第四讲 燃气的爆炸效应分析

11第四讲燃气的爆炸效应分析爆炸效应4.1爆炸效应的分类爆炸是一种极为迅速的物理或化学的能量释放过程。一旦失控，发生爆炸事故，就会产生巨大的破坏作用。1.直接破坏2.冲击波破坏3.火灾4.中毒5.环境污染2爆炸效应4.1.1爆炸的直接破坏机械设备、装置、容器等爆炸后产生许多碎片，飞出后会在相当大的范围内造成危害。一般碎片在100～500米内飞散。3爆炸效应4.1.2爆炸的冲击波效应爆炸时，产生的高温高压气体以极高的速度膨胀，象活塞一样挤压周围空气，把爆炸反应释放出的部分能量传递给压缩的空气层，空气受冲击而发生扰动，使其压力、密度等产生突变，这种扰动在空气中传播就称为冲击波。4爆炸效应4.1.2爆炸的冲击波效应2011年11月14日晨，西安市科创路一家餐饮店发生爆炸，强烈的冲击波将餐饮店所在的商业大厦一层炸毁，并波及路人。事故造成9人死亡，34人住院治疗。初步判定爆炸原因为液化气罐泄漏。5爆炸效应4.1.2爆炸的冲击波效应冲击波的传播速度极快，在传播过程中，可以对周围环境中的机械设备和建筑物产生破坏作用和使人员伤亡。所有的爆炸都伴有冲击波，冲击波总是在物质膨胀速度变得大于局域声速（340米/秒）时发生。冲击波还可以在它的作用区域内产生震荡作用，使物体因震荡而松散，甚至破坏。6爆炸效应4.1.2爆炸的冲击波效应冲击波的破坏作用主要是由其波阵面上的超压引起的。在爆炸中心附近，空气冲击波波阵面上的超压可达几个甚至十几个大气压（1个大气压=100KPa=1kgf/cm2）“煤气罐”是钢制的移动式压力容器，具有爆炸危险，它的壁厚仅2.5mm左右（新钢瓶出厂标定壁厚），非常簿，它时刻都承受着来自内部介质产生的压力，正常使用时内部压力0.5～1.2MPa(合5～12kgf/cm2)，整个横截面要承受1000公斤左右的拉力。7爆炸效应4.1.2爆炸的冲击波效应冲击波大面积作用于建筑物时波阵面超压在20kPa～30kPa内可使大部分砖木结构建筑物受到强烈破坏波阵面超压在100kPa以上时除坚固的钢筋混凝土建筑外，其余部分将全部破坏注：建筑结构混凝土、砌体、钢结构、轻型钢、木结构8爆炸效应4.1.3造成火灾爆炸后，爆炸气体扩散只发生在极其短促的瞬间内对一般可燃物来说，不足以造成起火燃烧，而且冲击波造成的爆炸风还有灭火作用爆炸后，高温高压使建筑物内遗留大量的热或残余火苗会把可燃气体、易燃或可燃液体的蒸气点燃，也可能把其它易燃物点燃引起火灾。这种情况在油罐、液化气瓶爆破后最易发生9爆炸效应4.1.4中毒在密闭居室中使用燃气取暖、做饭，由于通风不良，供氧不充分，可产生大量一氧化碳积蓄在室内城区居民使用管道煤气，其一氧化碳量为25%～30%。如果管道漏气、开关不紧，或烧煮中火焰被扑灭后，煤气大量溢出，可造成中毒使用燃气热水器，通风不良，洗浴时间过长

10爆炸效应4.1.5环境污染开采造成地面塌陷，植被破坏煤、天然气、石油燃烧都有CO2产生，导致温室效应天然气不完全燃烧会生成CO，甲烷本身也是大气污染源，它造成温室效应的能力是CO2的十几倍，天然气内也有少量H2S等杂质，污染空气煤含有S，石油含有S、N，燃烧后均可以导致酸雨11爆炸效应12作业场所化学品安全标签危险性分级爆轰波4.2爆轰波detonationwave以超声速运动的激波，又称为冲击波，带有化学反应的冲击波，称为爆轰波。即：冲击波+化学反应=爆轰波13爆轰波4.2爆轰波detonationwave19世纪80年代初，法国物理学家M.贝特洛、P.维埃耶、E.马拉尔和H.-L.勒夏忒列等做过火焰传播实验。他们将一个充满可燃气体混合物的管子一端点燃，发现火焰通常以每秒数厘米到数米的低速传播，但是在某些特殊情况下，这种缓慢的燃烧过程能够转变为高速的特殊燃烧过程，他们称这种现象为爆轰。14爆轰波15爆轰形成过程示意图（a）正常火焰传播O—O前面形成一系列压缩波d—d，d′—d′，d″—d″……（b）正常火焰传播O—O前方爆轰波U—U已形成，并使未燃混合气着火；（c）正常火焰传播与爆轰波引起的燃烧合二为一爆轰波爆轰形成条件

1．初始正常火焰传播能形成压缩扰动2．管子要足够长或自由空间的预混气体积要足够大爆轰前期间距：正常火焰峰与爆轰形成位置之间的距离称爆轰前期间距。对于光滑的管子，该爆轰前期间距为管径的数十倍。对于表面粗糙的管子，爆轰前期间距为管径的2～4倍。3．可燃气浓度要处于爆轰极限范围内爆轰极限范围一般比爆炸极限范围要窄4．管子直径大于爆轰临界直径管子能形成爆轰的最小直径称爆轰临界直径，约为12～15mm。16爆轰波17爆轰极限与爆炸极限的比较可燃气体爆炸极限（体积％）爆轰极限（体积％）下限下限上限下限氢—空气4.075.618.359.0氢—氧4.793.915.090.0一氧化碳—氧15.794.038.090.0氨—氧13.579.025.475.0乙炔—空气1.582.04.250.0乙炔—氧2.5

3.592.0丙烷—氧2.355.03.237.0乙醚—空气1.736.02.84.5乙醚—氧2.182.02.624.0爆轰波4.2.1爆轰波的结构爆轰波的结构是爆轰研究的主要问题。D.L.查普曼于1899年、E.儒盖于1905年分别提出最简单的爆轰波结构理论，后称为C-J理论。20世纪40年代，Я.Б.泽利多维奇、J.von诺伊曼和W.杜林各自独立地建立起了爆轰波内部结构的模型，后称为ZND模型。18爆轰波4.2.1爆轰波的结构C－J理论它把爆轰波简化为一个冲击压缩间断面，其上的化学反应瞬时完成，在间断面两侧的初态、终态各参量可以用质量、动量和能量三个守恒定律联系起来，经变换：19e＝e(p，v)爆轰波4.2.1爆轰波的结构C－J理论式中p为压强，v为比容，e为比内能，u为质点速度，D为爆轰波传播速度，下标"0"表示初态。第二式在p-v平面内为一直线，通常称为瑞利线；第三式称为许贡纽方程，它是p-v平面内的一条曲线，称为许贡纽线。一切同初态（p0，v0）满足守恒的状态点都在这条线上。20爆轰波4.2.1爆轰波的结构C－J理论四个方程中共有五个未知量，要单值确定爆轰参量，还须找出第五个方程。为此，查普曼和儒盖提出了著名的假设（称为C-J假设或C-J条件）：稳定爆轰产物的状态对应于许贡纽线和瑞利线的切点J，即C-J点（图1），该点的爆速DJ是极小值，可以证明，在J点有下面关系：21DJ＝uJ＋cJ式中c为声速，下标“J”表示J点的值。图1曲线的BA段对应于爆轰过程，AE段不对应于任何实际过程，EF段对应于爆燃过程。爆轰波4.2.1爆轰波的结构C－J理论对实际爆轰系统应用C-J理论进行计算，一般都能得到同实验爆速值相近的结果，这表明C-J理论基本正确。但是，对气相爆轰进行精密测量得到的爆轰压强和密度值，比用C-J理论得到的值约低10％～15％，对爆轰产物实测得到的马赫数比计算的C-J值约高10％～15％。这表明C-J理论是一种近似理论。22爆轰波23C-J理论C-J假定爆轰波能够定常传播的约束条件---C-J条件：

D－u1=C1，其中C1为1区的声速。①

流动是理想的、一维的，不考虑介质的粘性、扩散、传热以及流动的湍流等性质。②

爆轰波阵面是平面，其阵面的厚度可忽略不计，它只是压力、质点速度、温度等参数发生突跃变化的强间断面。③

在波阵面内的化学反应瞬间完成的，其反应速率为无限大，且反应速率为无限大，且反应产物处于热力学平衡状态。④

爆轰波阵面的参数是定常的。可求解爆轰参数：P1、ρ1

、e1

、u1

、D爆轰波4.2.1爆轰波的结构ZND模型爆轰波具有双层结构：前面一层是以超声速推进的激波，紧跟在后面的一层是化学反应区。激波仍作为一个强间断面，爆轰物质被瞬时地压缩到高温高密度状态，接着开始化学反应，直到反应区末端达到C-J状态，在反应区内忽略粘性和热传导的影响。除初始物质、爆轰产物和它们的混合物的状态方程外，还必须建立反应速率方程：24式中ξ为化学反应程度变量，称反应进度；t为时间；λ为反应速率，它是压强p、温度T和ξ的函数。在ZND模型中，ξ=0对应于反应区的初态，即激波后的状态；ξ=1对应于反应区的终态。爆轰波25ZND模型的物理图像PxP0P1（PN)PC-J(PM)爆轰产物炸药反应区x0η=1,曲线2A(P0,V0)MNKLPVN1P1=2PC-Jη=0,曲线1爆轰波4.2.1爆轰波的结构20世纪20年代，C.坎贝尔和D.W.伍德黑德在研究气体混合物的爆轰特性时，首先观察到爆轰波中有周期性扰动存在。近20年的大量实验研究发现，气体爆轰波阵面都具有复杂的三维结构。在扁平管中，可以观察到在烟碳层平面上具有很规则的胞格结构。在扩展的球形爆轰中也观察到类似的结构。实验表明，除了沿爆轰波传播方向前进的波外，还有横向的弱激波在作周期性的脉动。图3为爆轰波阵面结构。根据迄今为止的大量的实验研究结果可以设想，爆轰波一般具有不定常、非平面和多波头的胞格结构。C-J状态只是一个宏观热力学的平均状态，它是大量微观或准微观状态的综合表现。26爆轰波27爆轰波4.2.2爆轰波的速度燃烧时火焰传播速度在10-4～10m/s的量级，小于燃烧物料中的声速；而爆轰波传播速度则在103～104m/s的量级，大于物料中的声速。化学计量的甲烷、氧混合物在常压下的燃烧速度为10m/s，而爆轰速度则约为2820m/s。计算：C-J点28爆轰波29爆轰波30爆轰波4.2.2爆轰波的速度爆轰测试常用的仪器有高速照相机、X射线闪光照相机、高分辨的时间测定仪和脉冲示波器等。目前已有：①画幅频率达2×107幅／秒、扫描速度为20～60毫米／微秒、象质分辨率达25线／毫米的转镜式高速照相机;②电压高达3～6兆伏、闪光时间为20纳秒的X射线闪光照相机；③时间分辨率为纳秒的多通道时间测定仪；④可以测量10～30吉帕动态压力、频率响应为1兆赫以上的动态测量元件。此外，激光干涉测速、激光全息技术和脉冲激光光谱技术等也已逐渐应用于爆轰的测试工作。31爆轰波

某些可燃混气爆轰波波速实测结果2209C2H4+3O22363C2H6+3.5O21880CH4+1.5O2+2.5N22146CH4+2O212642CO+O228212H2+O2U0（m/s）混合物可燃混合气体的爆炸效应4.3可燃混合气体的爆炸效应宏观表现：对周围物体的直接破坏作用强弱：取决于爆炸后产生的冲击波压力后面的压缩波的波速都将比前面的压缩波的传播速度快，不难想象，经过一段时间后，这些压缩波将会叠加在一起，波的能量也将迅速增大，即形成所谓的“激波”。激波前后气体的参数（压力、温度、密度等）发生了显著的变化。33OOBBAA可燃混合气体的爆炸效应4.3.1爆轰冲击波压力——立方根法则在计算距爆炸中心某处的冲击波压力时，引入了等效距离由此可以计算出距离爆炸中心产生的冲击波压力34可燃混合气体的爆炸效应4.3.1爆轰冲击波压力——立方根法