燃烧与爆炸测试基础-绪论

E0 R0 P 0
1 3
式1.2
绪论-§1.3气体与粉尘爆炸的特点
爆炸源爆炸所产生的爆炸波性质可以表达为 爆炸源特征长度R0与离爆点的距离Rs的比例 项的函数，即
Rs Ps Ps f P0 R 0
式1.3
Rs I s c0 Is g P0 R0 R 0
4 定容爆炸：燃料混合物在给定体积的刚性容器中均
匀地同时点火时发生的燃烧过程。 定容爆炸过程中，容器体积保持不变，密度不变，压 力岁燃烧释放的化学能增加而增加。 化学计量浓度下，烃类与空气混合，定容爆炸的压力 约为初始压力的7~8倍。
绪论-§1.2气体与粉尘燃烧爆炸的基本模式
绪论-§1.3气体与粉尘爆炸的特点
I 气体和粉尘爆炸原理
1 绪论 爆炸：简单地说就是能量的快速释放过程； 分为：物理爆炸、化学爆炸
2015年4月6日，福建漳州PX石化发生爆炸； 4月21日，江苏南京化工厂发生爆炸； 5月25日，江西赣州泰普化工厂发生爆炸； 7月16日，山东日照石大科技石化公司发生爆炸； 8月12日，天津塘沽危险品仓库发生爆炸；
P 4 E0 Re e 3 re 1
或
Re e 1 P0 R 4 Pe 0
3
式1.6

e
比热容
绪论-§1.3气体与粉尘爆炸的特点
对于气体和粉尘爆炸，烃类与空气的混合 物，其定容爆炸压力比Pe/P0≈15,典型的气体 等熵指数（比热容比）γe≈1.2,则Re/R0≈0.1,即 爆炸源半径大约为爆炸特征长度的1/10，因 此不能理想化为点源爆炸模型。 不同爆炸源的比例特征长度数量级为： ① 凝聚相炸药爆轰：Re/R0≈0.01； ② 气体或粉尘爆轰：Re/R0≈0.1； ③ 气体或粉尘爆燃：Rf/R0≈1；
绪论-§1.1爆炸灾害的基本形式和特点
5 压力容器爆炸
装有惰性气体的压力容器爆炸是一种物理爆炸，是将高压气体的潜 能转化为动能，对周围介质起破坏作用。主要原因是：结构缺陷，机 械撞击，疲劳断裂，表面腐蚀，外部有火源等等。
6 物理蒸汽爆炸
当两种不同温度的液体激烈混合，或细碎的热固体材料与很冷的液 体迅速混合，发生物理蒸汽爆炸。 炼钢，炼铝，火山 简单的估算方法是计算热流体冷却所释放的总热量。
绪论-§1.3气体与粉尘爆炸的特点
总之，气体粉尘爆炸源的爆炸总潜能，质 量比能量，体积比能量，能量密度，能量 释放率都与炸药不同，但是气体粉尘爆炸 有其特殊性，复杂性，后面章节中会继续 讨论。
（敞开：燃烧速率仅有0.5m/s，压力，常压。密闭：火焰 速度几~几十m/s，压力0.7~0.8MPa；燃烧转爆轰后，爆轰 阵面2~3km/s，1.5~2MPa）
爆炸灾害的基本形式和特点 -§1.1 绪论
1 燃料蒸汽爆炸 密闭容器中有两种极端情况 （1）纯超压爆炸。是爆燃的Leabharlann Baidu种形式。 条件：长径比L/D约为1，内部没有紧密排列的设备和隔板灯 障碍物。 效果：该封闭体只收到单纯超压破坏。 特点：压力上升速率缓慢，冲击波弱，但也能引起封闭提的 大范围破坏，属于低能量密度的爆炸源 （2）爆燃转爆轰 条件：长径比L/D>5，内部有较为密集的隔板和设备 效果：造成局部严重破坏，且离爆点较远。破坏力极强 原因：就在于密集的隔板，引起局部湍流，引起火焰面积突 然扩大，引起压力快速升高，从而使燃烧转爆轰。 特点：局部压力达到1.5MPa，产生强冲击波和高速破片
绪论-§1.3气体与粉尘爆炸的特点
爆炸特征时间tR由下式定义：
tR Re vR
其中：Re爆炸源初始半径；vR爆炸特征速 度，对于气体来说vR可以是爆燃速度也可以 是爆轰速度。
绪论-§1.3气体与粉尘爆炸的特点
由上表可以看出，同样能量的爆炸源，以不 同形式爆炸，爆炸特征参数是不同的，对周 围介质的破坏作用也不同。 对于凝聚相炸药爆轰，可以看成是一个定 容爆炸过程，爆炸源可以看作是一个瞬时的 爆炸球，球的初始能量可由下式估算：
绪论-§1.3气体与粉尘爆炸的特点
1.3.2 爆炸源的能量和能量释放率 气体、粉尘爆炸与炸药的能量释放的方式不同： 气体粉尘是由燃料与空气燃烧反应释放的，而炸 药是由炸药分子内部的氧与碳氢原子反应而放热 的。
绪论-§1.3气体与粉尘爆炸的特点
燃料空气或燃料氧混合物的体积比能量比 炸药晓得多，即能量密度较低。 气体粉尘爆炸的能量释放速率也比炸药小 的多。
绪论-§1.1爆炸灾害的基本形式和特点
2 密闭容器中可燃气体，蒸汽，粉尘与空气 和氧气混合物的爆炸 无论从爆炸的危险性，爆炸的破坏效应， 这些可燃物均要超过凝聚相含能材料。 特点：气体和粉尘爆炸是一种非点源爆 炸，爆炸的强烈程度取决于环境条件。 密闭容器中，敞开蒸汽云爆炸具有全然 不同的爆炸形式和破坏作用。
绪论-§1.2气体与粉尘燃烧爆炸的基本模式
3 爆轰：超音速传播的带有化学反应的冲击波，是气
体和粉尘爆炸的最高形式。 跨过波阵面压力和密度突越增加。 多数碳氢化合物与计量浓度的空气混合，压力 1.5MPa；速度1.8km/s，与氧气混合，3MPa量级，速度 2.5km/s。
绪论-§1.2气体与粉尘燃烧爆炸的基本模式
绪论-§1.1爆炸灾害的基本形式和特点
粉尘爆炸（续） 两种极端情况：1、低长径比的密闭体内的 定容爆炸，引起单纯的超压爆炸；2、大长 径比的结构中发生火焰加速，有可能转爆轰。 外部冲击波强，破片可以被抛射到较远的地 方。 案例：台湾新北市八仙水上乐园27日晚举办“彩虹派对”
起火，导致助燃性粉尘爆炸。染色玉米粉尘，热源：舞台 灯。
绪论
物理爆炸：爆炸过程中只发生物理状态变化 的爆炸。锅炉爆炸，雷电，地震，高速碰撞。 化学爆炸：既有物理变化，又有化学反应的 爆炸：炸药，瓦斯，粉尘。
绪论
气体与粉尘爆炸，本质上是可燃气体或可燃粉尘与空气或氧气
发生的快速氧化反应。是化学爆炸。
常见的工业灾害中，气体和粉尘爆炸是其重要形 式。 概念： 均匀相系统：分散系统全是由气体组成； 非均匀相系统：燃料以液滴或固体粒子形式存 在； 无约束分散系统：在无限大空间内的分散系统； 有约束分散系统：燃料和空气的混合物有固壁容 器的包围和限制。
绪论-§1.1爆炸灾害的基本形式和特点
§1.1爆炸灾害的基本形式和特点 1.1.1 凝聚相含能材料的爆炸 对比距离 R 定义为离爆 心距离R与炸药量的 1/3次方的比值：
R R3 w
火药，炸药均属于此类； 特点：能量密度高， 爆炸破坏的主要形式： 空气冲击波 初始压力在50MPa，其破坏的作用范围可达50倍对比 距离。 破片飞散,破片的作用范围远小于冲击波的作用范围。 凝聚相含能材料爆炸所产生的空气冲击波（爆炸波）理论 上是可以简化成一种理想点源，用相似理论或点源爆炸理 论进行计算
绪论-§1.1爆炸灾害的基本形式和特点
2 粉尘爆炸
密闭容器中粉尘爆炸：a可燃的有机或无机，金属粉 尘；b 浓度相当高，达到100g/m3，高于环保要求的 0.015g/m3，基本上是不透光的。 爆炸过程通常是在某个局部范围内发生，如果工作场所 内存在堆积层粉尘，这样的一次爆炸引起气体运动和局部 振动，使得粉尘曾成为空降物，则会产生灾难性的二次爆 炸，从而造成很大的破坏。 注意：不可用化学没火气或水龙头灭火，会搅起大片粉 尘，引起爆炸。
式1.4
其中， Ps和 I s 为爆炸波的归一化超压和归一化冲 量；而 Ps 和Is是爆炸超压和冲量；c0是爆炸源的 初始声速
绪论-§1.3气体与粉尘爆炸的特点
由于能量是假定在一个“点”释放的，所 以点源爆炸没有爆炸尺寸，爆炸波是球对称 的。 一般的把凝聚相含能材料爆炸源典型化为 点源爆炸。因为，凝聚相含能材料爆炸的特 征时间段，在爆炸过程中能量沉积（释放） 极快，源体积来不及发生明显膨胀，所以能 量释放实际上是定容条件下发生的。
气体与粉尘爆炸与炸药爆炸的最基本区别是 由爆炸源特性确定的。 爆炸源特性主要包括： 1. 爆炸元的总能量； 2. 爆炸源的尺寸和几何形状； 3. 爆炸源的能量释放率； 4. 爆炸源的能量密度。
绪论-§1.3气体与粉尘爆炸的特点
1.3.1 爆炸源特性分析 最简单的理想爆源是“点源”爆炸源，该模 型的基本点是认为能量瞬时释放，爆炸源尺 寸无限小，若爆炸源总能量为E0，大气压力 为P0，则可以用长度比例尺，or爆炸源特征 长度R0来表征爆炸源的主要特征：
台湾新北粉尘爆炸 .mp4
绪论-§1.1爆炸灾害的基本形式和特点
3 无约束蒸汽云爆炸 成因：大量可燃气体泄露到大气中，与空气混合达到极限 浓度时，遇火源即可发生爆炸。一般情况下产生一个火球 向外扩展，但是在某些约束情况下会形成破坏性爆炸波。 产生爆炸波的条件： 1 由于局部约束； 2 强冲击点火能；
于燃料的输运速度和反应速率。 例如：大多数烃类燃料与空气混合，在化学当量浓度 下，基本燃烧速率为0.5m/s，与氧气混合，高一个数量级。
绪论-§1.2气体与粉尘燃烧爆炸的基本模式
2 爆燃 是一种带有压力波的燃烧。 起因：燃烧阵面后边界有约束或障碍，燃烧产物就可以建立起一定的 压力，波阵面两侧就建立起一个压力差，该压力差or压力扰动以当地 的音速向前传播，就是压力波。 特点： 1） 压力波传播速度比燃烧阵面要快，行进在燃烧阵面前面，因此 也成为前驱压力波or前驱冲击波。因此爆燃是有前驱压力波和随后的 燃烧阵面构成。 2） 状态不稳定，可以因约束的减弱而沦为定压燃烧，也可以因后 边界的约束增强，火焰加速，直至火焰阵面追上前驱压力波阵面，而 成为一个带化学反应的冲击波，也叫爆轰波。
绪论-§1.2气体与粉尘燃烧爆炸的基本模式
四种模式： 1 定压燃烧； 2 爆燃； 3 定容爆炸； 4 爆轰。
绪论-§1.2气体与粉尘燃烧爆炸的基本模式
1 定压燃烧：无约束敞开型燃烧。 特点：燃烧压力始终保持与初始环境压力相平衡，压
力恒定；
原因：燃烧产物能及时向后排放。 特征参量：定压燃烧速率，or 基本燃烧速度。取决
根据不太成熟的经验，如果要预估无约束蒸汽云爆炸的破坏趋势， 可按爆源总能量的（燃烧完全放出的热）的0.1%~10%来估算TNT当 量。
绪论-§1.1爆炸灾害的基本形式和特点
4 沸腾液体膨胀气化爆炸 成因：液化石油气罐车，由于外部热源或邻区着火等诱
发因素，罐内液体会膨胀气化，使液罐破裂。由于液罐具 有延性，破裂的过程比较缓慢，因此罐体破片获得较大的 冲量（作用时间长），破片初速高，但爆裂产生的冲击波 较弱。油气储罐爆炸强度取决于页面上方空间自由蒸汽的 体积和浓度。因此，空罐往往是最危险的状态，蒸汽空间 体积接近最大。
燃烧与爆炸测试基础
——王永强 wang_yq@bit.edu.cn
课程简介
课程主要讲述气体与粉尘爆炸的基本现 象，基本理论和基本试验测试方法； 主要教材： 1、气体与粉尘爆炸原理 ——赵衡阳，北京理工大学出版社 2、爆炸与冲击电测技术 ——黄正平，国防工业出版社 3、其他文献：主要是近些年关于温度 测试方面的新技术的学位论文。