Transcript 第5章气体爆轰理论

第5章 气体爆轰理论
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本章主要内容
 5.1气体爆轰现象
 5.2爆炸浓度极限及其确定方法
 5.3气体爆轰参数的计算
 5.4 螺旋爆轰现象及胞格结构
 5.5影响气体爆轰传播的因素
 5.6云雾爆轰现象
2
5.1 气体爆轰现象
3
5.1气体爆轰现象
 凡是在常温常压下以气态存在，经撞击、摩
擦、热源或火花等点火源的作用能发生燃烧
爆炸的气态物质，统称为可燃性气体。
 可燃性气体可分为无机气体和有机气体。
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5.1气体爆轰现象
通常，可燃性气体按使用形态可分为5类：
 可燃气体：氢气、煤气、四个碳以下的有机气
体（如甲烷、乙烯、丙烷等）均属此类。它们
在常温常压下以气态存在，和空气形成的混合
物容易发生燃烧或爆炸。
 可燃液化气：如液化石油气、液氨、液化丙烷
等。这类气体在加压降温的条件下即可变为液
体，压缩储存在贮灌中。液化石油气的主要成
分是丙烷、丙稀、丁烷和丁烯等。常温常压下
为气体，0.8～1.5MPa压力即可液化为液体。
5
5.1气体爆轰现象
 可燃液体的蒸气：如甲醇、乙醚、酒精、笨、
汽油等的蒸气，这些蒸气在燃烧液体表面上有
较高的浓度，当它和空气混合物的浓度达到一
定程度时，容易发生燃烧或爆炸。
 助燃气体：如氧、氯、氟、氧化亚氮、氧化氮、
二氧化氮等。它们在化学反应中能作为氧化剂，
把它们和能作为还原剂的可燃性气体混合，会
形成爆炸性混合物。
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5.1气体爆轰现象
 分解爆炸性气体：如乙烯、乙炔、环氧乙烷、
炳二烯等。它们不需要与助燃气体混合，本
身就会发生爆炸。
 可燃气体是与外界的空气或氧发生燃烧或爆
炸而释放能量的。这一点与炸药不同。
 军事上利用这些可燃气体本身不携带氧，靠
周围环境中的氧释放能量这一优点，研究开
发具有大面积杀伤破坏效应的燃料空气炸弹。
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5.2 爆炸浓度极限及其确定方法
8
5.2.1 气体爆炸浓度极限
9
5.2 爆炸浓度极限及其确定方法
 通常情况下，气体混合物中可燃成分的浓度
处于一定范围内时，才会发生爆炸现象，这
个浓度范围称为爆炸浓度范围。能够发生爆
炸的最低浓度叫爆炸浓度下限，而能够发生
爆炸的最高浓度叫做爆炸浓度上限。如表5-1
所示。
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5.2.1 气体爆炸浓度极限
表5-1混合气体的爆炸浓度范围
注意:表中的爆炸浓度极限(explosive limit)和爆轰浓度
极限的区别。工程上，爆炸浓度极限通常包括爆燃部分。
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5.2.1 气体爆炸浓度极限
 当可燃物含量很稀或很浓时，化学反应进行
很慢，单位时间内放出的总化学反应能量较
小，就不能支持前沿冲击波去激发下层混合
气体的化学反应。即使没有任何能量耗散，
也不能使爆轰波稳定传播。
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5.2.1 气体爆炸浓度极限
在混合气体的爆炸浓度范围内，存在
一个最佳浓度。这时，爆速最大、压力和反
应放出热也最大。从安全角度看，最佳浓度
时的威力最大、破坏效应也最严重，如图5
－1所示。
图5－1 浓度和爆速的关系（C2H2＋O2）
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5.2.1 气体爆炸浓度极限
 爆炸浓度极限不是一个固定的物理常数，它
与点火能、初始温度、压力等因素有关。
（1）点火能
一般来说，点火能量越大，传给周围可
燃混合物的能量越多，引起临层爆炸的能力
越强，火焰越易自行传播，从而爆炸浓度范
围变宽。即[a,b]中的a变小，b变大。但当点
火能达到一定程度时，爆炸浓度范围变化就
不明显了。
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5.2.1 气体爆炸浓度极限
 表5-2为甲烷和空气混合物在不同能量的点火
条件下爆炸浓度极限的实验结果。当点火能达
到一定程度时，对爆炸浓度极限的影响就不明
显了。
表5-2 点火能对甲烷空气混合气体爆炸浓度极限的影响
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5.2.1 气体爆炸浓度极限
（2）初始温度
初始温度升高，会使化学反应的速度加
快。在相同的点火能下，可燃气体混合物的
初始温度越高，燃烧反应越快，于是单位时
间放热越多，火焰越易传播，因而爆炸极限
范围变宽，如图5－2所示。
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5.2.1 气体爆炸浓度极限
图5－2 温度对爆炸极限的影响（甲烷）
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5.2.1 气体爆炸浓度极限
（3）压力
混合气体压力提高，爆炸浓度范围扩大。
处于高压下的气体，其分子比较密集，单位
体积中所含混合气分子较多，分子间传热和
发生化学反应比较容易，反应速度加快，而
散热损失显著减少，因此爆炸浓度范围扩大。
压力对爆炸浓度上限的影响较大。表5-3压力
对甲烷空气混合气体爆炸极限的影响。
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5.2.1 气体爆炸浓度极限
表5-3 压力对甲烷空气混合气体爆炸极限的影响。
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5.2.1 气体爆炸浓度极限
 在减压的情况下，随着压力的降低，爆炸范
围不断缩小。当压力降到某一数值时，则会
出现上限浓度和下限浓度重合。如果压力再
继续下降，则混合气便不会爆炸了，这一压
力称为爆炸极限的临界压力。
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5.2.1 气体爆炸浓度极限
（4）惰性气体
在可燃混合气中添加惰性气体，可使混合
气体爆炸范围缩小。当惰性气体大于一定浓
度时，混合气体便不能发生燃烧、爆炸。如
表5-4所示
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5.2.1 气体爆炸浓度极限
表5-4 CO2对汽油蒸气爆炸浓度极限的影响
22
5.2.2 爆炸浓度极限的计算
23
5.2.2爆炸浓度极限的计算
（1）按完全燃烧1摩尔可燃性气体所需的氧摩
尔数no估算
Lmin
100

%
4.762n0  1  1
Lmax
400

%
9.52n0  4
式中 Lmin ——可燃混合气体的爆炸下限
Lmax
——可燃混合气体的爆炸上限
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5.2.2爆炸浓度极限的计算
【例】 C3H8+5O2——3CO2+4H2O
Lmin
100

%
4.762n0  1  1

Lmax
100
%  2.28% （实测值为2.1%）
4.7610  1  1
400

%
9.52n0  4
（实测值为9.5%）
400

%  7.75%
9.52  5  4
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5.2.2爆炸浓度极限的计算
（2）按化学计量浓度估算
可燃混合物中的可燃物与氧或空气中的
氧燃烧时到达完全氧化反应的浓度称为化学
计量浓度。
设可燃气体的分子式为：
CaHbOc+n0O2——aCO2+b/2H2O
则
n0=a+b/4-c/2
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5.2.2爆炸浓度极限的计算
 如果把空气中氧气的浓度取为20.9%，则可燃气体
在完全燃烧的情况下，空气中的化学计量浓度的计
算式如下：
20.9
L0 
0.209  n0
 在氧气中，L 则为：L0 
0
%
100
%
1  n0
于是，爆炸浓度极限可估算如下：
Lmin  0.55L0 Lmax  4.8 L0
 该式可用来估算烷烃以及其它有机可燃气体的爆炸
浓度极限，但不适用于乙炔以及氢、硫、氯等无机
气体。
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5.2.2爆炸浓度极限的计算
【例】 C3H8+5O2——3CO2+4H2O
解：
n0=5
在空气中： L0 
20.9
%  4.01%
0.209 n0
Lmin  0.55L0  2.21%（实测值为2.1%）
Lmax  4.8 L0  9.6% （实测值为9.5%）
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5.2.2爆炸浓度极限的计算
在氧气中：
100
L0 
%  16.67%
1  n0
Lmin  0.55L0  9.17%
Lmax  4.8 L0  19.6%
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5.2.2爆炸浓度极限的计算
（3）北川法计算爆炸浓度上限
 此法是由日本北川彻三提出来的。他认为，在
各有机同系物中，可燃气分子中的碳原子数a
与可燃气达到爆炸上限所必需的氧摩尔数no之
间存在着直线关系。如果是烷烃，其关系为：
n0  0.25a  1
n0  0.25a  1.25
a  1,2
a3
据此，爆炸浓度上限的计算公式为：
Lmax
20.9

%
0.209  n0
丙烷的Lmax 
20.9
%  9.46%
0.209 n0
30
5.2.2爆炸浓度极限的计算
（4）多组分可燃气体混合物的爆炸浓度极限
 如果多组分可燃气体反应特性接近或为同系物时，
它们与空气构成的爆炸性混合物的爆炸浓度极限可
根据理·查特里（Le·Chatelier）法则计算，即
100
Lmix 
Vn
V1 V2 V3



L1 L2 L3
Ln
式中 V1 ,V2 ,V3 Vn 分别为第i种组分在可燃物中的浓度。
L1 , L2 , L3  Ln分别为第i种组分的爆炸浓度极限（下限
或上限）。
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5.2.2爆炸浓度极限的计算
上式需满足以下条件：
1、 V1  V2  V3    Vn  100
2、各组分间不发生化学反应且爆炸时不发生催化
作用；
3、各组分的爆炸浓度极限已知。
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5.2.2爆炸浓度极限的计算
【例】某天然气含甲烷80％，乙烷15％，丙烷4％，
丁烷1％，求天然气的爆炸浓度极限。
设A、B、C、D分别表示甲烷、乙烷、丙烷、丁烷
已知
L A min  5.0%
LB min  3.0%
LC min  2.1%
LD min  1.5%
L A max  15.0%
LB max  12.5%
LC max  9.5%
LD max  8.5%
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5.2.2爆炸浓度极限的计算
由上式可得：
爆炸浓度下限：Lmin
Lmax
爆炸浓度上限：
100

%  4 .2%
0.80 0.15 0.04
0.01



0.05 0.03 0.021 0.015
100

%  14.1%
0.80 0.15
0.04
0.01



0.15 0.125 0.095 0.085
以上公式均没考虑温度、压力等因素的影响
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5.3 气体爆轰参数的计算
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5.3 气体爆轰参数的计算
 本节主要介绍气体爆轰参数的近似计算。
假定：
（1）k0  k j  k
k
，即认为 与气体温度和组分无关；
（2）原始混合物的压力 p0 与CJ压力
pj
相比可以忽
略。
则爆轰波的Hugoniot方程变为：
1
 p j v0  v j   Qe
k 1 2
p jv j
……(1)
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5.3 气体爆轰参数的计算
由等熵方程pvk
A
可得：
pj
 dp 
   k
vj
 dv  s ,M
由CJ条件知： p j  p0
v0  v j
k
……(2)
pj
vj
……(3)
v0  j k  1 p 0
移项整理可得：v    k  kp
j
0
j
忽略
p0
得:
v0  j k  1


v j 0
k
……(4)
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5.3 气体爆轰参数的计算
将（4）式代入波速方程
pj 
D  v0
1
0 D 2
k 1
pj
v0  v j
可得
……(5)
将（4）、（5）式代入（1）式可得：


……(6)
D  2 k 2  1 Qe
由
D  v0
pj
v0  v j
和 uj
uj 
v
0
 v
0
vj 
v0
vj
D

pj
v0  v j
可得：
……(7)
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5.3 气体爆轰参数的计算
把（4）式代入（7）式可得：
uj 
1
D
k 1
……(8)
由CJ条件 u j  c j  D 可得
k
cj 
D
k 1
……(9)
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5.3 气体爆轰参数的计算
将（4）和（5）式代入状态方程
1
kD 2
Tj 



R  j n j R k  12
Mj
pj
pv 
R
T
M
可得：
(10)
因此，（4）～（10）式即为爆轰参数的近似公式。
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5.3 气体爆轰参数的计算
需要注意的是：
（1）作为一种近似估算， Qe , k, M j , n j 可按近似的爆炸
反应式确定；
（2） Qe 的单位是单位质量（1kg）爆炸物的定容比
热 J kg ；
（3） n j 为1kg爆炸物爆炸后形成气体产物的摩尔数。
41
5.3 气体爆轰参数的计算
【例】已知混合气爆炸反应式为：
CH4+2O2+8N2——CO2+2H2O+8N2+801.72KJ
试求该混合爆炸物的爆速D。（k＝1.28）
解：
则
801.72103 1000
Qe 
 2.637106 J kg
16  64  8  28




D  2 k 2  1 Qe  2  1.28 2  1  2.637  10 6  1835 m s
42
5.3 气体爆轰参数的计算
【作业】：
 根据上述例子，计算常温常压下CH4＋2O2混合
气体发生爆炸时的爆速和CJ压力。 （k＝1.28）
43
5.4 螺旋爆轰现象及胞格结构
44
5.4 螺旋爆轰现象及胞格结构
 目前为止，爆轰波结构总是基于ZND模型
中提出的一维的、光滑的稳定爆轰波。但
实际上，爆轰波阵面是三维的、不光滑的、
不稳定的。
 爆轰波在接近爆轰极限的气体内，或者在
化学反应活化能比较高、较难起爆的气体
中传播时，实验发现了一种称为“螺旋爆
轰”现象。
45
5.4 螺旋爆轰现象及胞格结构
 1926年，Campbell和Woodhead在研究气
体混合物2CO+O2的爆轰时发现了这种现象。
他们用高速照相机记录了螺旋爆轰的传播
过程，得到了如图所示的图像。
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5.4 螺旋爆轰现象及胞格结构
 由图可见，爆轰波阵面的传播速度是不均匀
的，出现周期性的振动现象；爆轰波后产物
区，有规则的水平光亮条纹线，而且此光亮
条纹线与波阵面的波纹状迹线有关。波阵面
迹线上的每一个突峰处，对应于反应产物区
中的一条光亮条纹。
 如果螺旋爆轰波在涂有粉末的管子中传播时，
在管壁上会留下螺旋运动的迹线。
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5.4 螺旋爆轰现象及胞格结构
 螺旋爆轰分为单头的和多头的。
 单头一般出现在接近爆炸极限或很难起爆的
混合气体中；
 多头一般出现在混合气体中含有加速反应的
物质，或者在位于爆轰极限范围内，但远离
爆轰极限的情况下。
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5.4 螺旋爆轰现象及胞格结构
 实验证明，螺旋爆轰是个普遍存在的现象，
它主要是由于爆轰波反应区内流动的非一维
性造成的，即存在横向波，使得反应区成为
多波系的非定常结构。
 螺旋爆轰是这种非定常多维结构爆轰波的
外在表现，用高速纹影照相、闪光干涉仪及
烟炱实验技术，已经观察到这种爆轰波的非
定常结构在时间和空间上有一定规律的胞格
结构(cell-structure)。
49
5.4 螺旋爆轰现象及胞格结构
 图5－4是在30％（2H2＋O2）＋70％Ar中的
爆轰波通过后，在侧壁上由烟炱实验得到的
胞格痕迹。这种胞格结构是由反应区内大量
横波之间的相互作用形成的。
图5－4胞格爆轰的烟炱图
50
5.4 螺旋爆轰现象及胞格结构
51
5.4 螺旋爆轰现象及胞格结构
52
5.4 螺旋爆轰现象及胞格结构
53
5.4 螺旋爆轰现象及胞格结构
 爆轰的胞格结构既存在于气体爆轰中又存在
于凝聚炸药爆轰中。总之，实际爆轰波都是
非一维的不定常结构。
 ZND模型是对它们的简化，称为光滑的理想
爆轰波。
54
5.5 影响气体爆轰传播的因素
55
5.5 影响气体爆轰传播的因素
 影响气体爆轰传播的因素很多。
 气体爆轰的传播速度约在1000~3500m/s。
 1、气体爆轰波的传播速度与盛气体管子的放
置方法（垂直或水平、或倾斜）、起爆源的
种类、引爆端是闭口还是开口等无关。与管
子的形状有关。
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5.5 影响气体爆轰传播的因素
 2、混合气体的初始温度对爆轰波速度影响很
小，随温度升高，爆速稍微下降，这是因为
温度高使气体密度减小所造成的。如爆鸣气
（2H2＋O2）初始温度为100C时，测出的爆速
值为2821m/s，而1000C时为2790m/s。
3、混合气体的爆速随初始压力的提高而提高。
57
5.5 影响气体爆轰传播的因素
 根据Cook对初始压力p0在5～10×104Pa范
围内对H2-O2-N2，H2-O2-Ar，C2H2-O2等气体
混合物测定的爆速数据，整理得到了如下的
关系式：
Dp  Dp0   lg p p0 
式中Dp和Dp0分别表示压力为p和p0时的爆速，
β为常数。一些气体混合物的β值和Dp0值列
于表5-5。
58
5.5 影响气体爆轰传播的因素
表5-5一些气体混合物的β值和Dp0值
59
5.5 影响气体爆轰传播的因素
 4、混合气体的爆速随初始密度的增大而增大。
气体混合物初始密度增大将引起爆速的提高。
对遵守定余容Abel方程的气体，推导得到如下的
爆速计算式


1
D
2 k 2  1 Qe
1  
比容变化公式为：
v0   k  1

v j 
k
60
5.5 影响气体爆轰传播的因素
图5-5为爆鸣气在α=0.75cm3/g时爆速D与ρ0
之间的理论关系。
图5-5爆鸣气的爆速
D与ρ0之间的关系
（坐标原点有误）
61
5.5 影响气体爆轰传播的因素
 5、加入惰性气体，对于较轻的惰性气体如
He，爆速增加；对于较重的惰性气体如Ar，
爆速减小。这是因为轻气体使得爆炸反应产
物的平均分子量减小，重气体使得分子量增
大。但惰性气体的加入都使得爆温下降，这
是因为惰性气体吸热造成的。如表5-6所示。
62
5.5 影响气体爆轰传播的因素
表5-6 添加不等量H2以及He、Ar对爆鸣气爆速和爆温的
影响
63
5.6 云雾爆轰现象
64
5.6 云雾爆轰现象
 所谓云雾爆轰系指液体燃料雾滴散布于气体
氧化剂或空气当中形成的液一气两相混合物
的爆轰。
 近30年来的实验研究表明，这种两相体系，
在适当的混合比例条件下可以利用药柱爆炸
或强冲击波激起其爆轰的传播。
65
5.6 云雾爆轰现象
 云雾爆轰是一种不均匀爆轰。不均匀相爆轰的研究大
致分为四种类型，即：
(1)不挥发油滴悬浮于氧气或空气中所发生的不均匀爆轰；
(2)充有氧气的管子内壁上涂以液态油膜所发生的不均匀
爆轰；
(3)充有氧气的管子内壁上涂以固态碳氢化合物或固态碳
粉末所发生的不均匀爆轰；
(4)金属粉末或其他固体可燃物粉尘悬浮于氧气中所产生
的不均匀爆轰。
66
5.6 云雾爆轰现象
 这类课题的研究之所以受到重视，一个原因
是与采煤、采油等矿业生产，以及石油、化
工、粮食、纺织等工业生产的安全性紧密相
关，另一方面的原因则是与近30年来发展起
来的所谓燃料空气炸弹(FAE)这一武器技术的
研究相关。
67
5.6 云雾爆轰现象
 2007年11月24日，上海浦东一个加油站发生爆炸，
4人死亡。
68
5.6 云雾爆轰现象
69
5.6 云雾爆轰现象
 经过专家分析，认为这起爆炸事故是在停
业检修过程中，现场施工人员违章作业，
在未对与管道相通的2号储气罐进行有效
安全隔离情况下，用压缩空气对管道实施
气密性试验，导致该储气罐内未经清洗置
换的液化石油气与压缩空气混合，引起化
学性爆炸。
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5.6 云雾爆轰现象
 20世纪60年代末和70年代初，美国在侵越战争
中首先使用了燃料空气炸弹，为其开辟直升飞机
着陆场、破坏地面防护设施、雷达和各种机动车
辆，以及利用它爆炸所形成的强烈冲击波扫除地
雷、杀伤有生力量等。近些年来，大力开展利用
燃料一空气炸弹对付各种储罐、飞机、机库、导
弹发射场以及各种海上舰船等的新武器的研究工
作已取得显著进展。
71
5.6 云雾爆轰现象
 正因为如此，两相不均匀爆轰，特别是油滴
一氧气或空气所构成的所谓云雾爆轰的研究，
已成为国内外重要的研究课题。
 美军在越南战争中使用的CBU型燃料空气炸
弹是一种圆筒形容器，内装有约37kg的环氧
乙烷(C2H4O)燃料。
72
5.6 云雾爆轰现象
 在距地面一定高度上炸开弹体，顿时形成有
大量直径约为零点几厘米乃至零点几毫米的
小油滴散布于周围的空气当中，并在几十毫
秒时间内形成直径为十几米、高数米的云雾
气团(此时，使所形成云雾团内环氧乙烷的浓
度确保在爆炸浓度上下限，即在6～24％范
围之内)，而后借助于从弹内抛掷到一定高度
位置上的起爆装置引爆。
73
5.6 云雾爆轰现象
 云爆弹结构
引爆
药药
壳体
中心
药柱
液体
燃料
二次引爆
74
5.6 云雾爆轰现象
 云雾爆轰波的传播速度约为1.5～3km/s，所
形成的爆轰压力可达1.0～3.0MPa。
 云雾爆轰所形成的气体产物向周围的膨胀流
动以及所形成的爆炸冲击波超压是导致人畜
死伤和各种设施破坏的主要原因。
 此外，云雾爆轰过程中大量消耗空气中的氧
而引起窒息效应也是造成有生力量死伤的重
要原因。
75
5.6 云雾爆轰现象
 云雾爆轰是一种两相混合物的不均匀爆轰。
显然，与均匀的气相爆轰相比，云雾爆轰现
象及其机理要复杂的多。因此，为认识这一
事物的化学物理本质，掌握并利用它内在的
规律，多年来开展了一系列的实验与理论研
究工作。
76
5.6 云雾爆轰现象
 温压弹是在燃料空气炸弹的基础上研制出来
的，是燃料空气炸弹的高级发展型。温压炸
药兼具高爆炸药和燃料空气炸药的特点，准
确地说是一种富含燃料的高爆炸药。
 温压炸药中添加了铝、硼、硅、镁等物质的
粉末，这些粉末在加热状态下起燃并释放大
量能量，大大增强了温压炸药的热效应和压
力效应。
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5.6 云雾爆轰现象
 温压弹爆炸压力场/温度场是复杂流场，对于
实用弹药，燃料被抛撒后，与空气混合时间
可达到100-200ms，燃料与空气不可能混合
均匀，各区域内燃料浓度分布有随机性，因
此爆轰压力和温度场分布有不对称性。
 温压炸药与凝聚炸药爆炸相比，温压炸药能
量密度小、爆速小、爆压低，但作用范围大。
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5.6 云雾爆轰现象
 研究结果表明：大致在小于2/3云雾半径的范围
内，温压炸药的爆炸场超压小于同质量TNT的爆
炸场超压，但在大于2/3云雾区半径范围内，温
压炸药的爆炸场超压均显著大于TNT的爆炸场超
压。
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5.6 云雾爆轰现象
三种炸药火球表面的最高温度
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5.6 云雾爆轰现象
温压炸药与B炸药的爆炸火球体积的对比
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本章要点
1. 理解气体爆炸浓度极限及其计算方法；
2. 掌握气体爆轰参数的近似计算；
3. 理解螺旋爆轰现象；
4. 了解影响气体爆轰传播的因素；
5. 了解云雾爆轰现象。
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