面上发生反射时,反射冲击波的速度(大于、小于、等于)入射冲击波的速度。 9.在实验测定炸药作功能力时,一般采用在同样条件下,被试炸药作功能力与一定密度下某一参比炸药作功能力的比值作为试样的相对作功能力。常用的参比炸药 为。 10.绝热冲击压缩的过程的熵值是的。 11.在Hugoniot曲线的爆轰段上,CJ点的爆轰波的速度最。 12. 当与炸药相接触的介质的冲击阻抗小于炸药的冲击阻抗时,则炸药爆炸后在与其接触的介质中形成,而同时反射回爆轰产物中为。 13.一钢质弹体以速度u平面撞击相同材料的另一钢质靶板,弹靶界面上的质点运动速度为。 二、判断题 1.稀疏波在介质中的传播速度为该介质的声速。 2.冲击波的Hugoniot曲线不是状态参量变化过程线,而波速线是状态参量变化的过程线。3.爆发点是炸药爆发时炸药的温度。 4.均质炸药比非均质炸药的起爆压力大是因为均质炸药的化学反应速度比非均质炸药的化学反应速度慢。

5.爆轰波是一种伴随有化学反应热放出的强冲击波。 6.用ZND模型不可以解释螺旋爆轰现象。 7.爆轰波稳定传播的条件是爆轰波的速度与波后产物的质点运动速度相同。 8.炸药装药的直径越大,其爆轰波的传播速度越大。 9.低速爆轰满足爆轰波传播的CJ条件。 10.某炸药的撞击感度越大,其加热感度也越大。 11.具有相同初始状态的介质,一次冲击压缩和多次连续冲击压缩可以达到相同的终点状态。 12.同一种装药激起起爆所需要的某种形式的能量是固定值。 13.爆轰波的Rayleigh线是化学反应的过程线。 14.用高速摄影法只能测试爆轰波的瞬时速度,不能测试平均速度。 15.炸药的起爆能量越大,该炸药爆轰波稳定传播的速度越大。 三、简答题 1.简述燃烧与爆轰的不同点。 2.在相同初始状态的同种介质中分别有一冲击波和一稀疏波,请比较这两个波的波速大小并说明原因。 3.简述物理结构均匀的TNT和物理结构不均匀的TNT在相同密度下,冲击起爆压力相差很大的原因。 4.在p-v平面上画出一维定常爆轰过程所对应的Hugoniot线和Rayleigh线,并写出爆轰波稳定传播的条件。 5.CJ理论与ZND模型能说明螺旋爆轰吗?为什么? 6.简述在一定直径范围内,凝聚炸药爆轰波速度随直径的增大而增大的原因。 四、计算题 1、密度为ρ0=1.60g/cm3的某炸药,实验测得其稳定爆轰时CJ压力为14.4GPa,若炸药和爆轰产物均可用多方指数(γ=3.0)状态方程来描述,忽略炸药的初始压力,计算:(1)炸药的爆轰波速度; (2)CJ面上的质点运动速度。

工业炸药专用术语

工业炸药专用术语 一般术语 001 冲击波shock wave 在介质中以超声速传播的并具有压力突然跃升然后缓慢下降特征的一种高强度压力波。 002 空气冲击波air blast;air concussion 在空气中传播的冲击波。 003 空气冲击波集中air blast focusing 由于声波从空气返回到地面的折射作用,而在地表小范围内形成的声能量的集中。这常常发生在特定的气象条件下,如逆温现象。 004 C-J面C-J plane;Chapman-Jouguet plane 在C-J假设的模型中,爆轰化学反应区的末端面。 005 爆炸状态explosion state 爆炸时爆轰区后面与压力和温度有关的物理条件。 006 爆炸效应explosion effect 炸药爆炸施于物体荷载使之破坏的效果。包括爆炸冲击波的作用效果和爆生气体在高温下的膨胀效果。前者称为炸药的动效应;后者称为炸药的静效应。两者构成了炸药的爆炸威力。

007 爆轰压力detonation pressure 炸药爆轰时爆轰波阵面中,C-J面中所测得的压力。 008 爆炸压力explosion pressure;borehole pressure 又称“炮孔压力”,爆轰气体产物膨胀作用在孔壁上的压力。 009 爆速detonation velocity 爆轰波沿炸药装药传播的速度,通常以km/s或m/s表示之。一种炸药的爆速取决于其类型、密度、粒度、直径、包装、约束条件和起爆性能。爆速可在约束或非约束条件下测出。低威力炸药的爆速介于1500~2500m/s,高威力炸药的爆速介于2500~7000m/s。 010 炸药燃烧combustion of explosives 炸药不仅能爆炸,而且在一定条件下,绝大多数炸药都能够稳定地燃烧而不爆炸。当然,炸药燃烧,经过一段时间后转化为爆炸的现象也是可能的。因起爆条件不良而造成的炸药燃烧,对于有大量可燃气体存在的井下煤矿是很危险的。 011 (绝对)体积威力(absolute)bulk strength,ABS;(absolute)volume strength,A VS 指单位体积炸药的作功能力,单位为MJ/m3。 012 (绝对)质量威力(absolute)mass strength,AMS 单位质量炸药的作功能力,单位为MJ/kg。

炸药的爆轰、爆速与间隙效应

安全管理编号:LX-FS-A11773 炸药的爆轰、爆速与间隙效应 In the daily work environment, plan the important work to be done in the future, and require the personnel to jointly abide by the corresponding procedures and code of conduct, so that the overall behavior or activity reaches the specified standard 编写:_________________________ 审批:_________________________ 时间:________年_____月_____日 A4打印/ 新修订/ 完整/ 内容可编辑

炸药的爆轰、爆速与间隙效应 使用说明:本安全管理资料适用于日常工作环境中对安全相关工作进行具有统筹性,导向性的规划,并要求相关人员共同遵守对应的办事规程与行动准则,使整体行为或活动达到或超越规定的标准。资料内容可按真实状况进行条款调整,套用时请仔细阅读。 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

炸药的爆轰、爆速与间隙效应

编订:__________________ 审核:__________________ 单位:__________________ 炸药的爆轰、爆速与间隙 效应 Deploy The Objectives, Requirements And Methods To Make The Personnel In The Organization Operate According To The Established Standards And Reach The Expected Level. Word格式 / 完整 / 可编辑

文件编号:KG-AO-7590-16 炸药的爆轰、爆速与间隙效应 使用备注:本文档可用在日常工作场景,通过对目的、要求、方式、方法、进度等进行 具体的部署,从而使得组织内人员按照既定标准、规范的要求进行操作,使日常工作或 活动达到预期的水平。下载后就可自由编辑。 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

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