5爆轟理論(下)教程課件

1、5.3 爆轟波基本知識(shí) （氣體爆轟入手） 理論基礎(chǔ)：氣體動(dòng)力學(xué)原理 爆轟波是帶有化學(xué)反應(yīng)的沖擊波，爆轟過(guò)程即是爆轟波的傳播過(guò)程。（經(jīng)典理論: chapmam &Jouguet 1819世紀(jì)提出）(chapmam &Jouguet卡普曼- 柔格（儒格）)幾點(diǎn)假設(shè)： 爆轟波為無(wú)限寬的準(zhǔn)平面波，厚度忽略突躍間斷面 爆轟波傳播過(guò)程沒(méi)有能量耗散過(guò)程，不考慮粘性，傳熱等能量損失。 化學(xué)反應(yīng)瞬間完成，釋放出來(lái)的能量全部用來(lái)支持爆轟波的自行傳播 爆轟波即是含有化學(xué)反應(yīng)能量支持的沖擊波，爆轟波具有穩(wěn)定的傳播特性，直到反應(yīng)結(jié)束。一、爆轟波C-J理論 三大定律 質(zhì)量守恒（物質(zhì)不滅） 5-28 動(dòng)量守恒（動(dòng)量的變化等

2、于外力作用的沖量） 5-28二、爆轟波C-J方程（基本關(guān)系式） 能量守恒（內(nèi)能的變化等于對(duì)外所作的功） 5-30 化簡(jiǎn) （5-34）還可推導(dǎo)出（基本關(guān)系式） 爆轟波米海爾遜直線(xiàn)（波速線(xiàn)） 爆轟波雨果尼奧曲線(xiàn)QV單位質(zhì)量，單位時(shí)間，單位面積的爆轟熱 氣體爆轟波穩(wěn)定傳播條件（理論研發(fā)的結(jié)果）（1）卡普曼提出：對(duì)應(yīng)于所有實(shí)際爆轟可能穩(wěn)定傳播的爆轟波速度為最小的速度。即為爆轟產(chǎn)物所處的狀態(tài)是雨果尼奧曲線(xiàn)與米海遜直線(xiàn)相切點(diǎn)所確定的狀態(tài)。（2）柔格提出：爆轟波相對(duì)于爆轟產(chǎn)物的傳播速度等于爆轟產(chǎn)物中的音速即 或三、C-J條件（1）雨果尼奧曲線(xiàn) 對(duì)于反應(yīng)區(qū)中，放出的化學(xué)能QV只是一部分，若為未反應(yīng)物質(zhì)量百分比

3、，則能量方程可寫(xiě)成可變換為在P-V圖中雨果尼奧曲線(xiàn)，隨（未反應(yīng)物質(zhì)質(zhì)量百分比減少）曲線(xiàn)位置高移。四、P-V圖（2）米海爾遜直線(xiàn)由波速方程（米海爾遜方程）變換得由此可看出，直線(xiàn)的斜率與波VD有關(guān)可得一族經(jīng)過(guò)初好狀態(tài)（P0、V0）的直線(xiàn)D1線(xiàn) VD1D2線(xiàn) VD2 VD1VD2PCJ M點(diǎn)稱(chēng)為爆轟C-J點(diǎn) MB段斜率較小稱(chēng)弱爆轟段 CM段斜率較大稱(chēng)強(qiáng)爆轟段 BD段無(wú)意2段PP0 V2V0，此時(shí)VD為虛數(shù)，不代表任何實(shí)際過(guò)程。 CM段 P2P0 V20） VD，u2均大于0 與爆轟波傳播特點(diǎn)相同MB段即質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向與波傳播方向相反，符合燃燒過(guò)程的特征。稱(chēng)燃燒段。 E點(diǎn)稱(chēng)為燃燒 C-J點(diǎn) VVCJ 稱(chēng)

4、強(qiáng)燃燒段 B點(diǎn) V2=V0 ；VD定容絕熱爆炸 D點(diǎn) P2=P0 ；VD u0=0表示無(wú)限緩慢的燃燒五個(gè)線(xiàn)段（CM、MB、BD、DE、EF）和四個(gè)點(diǎn)（M、E、B、D）的意義要搞清楚。 DE段 EF段燃燒段 P2V0（P20 u2VD強(qiáng)爆轟段，爆轟波后的膨脹波能趕上爆轟波進(jìn)入反應(yīng)區(qū)。削弱前沿沖擊波，引起爆轟速度的降低，波速線(xiàn)斜率減少，直到M點(diǎn)。LM段u+cC0。爆轟波相對(duì)于波后質(zhì)點(diǎn)的速度，在強(qiáng)爆轟時(shí)為亞音速，即VDu2C2。 6.爆轟波曲線(xiàn)高于沖擊波絕熱曲線(xiàn) 五、C-J點(diǎn)的重要性質(zhì)例證4 由波速方程 由質(zhì)量守恒方程： 利用C-J點(diǎn)的性質(zhì) 或證明六、氣體炸藥爆轟參數(shù)計(jì)算（ ）八個(gè)參數(shù)前提： 1.

5、假定爆轟波通過(guò)前后，介質(zhì)服從理想氣體狀態(tài)方程。 2. 爆炸物與產(chǎn)物的多方指數(shù)相當(dāng)。 基本方程組，理想氣體爆轟計(jì)算，爆熱爆速的計(jì)算氣體爆轟參數(shù)簡(jiǎn)化計(jì)算公式 ， 理論爆炸溫度，由熱化學(xué)計(jì)算 M爆轟產(chǎn)物平均相對(duì)分子量 例1 P99 甲烷與空氣混合物爆轟參數(shù)計(jì)算Z-N-D模型： Z捷爾道維奇Zeldovich（蘇） N馮諾曼Von Neuman（美） DW杜林 W Doring（德）（1）問(wèn)題提出 C-J理論的爆轟參數(shù)關(guān)系式與該聚炸藥實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定偏差C-J理論簡(jiǎn)化可能過(guò)多，爆轟波畢竟存在一個(gè)有一定寬度的化學(xué)反應(yīng)區(qū)，化學(xué)反應(yīng)亦不是瞬間完成的。七、凝聚炸藥的爆轟過(guò)程（2） Z-N-D 模型的基本假定 1

6、）流動(dòng)是一維的 （ii）爆轟波的前沿是一個(gè)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的沖擊波，沖擊波為跳躍間斷，波后是一連續(xù)的不可逆的以有限速率進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)區(qū)。 （iii）在化學(xué)反應(yīng)區(qū)內(nèi)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)卻處于局部、迅速、部分的熱動(dòng)力平衡，只是尚未達(dá)到化學(xué)平衡。 核心：存在一個(gè)反應(yīng)區(qū) 表示：爆轟波=沖擊波陣面+化學(xué)反應(yīng)區(qū) 沖擊波陣面炸藥的參數(shù)突躍，無(wú)化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)區(qū)中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，壓力爆炸產(chǎn)物的膨脹為止（化學(xué)反應(yīng)區(qū)的初態(tài)就是沖擊波波的狀態(tài)11面）終態(tài)就是爆轟結(jié)果的狀態(tài)2-2面對(duì)于穩(wěn)定爆轟，即對(duì)應(yīng)于C-J點(diǎn)狀態(tài)，即vD=u2+C2實(shí)驗(yàn)證明反應(yīng)區(qū)寬度為mm數(shù)量級(jí) ；化學(xué)反應(yīng)時(shí)間10-610-8 （P105表）2 反應(yīng)區(qū)內(nèi)的基本方程組

7、 三個(gè)守恒方程 化學(xué)反應(yīng)分?jǐn)?shù) 為l個(gè)反應(yīng)率方程 ri為第j個(gè)化學(xué)反應(yīng)分?jǐn)?shù) 所對(duì)差（j=1,2,l）的反應(yīng)速率方程給定一組反應(yīng)速率 就可確定一個(gè)反應(yīng)分?jǐn)?shù)在p-V圖上，可畫(huà)出一條雨果尼奧曲線(xiàn)。 =0，對(duì)應(yīng)沖擊波波雨果尼奧曲線(xiàn) =1，對(duì)應(yīng)完全反應(yīng)雨果尼奧曲線(xiàn) =01，對(duì)應(yīng)中間凍結(jié)態(tài)雨果尼奧曲線(xiàn) 例：某反應(yīng)速率方程可以導(dǎo)出反應(yīng)區(qū)參數(shù)的時(shí)空參數(shù)。 按照炸藥的化學(xué)組成結(jié)構(gòu)以及裝藥的物理狀態(tài)上的差異，凝聚炸藥的爆轟反應(yīng)機(jī)理，分3種類(lèi)型：整體反應(yīng)機(jī)理，表面反應(yīng)機(jī)理和混合反應(yīng)機(jī)理。5.4 凝聚炸藥爆轟反應(yīng)機(jī)理（1）整體反應(yīng)機(jī)理（均勻灼熱機(jī)理） 在強(qiáng)烈沖擊波的作用下，波陣面上的炸藥受到強(qiáng)烈的絕熱壓縮，受壓縮的炸藥

8、層各處都均勻地升到很高的溫度，因而化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)區(qū)的整個(gè)體積內(nèi)進(jìn)行（較難起爆）。 這類(lèi)反應(yīng)的炸藥一般是均質(zhì)炸藥，即炸藥裝藥是任何一體積內(nèi)其成分和密度都是相同的，不含氣泡的液體炸藥；接近晶體密度（致密）的固體炸藥（如鑄裝炸藥或壓裝密度很高的粉狀炸藥）。 爆速6000ms-1，波陣面溫度1000才能激起凝聚炸藥的整體反應(yīng)。 具有熱爆炸的特點(diǎn)，（以后起爆機(jī)理介紹） （2）表面反應(yīng)機(jī)理（不均勻灼熱機(jī)理） 在沖擊波作用下，波陣面上的炸藥受到強(qiáng)烈地壓縮，但在被壓縮的炸藥層中溫度的升高是不均勻的，化學(xué)反應(yīng)首先從被稱(chēng)為“起爆中心或熱點(diǎn)”的地點(diǎn)開(kāi)始，進(jìn)而傳到整個(gè)炸藥層，由于起爆中心容易在炸藥顆粒表面以及炸藥中所

9、含有的氣泡中，因而這種反應(yīng)機(jī)理稱(chēng)表面反應(yīng)機(jī)理。 這類(lèi)反應(yīng)多發(fā)生在固體粉狀炸藥，晶體炸藥，含有大量氣泡的液體炸藥和膠質(zhì)炸藥。 炸藥中含有微少氣泡，受到?jīng)_擊絕熱壓縮。 炸藥質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度不同而產(chǎn)生的摩擦或變形。 炸藥氣體產(chǎn)物的滲透使炸藥的顆粒表面加熱。 炸藥晶體在切面剪應(yīng)力作用下發(fā)生表面局部缺陷的湮沒(méi)而成形熱點(diǎn)。 由于沖擊波在炸藥中產(chǎn)生的流體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，如射流作用，正規(guī)碰撞，馬赫碰撞，空穴崩解。 在沖擊波作用下炸藥發(fā)生層裂，相變和相互碰撞形成熱點(diǎn)。 “起爆中心”有以下主要形成途徑：（3）混合反應(yīng)機(jī)理熱分解-氣相反應(yīng) 這是物質(zhì)不均勻混合炸藥，尤其是固體混合炸藥（氧化劑+可燃劑）所特有的。 首先易分解

10、的成分在沖擊壓縮作用下發(fā)生分解生成氣體，然后再和其他未反應(yīng)的成分相互作用完成爆轟反應(yīng)，或者各組分以各自不同的速度，單獨(dú)進(jìn)行分解，然后分解的氣體產(chǎn)物之間相互作用完成反應(yīng)。 同氣體炸藥爆轟參數(shù)計(jì)算 I方程組 或 狀態(tài)方程不同5.5凝聚炸藥爆轟參數(shù)計(jì)算 阿爾系余容狀態(tài)方程式（考慮分子自身的體積） 氣體模型 或 P109式（553） 余容內(nèi)彈道理論采用。（1）幾種產(chǎn)物狀態(tài)方程 泰勒-維里型展開(kāi)式（維里狀態(tài)方程式） 氣體模型或（555） B-K-W狀態(tài)方程式 氣體模型（558） 蘭道-斯達(dá)紐柯維奇方程式（考慮分子熱運(yùn)動(dòng)與振動(dòng)）固體模型（559） L-T-D方程 液體模型（566）計(jì)算過(guò)程非常復(fù)雜，一般需

11、計(jì)算機(jī)計(jì)算。 （根據(jù)C-J條件）利用P-V圖。 （略）(2）理論計(jì)算（工程上常用） （已知 ） 狀態(tài)方程采用等熵方程 絕熱指數(shù) 確定絕熱指數(shù) 產(chǎn)物中之成分的mol分?jǐn)?shù) 產(chǎn)物中之成分的多方指數(shù)（3）近似計(jì)算常見(jiàn)產(chǎn)物的絕熱指數(shù) 爆轟參數(shù)（ ）可計(jì)算 例1 P116（1）炸藥的性質(zhì)與組成（反應(yīng)機(jī)理理解） 不同炸藥爆轟速度不同 混合炸藥 2000-4000ms-1 單質(zhì)猛炸藥 4000-7000ms-1 （2）裝藥藥條件 直徑，膨脹波 密度 外殼 顆粒度 （3）起爆沖量 曲線(xiàn)1低于臨界爆速不能引發(fā) 炸藥所加速化學(xué)反應(yīng)衰減音波。 曲線(xiàn)2，3高于臨界爆速 曲線(xiàn)4，5高于穩(wěn)定爆速 衰減穩(wěn)定爆轟 高于臨界爆速 衰減音波 5.6 凝聚炸藥起爆與傳播影響因素引爆爆轟的兩個(gè)必要條件： 起爆沖擊波速度要高于被起爆裝藥的臨界爆速（主裝藥有關(guān)） 化學(xué)反應(yīng)中所釋放的能量能支持爆轟波陣面的傳播能量損失，使其保持一定的沖擊壓力（被裝藥有關(guān)） P133135 5.7 高速爆轟與低速爆轟現(xiàn)象高速爆轟與低速爆轟現(xiàn)象低速爆轟向高速爆轟轉(zhuǎn)化5.8 爆轟波參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定1 爆速測(cè)定（p117120)（1）比較法導(dǎo)爆索法（