第四章 爆震燃烧
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燃烧学
理论基础及其应用
能源与动力工程学院 潘振华
第四节 爆震燃烧
爆震概述
普通燃烧与爆震燃烧的区别
普通燃烧
通过热传导、辐射加热预混气体燃烧 传播速度小于声速 等压燃烧
爆震燃烧
通过激波绝热压缩预混气体燃烧 传播速度大于声速 等容燃烧
爆震燃烧概念
由引导激波绝热压缩波前预混气体，诱导气体产生高 温高压，进而发生剧烈的化学反应，化学反应所释放 的能量反过来提供给引导激波向前发展，两者相互促 进，相辅相成。
瑞利线：y (1 0Ma02 ) ( 0Ma02 )x
雨果尼奥曲线:
h1
(h0
q)
1 2
(
p1
p0 )(0
1 )
或：
U1
(U 0
q)
1 2
(
p1
p0
)(0
1 )
推导并简化:
雨果尼奥曲线物理意义：爆轰波 在活性介质中传播时，经过初态 点，满足3个守恒方程的所有终态 点(x,y)的集合。
( y )(x ) 等轴双曲线
爆震速度
将坐标建立在波阵面上： uD u0
如为C-J爆震： 0u0 1c1; c1 R1T1 1/2
上式代入能量方程，忽略p0：
0u02 1u12
p1
1u12
1
根据连续方程：
1 p1 1 0 1u12
ZND理论
把爆震波看作是由一个前导激波和随后的化学反应区构成 的，且化学反应区以有限速率进行。
假设
流动是一维的 激波为间断面，忽略分子的输运
激波前，化学反应速度为零，波后反应速率有限，反应不可 逆
反应区内，介质质点均处于局部热力学平衡态，但未达到化 学平衡
爆震燃烧的基本方程
爆震波强度
爆震波阵面具有三波点结构，由马赫干、入射激波和 横波相交组成。其在空间和时间上的运动轨迹为“鱼鳞形” 的胞格结构。
守恒方程
质量守恒：0u0 1u1
动力守恒：p0 0u02 p1 1u12
能量守恒：h0
q
u02 2
h1
u12 2
反应物
产物
q
xi
h
fi
x
j
h
fj
i
j
h p 1
瑞利线和雨果尼奥曲线
m 2 p1 p0 v0 v1
p av b 其中：a m 2
b p0 m 2v0
雨果尼奥曲线
q=0，无反应雨果尼奥曲线，过初点， 曲线1。 q>0，雨果尼奥曲线向上偏离初点， q越大，曲线越偏离A点，曲线2、3。
瑞利线
m p1 p0 v0 v1
令：x v1 / v0和y p1 / p0 m y 1 p0 1 x v0
常见气体的爆震速度
冲击波
活塞速度v 扰动距离C 出现非连续面
Becker模型
描述活塞加速运动，气体不断受到压缩过程 速度增加每微元，产生相应的压力波 波后温度增加
a1 v1
a2 v2
声速：a RT
a3 v3
பைடு நூலகம்
a3 v3 a2 v2 a1 v1
根据理想状态方程：
1 1 1 1
0
另h=cpT，得：
T1
2 2 1
T0
q cp
（1） （2） （3） （4） （5）
（6）
将(5)、(6)代入(2)： uD u0 2 1 R1 T0 q / cp 1/2 （7）
爆震燃烧基本理论模型
C-J理论
可燃物通过激波阵面后，化学反应瞬间完成，可燃物 变成完全反应的爆震产物。
假设
激波（冲击波）与化学反应区作为一维间断处理，反 应速率无穷大，爆轰波传播为定常。
爆震波后可用热力学状态方程来描述 忽略起爆端的影响 坐标系可作为惯性系建立在波阵面上
C-J理论第一次给出了爆震的物理模型和数学模型， 反映了爆震是化学反应冲击波传播过程的本质，奠定 了爆震研究的理论基础。
理论基础及其应用
能源与动力工程学院 潘振华
第四节 爆震燃烧
爆震概述
普通燃烧与爆震燃烧的区别
普通燃烧
通过热传导、辐射加热预混气体燃烧 传播速度小于声速 等压燃烧
爆震燃烧
通过激波绝热压缩预混气体燃烧 传播速度大于声速 等容燃烧
爆震燃烧概念
由引导激波绝热压缩波前预混气体，诱导气体产生高 温高压，进而发生剧烈的化学反应，化学反应所释放 的能量反过来提供给引导激波向前发展，两者相互促 进，相辅相成。
瑞利线：y (1 0Ma02 ) ( 0Ma02 )x
雨果尼奥曲线:
h1
(h0
q)
1 2
(
p1
p0 )(0
1 )
或：
U1
(U 0
q)
1 2
(
p1
p0
)(0
1 )
推导并简化:
雨果尼奥曲线物理意义：爆轰波 在活性介质中传播时，经过初态 点，满足3个守恒方程的所有终态 点(x,y)的集合。
( y )(x ) 等轴双曲线
爆震速度
将坐标建立在波阵面上： uD u0
如为C-J爆震： 0u0 1c1; c1 R1T1 1/2
上式代入能量方程，忽略p0：
0u02 1u12
p1
1u12
1
根据连续方程：
1 p1 1 0 1u12
ZND理论
把爆震波看作是由一个前导激波和随后的化学反应区构成 的，且化学反应区以有限速率进行。
假设
流动是一维的 激波为间断面，忽略分子的输运
激波前，化学反应速度为零，波后反应速率有限，反应不可 逆
反应区内，介质质点均处于局部热力学平衡态，但未达到化 学平衡
爆震燃烧的基本方程
爆震波强度
爆震波阵面具有三波点结构，由马赫干、入射激波和 横波相交组成。其在空间和时间上的运动轨迹为“鱼鳞形” 的胞格结构。
守恒方程
质量守恒：0u0 1u1
动力守恒：p0 0u02 p1 1u12
能量守恒：h0
q
u02 2
h1
u12 2
反应物
产物
q
xi
h
fi
x
j
h
fj
i
j
h p 1
瑞利线和雨果尼奥曲线
m 2 p1 p0 v0 v1
p av b 其中：a m 2
b p0 m 2v0
雨果尼奥曲线
q=0，无反应雨果尼奥曲线，过初点， 曲线1。 q>0，雨果尼奥曲线向上偏离初点， q越大，曲线越偏离A点，曲线2、3。
瑞利线
m p1 p0 v0 v1
令：x v1 / v0和y p1 / p0 m y 1 p0 1 x v0
常见气体的爆震速度
冲击波
活塞速度v 扰动距离C 出现非连续面
Becker模型
描述活塞加速运动，气体不断受到压缩过程 速度增加每微元，产生相应的压力波 波后温度增加
a1 v1
a2 v2
声速：a RT
a3 v3
பைடு நூலகம்
a3 v3 a2 v2 a1 v1
根据理想状态方程：
1 1 1 1
0
另h=cpT，得：
T1
2 2 1
T0
q cp
（1） （2） （3） （4） （5）
（6）
将(5)、(6)代入(2)： uD u0 2 1 R1 T0 q / cp 1/2 （7）
爆震燃烧基本理论模型
C-J理论
可燃物通过激波阵面后，化学反应瞬间完成，可燃物 变成完全反应的爆震产物。
假设
激波（冲击波）与化学反应区作为一维间断处理，反 应速率无穷大，爆轰波传播为定常。
爆震波后可用热力学状态方程来描述 忽略起爆端的影响 坐标系可作为惯性系建立在波阵面上
C-J理论第一次给出了爆震的物理模型和数学模型， 反映了爆震是化学反应冲击波传播过程的本质，奠定 了爆震研究的理论基础。