爆轰

爆轰1、爆燃与爆轰爆燃以亚音速传播。爆燃速率受反应区（火焰阵面）向未燃物的热量和反应组分扩散控制。爆燃的实际速度取决于外部约束程度以及可燃混合物的尺寸和形状。假定未燃气体处于静止，火焰则以特征层流燃烧速度传播进入未燃气体。层流燃烧速度是未燃气体的基本参数，其值的大小反应了混合物的反应性。如果未燃气体处于湍流，燃烧速度升高，称为湍流燃烧速度。如果未燃气体处于运动状态，一个静止的观察者测得的火焰速度是未燃气体速度与燃烧速度的和，该火焰速度称为爆燃速度。典型地，无约束混合气体的爆燃速度在几m/s，管道和其它含有重复设置的障碍物的容积中，爆燃速度在几百m/s范围。典型地，在含有燃料/空气混合物的密闭容器内，爆燃压力可以达到初始压力的7倍左右。对低速爆燃，火焰阵面处的压力增加可以近似地用1.2M2来给出，这里M是马赫数（即爆燃速度除以未燃气体的音速）。一旦爆燃速度达到音速，将会形成激波。爆轰的主要特征见表附表1爆轰以超声速传播，典型地，对燃料/空气混合物其速度为1850m/s量级，对燃料/氧气混合物，爆轰速度为3000m/s量级。当燃料为氢气时，相应的爆轰速度可能更高。图1对比给出了爆燃波和爆轰波的结构。对爆轰波，在反应区前方1－10mm处，有一个高压激波阵面，反应区为“火焰”（在快速爆燃中，反应区远远落在激波阵面之后）。因为化学反应速率与温度呈指数关系，因而燃烧非常快。由于较高的激波强度（或激波速度），因而产生高压。图1爆燃波与爆轰波的比较稳态的爆轰过程具有相应的特征压力/时间曲线，图2给出了典型的稳态爆轰波的压力/时间曲线。爆轰波通过之后，压力突然增加，其后是一个光滑的变化区，逐渐过渡到恒定压力值。在有些情况下，可以测得气体混合物发生点火之前被激波压缩的形成的高压区，这种所谓的“先导激波”区域被称为冯.纽曼尖峰，冯.纽曼尖峰处具有比爆轰压力更高的值。稳态爆轰下，在化学计量比浓度附近，其初始压力上升值达到最大值，当混合物浓度向爆轰极限变化时，初始压力上升值逐渐降低。对燃料/空气混合物，典型的最大爆轰压力为初始压力的15－19倍，对燃料/氧气混合物，为初始压力的25－30倍。湍流能使这些压力升高非常大（见31）。典型情况下，化学计量浓度的燃料/空气混合物的爆轰产物温度为3000K，当混合物浓度接近爆轰极限时，爆轰产物温度降低。对燃料/氧气混合物，最大温度可能超过4000K。图2化学计量浓度乙炔/空气混合物爆轰压力－时间瞬态曲线。在实际爆炸过程中，可能出现从层流燃烧速度到爆燃速度到爆轰速度的几乎整个连续的燃烧阵面速度。在爆燃情况下，火焰速度受湍流状态的影响非常强，因而爆燃可能加速到爆轰，例如由于障碍物导致的湍流即可能发生爆燃向爆轰的转变。后面将进一步讨论这种爆燃向爆轰转变现象（或DDT）。大多数工业炸药的应用都是直接在固态下进行直接形成爆轰。该问题超出了本报告的讨论范围。2、发生爆轰的物质最近的研究表明，表征物质爆轰感度的一个非常有用的指标是物质的最大试验安全间隙值（MESG）[4,50]。物质的MSEG值越小，越容易形成爆轰。即IIC级的气体最容易形成爆轰。一些常见物质的MESG值见表1，参[5]给出了其它物质的MESG值。Bull[49]整理了无约束燃料/空气混合物形成稳定爆轰（采用固体炸药起爆）所需的临界能量。同时，该文献中还给出了混合物爆轰感度的其它表示方法。但是，目前所有的指南尚未给出混合物发生低速爆燃、以及可能加速形成破坏性的快速爆燃和爆轰之间的界限。由于火焰加速受容器几何特征和重复布置的障碍物的存在影响非常大，因而使该问题变得非常复杂。众所周知，氢气、乙炔、乙烯和环氧乙烷、乙烷和丙烷等与空气混合时，都可能发生爆轰。对许多常见的溶剂蒸气，如丙酮、苯、甲醇和二甲苯等，在一定的试验条件下，也可能诱导形成爆轰[2]。但要使这些溶剂蒸气发生爆轰所需的点火源强度和其它实验条件非常严格。同样，甲烷只能在非常极端的条件下加速形成爆轰，通常要求管道非常长，且具有很高的湍流强度。对于空气中的约束爆轰，大多数实验研究都是针对氢气、乙炔、乙烯和丙烷进行的。其它研究包括氨、氰、二硫化碳和四甲基硅的空气或氧气混合物。对于其它氧化剂，包括卤代物（氯/氢混合物的研究最多），溴氧、过氧化氢蒸气、一氧化氮和二氧化氯等发生爆轰的情况所知甚少[3]。3、爆轰极限[3]3.1概述在应用到工程实际中时，需对文献中所报道的爆轰极限特别注意。文献中所报道的爆轰极限值可能比工厂实际中的值高或者低一些。例如，一些管道试验中，由于管道断面太小或者长度过短，而在试验中不能形成爆轰。另一方面，一些试验采用的点火源过强，从而形成过驱（即引起混合物爆炸传播速度比稳态爆轰速度大得多），但这种过驱条件不能在很长的管道长度上得以维持。典型地，爆轰极限是在较小的容器或管道中测得的。只有数量较少的物质的爆轰极限数据。所测得的爆轰极限取决于装置的尺寸、形状和几何结构。无约束混合物的爆轰极限比约束爆轰的极限要窄。一些常见物质的爆燃和爆轰极限给出如下表：表1一些常见物质的最大试验安全间隙[5]、爆燃极限[6]和爆轰极限[3]物质MESG(mm)空气中的爆燃极限（%v/v）空气中的约束爆轰极限（%v/v）空气中的无约束爆轰极限（%v/v）氧气中的约束爆轰极限（%v/v）氧气中的无约束爆轰极限（%v/v）乙醛0.924.0－60－－－13.0－48.0丙酮1.042.6－13－－3.3－40.0乙炔30.372.5－1004.20－2.90苯－1.3－7.91.60－5.55－1.55－36.0－丁烷0.981.8－8.41.98－6.182.5－5.22.05－386.7环己烷－1.3－7.8－－1.4－29.0－乙醚0.871.9－362.8－4.5－2.6－40－乙烷0.913.0－12.42.87－12.204.0－9.23.6－46.611.0－39.0乙醇0.893.3－195.1－9.8－－－乙烯0.652.7－363.32－14.70－4.1－60.09.2－51.0氢气0.294.0－7518.3－58.915.0－90.0－－甲醇0.926.7－36－－9.5－64.5－辛烷0.94LFL0.95，UFL未报道1.45－2.85－1.55－17.3－丙烷0.922.1－9.52.57－7.373.0－7.02.50－42.57.0－31.0丙烯0.742.4－113.55－10.403.5－8.52.5－50.06.7－37.0二甲苯－1.1－6.4－－1.05－26.5－表中给定的混合物和管道/容器形状能够维持爆轰，但其不一定能形成爆轰。可以采用爆燃极限的方法来估算爆轰极限[3,1]，但这些估算方法通常通常会过高估算爆轰范围。可以采用LeChatelier规则计算几种可燃气混合时的爆轰极限：1212100nnLcccLLL式中，c为每一种爆轰气体所占的体积百分数（％v/v）。L为可燃气的爆轰下限（％v/v）。至于可燃气体混合气的燃烧极限的计算，上述规则对于含有氢气、甲烷二氧化碳和简单的烷类燃气混合气体的计算结果较好，但对于更复杂的分子，或对含硫物质如硫化氢和二硫化碳等计算精度较差。3.2初始温度、压力和湿度的影响关于初始温度对爆轰极限的影响方面的资料甚少。一般地，增加初始温度和初始压力，爆轰极限变宽，而且爆轰上限受到的影响较大。实验研究结果之间也存在不一致，例如当初始温度上升50℃时，氢气/氧气混合物的爆轰范围变窄，而甲烷/氧气混合物的爆轰极限则变宽。层流燃烧速度随着温度的升高而增加，当混合气（如氢气/氧气）具有较高的燃烧速度时，这种增加非常明显。在对湿度的影响进行测试时，尽管实验是在不同的环境温度下进行，对实验结果的外推也并非简单直接的外推，但人们还是认识到空气湿度的变化能影响火焰的加速特性（4,1）。3.3实验规模的影响当增大实验容器尺寸时，爆轰极限倾向于变宽[7]。爆轰压力取决于爆轰速度，而并不是容器直接或体积的函数[2,8]（但容器形状和尺寸对爆燃速度有影响[2]）。3.4氧气和惰性气体的影响对所有混合物，当燃气与氧气混合时，更容易发生爆轰，而且所形成的爆轰速度、爆轰压力、爆轰产物温度比该可燃气体与空气的混合物在化学计量浓度下相应的值高。通常，惰性气体的加入使爆轰极限变窄，特别是爆轰上限。为抑制爆轰，需要加入大量的惰性气体，实际对于每一种情况都需要进行相应的实验测定。如果在较高的温度下，所需的惰性气体量更大，如在文献[10]中发现，当初始温度从293K升高到373K时的情况即是如此。最近的研究[50]表明，燃料/氧气/氮气混合物中氮气的含量对爆炸特性的影响极大。这些研究表明，燃料/空气混合物的爆轰极限存在差别的主要原因是当量混合物中氮气的含量不同，而不是燃料的种类本身不同造成的。4、爆轰波的结构[1]平面爆轰波有复杂的三维胞格结构。大量的横波与先导激波相交、反射（或在管道壁面或障碍物反射），形成一个不断变化着的类似鱼鳞状的胞格结构形式（见图3）。先导激波阵面的表面存在一系列的凸起（即所谓的“马赫杆”）和凹进（即衰减的先导爆炸波），在激波交点处被三波点分隔开。反应区跟随在后面。文献3.5详细给出了爆轰波结构方面的信息。图3爆轰波的胞格结构。胞格宽度是爆轰波的一个基本特性参数，对于氢气，爆轰胞格的宽度约为8mm，乙烯约为20mm。可以根据爆轰胞格的宽度计算各种爆轰参数，如临界管道直径（能形成自持爆轰传播的最低管道直径）。胞格长度通常用Lc表示。胞格宽度一般为Lc的0.5-0.6倍，尽管Nettleton[30]认为在大气压下爆轰胞格宽度为0.7－0.8倍Lc。胞格宽度受初始压力、混合物组成和爆轰敏感度等因素的影响。可以通过实验对胞格宽度进行测定，通常所测定的值都存在1倍以上的差距[11]。混合物越容易发生爆轰（反应活性较大），其爆轰胞格宽度越小，见下表2：表2实验测得的各种燃料/空气混合物爆轰胞格长度平均值空气中的燃料胞格长度Lc(mm)计算胞格宽度（mm）4乙炔13.66.8－10.9氢气15.98.0－12.7乙烯3920－31丙烷7236－58乙烷8844－70对烷烃类可燃气，随着混合物组成变化，其爆轰胞格宽度的变化在[1.1]中给出。当初始温度和初始压力增加时，爆轰胞格的宽度呈下降趋势，而且这种变化手温度的影响更为敏感。在文献[10]中进一步给出了相关的信息。对给定的混合物，存在一个临界管道直径，低于此直径时，不能发生爆轰。这是因为在很窄的管道内，没有足够的空间支持形成爆轰胞格的存在[9]。对于在圆形管道内传播的爆轰波，其临界管道直径的量级为/[1,4]，这种临界情况对应于单个爆轰胞格被包围在管道壁面内的情况。对于方形和矩形管道，见图4所示。图4在管道与通道内平面爆轰成功传播的要求。文献11.1和1对于评价从约束区域（建筑、通风管道、管路等）向非约束区域传播的可能性非常有用。为形成爆轰从管道端头向无约束区域的连续传播，对于圆形管道，其临界直径为13，矩形管道的临界直径为10。参考文献1对爆轰波通过孔洞和缝隙传播的实验研究进行的归纳总结。在应用这些关系式时，需要考虑相应的安全系数，从而可以考虑所报道的取值可能发生的变化（见[11]，尽管在该文献中建议无需采用安全系数）。一些专家建议采用的临界直径为/2（即比理论值低50％）[56]。5、爆轰理论5.1引言[3]两种众所周知的爆轰理论即是CJ理论和ZND理论。前者是在纯气体动力学和热力学的基础上建立起来的，假设化学反应非常快。后者引入了有限化学反应速率。尽管没有考虑详细的化学反应，CJ理论的预测值可以做到非常精确。由于受所采用的化学反应机理的精度的限制，ZND理论计算的精度有限。5.2CJ理论[3]该理论在19世纪早期提出，该理论将质量、动量和能量守恒分析与热力学分析综合起来考虑。CJ理论是一个一维模型，且假定反应速率无穷大。该模型将爆轰波用一个无限薄的区域来表示，称为“理想”爆轰。该模型忽略了先导激波处冯.纽曼尖峰的瞬时压力5。CJ分析可以用于计算如爆轰速度和爆轰压力等爆轰参数