爆轰概念和应用
爆轰波
(5)
在P-V平面上,这是一个点斜式的直线方程。表示通过点 A(P0 ,V0 )
( D u0 ) 2 ,斜率为 tg tg (180 ) tg 的直线。 2 V0 ------爆轰波波速线（爆速线）(Miechelson线或 Rayleigh线)
2015年11月20日星期五
2
1 若令 ，则有： 1 2 2 4 2 (P P )( V V ) ( 1 ) P V 2 QV 1 0 1 0 0 0
2015年11月20日星期五
P1V1 P0V0 1 ( P1 P0 )(V0 V1 ) Q 1 1 2
e1 ( P 0 ,V0 , 0) e( P 0 ,V0 ) Q 1 , V1 , 1)(3)式可写为:
e1 ( P1 , V1 ) e0 ( P0 , V0 ) 1 ( P1 P0 )(V0 V1 ) Q 2
2 2 1 1 TdS PdV ( V V ) dP ( P P0 )dV 0 从而有： 2 2
即： 2TdS (V0 V )dP ( P P0 )dV P P0 2T dS dP ( )曲线2＝ ( )曲线2 V0 V dV V0 V dV
(9)
2015年11月20日星期五 第 17 页
D u1 C1
那么什么叫C-J条件呢？
ⅰ) Chapman提出的稳定爆轰传播条件：
P1 P0 dP ( )曲线2＝ dV V0 V1
（8）
实际爆轰对应于所有可能稳定传播的爆轰中速度最小的爆轰。
ⅱ) Jouguet提出的条件为：
D u1 C1
2015年11月20日星期五 第 3页
炸药化学反应的基本形式
炸药化学反应的基本形式
炸药是在一定的外界能量作用下，能发生快速化学反应，生成大量的热和气体产物，对周围介质产生强烈的机械作用并显示爆炸效应的化合物或混合物。
炸药爆炸的基本形式主要有以下几种：
1. 热分解：炸药在受热作用下发生分解反应，产生热量和气体。
这种反应通常是缓慢的，只有在较高的温度下才会加速。
2. 燃烧：炸药在有氧存在的条件下发生燃烧反应，产生大量的热量和气体。
这种反应通常是快速的，并且可以产生很高的压力。
3. 爆轰：炸药在极高的压力和温度下发生爆轰反应，产生极高的压力和温度，并释放出大量的能量。
这种反应通常是瞬间发生的，并且可以产生非常强烈的爆炸效应。
需要注意的是，炸药的爆炸过程非常复杂，涉及到许多因素，如炸药的种类、密度、纯度、起爆方式等。
不同的炸药在爆炸过程中可能会表现出不同的特性和反应形式。
同时，炸药的爆炸过程也会对周围环境产生很大的影响，因此在炸药的生产、运输、储存和使用过程中需要严格遵守相关的安全规定和操作规程，以确保人身安全和社会稳定。
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。
爆破基础知识1
1 爆炸和炸药的基本知识1．基本概念1． 1 爆炸及其分类何谓爆炸：爆炸是某一物质系统瞬间释放出巨大能量的物理和化学变化的过程，在这个过程中产生大量的高压、高温气体，伴随有冲击波、热、光‘声、电磁等效应。
爆炸分类:（1）物理爆炸：系统物质形态发生变化而物质组成和性质不发生变化的爆炸现象，如锅炉爆炸等（2）化学爆炸：系统物质形态、物质组成和性质都发生变化的爆炸现象,如炸药爆炸，这是本章的重点.（3）核爆炸：原子弹、氢弹，都是利用化学元素U235的裂变和氘、氚、锂等聚变发生的爆炸现象1．2 产生化学爆炸的条件：（1）变化过程必须是放热反应，这是发生爆炸的首要条件，但不是说放热反应就能发生爆炸。
ZnC2O4=Zn+2CO2-205。
4kj (吸热反应,不能发生爆炸)CuC2O4=Cu+2CO2+23.86kj （小量的热,不足以发生爆炸)AgC2O4=2Ag+2CO2+55。
2kj （放出大量的热,有产生爆炸的条件）(2)变化过程必须是高速的,也就是要求释放能量快，即单位时间内传播的能量大,这是发生爆炸的重要条件.如煤的放热反应,每kg 释放能量为8960kj，而TNT炸药的爆炸反应，每kg释放能量4187k，而1kg煤的放热反应时间需要半小时,TNT炸药的爆炸反应只需要10—6秒.因此，虽然发热量煤是TNT的两倍，但单位时间内放出的能量TNT却是煤的几千万倍。
（3）变化过程必须释放出大量的气体,这是发生爆炸的必要条件。
如铝热剂反应：2Al+Fe2O3=AlO3+2Fe+8290kj这是高放热反应，但没有气体发生，也不是爆炸反应。
以上三个是主要条件,缺一不可，否则就不能发生爆炸反应。
1．3 炸药及其分类1．3．1按炸药组成分类:（1）单质炸药：由C、H、O、N四大元素组成的单一结构的化学物质。
如TNT、黑索金等（2）混合炸药：由二种以上成分结构组成的机械混合物。
如硝铵炸药、铵油炸药等。
1．3．2 按用途分类：（1）起爆药：敏感度很高的炸药，如雷汞、迭氮化铅等.（2）炸药：敏感度低、需要较大的起爆能量才能爆炸。
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。
工业炸药--爆炸现象及炸药的基本概念
工业炸药--爆炸现象及炸药的基本概念一、爆炸现象我们日常生活中碰到的爆炸现象，如锅炉爆炸、轮胎爆炸、鞭炮爆炸等，它们的共同特征是：在发生爆炸处，四周压力突然升高，四周物质受到冲击或破坏，同时伴有声、光等效应。
依据爆炸产生的原因及特征，爆炸现象可分为三类：1．物理爆炸其特点是爆炸前后物质的性质及化学成分没有改变(仅发生压力增大等)，如轮胎、锅炉、高压气瓶等爆炸均属物理爆炸。
2．化学爆炸物态变化时发生极迅速的放热化学反应，生成高温、高压产物，由此而引起的爆炸称为化学爆炸，如炸药、沼气、鞭炮等的爆炸。
3．核爆炸某些物质的原子核发生裂变或聚变连锁反应时，瞬间放出庞大能量，如原子弹、氢弹的爆炸。
二、炸药的基本概念(一)炸药爆炸三要素炸药爆炸是化学爆炸的一种，炸药爆炸时应具备三个同时并存相辅相成的条件，称为炸药爆炸三要素。
1．反应过程大量放热放热是化学爆炸反应得以自动高速进行的首要条件，也是炸药爆炸对外作功的动力。
例如，1kg梯恩梯爆炸时能产生1183kcal 的热量；而把1kg大米做成饭却只必须要约5kcal的热量。
2．反应过程极快这是区别于一般化学反应的显著特点，爆炸可在瞬间完成。
例如1kg梯恩梯完全爆炸只必须要十万分之一秒的时间，而lkg 煤能放热2140kcal，比梯恩梯约多一倍，但其反应时间要几十分钟，故煤不具备爆炸条件。
3．生成大量气体一个化学反应，即使具备了前面两个条件，而不具备本条件时，仍不属爆炸。
(二)炸药化学变化的基本形式炸药在外能作用下可能发生三种基本形式的化学反应，即热分解、燃烧和爆炸。
1．热分解炸药在常温下或受热作用时，会发生缓慢的分解并放出热量，这就是热分解。
热分解速度随温度的升高而加快。
所以，在贮存炸药时，堆放不要过密过多，要注意通风，坚持常温，防止炸药因温度过高导致热分解加快而引起的爆炸事故。
2．燃烧炸药在火焰或热作用下可能引起燃烧。
燃烧速度一般比较慢，但当燃烧生成的气体或热量不能及时排出时，可能导致爆炸。
爆轰与爆炸现象的物理机制研究
爆轰与爆炸现象的物理机制研究摘要：爆轰与爆炸是一类复杂而危险的物理现象，在多个领域都有重要的应用。
本论文将对爆轰与爆炸的物理机制进行研究与分析。
首先，将介绍爆轰与爆炸的定义与基本概念，包括爆炸的分类与爆轰的特点。
其次，将讨论爆轰与爆炸的能量释放机制，包括化学能转化为热能，产生高温高压等。
然后，将探讨爆轰与爆炸的传播机制，包括爆炸波的传播与压力波的形成。
最后，将讨论爆轰与爆炸的影响与应用，包括军事爆炸与工业爆炸的应用。
关键词：爆轰，爆炸，物理机制，能量释放，传播机制，应用1. 简介爆轰与爆炸是一类常见而危险的物理现象，其在军事、工业和科学研究等领域都有广泛的应用。
爆炸通常指的是以极快速度放出大量能量的过程，而爆轰则是指在一个密闭空间内，能量释放过程引发的连锁反应。
本论文将对爆轰与爆炸的物理机制进行深入研究与分析。
2. 爆炸的分类与爆轰的特点爆炸可以按照能量释放方式分为化学爆炸、核爆炸、物理爆炸等。
其中，化学爆炸是最常见的一种形式，其能量来源于化学反应。
爆轰是一种密闭空间内的连锁反应，其特点是反应过程引发剧烈能量释放，产生冲击波和大气压力，导致爆炸波的传播。
3. 爆轰与爆炸的能量释放机制爆轰与爆炸的能量主要来自化学反应，当可燃物质与氧化剂接触时，发生放热反应，将化学能转化为热能。
这会导致温度、压力和体积的迅速增加，形成高温高压区域。
同时，能量的释放还会引发周围物质的燃烧，形成火焰，并释放大量的气体。
4. 爆轰与爆炸的传播机制爆轰与爆炸的传播主要是通过爆炸波和压力波的形成进行的。
爆炸波是指由爆炸产生的高温高压区域形成的冲击波，其传播速度非常快，可以达到音速以上。
压力波是爆炸后的气体体积迅速扩大造成的压力变化，也会导致周围气体和物体的振动和移动。
5. 爆轰与爆炸的影响与应用爆轰与爆炸对周围环境和物体造成的影响非常巨大，其能量释放和传播的特性使其在军事与工业领域有广泛的应用。
例如，爆炸可以用于构建炸弹和火箭等武器，也可以用于岩石开采和建筑拆除等工业应用。
爆炸力学讲义
爆炸力学讲义1. 引言爆炸力学是研究爆炸过程中能量释放、物体运动和损伤效应的学科。
它涉及多个领域，如物理学、化学、工程力学等，对于爆炸事故的预防和安全防护具有重要意义。
本讲义将全面介绍爆炸力学的基本概念、原理和应用。
2. 爆炸的定义与分类爆炸是指物质在极短时间内迅速释放大量能量，并引起剧烈的声、光和冲击波等现象。
根据爆炸产生的能量形式，可将其分为化学爆炸、核爆炸和物理爆轰三类。
2.1 化学爆炸化学爆炸是指由于化学反应放出大量能量而引起的爆炸现象。
常见的化学爆炸包括火药、TNT等。
其产生过程可分为初期点火阶段、中期传播阶段和末期消耗阶段。
2.2 核爆炸核爆炸是指由核裂变或核聚变引起的爆炸现象。
核爆炸释放的能量远远超过化学爆炸，具有极强的杀伤力和破坏力。
核爆炸可分为空中爆炸、地下爆炸和水下爆炸等形式。
2.3 物理爆轰物理爆轰是指由于物体在高速运动过程中受到外界冲击而引起的爆炸现象。
常见的物理爆轰包括汽车碰撞、航空事故等。
物理爆轰产生的能量主要来自于动能转化。
3. 爆炸力学基本原理3.1 爆炸波传播在化学爆炸中，当点火源引发反应后，会形成一个高温高压气体区域，并产生冲击波和火焰。
冲击波以超音速传播，将周围气体压缩并造成巨大冲击力。
3.2 爆炸反应化学爆炸反应分为自维持链式反应和非自维持链式反应两类。
自维持链式反应是指反应中生成的活性物质可以继续引发反应，形成链式反应过程。
非自维持链式反应则不具备这种特性。
3.3 爆炸损伤效应爆炸产生的冲击波、火焰和飞溅物等会对周围物体造成损伤。
冲击波能够引起结构物体的位移和破坏，火焰可以引发火灾，飞溅物可以造成伤害。
4. 爆炸力学的应用4.1 军事领域爆炸力学在军事领域具有重要意义。
它被用于开发新型武器、改进装甲材料、设计防护措施等。
同时，爆炸力学也被用于模拟战争场景和评估武器系统性能。
4.2 工程领域爆炸力学在工程领域中广泛应用于建筑物抗震设计、爆破拆除工程、隧道工程等。
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34
爆轰冲击波动力学
（Detonation Shock Dynamics, DSD ）
J.Bdzil 导出的DSD方程
B Dn ,
t
s
s
B
S
0 s Dnds
这是Burgers型的一维输运方程， φ 是波阵面形状函数，系数 B 为
沿波阵面的横波速度, 是输运项。 Be (t—) —因边点处阵面法向与边 界不一致引起的弧长变化率, 反映了横波影响。S :沿阵面的弧长。
DSD 方法的关键问题之一 ——波阵面的边界条件
由声速条件导出边点处波阵面方向与边界的夹角 应满足
c2
q2
Dne
1
1
D* Dne
2
1 1
1
D* Dne
2
tan2
35
爆轰冲击波动力学 （续）
（Detonation Shock Dynamics, DSD ）
Bdzil 理论的图示
5
爆轰研究内容
爆轰的引发
（炸药起爆 机理、爆轰 的建立）
爆轰模型, 爆轰波传播 及相互作用
爆轰的效应 （炸药爆轰 性能、爆轰 产物作功）
爆轰产物 雷管
炸药
弹壳
6
爆轰物理研究内容的细节
7
冲击动力学研究内容
8
爆轰模型
CJ模型 (Chapman-Jouget)
ZND模型 (Zel’dovichNeumann-Döling)
29
直径效应
（Eyring 和 Campbell 等的实验工作）
D 1 A
DJ
d df
D /km/s
A, d f 为拟合系数
30
钝感炸药(JB-9014)直径效应研究
实验装置
不同直径样品 实验光测端面波形
31
JB-9014炸药低温直径效应 实验光测波形
实验布局
d=9.96 mm
d=12.46 mm
C :
dr u c dt
沿着特征方向，基本方程组即特征关系的形式是
C :
1 dp du R p Nuc
c dt dt c e,v r
14
Riemann不变量
在平面（N＝0）、无反应（＝const.)流动中，
特征关系右部为零，得到分别在两个特征曲线上守常的 两个不变量α、β，称为Riemann不变量：
4
爆炸和爆轰
爆炸（Explosion)
在极短时间内，物质或系统的能量从一种形式向另一种或几种 形式剧烈转化，并伴有强烈机械效应的过程。含能材料爆炸是 化学能向机械能、热能等的剧烈转化，爆炸时生成大量高温高 压气体产物，急剧膨胀并对周围介质作功。
爆轰 (Detonation)
进程最快速、效应最强烈的一种炸药释能形式，其反应区推进 速度大于未反应物质中的声速。
36
广义几何光学模型
（Generalized Geometric Optics, GGO）
Huygens原理的修正：非均匀各向同性介质，小波包传 播的当地速度 Dn (x, y, z) 是按曲率效应关系，由波阵面 的当地曲率 κ 确定的。因此，可用几何方法计算各时刻 的波阵面形状，得到比较简单的计算编码。
r (u c)t f ( ), const.
或者
r (u c)t g( ), const.
γ ＝ 3 的通解对应于互不影响的两族直特征线，简单波对 应于一族直特征线。
16
特征线和简单波的理论应用
一维不定常流动的特征线数值方法 特征关系式的数值计算 二维定常可压缩流动的简单波理论 一维简单波理论在爆轰解析研究中的应用
爆轰波阵面紧跟着一个以起爆点为原点的右行 中心稀疏波
r (u c), u 2c const.
t
1
t
活塞迹线
有驱动活塞的情形
后向飞散沿
中心稀疏波
强爆轰波的产生
爆轰波阵面
o
r
25
柱、球面对称CJ爆轰波的传播
● 自相似流动的相平面分析 ● 散心爆轰波……
拟简单波 ● 聚心爆轰波的分析
2 2 1) (3 )
4
d d
N ( 1)
2 2
2DJ (3 ) ( 1)
4
N = 0、1、2 分别对应于平面、柱和球对称流动情况；
自相似坐标（自变量）：
r DJ t
符合自相似流动的条件——确定定解问题的量纲独立的 物理常数不超过两个，例如散心爆轰波、点爆炸波等
23
泰勒波（Taylor wave)
10
兰金-雨贡纽关系 (Rankine-Hugoniot)
上、下游两个控制面之间应满足的力学守恒关系 （质量、动量和能量守恒）
0 (D u0 ) 1(D u1)
p0 0 (D u0 )2 p1 1(D u1)2
E0 p0
0
1 2
(D
u0 )2
E1
p1
1
1 2
(
D
u1
)
下面将记比容v为密度 的倒数 v 1
e1
e0
p1v1
1
p0 v 0
1
1 2
( p1
p0 )(v0
v1 )
Q
12
一维不定常流体动力学基础
（等熵流动基本方程组）
Euler坐标系，几何指数 N = 0,1,2 分别表示平面、柱面和球面情形
d u Nu
d t r
r
du v p 0 d t r
de p dv 0 d t dt
爆炸与冲击动力学高级研修班
爆轰
——概念和应用
DETONATION
CONCEPTS & APPLICATIONS
孙承纬
中国工程物理研究院流体物理研究所 上海激光等离子体研究所 2015.07.13-17
讲座提纲
( THE OUTLINE OF LECTURE )
爆轰的基本概念和理论基础 爆轰传播和相互作用 爆轰驱动及其应用 爆轰的数值模拟，产物物态方程，炸药反应速率 炸药的起爆和安全研究 爆轰学科研究和应用技术的发展
平面爆轰波后完全爆轰产物等熵流动（N＝0）的解析解
u 2 r DJ , c 1 r DJ
1 t 1
1 t 1
u, c c
起爆面后方自由情形，
飞散产物的逃逸速度为 o
DJ ( 1)
DJ ( 1)
起爆面后方存在活塞的情形，
流场分为稀疏波区和均匀区
u r
DJ
24
泰勒波的简单波表示
INTERACTIONS
爆轰传播和相互作用研究
研究炸药或爆炸物系统中爆轰波建立之后， 爆轰波阵面及反应区的运动规律； 反应区后方爆轰产物的流场分布； 爆轰波及反应区的结构和稳定性； 爆轰波之间、爆轰波与惰性介质之间的
相互作用；
21
爆轰传播和相互作用（提纲）
一维CJ爆轰波的传播，Taylor波 柱、球面对称CJ爆轰波的传播 二维CJ爆轰波的传播——几何光学类比，
炸药平面波发生器的设计 曲面爆轰波的传播，直径效应和曲率效应 爆轰冲击波动力学(DSD)，广义几何光学模型 DSD用于二维爆轰传播、起爆和传爆问题的算例 爆轰传播研究的等位面(LS)方法
22
一维CJ爆轰波的传播
用Riemann不变量、 表示的一维自相似流动方程组：
d d
N ( 1)
2DJ (
u
dp
c
u
2c
1
u
dp
c
u
2c
1
上式后面的形式是等熵指数为 γ 的完全气体的情形
15
简单波
根据特征关系，得到 γ＝3 时基本方程组的通解：
r t f ( )
r t g( )
任意函数 f 和 g 应根据问题的初始条件和边界条件确定；
一般 γ 的情形，基本方程组有两种特解，分别对应于 Riemann不变量α 或β 等于常数的情形，称之为 右行或左 行的简单波：
B.W.Asay: Non-Shock Initiation of Explosives， Springer-Verlag , 2008
3
爆轰的基本概念和理论基础（提纲）
爆轰模型，CJ 和 ZND 模型 Rankine-Hugoniot 关系，Rayleigh 线和
Hugoniot线 一维不定常流体动力学基础，等熵流动方程组 炸药和爆轰产物的物性 特征线，Riemann 不变量，简单波 中心稀疏波
2
参考书目
李维新：一维不定常流与冲击波， 国防工业出版社， 2003 孙承纬，卫玉章，周之奎：应用爆轰物理，国防工业出版社，2000
(俄)Л.П.奥尔连科等著，孙承纬译： 爆炸物理学（上，下） 科学出版社，2011
J. BOILEAU： APPROCHES MICROSCOPIQUE ET MACROSCOPIQUE DES DETONATIONS. J. Phys. Colloques 48 (1987) C4-99-C4-104
t
1
o
r
18
压力气体的自由出流
稀疏波头到达固壁之前， 左行稀疏波流动
r l u c, const.
t
稀疏波从固壁反射后， 两波相互作用流场， γ＝3 情形有简单形式的解 （镜像反射法）
t
-l
o
r l
p, c
压力气体
19
爆轰传播和相互作用
DETONATION PROPAGATION ＆
爆轰波阵面的发展方程
a2 DJ 2 D(2)
t
2
两步反应模型确定爆轰波阵面的边界角。
37
二维爆轰波阵面形状变化的计算
（“洋葱皮”实验）