第五章南京工业大学燃烧与爆炸理论爆炸及其灾害
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• 大型容器即使长径比小，也不能因此认 为不会引发爆轰。当有相当大的扰动产 生，或能量很高的点火源，也可使爆轰 在大型容器中产生。
7．催化剂
• 催化剂通常可以降低初始反应所需要的 能量，并可导致反应加速。
• 因此催化剂可以使更多的混合物通过施 加一个引发源来开始反应，并达到爆轰 速度。
三、爆燃向爆轰的转变 （Deflagration to Detonation
第五章南京工业大学燃烧与爆炸理 论爆炸及其灾害
第一节 爆燃及爆轰
• 化学反应导致的爆炸破坏效应很大程度上 依赖于是爆轰还是爆燃引起的爆炸。
• 爆燃是一种燃烧过程，反应阵面 （reaction front）移动速度低于未反应 气体中的声速，反应阵面主要通过传导和 扩散而进入未反应气体中。
第一节 爆燃及爆轰
• 最大压力与反应物料的相以及类型都有 关系。
• 持续时间与爆炸能有关系，一般在几秒 至数十秒之间。
（二）影响爆轰发生的因素
1．浓度范围 • 爆炸性混合气体的爆轰现象只发生在一
定的浓度范围内，这个浓度范围叫爆轰 范围。
2．强氧化剂
• 如纯氧或氯气（不是空气）等强氧化剂， 会使反应加速，并发生爆轰现象。
（一）爆轰过程
• 对于爆轰，反应阵面的移动速度大于声速。 • 激波阵面（shock front）在反应阵面前方
不远处。 • 反应阵面为激波阵面提供能量并且以声速或
超声速驱动它持续向前行进。 • 当反应阵面和激波阵面耦合在一起同步前行
时，稳定发展的爆轰波便形成了。
（一）爆轰过程
• 爆轰产生的激波阵面，其压力是突然上 升的。
• 氯酸盐、高氯酸盐等氧化剂的存在会发 生加速反应或爆炸性反应。
3．压力
• 压力的增加也可以导致反应速度的增加。 • 乙炔管线过热。温度的增加导致乙炔分
解。反应增加了气体压力从而使分解速 度增加，并发展为爆轰速度。
4．反应热
• 如果在燃烧反应中放出的热量巨大，同 样可能造成某些稳定混合物发生爆轰。
图5-1 气相爆燃物理模型（爆炸发生在左侧很远处）
一、爆燃
• 爆燃发生时，反应阵面的传播速度低于 声速。
• 压力波阵面在未反应气体中以声速向前 传播，并逐渐远离反应阵面。
• 随着燃烧反应不断向前行进，反应阵面 会产生一系列单个的压力波阵面。
一、爆燃
• 这些压力波阵面以声速离开反应阵面并 在主压力波阵面处不断聚集。
Transition）
爆轰可以通过两种方式产生：
• 一种是直接起爆，如用炸药、强激光等 高能量物质来进行直接起爆，这种方法 需要巨大的点火能量，对于一般碳氢燃 料，约需105~106 J；
三、爆燃向爆轰的转变 （Deflagration to Detonation
Transition）
• 另一种是通过爆燃向爆轰转变（DDT） 的方式产生，即采用弱点火能量点火形 成火焰，火焰在一定条件下加速，形成 湍流燃烧，再形成热点，并逐渐放大， 形成爆轰。
• 由于反应阵面不断产生压力波阵面，造 成单个压力波阵面不断迭加，使得主压 力波阵面在尺寸上不断增加。
• 爆燃产生的压力波阵面持续时间长（几 毫秒至数百毫秒），阵面宽而平滑。
二、爆轰
• 对某些反应而言，其反应阵面是通过强 压力波不断向前传播的，强压力波通过 压缩反应阵面前方的未反应物料，使其 温度超过自燃温度。
而使爆燃波后压力和温度不断升高，使 火焰加速。
转变机理
• 由此在波前形成压缩波，它在波前局部 声速向前传播。
• 由于爆燃波后的温度和压力不断提高， 后面的压缩波赶上前面的压缩波，经过 一定时间和距离形成激波。
• 激波诱导气流二次运动，使层流火焰变 成紊流火焰，形成许多局部爆炸中心。
转变机理
• 当一个或若干个局部爆炸中心达到临界点 火条件时，产生小的爆炸波向周围迅速放 大，并与激波反应区结合形成自持的超声 速爆轰波。
• 激波对化学反应有诱导作用，决定了化学 反应的感应时间。
• 化学反应对激波起驱动作用，提供激波传 播所需能量。
来自百度文库
图5-3 爆燃波向爆轰波转变过程中压力曲线随时间的变化
四、爆燃和爆轰的破坏机理
• 爆燃和爆轰造成的破坏有显著不同，相 同的能量，爆轰造成的破坏比爆燃大得 多，主要是由于爆轰的最大超压更大。
5．初始温度
• 混合气的初始温度对爆轰的传播速度影 响很小，实验数据表明，升高温度反而 使爆轰速度有所下降。
• 原因是升高温度使气体密度减小所造成。
6．管径或容器的长径比
• 由于爆炸性混合气体在点火以后到形成 爆轰有一段发展过程，在常压非扰动的 初始条件下，在管子或小直径容器中爆 轰的形成与管道或容器的长径比有关。
三、爆燃向爆轰的转变 （Deflagration to Detonation
Transition）
• 爆燃转爆轰（DDT）在管道中尤其常见， 但是在容器或开放空间中却不太可能发 生。
转变机理
• 在一个装有预混可燃气体混合物的管子 里，如果一端封闭，在靠近封闭端处点 火，形成爆燃波。
• 爆燃波从封闭端向另一端传播。 • 由于波后的燃烧产物被封闭端限制，从
• 由于压缩进行得很快，导致反应阵面前 方出现压力突变或激波。这种现象就是 爆轰。
二、爆轰
• 爆轰又称爆震，它是一个伴有巨大能量 释放的化学反应传输过程，同时反应阵 面及其前方的冲击波以声速或超声速向 未反应混合物传播。
• 爆轰速度约在1500~9000m/s的范围。
（一）爆轰过程
图5-2气相爆轰物理模型（爆炸发生在左侧很远处）
• 爆燃虽然最大超压低，但是压力持续时 间长，对某些结构组件可能更有破坏性。
爆燃破坏机理
• 如果爆炸是由爆燃造成，爆炸产生的碎 片比较少，而且在裂缝附近的容器壁面 厚度会变薄；
• 这是因为在破裂前容器壁会发生形变， 也可称为应力破裂或延性破坏（stress fracture 或ductile failure）。
• 爆轰的反应阵面移动速度比未反应气体 中的声速高。
• 对爆轰来说，主要通过压缩反应阵面前 面的未反应气体使其受热，从而使反应 阵面向前传播。
• 二者的主要差别在于前者是亚音速流动， 而爆轰则为超音速流动。
一、爆燃
• 来自反应的能量通过热传导和分子扩散 转移至未反应的混合物中。
• 这些过程相对较慢，促使反应阵面以低 于声速的速度传播。
7．催化剂
• 催化剂通常可以降低初始反应所需要的 能量，并可导致反应加速。
• 因此催化剂可以使更多的混合物通过施 加一个引发源来开始反应，并达到爆轰 速度。
三、爆燃向爆轰的转变 （Deflagration to Detonation
第五章南京工业大学燃烧与爆炸理 论爆炸及其灾害
第一节 爆燃及爆轰
• 化学反应导致的爆炸破坏效应很大程度上 依赖于是爆轰还是爆燃引起的爆炸。
• 爆燃是一种燃烧过程，反应阵面 （reaction front）移动速度低于未反应 气体中的声速，反应阵面主要通过传导和 扩散而进入未反应气体中。
第一节 爆燃及爆轰
• 最大压力与反应物料的相以及类型都有 关系。
• 持续时间与爆炸能有关系，一般在几秒 至数十秒之间。
（二）影响爆轰发生的因素
1．浓度范围 • 爆炸性混合气体的爆轰现象只发生在一
定的浓度范围内，这个浓度范围叫爆轰 范围。
2．强氧化剂
• 如纯氧或氯气（不是空气）等强氧化剂， 会使反应加速，并发生爆轰现象。
（一）爆轰过程
• 对于爆轰，反应阵面的移动速度大于声速。 • 激波阵面（shock front）在反应阵面前方
不远处。 • 反应阵面为激波阵面提供能量并且以声速或
超声速驱动它持续向前行进。 • 当反应阵面和激波阵面耦合在一起同步前行
时，稳定发展的爆轰波便形成了。
（一）爆轰过程
• 爆轰产生的激波阵面，其压力是突然上 升的。
• 氯酸盐、高氯酸盐等氧化剂的存在会发 生加速反应或爆炸性反应。
3．压力
• 压力的增加也可以导致反应速度的增加。 • 乙炔管线过热。温度的增加导致乙炔分
解。反应增加了气体压力从而使分解速 度增加，并发展为爆轰速度。
4．反应热
• 如果在燃烧反应中放出的热量巨大，同 样可能造成某些稳定混合物发生爆轰。
图5-1 气相爆燃物理模型（爆炸发生在左侧很远处）
一、爆燃
• 爆燃发生时，反应阵面的传播速度低于 声速。
• 压力波阵面在未反应气体中以声速向前 传播，并逐渐远离反应阵面。
• 随着燃烧反应不断向前行进，反应阵面 会产生一系列单个的压力波阵面。
一、爆燃
• 这些压力波阵面以声速离开反应阵面并 在主压力波阵面处不断聚集。
Transition）
爆轰可以通过两种方式产生：
• 一种是直接起爆，如用炸药、强激光等 高能量物质来进行直接起爆，这种方法 需要巨大的点火能量，对于一般碳氢燃 料，约需105~106 J；
三、爆燃向爆轰的转变 （Deflagration to Detonation
Transition）
• 另一种是通过爆燃向爆轰转变（DDT） 的方式产生，即采用弱点火能量点火形 成火焰，火焰在一定条件下加速，形成 湍流燃烧，再形成热点，并逐渐放大， 形成爆轰。
• 由于反应阵面不断产生压力波阵面，造 成单个压力波阵面不断迭加，使得主压 力波阵面在尺寸上不断增加。
• 爆燃产生的压力波阵面持续时间长（几 毫秒至数百毫秒），阵面宽而平滑。
二、爆轰
• 对某些反应而言，其反应阵面是通过强 压力波不断向前传播的，强压力波通过 压缩反应阵面前方的未反应物料，使其 温度超过自燃温度。
而使爆燃波后压力和温度不断升高，使 火焰加速。
转变机理
• 由此在波前形成压缩波，它在波前局部 声速向前传播。
• 由于爆燃波后的温度和压力不断提高， 后面的压缩波赶上前面的压缩波，经过 一定时间和距离形成激波。
• 激波诱导气流二次运动，使层流火焰变 成紊流火焰，形成许多局部爆炸中心。
转变机理
• 当一个或若干个局部爆炸中心达到临界点 火条件时，产生小的爆炸波向周围迅速放 大，并与激波反应区结合形成自持的超声 速爆轰波。
• 激波对化学反应有诱导作用，决定了化学 反应的感应时间。
• 化学反应对激波起驱动作用，提供激波传 播所需能量。
来自百度文库
图5-3 爆燃波向爆轰波转变过程中压力曲线随时间的变化
四、爆燃和爆轰的破坏机理
• 爆燃和爆轰造成的破坏有显著不同，相 同的能量，爆轰造成的破坏比爆燃大得 多，主要是由于爆轰的最大超压更大。
5．初始温度
• 混合气的初始温度对爆轰的传播速度影 响很小，实验数据表明，升高温度反而 使爆轰速度有所下降。
• 原因是升高温度使气体密度减小所造成。
6．管径或容器的长径比
• 由于爆炸性混合气体在点火以后到形成 爆轰有一段发展过程，在常压非扰动的 初始条件下，在管子或小直径容器中爆 轰的形成与管道或容器的长径比有关。
三、爆燃向爆轰的转变 （Deflagration to Detonation
Transition）
• 爆燃转爆轰（DDT）在管道中尤其常见， 但是在容器或开放空间中却不太可能发 生。
转变机理
• 在一个装有预混可燃气体混合物的管子 里，如果一端封闭，在靠近封闭端处点 火，形成爆燃波。
• 爆燃波从封闭端向另一端传播。 • 由于波后的燃烧产物被封闭端限制，从
• 由于压缩进行得很快，导致反应阵面前 方出现压力突变或激波。这种现象就是 爆轰。
二、爆轰
• 爆轰又称爆震，它是一个伴有巨大能量 释放的化学反应传输过程，同时反应阵 面及其前方的冲击波以声速或超声速向 未反应混合物传播。
• 爆轰速度约在1500~9000m/s的范围。
（一）爆轰过程
图5-2气相爆轰物理模型（爆炸发生在左侧很远处）
• 爆燃虽然最大超压低，但是压力持续时 间长，对某些结构组件可能更有破坏性。
爆燃破坏机理
• 如果爆炸是由爆燃造成，爆炸产生的碎 片比较少，而且在裂缝附近的容器壁面 厚度会变薄；
• 这是因为在破裂前容器壁会发生形变， 也可称为应力破裂或延性破坏（stress fracture 或ductile failure）。
• 爆轰的反应阵面移动速度比未反应气体 中的声速高。
• 对爆轰来说，主要通过压缩反应阵面前 面的未反应气体使其受热，从而使反应 阵面向前传播。
• 二者的主要差别在于前者是亚音速流动， 而爆轰则为超音速流动。
一、爆燃
• 来自反应的能量通过热传导和分子扩散 转移至未反应的混合物中。
• 这些过程相对较慢，促使反应阵面以低 于声速的速度传播。