1、5.3 爆轰波基本知识 （气体爆轰入手） 理论基础：气体动力学原理 爆轰波是带有化学反应的冲击波，爆轰过程即是爆轰波的传播过程。（经典理论: chapmam &Jouguet 1819世纪提出）(chapmam &Jouguet卡普曼- 柔格（儒格）)几点假设： 爆轰波为无限宽的准平面波，厚度忽略突跃间断面 爆轰波传播过程没有能量耗散过程，不考虑粘性，传热等能量损失。 化学反应瞬间完成，释放出来的能量全部用来支持爆轰波的自行传播 爆轰波即是含有化学反应能量支持的冲击波，爆轰波具有稳定的传播特性，直到反应结束。一、爆轰波C-J理论 三大定律 质量守恒（物质不灭） 5-28 动量守恒（动量的变化等
2、于外力作用的冲量） 5-28)(220uDDDDupp002二、爆轰波C-J方程（基本关系式） 能量守恒（内能的变化等于对外所作的功） 5-30 化简 （5-34）)(2)()()2(22022222200uppuQeueDDDvDDDvQvvppee)(21200202还可推导出（基本关系式） 爆轰波米海尔逊直线（波速线） 爆轰波雨果尼奥曲线QV单位质量，单位时间，单位面积的爆轰热 20020vvppvD)(20022vvppuvQvvppee)(21200202气体爆轰波稳定传播条件（理论研发的结果）（1）卡普曼提出：对应于所有实际爆轰可能稳定传播的爆轰波速度为最小的速度。即为爆轰产物所处
3、的状态是雨果尼奥曲线与米海逊直线相切点所确定的状态。（2）柔格提出：爆轰波相对于爆轰产物的传播速度等于爆轰产物中的音速即 或直线曲线)()(2002minvvppdvdp22cuD22cuD三、C-J条件（1）雨果尼奥曲线 对于反应区中，放出的化学能QV只是一部分，若为未反应物质量百分比，则能量方程可写成可变换为在P-V图中雨果尼奥曲线，随（未反应物质质量百分比减少）曲线位置高移。2020021()()(1)2veeppvvQ1kpve20202020(1)(1)2(1)(1)(1)(1)(1)(1)vpkvkvkQpkvkvkvkv四、P-V图（2）米海尔逊直线由波速方程（米海尔逊方程）变换
4、得由此可看出，直线的斜率与波VD有关可得一族经过初好状态（P0、V0）的直线D1线 VD1D2线 VD2 VD1VD2PCJ M点称为爆轰C-J点 MB段斜率较小称弱爆轰段 CM段斜率较大称强爆轰段 BD段无意2段PP0 V2V0，此时VD为虚数，不代表任何实际过程。 CM段 P2P0 V20） VD，u2均大于0 与爆轰波传播特点相同MB段即质点运动方向与波传播方向相反，符合燃烧过程的特征。称燃烧段。 E点称为燃烧 C-J点 VVCJ 称强燃烧段 B点 V2=V0 ；VD定容绝热爆炸 D点 P2=P0 ；VD u0=0表示无限缓慢的燃烧五个线段（CM、MB、BD、DE、EF）和四个点（M、E
5、、B、D）的意义要搞清楚。 DE段 EF段燃烧段 P2V0（P20 u2VD强爆轰段，爆轰波后的膨胀波能赶上爆轰波进入反应区。削弱前沿冲击波，引起爆轰速度的降低，波速线斜率减少，直到M点。LM段u+cC0。爆轰波相对于波后质点的速度，在强爆轰时为亚音速，即VDu2C2。 MSMHdvdpdvdpvvpp.2002)()(min0)(HHuHuSSdvdsmax.0)(MMMSSdvds 6.爆轰波曲线高于冲击波绝热曲线 五、C-J点的重要性质例证4 由波速方程 由质量守恒方程： 利用C-J点的性质 2202022002)(DDvvvvvpp)(220uvvDD2222220)(uvvDDSdv
6、dpvvpp)(20022222222)(cuvD22cuvD22cuvD或证明六、气体炸药爆轰参数计算（ ）八个参数2222222,Dp u c V T e前提： 1. 假定爆轰波通过前后，介质服从理想气体状态方程。 2. 爆炸物与产物的多方指数相当。 基本方程组，理想气体爆轰计算，爆热爆速的计算气体爆轰参数简化计算公式 222222(,)vDQp u c V T222222(,)Dp u c V T ， 理论爆炸温度，由热化学计算 M爆轰产物平均相对分子量 2283101) 1( 2kTMkkQkDiiinMnMCvCpkdTkkT122dTdT021kk 22011Dpk Dku112D
7、kkC12RkkTppTD22010022) 1( 例1 P99 甲烷与空气混合物爆轰参数计算Z-N-D模型： Z捷尔道维奇Zeldovich（苏） N冯诺曼Von Neuman（美） DW杜林 W Doring（德）（1）问题提出 C-J理论的爆轰参数关系式与该聚炸药实验结果有一定偏差C-J理论简化可能过多，爆轰波毕竟存在一个有一定宽度的化学反应区，化学反应亦不是瞬间完成的。七、凝聚炸药的爆轰过程（2） Z-N-D 模型的基本假定 1）流动是一维的 （ii）爆轰波的前沿是一个无化学反应的冲击波，冲击波为跳跃间断，波后是一连续的不可逆的以有限速率进行的化学反应区。 （iii）在化学反应区内，介
8、质质点却处于局部、迅速、部分的热动力平衡，只是尚未达到化学平衡。 核心：存在一个反应区 表示：爆轰波=冲击波阵面+化学反应区 冲击波阵面炸药的参数突跃，无化学反应化学反应区中进行化学反应，压力爆炸产物的膨胀为止（化学反应区的初态就是冲击波波的状态11面）终态就是爆轰结果的状态2-2面对于稳定爆轰，即对应于C-J点状态，即vD=u2+C2实验证明反应区宽度为mm数量级 ；化学反应时间10-610-8 （P105表）2 反应区内的基本方程组 三个守恒方程)()(00uuDD)(0000uuuppD2)(),(2)(),(2000002uvpoveupvvpeDD 化学反应分数 为l个反应率方程 r
9、i为第j个化学反应分数 所对差（j=1,2,l）的反应速率方程给定一组反应速率 就可确定一个反应分数),(21l),(vprdtjdjjudtdD),(vpTT jr在p-V图上，可画出一条雨果尼奥曲线。 =0，对应冲击波波雨果尼奥曲线 =1，对应完全反应雨果尼奥曲线 =01，对应中间冻结态雨果尼奥曲线 例：某反应速率方程0,012时当trdtdvQkpve1可以导出反应区参数的时空参数。2)1 (1t)11 (1)11 (100ktkkvkkkvvv1)2(120tkpD)(10tkvvuDDD)1(1tkkdtdxDxtDdttkkdxx00)1(12) 1(12ttkkD 按照炸药的化学
10、组成结构以及装药的物理状态上的差异，凝聚炸药的爆轰反应机理，分3种类型：整体反应机理，表面反应机理和混合反应机理。5.4 凝聚炸药爆轰反应机理（1）整体反应机理（均匀灼热机理） 在强烈冲击波的作用下，波阵面上的炸药受到强烈的绝热压缩，受压缩的炸药层各处都均匀地升到很高的温度，因而化学反应在反应区的整个体积内进行（较难起爆）。 这类反应的炸药一般是均质炸药，即炸药装药是任何一体积内其成分和密度都是相同的，不含气泡的液体炸药；接近晶体密度（致密）的固体炸药（如铸装炸药或压装密度很高的粉状炸药）。 爆速6000ms-1，波阵面温度1000才能激起凝聚炸药的整体反应。 具有热爆炸的特点，（以后起爆机理
11、介绍） （2）表面反应机理（不均匀灼热机理） 在冲击波作用下，波阵面上的炸药受到强烈地压缩，但在被压缩的炸药层中温度的升高是不均匀的，化学反应首先从被称为“起爆中心或热点”的地点开始，进而传到整个炸药层，由于起爆中心容易在炸药颗粒表面以及炸药中所含有的气泡中，因而这种反应机理称表面反应机理。 这类反应多发生在固体粉状炸药，晶体炸药，含有大量气泡的液体炸药和胶质炸药。 炸药中含有微少气泡，受到冲击绝热压缩。 炸药质点的运动速度不同而产生的摩擦或变形。 炸药气体产物的渗透使炸药的颗粒表面加热。 炸药晶体在切面剪应力作用下发生表面局部缺陷的湮没而成形热点。 由于冲击波在炸药中产生的流体动力学现象，如
12、射流作用，正规碰撞，马赫碰撞，空穴崩解。 在冲击波作用下炸药发生层裂，相变和相互碰撞形成热点。 “起爆中心”有以下主要形成途径：（3）混合反应机理热分解-气相反应 这是物质不均匀混合炸药，尤其是固体混合炸药（氧化剂+可燃剂）所特有的。 首先易分解的成分在冲击压缩作用下发生分解生成气体，然后再和其他未反应的成分相互作用完成爆轰反应，或者各组分以各自不同的速度，单独进行分解，然后分解的气体产物之间相互作用完成反应。 同气体炸药爆轰参数计算 I方程组 或 状态方程不同200200vvppv2002202)(vvppvvuvQvvppee)(2120020222cuDSMvpvvpp.2001)(),
13、(TPP5.5凝聚炸药爆轰参数计算 阿尔系余容状态方程式（考虑分子自身的体积） 气体模型 或 P109式（553） 余容内弹道理论采用。nRTV)()1/(TnP（1）几种产物状态方程 泰勒-维里型展开式（维里状态方程式） 气体模型)193. 0287. 0625. 01 (443322vbvbvbvbnRTPV)193. 0287. 0625. 01 (443222bbbbnRTP或（555） B-K-W状态方程式 气体模型(1)xPVnRTxe()iiXKx K v T（558） 兰道-斯达纽柯维奇方程式（考虑分子热运动与振动）固体模型)()(vfvPmrBVAVv)(vbvf)(TvbA
14、Vpr（559） L-T-D方程 21/32/32()0.7816()N dpVNbVRTV液体模型（566）计算过程非常复杂，一般需计算机计算。 （根据C-J条件）利用P-V图。 （略）(2）理论计算（工程上常用） （已知 ） 状态方程采用等熵方程 绝热指数 确定绝热指数 产物中之成分的mol分数 产物中之成分的多方指数0,DrrAvAprriirXr1iXir（3）近似计算常见产物的绝热指数 9 . 12OHr45. 22Or5 . 42COr7 . 32Nr3 r85. 2COr35. 3Cr22(1)DvQ021rr 12v20211DvrpDru112DrrC12MvvPT)20.
15、0(108 . 422292DTcuPv,222222 爆轰参数（ ）可计算 例1 P116（1）炸药的性质与组成（反应机理理解） 不同炸药爆轰速度不同 混合炸药 2000-4000ms-1 单质猛炸药 4000-7000ms-1 （2）装药药条件 直径，膨胀波 密度 外壳 颗粒度 （3）起爆冲量 曲线1低于临界爆速不能引发 炸药所加速化学反应衰减音波。 曲线2，3高于临界爆速 曲线4，5高于稳定爆速 衰减稳定爆轰 高于临界爆速 衰减音波 5.6 凝聚炸药起爆与传播影响因素引爆爆轰的两个必要条件： 起爆冲击波速度要高于被起爆装药的临界爆速（主装药有关） 化学反应中所释放的能量能支持爆轰波阵面的
16、传播能量损失，使其保持一定的冲击压力（被装药有关） P133135 5.7 高速爆轰与低速爆轰现象高速爆轰与低速爆轰现象低速爆轰向高速爆轰转化5.8 爆轰波参数的实验测定1 爆速测定（p117120)（1）比较法导爆索法（道特里什法） 最古老方法 基本原理。 测试中影响测试准确性的因素（2）电测法离子探针法（测时仪法）现在应用最广泛的方法基本原理。测试中影响测试准确性的因素（3）光测法高速摄影法 CCD法 扫描测试法： 分幅照相测试法：2 爆轰压力测定间接测定（测量速度压力换算） （1）自由表面速度法 （2）水箱法 （3）电磁法直接测量法： 压阻法（材料在压力作用下电阻值变化） 锰铜压阻法 应力应变法
