爆炸空气冲击波的研究

关于爆破空气冲击波的研究

1：空气冲击波

炸药在空气中爆炸时，会将化学能转化为热能，产生高温高压的爆轰气体。由于空气初始的大气压远远小于爆炸所产生的，所以周围的空气会被急剧的压缩，此时，密度和压强都会有跳跃式的升高，紧接着，会立刻迫使空气离开它原来的位置。在空气的前沿产生了一个压缩状态的空气层，这个空气层会对周围的建筑物产生巨大的伤害。

这样一种能使介质的压力、密度、速度等参数发生急剧变化，产生陡立的波阵面，形成非周期性的脉冲，并以超音速传播的机械波叫做冲击波。

冲击波虽然以极高的速度传播，在运动的过程中由于能量的传递和损耗，速度衰减得很快，当波阵面压力降至周围气体压力时，波阵面并没有停止运动，由于惯性作用而继续运动，一直到速度衰减为零。

此时，波阵面的平均压力低于周围介质的压力，会出现负压区，出现负压后，周围介质反过来对波阵面进行第一次压缩，使其压力不断增加。因此，冲击波传播过程中波阵面压力是迅速衰减的，并且初始阶段衰减快，后期衰减渐缓。

理想爆炸波与时间曲线

2:稀疏波

介质状态参数压力P ，密度ρ，温度T 均下降的波，特点是质点的移动方向与波的传播方向相反，弱扰动。 由它的性质得：min 001P P P =＜＜；min min 00P P P ∆-=＜

由布罗德的理论工作和试验研究可近似关系，

min 0.35

P R R ∆-=, ＞1.6

带入数据：7.0535

.035.0min -=-=-=

∆R

p 6.1≥R 3:超压计算

炸药在空气自由场中爆炸时，影响空气爆炸冲击波波阵面

超压如的因素主要有：炸药的能量E 0，空气初始状态下的压力P 0，密度ρ

以及传播的距离R,用数学形式可表

示:000(,,,)p f E p R ρ∆=

。

一般来说，炸药的能量0E 可用其质量W 乘以爆热V Q ，将上

式化作爆炸相似律公式，可表达为：)(

3

R

W f P =

∆ Q v 为爆热，指炸药在爆炸分解时释放出的热量。爆热等于炸药的反应热，与爆炸产物的生成热之差。爆热是气体膨胀做功的能源。

铵油炸药的成分为硝酸铵，其爆热为，1438kg kJ ⋅-1

超压峰值的计算3

3

233

)(7.0)(27.0084.0R

W R W R W P ++=∆ 其中：R 为测点爆心距，单位：m ； W 为TNT 装药质量，单位：kg 。

如果装药不是TNT ，则装药质量可以根据爆热换算成TNT 当量。取TNT 的爆热为 4.184x106

J/kg ，换算公式为：

6

110184.4⨯⨯

=V

Q W W

因为，

1

6/10438.1-⋅⨯=Kg J Q V

33/1035.1m kg ⨯=ρ kg m kg V W 2025/1035.105.065331=⨯⨯⨯⨯=⨯P =

所以铵油炸药的装药质量为：

kg Q W V

97.69510184.420256

=⨯⨯=

对所求药包超压进行积分运算：

dy

z y x z y x z y x dx dz 32

223

2

2

223

5

.25

.22

223

05

.00

33

)97

.695(

7.0)97

.695(

27.097

.695084.0[+++++⨯+++⨯

⎰

⎰

⎰-- 积分后的结果为0.19。

4：爆炸波

爆炸波（冲击波和稀疏波）与时间的关系可用下面的解析关

系式表达：

)cos(cos )()/(ττταταατ

φ+∆=

∆-t

e p t P t

f ，函数()t f τ和常数τ

α，τα取决于超

压曲线的形状和τ，τ之值。

5：正负冲量的计算

正、负相冲量是两个非常重要的爆炸波参数。一般采取冲

击波峰值超压和冲量I 表征冲击波的强度。如果求单位面积上所受到冲击波作用的冲量，只需要求冲击波峰超压对时间的积分。 dt P t P I s t t s

])([0-=⎰

+

++

αα

dt P t P I s

s t t t S ])([0-

+++--=α

6：空气冲击波对目标物的破坏

当空气冲击波作用于周围的目标物时，对它们可能产生不同程度的破坏和损伤造成直接的经济损失。目标物的破坏程度不仅与爆炸源性质，爆炸能量，冲击距离，等因素有关，而且与目标物的形状，强度，弹性等因素有关。主要的影响因素：

① 冲击波波阵面上超压峰值的大小；

②冲击波的作用时间及作用压力随时间变化的性质；

③目标物所处的位置，及目标物与冲击波阵面的相对关系。

④目标物的形状和大小；

⑤目标物的动力学性质，如自振周期，阻尼系数等。7：空气冲击波超压的控制措施

超压的控制有两个方案，分别为“减源”与“削波”。

“减源”控制措施应该与影响因素相对应，从提高爆炸能量利用率入手，具体措施如下：

①大规模爆破前应尽量查明爆区岩石性质和地质条件，特别是岩石的波阻抗参数，各种地质结构面的性质以及产状等，选取与之较匹配的炸药品种：一般炸药的波阻抗小于岩石的波阻抗，可以采用增加装药密度的方法来提高炸药的波阻抗，达到二者合理的匹配。

②确定合适的装药量十分关键，但由于岩石性质和爆破条件的复杂性，条件允许时最好以现场试验得到的炸药单耗和总装药量。

③按被爆区的实际资料来确定合理的爆破参数，避免采用过大的最小抵抗线，做好爆破设计工作。

④提高爆破施工工艺 ,改善爆破条件，充分利用自由面，消除爆破夹制条件，减少炸药单耗量。

⑤保证堵塞质量和堵塞长度，采用合理的方法进行都塞。