可燃气体粉尘爆炸特性实验装置

§第二节 炸药的爆轰理论
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
§第二节 炸药的爆轰理论
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：
P
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
1、形成“燃气活塞”； 2、产生系列压缩波；
3、形成激波；
4、正常火焰传播与激波合二为一，产生爆轰。
二、爆轰形成条件
（一）初始正常火焰传播能形成压缩扰动；
（二）管道足够长或容器空间足够大； 爆轰前期距离：管道中的可燃混气从开始燃烧 到发生爆轰之间的距离。 （三）可燃气浓度处于爆轰极限浓度范围内；
（四）管道直径大于爆轰临界直径。
2
18.05 14.13 14.39
3583 2620 2685
(2H2+O2)+5N
1850
1822
三、爆轰波波速和压力 （一）爆轰波波速
3、混气性质对爆轰波的影响 密度 混合比
爆轰波波速（m/s）
成反比
3000 2500 1500 1000
3.6 20
40
60
80 92 100 C2H2%
乙炔-氧气爆轰波波速
三、爆轰波波速和压力 （一）爆轰波波速
2、计算
瑞利方程 PP P 2 2 2 2 m 2 ρ u ρP uP 1/ρP 1/ρ
混合物
P2(105Pa)
T2(K)
U1(m/s) 计算 值 2806 1732 实验 值 2819 1700
2H2+O2 (2H2+O2)+5O
Pu P0u0 1 2 E E0 (u 2 u0 ) (5) 2 0 ( D u )
• 冲击绝热方程
在u0=0的条件下，并将李曼方程式（1）和式（2）代入(5)得： 1 E E0 ( p p0 )(V0 V ) (6) 2
p ( K 1) ( K 1) 0 (6' ) 理想气体冲击绝热方程： p0 ( K 1) 0 ( K 1) pV ( K 1) p ( K 1) p0 变换形式 E (6' ' ) K 1 ( K 1) p ( K 1) p
6爆炸极限测量装置
7摩擦敏感度测量装置
8撞击感度测量装置
爆轰
一、爆轰的发生
激波：弱压缩波在传播过程中叠加形成的、使 介质状态参数突跃变化的强压缩波。
横 波
纵 波
一、爆轰的发生 （一）激波的产生
O B B A A
压力P 密度ρ
O
温度T
a1
KRT1 MS
a2
KR(T1 ΔT) MS
临界直径：管道中的可燃混气能形成爆轰的管 道的最小直径。
实验室图片
三、爆轰波波速和压力 （一）爆轰波波速
1、精确测量 混合物 2H2+O2 2CO+O2 CH4+2O2 CH4+1.5O2+2.5N2 C2H6+3.5O2 C2H4+3O2 C2H4+2O2+8N2 C2H2+1.5O2 U0(m/s) 2821 1264 2146 1880 2363 2209 1743 2716
三、爆轰波波速和压力 （二）爆轰波压力 拐弯处压力成倍增加
四、爆轰波破坏特点
（一）爆轰波波速快，可能使常用的防爆泄 压装置失效； （二）爆轰波波压大，碰到器壁时会产生反 射增压现象；
（三）爆轰波对生物具有杀伤作用；
（四）爆轰波体现为动压冲击作用。
§第二节 炸药的爆轰理论 自19世纪末期以来，炸药和起爆器材有了很 大的发展和完善，有关传爆过程的理论研究也 出现了许多学说，其中比较接近生产实际的是 建立在以流体动力学为基础的爆轰理论。 流体动力学爆轰理论的基本观点： • 炸药的爆轰是冲击波在炸药中传播而引起的； • 炸药在冲击波作用下的快速化学反应所释放出 的能量支持了冲击波的传播，使其波速保持恒 定而不衰减； • 爆轰参数是以流体动力学为基础计算的。
P
x
一、爆轰的发生 （一）激波的产生
O B B A A
压力P 密度ρ
O
温度T
a1
KRT1 MS
a2
KR(T1 ΔT) MS
一、爆轰的发生 （一）激波的产生
激波的产生过程 1、活塞由静止向右运动；
2、活塞前气体被压缩，压力增高，产生拢动， 向前传播；
3、第一道波的传播速度 4、第二道波的传播速度
0 (D u0 )(u u0 )
在u0=0的条件下，上式可简化为： p p0
0 Du
（2）
• 李曼方程
由式（1）和式（2）联立求解，并利用ρ＝1/V（V为比容）(3) V0 V
p p0 u (V0 V ) (4) V0 V
T p ( K 1) p0 ( K 1) p T0 p0 ( K 1) p ( K 1) p0
爆轰波 冲击波 压缩波 波
波的基本概念
• 扰动：在外界作用下，介质局部的平衡状态到 不平衡状态的变化称为扰动。 • 波：扰动在介质中的传播称为波。 • 质点速度：由于扰动而引起介质质点的速度。 • 纵波(P波)：在扰动过程中，介质质点运动速 度与波的传播方向一致的波。 • 横波(S波)：在扰动过程中，介质质点运动速 度与波的传播方向垂直的波。 • 音波 音波是介质中传播的弱扰动纵波，其传播 速度称为音速，音波是介质质点在其平衡位置 上做往复式弹性震动所形成的。
§第二节 炸药的爆轰理论
（4）波阵面 介质中已受扰动区和未受扰动区 P P 的界面。
1
（5）波速
均 匀 扰 区区
动
波阵面
未扰 动区
P0 x
扰动波沿介质传播的速度，也 就是波阵面的传播速度。
§第二节炸药的爆轰理论
2、冲击波 （1）冲击波的形成
如图（下页），当时间为t1时，气筒中气体 状态如前所述，当活塞的运动足够快，大于气体 的音速c时，因气体中的音速c与其压力P成正比， 扰动区内左侧部分音速c高于右侧部分。
• 19世纪末，法国化学家P.维埃耶为研究矿井中的爆炸，制 成第一根激波管,并成功地做了实验。1946年,美国的W.布 利克尼在研究报告中首先使用“激波管”这个名称。激波 管早期主要应用于燃烧、爆炸和非定常波运动的研究以及 压力传感器的标定等。1950年以来，由于研制洲际导弹和 核武器的需要，激波管得到了蓬勃发展。激波管结构简单, 使用方便而且价格低廉,能提供范围宽广的实验参量,因此 得到广泛的应用。例如,在空气动力学、气体物理学、化 学动力学和航空声学的研究中都广泛地使用激波管。近来， 激波管又开始在气体激光、环境科学和能源科学的研究中 发挥作用。为满足导弹、核武器等的发展需要，研制出了 多种多样的激波管，并产生了诸如激波风洞等多种新型实 验装置。
3最小点火能测量装置
4最小点火温度测量装置
5激波管 实验室中产生激波以达到迅速升至高温的装置。该装置 分为两部分，对化学反应为惰性的高压传动气体及装有反 应气体的低压部分，两部分间由金属薄膜或其他材料的膜 隔开。当用适当的控制针把薄膜刺破，由于高压气体的膨 胀，并以1～10马赫的速度向低压传播，低压气体被绝热 压缩，在波阵面上产生高温(1000～10000K)。这种对介 质施加的压力变化，就会引发密度、温度急剧增大和以超 声速传播的不连续面，即激波。当在激波管的不同部位设 置监测装置，即可测量不同时间的反应物或中间物、产物 的浓度，以研究高温反应。激波管法可看成单脉冲的弛豫 法。因其升温速率非常快，约1ns，又不需要特殊的热源， 初温和高温间可产生任意所需温度的激波，适于研究气相 高温快速反应。这一技术已在研究中受到重视，如燃烧反 应之研究。
• 质量守恒方程
在波稳定传播的条件下，单位时间内从波面右 侧流入的介质量等于从左侧流出的量。即 0 ( D u0 ) ( D u)
在u0=0的条件下，上式可简化为： 0 D ( D u) （1）
• 动量守恒方程
冲击波传播过程中，单位时间内作用于介质的冲量等于其动量的改 变。即 p p0
一、可燃气体粉尘爆炸特性实验装置
1 哈特曼管
粉尘云最小着火能量测定方法
GB／T 16428—1996 功能 可测最小点火能 最低爆炸浓度（粉尘爆炸下限） 爆炸压力和压力上升速度
20L爆炸球实验装置
功能： 1、空气中可燃气体爆炸指数（包括气体最大爆 炸压力、气体最大压力上升速率） 2、空气中可燃气体爆炸极限（包括爆炸下限、 爆炸上限） 3、粉尘云最大爆炸压力、最大压力上升速率 4、粉尘云爆炸下限浓度
压缩波与稀疏波
受扰动后波阵面上介质的压力、密度等状态 参数升高的波称为压缩波。可见，当介质中有压 缩波传播时，将引起介质压力P,密度ρ 等状态参 数增大，介质运动的方向与波的传播方向相同。
受扰动后波阵面上介质的压力、密度等状态 参数下降的波称为膨胀波（稀疏波），它是一种 弱扰动波。膨胀波传播所引起的介质状态变化是 连续的，任意两个相邻截面的介质状态参数都差 一个无穷小量，并且介质运动的方向与波传播方 向相反。
当t2至t3，从t3至t4，扰动区渐渐缩小，直至 消失。在t4情况下均匀区与未扰动区直接接触， 形成了冲击波。
§第二节 炸药的爆轰理论
P
t1
t2
t3
t4
P0
t1 t2 t3 t4
F
§第二节 炸药的爆轰理论
（2）定义 冲击波是炸药爆炸后在介质中产生的 传播速度高于介质声速的一种压缩波，其 波阵面有陡峭的前沿，介质压力在波阵面 发生突跃上升。 经长距离传播后，压力上升逐渐趋于 平缓或下降，冲击波最终将衰减成声波。