爆炸近区空气冲击波规则反射和非规则反射_周丰峻
爆炸空气冲击波在巷道转弯处的传播特性
3收稿日期:20070330作者简介:王云艳,工程师,本科,从事机械设计、安全工程研究。
文章编号:100926094(2007)0320105202爆炸空气冲击波在巷道转弯处的传播特性3王云艳,覃 彬,张 奇(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081)摘 要:为了探索爆炸空气冲击波在巷道内的传播规律,进行了数值计算和理论分析,讨论了爆炸冲击波通过45°弯曲巷道后的压力变化过程。
研究结果表明:爆炸空气冲击波通过45°弯曲巷道后的压力分布复杂,空气冲击波逐渐恢复为平面波需经过4倍等效巷道直径的距离传播。
在该4倍等效距离内,冲击波反射叠加,在巷道外侧壁面M ach 反射点取得超压最大值,恢复平面波以后超压随距离呈单调衰减。
关键词:安全工程;空气冲击波;爆炸;传播规律中图分类号:O35415 文献标识码:A0 引 言空气冲击波在巷道内的传播特征是研究地下爆炸灾害机理和预防地下爆炸事故的基础。
杨国刚等[1]进行了管内乙炔和空气混合气体爆炸实验,并建立了描述管内气云爆炸的理论模型,采用SI MP LE 算法进行了数值计算,计算结果与实验大致吻合。
杨科之等[2]利用三维数值模拟计算程序,对长坑道中的化爆流场进行了数值计算,归纳出空气冲击波沿坑道方向的传播规律,计算结果与试验结果符合较好,经验公式值得推广。
王来等[3]通过试验研究,得到了空气冲击波在直角拐弯通道中传播的衰减系数,同时,应用流体网格法进行了数值模拟,但结果还不够完整、全面。
庞伟宾等[4]通过实验研究建立了可以对高能炸药在坑道内爆炸的空气冲击波到时进行预计的公式。
该公式适用于爆点在固定横截面的直通道口外、口内及口部处爆炸的情况。
利用该公式可以求出空气冲击波在坑道中传播速度的变化。
本文通过数值计算,研究爆炸冲击波在45°巷道转弯处的传播过程,为井下爆炸灾害事故的预防、控制提供理论依据。
1 爆炸空气冲击波在直巷道内的传播规律111 计算模型和参数爆炸空气冲击波通过转弯处由原来的平面波经复杂的反射后压力重新分布,再经一段距离的传播逐渐恢复平面波。
第2章 冲击波导论
……(14)
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2.2.3方程组的特征线及一般解
沿着C－特征线
dx ……(15) dt u c d u 2 c 0或u 2 c I 常数 dt k 1 k 1
0 c c u 0 d
A0为活塞的截面积。
……（2）
11
2.1 波的基本概念
动量守恒（Conservation of Momentum ）：气体受
到扰动后的动量等于作用在其上面的冲量。 x x1 A0 0 d u p0 dp p0 A0 t1
17
2.1 波的基本概念
在一个连续的，缓慢的压缩过程中，每一小步的压缩 都是一种等熵变化，但由于每经一步压缩后气体的温
度都要上升，气体的声速必将上升，这样下一步的压
缩波的波速逐渐增加，一旦集中起来，状态参数的变 化将不再连续，就会发生突跃，弱扰动变成强扰动。
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2.1 波的基本概念
由于稀疏波的膨胀飞散是按顺序连续进行的，所以稀 疏波传播中介质的状态变化是连续的，如图2－4中的 压力变化。
3
2.1 波的基本概念
爆炸科学与技术国家重点实验室
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2.1 波的基本概念
1、波（Wave）
波通常可以分为两大类：一类是电磁波，
另一类是机械力学波。
当介质（Medium）受到外界作用（如振 动、冲击等）时，介质的局部状态参量就会 发生变化，这就是扰动（Disturbance）。
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2.1 波的基本概念
式中，I+,I-称为黎曼（Riemann）不变量。 它们在u ，c平面上可用两簇相互平行的直线来描 述，称为方程组（11）在速度平面上的特征线。它们 在沿着各自的特征线（C＋和C－）传播时保持不变。如 图2－5所示。
冲击波基本理论
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⑥ 压缩波：波阵面到达之处，介质的状态（P、ρ、T）参数增加的波称压缩波，波的传播方向与介质运动方向相同。（图5.1） ⑦ 膨胀波（稀疏波）：波阵面到达之处，介质的状态（P、ρ、T）参数减小的波称膨胀波，波的传播方向与介质运动方向相反。 （下图5.2）
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完全气体，量热完全气体与等熵关系 （补物理化学知识） 理想气体(完全气体perfect gas)：不考虑分子间的作用力和分子的体积情况下，一种理想化后的气体。它满足： PV=nRT， e=e(T)和Cv=Cv(T) 世上无理想气体，热完全气体是真实气体在一定温度，压力范围内的近似，即近似看成理想气体来处理。 对于热完全气体，有： de=CvdT=Cv(T)dT ，dh=CpdT=Cp(T)dT，e=e(T) ，h=h(T) 可近似认为一定温度范围内，Cv，Cp ， （ Cp- Cv =R）保持不变。 但一般说来， Cv=Cv(T) ， Cp=Cp(T)
hePV
feTS
ghTS
=+
=-
=-
*
*
将（2）的第一式、（4）、（5）、（6）与（7）的4个式子比较有： —（8） 又因为： （ ） 所以：
*
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而 类似有： 代入（11）的第1式： （12） （10），（12）就是熵函数的一般表达式（微分形式），也可以写成积分形式： （13）
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等熵关系的建立： 一般地： （1） 对可逆过程： （2） 比较（1）和（2）有： （3）
（2）
（1）
（22）
*
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又由Maxwell关系： （23） 故有： （24） 对理想气体： 故： ， 代入（24）式： (25) 由定义（比热比）： 故:
爆破有害效应
全国特种作业人员安全技术培训考核统编教材（2003年6月气象出版社发行）第六章爆破有害效应爆破有害效应包括爆破地震波、冲击波(地面或地下；空气或水中)、个别飞石、毒气或噪音等。
这些效应都随距爆源距离的增加而有规律地减弱，但由于各种效应所占炸药爆炸能量的比重不同，能量的衰减规律也不相同，同时不同的效应对保护对象的破坏作用不同，所以在规定安全距离时，应根据各种效应分别核定最小安全距离，然后取它们的最大值作为爆破的警戒范围。
第一节爆破地震波当炸药包在岩石中爆炸时，邻近药包周围的岩石遭受到冲击波和爆炸生成的高压气体的猛烈冲击而产生压碎圈和破坏圈的非弹性变化过程。
当应力波通过破碎圈后，由于应力波的强度迅速衰减，它再也不能引起岩石破裂，而只能引起岩石质点产生扰动，这种扰动以地震波的形式往外传播，形成地动波。
引起岩石震动的部分能量，占炸药爆炸时释放总能量的小部分，在岩石中约占2％～6％，在土中约占2％～3％，湿土中约占5％～6％。
爆破产生的震动作用有可能引起土岩和建筑(构)物的破坏。
为了衡量爆破震动的强度，目前国内外用震速作为判别标准。
当被保护对象受到爆破震动作用而不产生任何破坏(抹灰掉落开裂等)的峰值震动速度称为安全震动速度。
通常安全震动速度以被保护物临界破坏速度除以一定的安全系数来求得。
爆破引起的地震波速度通常采用下述的经验公式计算：式中：Q——炸药量，kg；齐发爆破取总药量，秒差爆破取最大一段的药量；R——从爆源中心到被保护物的距离，m；K、a——系数，通过试验确定，也可以参照类似的条件下爆破的实测数据来选取或参照爆破安全规程(表6—1)选取。
目前，我国对各种建、构筑物所允许的安全震动速度规定如下：(1)土窑洞、土坯房、毛石房屋为1.0cm／s；(2)一般砖房、大型砌块及预制构件房屋为2～3cm／s；(3)钢筋混凝土框架房屋和修健良好的木房为5．0cm／s；(4)水工隧洞为10cm／s；(5)地下巷道：岩石不稳定但有良好的支护为10cm／s；岩石中等稳定有良好的支护为20cm／s；岩石坚硬稳定，无支护为30cm／s。
爆炸空气冲击波超压影响因素分析及控制
摘 要 : 爆炸能量利用率和空气冲击波在传播过程中的外界环境是影响空气冲击波超压的重要因素 ,在因 素分析的基础上 ,介绍从“减源”和“削波”两方面控制空气冲击波超压的措施 。 关键词 : 空气冲击波超压 ; 爆炸能量利用率 ; 外界环境 ; 控制措施 中图分类号 : TD23511 文献标识码 : A
药包和炮孔间留一定空气间隙 ,形成不耦合装 药结构 ,由于药包四周存在空隙 ,降低了爆炸的峰 压 ,使爆压作用时间增长 ,从而提高了爆破能量利用 率。 2. 3 爆破方法和爆破施工技术工艺 2. 3. 1 自由面
自由面的大小 、数目和位置对爆破作用有明显 影响 。实践证明 ,充分利用多临空面的地形或创造 人工自由面 ,有利于提高能量利用率 ,降低爆破的单 耗量 ,减少总装药量 。平行坡面的斜孔爆破 ,由于爆 破时沿坡面的阻抗大体相等 ,且反射拉力波的作用 范围增大 ,能量利用率通常较竖孔高 。 2. 3. 2 分段间隔装药
根据苏联资料介绍 ,海拔 3 000 m 处冲击波超 压要比海平面上的超压小 9 % 气冲击波超压的控制措施
针对以上的分析与讨论可发现 ,空气冲击波超 压的控制问题即是“减源”与“削波”。 4. 1 减源控制措施
爆炸冲击波
爆炸冲击波集团文件发布号：（9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-19．3．3爆炸冲击波及其伤害、破坏作用压力容器爆炸时，爆破能量在向外释放时以冲击波能量、碎片能量和容器残余变形能量3种形式表现出来。
后二者所消耗的能量只占总爆破能量的3％～15％，也就是说大部分能量是产生空气冲击波。
1)爆炸冲击波冲击波是由压缩波叠加形成的，是波阵面以突进形式在介质中传播的压缩波。
容器破裂时，器内的高压气体大量冲出，使它周围的空气受到冲击波而发生扰动，使其状态(压力、密度、温度等)发生突跃变化，其传播速度大于扰动介质的声速，这种扰动在空气中的传播就成为冲击波。
在离爆破中心一定距离的地方，空气压力会随时间发生迅速而悬殊的变化。
开始时，压力突然升高，产生一个很大的正压力，接着又迅速衰减，在很短时间内正压降至负压。
如此反复循环数次，压力渐次衰减下去。
开始时产生的最大正压力即是冲击波波阵面上的超压△p。
多数情况下，冲击波的伤害、破坏作用是由超压引起的。
超压△p可以达到数个甚至数十个大气压。
冲击波伤害、破坏作用准则有：超压准则、冲量准则、超压一冲量准则等。
为了便于操作，下面仅介绍超压准则。
超压准则认为，只要冲击波超压达到一定值，便会对目标造成一定的伤害或破坏。
超压波对人体的伤害和对建筑物的破坏作用见表28—9和表28一10。
2)冲击波的超压冲击波波阵面上的超压与产生冲击波的能量有关，同时也与距离爆炸中心的远近有关。
冲击波的超压与爆炸中心距离的关系为：衰减系数在空气中随着超压的大小而变化，在爆炸中心附近为2．5～3；当超压在数个大气压以内时，n=2；小于1个大气压n=1．5。
比与q 实验数据表明，不同数量的同类炸药发生爆炸时，如果R与R与q之比的三次方根相等，则所产生的冲击波超压相同，用公式表示如下：利用式(28—52)就可以根据某些已知药量的试验所测得的超压来确定任意药量爆炸时在各种相应距离下的超压。
爆破工程期末必考题复习过程
爆破工程期末必考题复习过程1．岩石爆破破坏原因的理论学说和破坏过程。
理论1“爆生气体膨胀作用理论：炸药爆炸引起岩石破坏，主要是高温高压气体产物对岩石膨胀做功的结果；2爆炸应力波反射拉伸作用理论：岩石的破坏主要是由于岩石中爆炸应力波在自由面反射后形成反射拉伸波的作用，岩石中的拉应力大于其抗拉强度二产生的，岩石是被拉断的；3爆生气体和应力波综合作用理论：实际爆破中，爆生气体膨胀和爆炸应力波都对岩石破坏起作用，不能绝对分开，而应该是两种作用综合的结果，因而加强了岩石破碎效果，比如冲击波对岩石的破碎，作用时间短，而爆生气体的作用时间长，爆生气体膨胀促进了裂隙的发展，同样，反射拉伸波也同样加强了径向裂隙的扩展。
过程1.炮孔周围岩石的压碎作用2.景象裂隙作用3.卸载引起的岩石内部环状裂隙作用4.反射拉伸引起的“片落”和引起径向裂隙的延伸5.爆炸气体扩展应力波所产生的裂隙.2. 巷道掘进爆破中炮眼形式：掏槽眼：用于爆出新自由面，为辅助眼/周边眼爆破创造有利条件，直接影响循环进尺，掘进效果；周边眼：控制爆破后的巷道断面形状、大小和轮廓，使之符合设计要求；（顶眼、底眼、周边眼）辅助眼：破碎岩石的主要炮眼，利用掏槽眼爆破后创造的平行于炮眼的自由面，爆破条件大大改善；3.中深孔爆破设计的基本内容：确定台阶高度,网孔参数,装药结构,装填长度,起爆方法,起爆顺序,炸药的单位消耗量4炸药爆炸与燃烧区别燃烧与爆炸传播速度截然不同，燃烧几毫米到几百米每秒，亚音速，爆炸通常几千米每秒1.从传播连续进行的机理来看，燃烧的能量通过热传导，辐射和气体产物的扩散传到下一层炸药，激起未反应炸药产生化学反应，是燃烧连续进行，爆炸，能量以压缩波的形式提供给前沿冲击波，维持前沿冲击波的强度，然后前沿冲击波冲击压缩激起下一层炸药进行化学反应，是爆轰连续进行；2从反应产物的压力来看，燃烧产物压力很低，对外界显示不出力的作用，爆炸产物有强烈的力效应3从反应产物质点运动方向，燃烧产物质点运动方向与燃烧传播的方向相反，二爆炸产物质点运动方向与爆炸传播方向相同；4从炸药本身条件，燃烧随装药密度的增加，燃烧速度下降，而爆轰速度随密度增加而增加；5从外界条件，燃烧易受外界压力和初温影响，爆炸基本不受外界条件影响；5氧平衡：指炸药中所含的氧用以完全氧化其所含的可燃元素后氧的剩余情况的衡量指标。
爆炸力学
第二节
应力波
岩石中应力波
岩石在急剧变化的载荷作用下，既产生运动，又产生变形 。其质点便失去原 来的平衡而发生变形和位移，而形成扰动。一个质点的扰动必将引起相邻质点的 扰动。这种扰动的传播叫做波；同时，变形将引起质点之间的应力和应变，这种 应力、应变的变化的传播叫做应力波或应变波。
图中Δl为质点的 扰动的位移，c为质 点扰动的传播速度 （即波速），t为质 点扰动的传播时间， 则t时间内变形范围 为ct。
冲击波特征 （1） 冲击波的波速对未扰动介质而言是超音速的。 （2） 冲击波的波速与波的强度有关。波的强度越大 ，波速越大。 （3） 冲击波波阵面上的介质状态参数（速度、压力 、密度、温度）的变化是突跃 的，波阵面可以看做是介 质中状态参数不连续的间断面。冲击波后面通常跟有稀 疏波。
（4）冲击波通过时，静止介质将获得流速，其 方向与波传播方向相同，但流速值小于波速。 （5）冲击波对介质的压缩不同于等熵压缩。冲 击波形成时，介质的熵将增加。 （6）当很强的入射冲击波在刚性障碍物表面发 生反射时,其反射冲击波波阵面上的压力是入射冲 击波波阵面上压力的8倍,由于反射冲击波对目标 的破坏性更大，因此在进行火工品车间.仓库等有 关设计时应尽量避免可能造成的冲击波反射。 （7）冲击波以脉冲形式传播，不具有周期性。
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i 1c p1vi
（4-15）
如果传播中的应力波为纵波，那么根据公式 c p v p 得
r 1c p1vr
t 2c p 2vt
i 1c p1 vr r 1c p1 t vt 2c p 2
vi
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（4-16）
将公式（4-16）带入（4-14）得
冲击波
C—J面