气体爆轰理论
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爆炸力学讲义
爆炸力学讲义1. 引言爆炸力学是研究爆炸现象及其背后的物理和化学原理的科学领域。
本讲义将介绍爆炸力学的基本概念、原理和应用，以帮助读者更好地理解和应对与爆炸相关的问题。
2. 爆炸基础知识2.1 爆炸定义爆炸是指在一定条件下，物质内部能量迅速释放并产生剧烈的火焰、光亮、声响和气体冲击波等现象。
它是一种极为复杂的物理过程，涉及能量转换、物质相变和反应动力学等多个方面。
2.2 爆轰与爆燃在爆炸中，有两个重要概念需要区分：爆轰和爆燃。
爆轰是指在超声速下，火焰由点火源向未点火区域传播，并产生可见的冲击波。
而爆燃则是指火焰以亚声速蔓延，并没有明显的冲击波。
2.3 爆速与传播方式爆速是指爆炸波传播的速度。
根据传播方式的不同，爆速可以分为两种类型：很快爆速和相对较慢的爆速。
其中，很快爆速通常用于高爆炸物，而相对较慢的爆速通常用于低爆炸物。
3. 爆炸物理学3.1 爆炸能量在一个完整的化学反应中，反应物与产物之间的能量差称为焓变。
当焓变为负值时，反应释放出能量；当焓变为正值时，反应吸收能量。
在爆炸中，焓变通常为负值，因此释放出大量能量。
3.2 燃烧过程在一个典型的固体燃料中，可分为三个阶段：引燃、扩展和消耗。
引燃阶段是指点火源接触到固体表面并引发可燃物质开始氧化反应；扩展阶段是指火焰从点火源向周围蔓延；消耗阶段是指可燃物质被完全消耗。
3.3 爆轰过程在一个典型的气体爆炸中，可分为四个阶段：压缩、点火、爆轰和扩展。
压缩阶段是指气体被压缩到一定程度；点火阶段是指点火源引发气体燃烧；爆轰阶段是指反应物快速释放能量，并形成冲击波；扩展阶段是指冲击波向周围传播。
4. 爆炸力学应用4.1 爆炸物品安全处理由于爆炸物品可能对人员和环境造成严重伤害，因此安全处理是至关重要的。
包括合理储存、运输和处理爆炸物品的规范，以及采取适当的安全措施来减少事故风险。
4.2 爆破工程爆破工程广泛应用于采矿、建筑和拆除等领域。
通过控制爆炸能量的释放方式和方向，可以实现精确的地质勘探、岩土工程处理和建筑拆除等目标。
第3章 爆轰波的经典理论
1 2 j D u j U j Pj D u j j D u j D u j 2
… (3)
16
3.1.1 爆轰波的基本关系式
由（1）、（2）式可得：
D u 0 v0 p j p0 v0 v j
p j p0 v0 v j
4
第3章 爆轰波的经典理论
Chapman和Jouguet在20世纪初分别提出了关于爆
轰波的平面一维流体动力学理论，简称爆轰波的
CJ理论。
前苏联的泽尔多维奇（Zeldovich,1940年），美 国的冯纽曼（Von Neumann，1942年），德国的道 尔令（Doering，1943年）各自对CJ理论进行了改 进，提出了ZND模型。
P0 O
0
v0
v
爆轰波：
e e0
1 p p0 v0 v Qe 2
22
3.1.2 爆轰波稳定传播的条件
3.Rayleigh线和Hugoniot曲线的关系
（1）dc段：v>v0，p>p0 D为虚数 （2）c点： v>v0，p＝p0 D＝0，定压燃烧 （3）CGAI段： v>v0，p<p0 D>0，u<0；爆燃 其中，CGA段(p-p0)负压值较小， 称弱爆燃支； AI段(p-p0)负压值较大， 称强爆燃支。 A点的爆燃速度最大。
D v0
p p0 v0 v
D2 D2 p 2 v p0 v v0 0
D2 tg tg 2 v0
21
3.1.2 爆轰波稳定传播的条件
2. Hugoniot (雨贡纽、雨果尼奥)曲线
P 1 2
可燃气体的燃烧爆炸
天然气
香蕉的成熟过程
2.可燃性气体危险特性 可燃性气体危险特性主要体现在燃烧性、爆炸性、扩 散性以及毒害、腐蚀和窒息性等几个方面。
3.可燃气体的燃烧形式 气体的燃烧与液体和固体的燃烧不同，他不需要经过 蒸发、融化等过程，气体在正常条件下就具备了燃烧 的条件，所以比液体和固体更容易燃烧。 气体的燃烧有扩散燃烧和动力燃烧两种形式。 （1）扩散燃烧。如果可燃气体与空气的混合是在燃烧过 程中进行的，则发生稳定式的燃烧，称为扩散燃烧。 （2）动力燃烧。如果可燃气体与空气是在燃烧之前按一 定比例均匀混合的，形成预混气，遇火源则发生爆炸 式燃烧，称动力燃烧。
氯/氢混合物链式反应机理
在上述链式反应中，最初的游 离基(活性中心)在某种外界能源( 热、光、氧化、还原、催化等)作 用下生成，由于游离基比普遍分子 具有更多的活化能，活动能力极强， 一般条件下非常不稳定，极易与其 他分子发生反应生成新的游离基， 或自行结合生成稳定分子。也就是 说。如果在外界能源作用下能在反 应物中产生少量游离基。这些游离 基即可引发链锁反应，使燃烧反应 得以持续下去：一旦活化中心(游 离基)消失。链式反应就会中断， 燃烧反应停止。
⑤ 爆炸极限 爆炸极限又称燃烧极限，是对爆炸上限(UEL)和爆炸下限(EIE)的 统称，当可燃气体(蒸汽)/空气混合后的浓度低于下限或高于上限 时都不可能发生爆炸。可燃气体(熬气)/空气混合物的爆炸极限一 般用体积分数来表示。处于爆炸上限与下限之间的浓度范围称为 爆炸区，在此以外的浓度范围称为非爆炸区。 ⑥ 最大试验安全间隙 在标准试验装臵及测试条件下，点燃壳体内所有浓度范围的被实 验气体(蒸汽)/空气混合物后，通过25 mm长法兰接合面均不能点 燃壳外爆炸性气体混合物的外壳空腔与壳内两部分之间的最大间 隙，称为最大试验安全间隙(MESG)，MESG值是确定防场电气设备 和阻火设备隔爆外壳级别的重要依据。 ⑦ 爆炸指数 在标准爆炸容器及测试方法下，测得可燃气体/空气混合物每次试 验的最大爆炸超压称为爆炸指数P。所测爆超压一时间曲线升段上 的最大斜率称为爆炸指数 ，并定义 。与爆炸容器容积(V)立方根 之积为爆炸指数K。
5爆轰理论(下)
证明
[例证4] 由波速方程
2 p2 p0 vD 2 2 0 (vD ) 2 v0 v2 v0
由质量守恒方程： 0vD 2 (vD u2 ) ∴
v (vD u2 )
2 2 0 D 2 2
2
利用C-J点的性质 p2 p0 dp ( ) S v0 v2 dv ∴
0
k 1
(k 1 t )dt
t2 [(k 1)t ] k 1 2
D
5.4 凝聚炸药爆轰反应机理
按照炸药的化学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。
（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>6000m· s-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，（以后起爆机理介绍）
p 2 p0 dp dp ( ) H .M ( ) S .M v0 v 2 dv dv
2. C-J点是爆轰波雨质组曲线上熵值最小的点，即
ds ) Hu 0 ( dv S Hu S H min
3. C-J点是过该点米海逊线上熵值最大的点。
ds )M 0 ( dv S M S M . max
（4）稳定爆轰传播条件
∵ 由方程可知 ① 爆轰产物的状态应沿着波速线变化（爆轰速度一定） ② 爆轰产物的状态必须在雨果尼奥曲线爆轰段上。 ∴ 波速线上与对应的冲击绝热线应该有相交与相切的情 况。
爆破工程4第五章---岩石中的爆破作用原理
利用岩体爆破的损伤力学方法，目前基本上可以 实现爆破范围的计算机模拟。
该理论在爆破动力问题上，直接采用爆轰冲击荷 载作用于岩壁的状态方程，利用动力有限元方法 计算爆区的应力状态。其实质是认为岩体爆破动 力是爆炸应力波和爆轰气体的膨胀作用，两者相 辅相成，不可或缺。
第二节 冲击载荷的特征和应力波 一、冲击载荷的特征
一、爆轰气体膨胀压力作用破坏论
这派观点是从静力学的观点出发，认为药包爆炸后， 产生大量高温高压的气体，这种气体膨胀时所产生 推力，作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的 径向位移，由于作用力的不等引起的不同的径向位 移，导致在岩石中形成剪切应力，当这种剪切应力 超过岩石的极限抗剪强度时就会引起岩石的破裂， 当爆轰气体的膨胀推力足够大时，还会引起自由面 附近的岩石隆起、鼓开并沿径向方向推出，这派观 点完全否认冲击波的作用。
（一）岩体中冲击波的传播规律
冲击波的初始波峰压力就是爆轰波给予岩 石的最初压力，其值的大小取决于炸药的 性质、岩石的性质和炸药与岩石的耦合情 况。
波阻抗越大的岩石，在炮孔壁上产生的压 力也越大，如表5—1所示。
给予岩石的初始峰压越大，则岩石的变形 也越大，破碎越厉害，消耗能量也越多。 因此，在工程爆破中必须根据工程的要求 来合理地控制岩体中的初始峰压值。
压碎区的半径很小，一般约为药包半径的 2~3倍。破坏范围虽然不大，但破碎程度大， 炸药消耗能量多。
2.破裂区(破坏区) 当冲击波通过压碎区以后，随 着冲击波传播范围的扩大而导致单位面积上的能 流密度降低，压缩波（即压缩应力波），其强度 已低于岩石的动抗压强度，所以不能直接压碎岩 石。但是，它可使压碎区外层的岩石遭到强烈的 径向压缩，使岩石的质点产生径向位移，因而导 致外围岩石层中产生径向扩张和切向拉伸应变， 如图5—10所示。如果这种切向拉伸应变超过了 岩石的动抗拉强度的话，那么在外围的岩石层中 就会产生径向裂隙。这种裂隙以（0.15~0.4）倍 压缩应力波的传播速度向前延伸。当切向拉伸应 力小到低于岩石的动抗拉强度时，裂隙便停止向 前发展。另外在冲击波扩大药室时，压力下降了 的爆轰气体也同时作用在药室四周的岩石上，在 药室四周的岩石中形成一个准静应力场。
该理论在爆破动力问题上，直接采用爆轰冲击荷 载作用于岩壁的状态方程，利用动力有限元方法 计算爆区的应力状态。其实质是认为岩体爆破动 力是爆炸应力波和爆轰气体的膨胀作用，两者相 辅相成，不可或缺。
第二节 冲击载荷的特征和应力波 一、冲击载荷的特征
一、爆轰气体膨胀压力作用破坏论
这派观点是从静力学的观点出发，认为药包爆炸后， 产生大量高温高压的气体，这种气体膨胀时所产生 推力，作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的 径向位移，由于作用力的不等引起的不同的径向位 移，导致在岩石中形成剪切应力，当这种剪切应力 超过岩石的极限抗剪强度时就会引起岩石的破裂， 当爆轰气体的膨胀推力足够大时，还会引起自由面 附近的岩石隆起、鼓开并沿径向方向推出，这派观 点完全否认冲击波的作用。
（一）岩体中冲击波的传播规律
冲击波的初始波峰压力就是爆轰波给予岩 石的最初压力，其值的大小取决于炸药的 性质、岩石的性质和炸药与岩石的耦合情 况。
波阻抗越大的岩石，在炮孔壁上产生的压 力也越大，如表5—1所示。
给予岩石的初始峰压越大，则岩石的变形 也越大，破碎越厉害，消耗能量也越多。 因此，在工程爆破中必须根据工程的要求 来合理地控制岩体中的初始峰压值。
压碎区的半径很小，一般约为药包半径的 2~3倍。破坏范围虽然不大，但破碎程度大， 炸药消耗能量多。
2.破裂区(破坏区) 当冲击波通过压碎区以后，随 着冲击波传播范围的扩大而导致单位面积上的能 流密度降低，压缩波（即压缩应力波），其强度 已低于岩石的动抗压强度，所以不能直接压碎岩 石。但是，它可使压碎区外层的岩石遭到强烈的 径向压缩，使岩石的质点产生径向位移，因而导 致外围岩石层中产生径向扩张和切向拉伸应变， 如图5—10所示。如果这种切向拉伸应变超过了 岩石的动抗拉强度的话，那么在外围的岩石层中 就会产生径向裂隙。这种裂隙以（0.15~0.4）倍 压缩应力波的传播速度向前延伸。当切向拉伸应 力小到低于岩石的动抗拉强度时，裂隙便停止向 前发展。另外在冲击波扩大药室时，压力下降了 的爆轰气体也同时作用在药室四周的岩石上，在 药室四周的岩石中形成一个准静应力场。
爆燃、爆轰与爆炸
爆燃、爆轰与爆炸
目前，很多安全工程技术中的概念并没有统一，这里只是一种解释。
一、燃烧过程可以产生爆炸，燃烧导致的爆炸可以按照燃烧速度分为两类：
1 爆炸性混合气体的火焰波以低于声速传播的燃烧过程称为爆燃;
2 爆炸性混合气体的火焰波在管道内以高于声速传播的燃烧过程称为爆轰。
(注：声速的绝对数值取决于介质，例如空气中的声速和氢气中的声速当然是不一样的。
)
二、爆炸可以是化学爆炸(例如由燃烧产生)和物理爆炸(例如快速蒸发引起
的爆炸)，但是它的共同物理本质就是压力骤变形成压缩波，按照爆炸传播速度
分为三类：
1 轻爆爆炸传播速度数量级0.1~10m/s;
2 爆炸(狭义) 爆炸传播速度数量级10~1000m/s;
3 爆轰爆炸传播速度大于1000m/s。
这里的“爆轰”定义包涵了燃烧过程中的爆轰。
第五章 炸药爆炸的基本理论
在炸药爆炸反应的过程中，碳、氢元素氧化 所需的氧元素由炸药 本身提供。
氧平衡：炸药内含氧量与可燃元素充分氧化所 需氧量之间的关系。氧平衡用每克炸药中剩 余或不足氧量的克数或百分数表示。
氧系数：指炸药中含氧量与可燃元素充分氧化 所需氧量之比，用它也可以表示氧平衡的关 系。
氧平衡计算
对单体炸药：
假设炸药的通式为 CaHbNcOd ，则单质炸药的
例阿梅托的氧平衡计算
阿梅托
TNT 50% NH4NO3 50%
TNT的摩尔数为 500/227=2.2 1kg
NH4NO3的摩尔数为500/80=6.25
①1kg阿梅托组成为 2.2(C7H5N3O6)+ 6.25(C0H4N2O3) =C15.4H36N19.1O31.95
d (2a b)
炸药上述三种化学变化的形式，在一定条件 下，都是能够相互转化的：缓慢分解可发展为燃 烧、爆炸；反之，爆炸也可转化为燃烧、缓慢分 解。
研究炸药化学变化形式，就是为了控制外界 条件，使炸药的化学变化符合我们的需要。
氧平衡
炸药的爆炸是一个化学反应的过程，或者从 本质上说是一个氧化的过程，即炸药中氧对碳、 氢等元素氧化，使之成为较稳定的氧化物。
定义：单位质量炸药在定容条件下爆炸所释放的热
量称为爆热，其单位是kJ／kg或kJ／mol。 爆热的计算： 生成热：由元素生成1kg或lmol化合物所放出（或吸
收）的热量叫做该化合物的生成热。 盖斯定律：盖斯定律认为，化学反应的热效应同反
应进行的途径无关，当热力过程一定时，热效应只 取决于反应的初态和终态。
被完全氧化； • 硫被氧化为二氧化硫； • 氯首先与金属作用，再与氢生成HCl。
影响有毒气体生成量的因素：
氧平衡：炸药内含氧量与可燃元素充分氧化所 需氧量之间的关系。氧平衡用每克炸药中剩 余或不足氧量的克数或百分数表示。
氧系数：指炸药中含氧量与可燃元素充分氧化 所需氧量之比，用它也可以表示氧平衡的关 系。
氧平衡计算
对单体炸药：
假设炸药的通式为 CaHbNcOd ，则单质炸药的
例阿梅托的氧平衡计算
阿梅托
TNT 50% NH4NO3 50%
TNT的摩尔数为 500/227=2.2 1kg
NH4NO3的摩尔数为500/80=6.25
①1kg阿梅托组成为 2.2(C7H5N3O6)+ 6.25(C0H4N2O3) =C15.4H36N19.1O31.95
d (2a b)
炸药上述三种化学变化的形式，在一定条件 下，都是能够相互转化的：缓慢分解可发展为燃 烧、爆炸；反之，爆炸也可转化为燃烧、缓慢分 解。
研究炸药化学变化形式，就是为了控制外界 条件，使炸药的化学变化符合我们的需要。
氧平衡
炸药的爆炸是一个化学反应的过程，或者从 本质上说是一个氧化的过程，即炸药中氧对碳、 氢等元素氧化，使之成为较稳定的氧化物。
定义：单位质量炸药在定容条件下爆炸所释放的热
量称为爆热，其单位是kJ／kg或kJ／mol。 爆热的计算： 生成热：由元素生成1kg或lmol化合物所放出（或吸
收）的热量叫做该化合物的生成热。 盖斯定律：盖斯定律认为，化学反应的热效应同反
应进行的途径无关，当热力过程一定时，热效应只 取决于反应的初态和终态。
被完全氧化； • 硫被氧化为二氧化硫； • 氯首先与金属作用，再与氢生成HCl。
影响有毒气体生成量的因素：
3.3炸药的爆轰理论
炸药径向间隙效应
视频1 视频2
可采取选用爆速大的炸药和大直径药 卷及坚固外壳等措施，实现稳定爆轰。
视频1
视频2
七、爆速的测定方法
炸药的爆速是衡量炸药爆炸性能的重 要标志量，也是目前可以比较准确测定的 一个爆轰参数。
测量方法 （1）导爆索法 （2）电测法 （3）高速摄影法
视频1 视频2
l
h
导爆索法测爆速
一、冲击波的基本概念
1、压缩波基本概念
P P
P1
P0 x
均 匀 区
扰 动 区
未扰 动区
P0 x
视频1
视频2
在无限长气筒活塞右侧充满压力为P0 的气体，当活塞在F力的作用下向右运动 时，活塞右侧气体存在三个区域： 压力为P1的均匀区 压力介于P1与P0之间的扰动区 压力仍为P0的未扰动区
视频1
视频2
视频1 视频2
2
1 0
使介质运动的力是波阵面两边的压力差 PH P0 在单位时间内流进波阵面的介质质量为 0 ( D u0 ) 其速度的变化为 ( D u 0 ) ( D u H ) u H u 0 根据动量守恒定律有：
PH P0 0 ( D u 0 )( u H u 0 )
已反应的药包
视频1 视频2
未反应的药包
1)炸药达到稳定爆轰前有 一个不稳定的爆炸区。
2)在特定的条件下，每种 炸药都会有一个不变的炸 药特征爆速Di。 3) 每种炸药都存在一个最 小的临界爆速Dc。波速低 于Dc后，冲击波将衰减为 音波而导致爆轰熄灭。
炸药包在冲击波激发下的爆轰过程
视频1 视频2
（2）爆轰波模型
H ( D u H )[ E H
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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。
12
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）
16
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）
17
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。
不明显了。
14
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
15
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。
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。
（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 % 4.762n0 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
24
5.2.2爆炸浓度极限的计算
【例】 C3H8+5O2——3CO2+4H2O
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。
4
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 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。
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
21
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
13
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
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。
6
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。
18
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。
19
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。
20
7
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。
10
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。
11
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
（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
Lmin 100 % 4.762n0 1 1
100 % 2.28% （实测值为2.1%） 4.7610 1 1
Lmax
400 % 9.52n0 4
（实测值为9.5%） 400 % 7.75% 9.52 5 4
25
5.2.2爆炸浓度极限的计算
第5章 气体爆轰理论
1
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
12
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）
16
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。
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。
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。
（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 % 4.762n0 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
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。
4
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 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。
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
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5.2.2 爆炸浓度极限的计算
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5.2.2爆炸浓度极限的计算
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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
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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5.2.1 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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7
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
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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
（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
Lmin 100 % 4.762n0 1 1
100 % 2.28% （实测值为2.1%） 4.7610 1 1
Lmax
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
第5章 气体爆轰理论
1
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