燃烧学—第4章3
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20
爆轰极限（体积％）
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
《燃烧学》--第四章
燃料空气弹
据报载，美国在对阿富汗的军事行动中使用了一种称为燃料空气 弹(fuel air explosive projectile，FAE)的新式武器，当被投掷或发 射到目标上空时，液体燃料连同雷管、定时器一起撒到地面，燃 料很快汽化成雾状，散布在空气中，经过预定的延迟时间，由雷 管引爆，产生威力强大的爆炸。燃料空气弹内装的炸药是容易汽 化的液态碳氢化合物，如环氧乙烷、环氧丙烷、甲基乙炔和丙二 烯等，本身不含氧或只含很少的氧，必须与空气混合才会爆炸。 由于它爆炸时几乎把附近空气中的氧消耗殆尽，在这个范围的人 即便不被炸死，也会因缺氧而窒息死，所以燃料空气弹又称窒息 弹。燃料空气弹爆炸时会产生2500℃左右的高温火球，并形成强 大的冲击波和热气浪，炸点附近的冲击波传播速度可达2200m/s， 超压达5~20MPa)。燃料空气弹的破坏威力较大，可使暴露的士 兵失去作战能力，使电子设备受到破坏，可大面积杀伤人员和摧 毁无防护的武器，如地面的和躲在普通工事或民房内的人员，停 机坪上的飞机，暴露的导弹、雷达和电台天线等。
dx V激 dt
2-2’ 截面间的距离为 质量守恒
2
2′
1
dx气＝Vdt
2
2′
1
1 Adx 2 Adx dx气
V激＝
dx气
2 2 1V源自dx中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
12
1-2截面间气体的动量变化： 在激波通过前，气体的速度为0； 激波通过后，气体的速度由0增加到ΔV，所以1-2截面间在dt时间内的动 量变化为ρ1AdxΔV。 作用于这部分气体上的冲量为（p2-p1）Adt。 动量守恒定律
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
18
《燃烧学》--第四章
4.5.4爆轰形成条件
1．初始正常火焰传播能形成压缩扰动 2．管子要足够长或自由空间的预混气体积要足够大
爆轰前期间距：正常火焰峰与爆轰形成位臵之间的距离称爆轰前 期间距。 对于光滑的管子，该爆轰前期间距为管径的数十倍。 对于表面粗糙的管子，爆轰前期间距为管径的2～4倍。
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
15
《燃烧学》--第四章
4.5.2.3 在空间运动的激波 物体在空间作加速运动时，也会形成激波，其过程和 原理与活塞在管内运动形成激波的情况相同，即激波 都是由微弱压缩波叠加而成。但也存在不同之处。 管内激波的特怔：
当活塞在管内做加速运动，造成激波之后，只有活塞保持等 速前进，激波的强度就不会变化或减弱，所有被激波压缩过 的气体，都被迫以等于活塞的速度前进，波后压强保持为p2 不变。 活塞的运动可以是超声速的，也可以是亚声速的 激波形成后以速度V激向前运动。 波后气体压强为p2，速度等于活塞运动的速度。 波前和管外气体都没有受到压缩，压强保持为p1
《燃烧学》--第四章
燃烧学
燃烧学
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
1
《燃烧学》--第四章
4.5.1激波的形成
4.5 爆轰
一把连发左轮手枪正 在射击。气体首先从 枪管内发出，然后从 枪口发出
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
2
《燃烧学》--第四章
4.5 爆轰
AK-47突击步枪开火
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
激波运动速度的公式
V激 a1
1 1 p2 1 2 1 p1
激波相对于波后气体的运动速度
V激 V a 2 1
由于波后压强p2总是大于波前压强p1，所以上式根号内的数值是大于1的，故V激>a1。 激波后与激波前的压强比p2/p1标志着激波强度的大小。 在a1不变的条件下，激波强度p2/p1越大，激波运动的速度V激也就越大；反之，激波 运动的速度减小。
3
《燃烧学》--第四章
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
4
《燃烧学》--第四章
4.5 爆轰
4.5.1激波的形成
扰动 压缩波
对于弱的压缩扰动
a1 gRT 1
激波：强压缩波
如(1)当气体以超声速绕物体流动时，在物体前会形成一道突跃。 气流通过这道压缩波时，其压强、密度和温度突越地上升一个数 值，流速或M数相应地下降一个数值，即气流受到突然的压缩。 （2）当气体以超声速在管道中运动或从喷管中流出时，在一定 条件下，也会形成激波。 （3）活塞在长管中做加速运动，压缩管内气体，从而形成运动 激波
a1 gRT 1
第二道压缩波，是在已被第一道压缩波压缩过的气体中传播的， 波前气体的温度T1+ΔT1。传播速度:
a1' gRT1 T1
第二道压缩波将逐渐赶上前面的第一道压缩波
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7
《燃烧学》--第四章
t1以后，活塞不再
作加速运动，而以
6
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
《燃烧学》--第四章
在AA与BB之间，是从时刻0起到时刻t1这段时间内
活塞连续做加速运动, 形成的无穷多道微弱压缩波 每一道压缩波经过气体，气体的压强、密度和温度就有一 个微小的提高，并获得一个微小的向前运动的速度增量
设第一道压缩波，气体的压强由p1上升到p1+Δp1，温度由T1上升 到T1+ΔT1。它向前传播的速度，近似等于波前未受扰动气体中 的声速a1
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
16
激波在空间的传播特征：
《燃烧学》--第四章
管壁是不存在时，波后的高压气体将向两侧运动，结果波后 气体的压强下降， V激随之下降。 如果活塞或物体以亚声速运动时，由于激波的速度总是大于 声速的，所以激波与物面间的距离将越来越大，激波强度 p2/p1也就越来越小，直至激波在无限远处弱化为微弱压缩波 为止。 故活塞或物体在空间以亚声速运动不会形成稳定的激波。 但当活塞或物体以超声速在空间运动时，当物体前方的激波 速度减小到等于物体运动的速度时（它们都是超声速的）， 激波与物面间的距离就不再增大，激波强度也就不再进一步 减弱，激波运动的速度也就恒定不变，而与物体以同一的速 度一起前进了。这时在物体的前方，就会有一道稳定的激波。
1 u cvT RT 1 1 p u 1 g
u为单位重量气体的内能 为功热当量
V 2 1 p2 p1 p2 AVdt 1 Adx 2 1 1 2 V 2 1 p2 p1 p2 V 1V激 2 1 1 2
《燃烧学》--第四章
p2 p1 Adt 1 AdxV
p2 p1 1V激 V
V激＝
2 2 1
V
2 p 2 p1 V激 1 2 1
V
2 1 p2 p1
1 2
p1 / 1 gRT 1 a1
图4-31 激波在空间的运动
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《燃烧学》--第四章
4.5.3爆轰的发生
图4-32 爆轰形成过程示意图 （a）正常火焰传播O—O前面形成一系列压缩波d—d，d′—d′，d″—d″…… （b）正常火焰传播O—O前方爆轰波U—U已形成，并使未燃混合气着火； （c）正常火焰传播与爆轰波引起的燃烧合二为一
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10
《燃烧学》--第四章
微弱压缩波可以叠加在一起，成为一道强的压缩波—激波 但是，膨胀波则不再叠加在一起，变成一道“强的”膨胀波。 越靠后的膨胀波运动速度越小，后面的膨胀波永远也赶不上 前面的膨胀波。各膨胀波之间的距离将越来越大，故膨胀波 不能像压缩波那样集中或叠加在一起，形成一道强的膨胀波。
3．可燃气浓度要处于爆轰极限范围内
爆轰极限范围一般比爆炸极限范围要窄
4．管子直径大于爆轰临界直径
管子能形成爆轰的最小直径称爆轰临界直径，约为12～15mm。
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《燃烧学》--第四章
表4-8 爆轰极限与爆炸极限的比较
爆炸极限（体积％） 可燃气体 下限 氢—空气 氢—氧 一氧化碳—氧 氨—氧 乙炔—空气 乙炔—氧 丙烷—氧 乙醚—空气 乙醚—氧 4.0 4.7 15.7 13.5 1.5 2.5 2.3 1.7 2.1 55.0 36.0 82.0 下限 75.6 93.9 94.0 79.0 82.0 上限 18.3 15.0 38.0 25.4 4.2 3.5 3.2 2.8 2.6 下限 59.0 90.0 90.0 75.0 50.0 92.0 37.0 4.5 24.0
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《燃烧学》--第四章
C
2
2′
1
C 2 p
dx气
2′
1
p2 dx p1 x
C
图4-29 时刻t3，BB与AA间的 微弱压缩波叠加为激波
图4-30 激波压缩气体的过程
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9
《燃烧学》--第四章
时刻t3，后面的波赶上了前面的波，BB与AA之间所有的压缩 波叠加在一起，微弱的压缩波叠加成一道强扰动波—激波 在激波CC的前方，为未受扰动的静止气体，参数为p1，ρ1， T1，在激波CC之后，为受到强扰动的气体，其参数值突跃为 p2，ρ2，T2，气体的运动的速度，也由波前的0突增到与活塞 相同的运动速度ΔV。 激波也可以说是气体参数的一个突跃面，凡被激波扰动过的 气体，参数值都发生一个突跃的变化。 激波CC前进的速度V激既不等于原来AA前进的速度a1，也不 等于BB前进的速度a2+ΔV（其中 a2 gRT2 ），而是介于两 者之间，即a2+ΔV>V激>a1。这表明激波相对于波前气体的运 动速度是超声速的（V激>a1），相对于波后气体的运动速度是 亚声速的（V激－ΔV <a2）。
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11
《燃烧学》--第四章
4.5.2激波的性质
激波运动的速度与激波强度
设某时刻t，激波前进到2截面处， 波前参数为p1，ρ1，T1， 波后参数为p2，ρ2，T2。 激波前进的速度为V激，波后气体运动的速度为ΔV。 设dt时间后，激波由2截面前进到1截面，于是1-2截面间的距离为
1 2 p2 1 p1
V激 a1
1
2 1 1
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13
1-2截面间气体能量的变化
《燃烧学》--第四章
在dt时间内，外界压力对1-2截面间气体所作的功为p2AΔVdt
V 2 g 2 AVdt 1 Adx u2 u1 2
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5
《燃烧学》--第四章
活塞在长管中做加速运动，压缩管内气体，形成运动激波的过程
O B
A
O
B
A
p p2
p1
O
B
A
x
图4-27 时刻0和时刻t1管内压强分布 （虚线表示时刻0的状况，实线表示时刻t1的状况）
设管内起初是静止 的气体，参数为p1， ρ1、T1。 设从时刻0起，活 塞由静止连续向右 作加速运动，是压 缩扰动，以压缩波 的形式向前传播. 时刻t1，BB面的气 体压强由p1上升到 p2 位臵AA： 压缩气 体所形成的第一道 微弱压缩波于时刻 t1所到达的位臵。 AA是微弱扰动波， 速度等于波前气体 的声速a1
B B A A
等速前进(t2)，那 么活塞面附近的气
体压强保持为p2不
变
p2 p1
总会有一个时刻t3， 后面的波赶上了前 面的波，BB与AA之
B A
间所有的压缩波叠
加在一起，这时波
的性质将起变化， 即它们从微弱的， 压缩波叠加成一道
图4-28 时刻t2波面AA与BB到达的位置及管内压 强分布
强扰动波—激波
将V激和ΔV的表达式代入上式
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14
《燃烧学》--第四章
激波前后压强比和密度比之间的关系式
1 p2 1 2 1 p1 p2 1 1 p1 1
1 p 2 p1 V激 a1 1 2 p1
1 p2 p1 2 p2
爆轰极限（体积％）
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
《燃烧学》--第四章
燃料空气弹
据报载，美国在对阿富汗的军事行动中使用了一种称为燃料空气 弹(fuel air explosive projectile，FAE)的新式武器，当被投掷或发 射到目标上空时，液体燃料连同雷管、定时器一起撒到地面，燃 料很快汽化成雾状，散布在空气中，经过预定的延迟时间，由雷 管引爆，产生威力强大的爆炸。燃料空气弹内装的炸药是容易汽 化的液态碳氢化合物，如环氧乙烷、环氧丙烷、甲基乙炔和丙二 烯等，本身不含氧或只含很少的氧，必须与空气混合才会爆炸。 由于它爆炸时几乎把附近空气中的氧消耗殆尽，在这个范围的人 即便不被炸死，也会因缺氧而窒息死，所以燃料空气弹又称窒息 弹。燃料空气弹爆炸时会产生2500℃左右的高温火球，并形成强 大的冲击波和热气浪，炸点附近的冲击波传播速度可达2200m/s， 超压达5~20MPa)。燃料空气弹的破坏威力较大，可使暴露的士 兵失去作战能力，使电子设备受到破坏，可大面积杀伤人员和摧 毁无防护的武器，如地面的和躲在普通工事或民房内的人员，停 机坪上的飞机，暴露的导弹、雷达和电台天线等。
dx V激 dt
2-2’ 截面间的距离为 质量守恒
2
2′
1
dx气＝Vdt
2
2′
1
1 Adx 2 Adx dx气
V激＝
dx气
2 2 1V源自dx中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
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1-2截面间气体的动量变化： 在激波通过前，气体的速度为0； 激波通过后，气体的速度由0增加到ΔV，所以1-2截面间在dt时间内的动 量变化为ρ1AdxΔV。 作用于这部分气体上的冲量为（p2-p1）Adt。 动量守恒定律
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《燃烧学》--第四章
4.5.4爆轰形成条件
1．初始正常火焰传播能形成压缩扰动 2．管子要足够长或自由空间的预混气体积要足够大
爆轰前期间距：正常火焰峰与爆轰形成位臵之间的距离称爆轰前 期间距。 对于光滑的管子，该爆轰前期间距为管径的数十倍。 对于表面粗糙的管子，爆轰前期间距为管径的2～4倍。
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《燃烧学》--第四章
4.5.2.3 在空间运动的激波 物体在空间作加速运动时，也会形成激波，其过程和 原理与活塞在管内运动形成激波的情况相同，即激波 都是由微弱压缩波叠加而成。但也存在不同之处。 管内激波的特怔：
当活塞在管内做加速运动，造成激波之后，只有活塞保持等 速前进，激波的强度就不会变化或减弱，所有被激波压缩过 的气体，都被迫以等于活塞的速度前进，波后压强保持为p2 不变。 活塞的运动可以是超声速的，也可以是亚声速的 激波形成后以速度V激向前运动。 波后气体压强为p2，速度等于活塞运动的速度。 波前和管外气体都没有受到压缩，压强保持为p1
《燃烧学》--第四章
燃烧学
燃烧学
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1
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4.5.1激波的形成
4.5 爆轰
一把连发左轮手枪正 在射击。气体首先从 枪管内发出，然后从 枪口发出
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4.5 爆轰
AK-47突击步枪开火
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激波运动速度的公式
V激 a1
1 1 p2 1 2 1 p1
激波相对于波后气体的运动速度
V激 V a 2 1
由于波后压强p2总是大于波前压强p1，所以上式根号内的数值是大于1的，故V激>a1。 激波后与激波前的压强比p2/p1标志着激波强度的大小。 在a1不变的条件下，激波强度p2/p1越大，激波运动的速度V激也就越大；反之，激波 运动的速度减小。
3
《燃烧学》--第四章
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4.5 爆轰
4.5.1激波的形成
扰动 压缩波
对于弱的压缩扰动
a1 gRT 1
激波：强压缩波
如(1)当气体以超声速绕物体流动时，在物体前会形成一道突跃。 气流通过这道压缩波时，其压强、密度和温度突越地上升一个数 值，流速或M数相应地下降一个数值，即气流受到突然的压缩。 （2）当气体以超声速在管道中运动或从喷管中流出时，在一定 条件下，也会形成激波。 （3）活塞在长管中做加速运动，压缩管内气体，从而形成运动 激波
a1 gRT 1
第二道压缩波，是在已被第一道压缩波压缩过的气体中传播的， 波前气体的温度T1+ΔT1。传播速度:
a1' gRT1 T1
第二道压缩波将逐渐赶上前面的第一道压缩波
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t1以后，活塞不再
作加速运动，而以
6
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《燃烧学》--第四章
在AA与BB之间，是从时刻0起到时刻t1这段时间内
活塞连续做加速运动, 形成的无穷多道微弱压缩波 每一道压缩波经过气体，气体的压强、密度和温度就有一 个微小的提高，并获得一个微小的向前运动的速度增量
设第一道压缩波，气体的压强由p1上升到p1+Δp1，温度由T1上升 到T1+ΔT1。它向前传播的速度，近似等于波前未受扰动气体中 的声速a1
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
16
激波在空间的传播特征：
《燃烧学》--第四章
管壁是不存在时，波后的高压气体将向两侧运动，结果波后 气体的压强下降， V激随之下降。 如果活塞或物体以亚声速运动时，由于激波的速度总是大于 声速的，所以激波与物面间的距离将越来越大，激波强度 p2/p1也就越来越小，直至激波在无限远处弱化为微弱压缩波 为止。 故活塞或物体在空间以亚声速运动不会形成稳定的激波。 但当活塞或物体以超声速在空间运动时，当物体前方的激波 速度减小到等于物体运动的速度时（它们都是超声速的）， 激波与物面间的距离就不再增大，激波强度也就不再进一步 减弱，激波运动的速度也就恒定不变，而与物体以同一的速 度一起前进了。这时在物体的前方，就会有一道稳定的激波。
1 u cvT RT 1 1 p u 1 g
u为单位重量气体的内能 为功热当量
V 2 1 p2 p1 p2 AVdt 1 Adx 2 1 1 2 V 2 1 p2 p1 p2 V 1V激 2 1 1 2
《燃烧学》--第四章
p2 p1 Adt 1 AdxV
p2 p1 1V激 V
V激＝
2 2 1
V
2 p 2 p1 V激 1 2 1
V
2 1 p2 p1
1 2
p1 / 1 gRT 1 a1
图4-31 激波在空间的运动
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《燃烧学》--第四章
4.5.3爆轰的发生
图4-32 爆轰形成过程示意图 （a）正常火焰传播O—O前面形成一系列压缩波d—d，d′—d′，d″—d″…… （b）正常火焰传播O—O前方爆轰波U—U已形成，并使未燃混合气着火； （c）正常火焰传播与爆轰波引起的燃烧合二为一
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《燃烧学》--第四章
微弱压缩波可以叠加在一起，成为一道强的压缩波—激波 但是，膨胀波则不再叠加在一起，变成一道“强的”膨胀波。 越靠后的膨胀波运动速度越小，后面的膨胀波永远也赶不上 前面的膨胀波。各膨胀波之间的距离将越来越大，故膨胀波 不能像压缩波那样集中或叠加在一起，形成一道强的膨胀波。
3．可燃气浓度要处于爆轰极限范围内
爆轰极限范围一般比爆炸极限范围要窄
4．管子直径大于爆轰临界直径
管子能形成爆轰的最小直径称爆轰临界直径，约为12～15mm。
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表4-8 爆轰极限与爆炸极限的比较
爆炸极限（体积％） 可燃气体 下限 氢—空气 氢—氧 一氧化碳—氧 氨—氧 乙炔—空气 乙炔—氧 丙烷—氧 乙醚—空气 乙醚—氧 4.0 4.7 15.7 13.5 1.5 2.5 2.3 1.7 2.1 55.0 36.0 82.0 下限 75.6 93.9 94.0 79.0 82.0 上限 18.3 15.0 38.0 25.4 4.2 3.5 3.2 2.8 2.6 下限 59.0 90.0 90.0 75.0 50.0 92.0 37.0 4.5 24.0
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C
2
2′
1
C 2 p
dx气
2′
1
p2 dx p1 x
C
图4-29 时刻t3，BB与AA间的 微弱压缩波叠加为激波
图4-30 激波压缩气体的过程
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时刻t3，后面的波赶上了前面的波，BB与AA之间所有的压缩 波叠加在一起，微弱的压缩波叠加成一道强扰动波—激波 在激波CC的前方，为未受扰动的静止气体，参数为p1，ρ1， T1，在激波CC之后，为受到强扰动的气体，其参数值突跃为 p2，ρ2，T2，气体的运动的速度，也由波前的0突增到与活塞 相同的运动速度ΔV。 激波也可以说是气体参数的一个突跃面，凡被激波扰动过的 气体，参数值都发生一个突跃的变化。 激波CC前进的速度V激既不等于原来AA前进的速度a1，也不 等于BB前进的速度a2+ΔV（其中 a2 gRT2 ），而是介于两 者之间，即a2+ΔV>V激>a1。这表明激波相对于波前气体的运 动速度是超声速的（V激>a1），相对于波后气体的运动速度是 亚声速的（V激－ΔV <a2）。
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4.5.2激波的性质
激波运动的速度与激波强度
设某时刻t，激波前进到2截面处， 波前参数为p1，ρ1，T1， 波后参数为p2，ρ2，T2。 激波前进的速度为V激，波后气体运动的速度为ΔV。 设dt时间后，激波由2截面前进到1截面，于是1-2截面间的距离为
1 2 p2 1 p1
V激 a1
1
2 1 1
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1-2截面间气体能量的变化
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在dt时间内，外界压力对1-2截面间气体所作的功为p2AΔVdt
V 2 g 2 AVdt 1 Adx u2 u1 2
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《燃烧学》--第四章
活塞在长管中做加速运动，压缩管内气体，形成运动激波的过程
O B
A
O
B
A
p p2
p1
O
B
A
x
图4-27 时刻0和时刻t1管内压强分布 （虚线表示时刻0的状况，实线表示时刻t1的状况）
设管内起初是静止 的气体，参数为p1， ρ1、T1。 设从时刻0起，活 塞由静止连续向右 作加速运动，是压 缩扰动，以压缩波 的形式向前传播. 时刻t1，BB面的气 体压强由p1上升到 p2 位臵AA： 压缩气 体所形成的第一道 微弱压缩波于时刻 t1所到达的位臵。 AA是微弱扰动波， 速度等于波前气体 的声速a1
B B A A
等速前进(t2)，那 么活塞面附近的气
体压强保持为p2不
变
p2 p1
总会有一个时刻t3， 后面的波赶上了前 面的波，BB与AA之
B A
间所有的压缩波叠
加在一起，这时波
的性质将起变化， 即它们从微弱的， 压缩波叠加成一道
图4-28 时刻t2波面AA与BB到达的位置及管内压 强分布
强扰动波—激波
将V激和ΔV的表达式代入上式
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《燃烧学》--第四章
激波前后压强比和密度比之间的关系式
1 p2 1 2 1 p1 p2 1 1 p1 1
1 p 2 p1 V激 a1 1 2 p1
1 p2 p1 2 p2