爆炸模型分析.docx
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爆炸模型分析
19．3．1简述
爆炸是物质的一种非常急剧的物理、化学变化，也是大量能量在短时间内迅速释放或急剧转化成机械功的现象。
它通常是借助于气体的膨胀来实现。
从物质运动的表现形式来看，爆炸就是物质剧烈运动的一种表现。
物质运动急剧增速，由一种状态迅速地转变成另一种状态，并在瞬间内释放出大量的能。
1）爆炸的特征
一般说来，爆炸现象具有以下特征：
（1）爆炸过程进行得很快；
（2）爆炸点附近压力急剧升高，产生冲击波；
（3）发出或大或小的响声；
（4）周围介质发生震动或邻近物质遭受破坏。
一般将爆炸过程分为两个阶段：
第一阶段是物质的能量以一定的形式（定容、绝热）转变为强压缩能；第二阶段强压缩能急剧绝热膨胀对外做功，引起作用介质变形、移动和破坏。
2）爆炸类型
按爆炸性质可分为物理爆炸和化学爆炸。
物理爆炸就是物质状态参数（温度、压力、体积）迅速发生变化，在瞬间放出大量能量并对外做功的现象。
其特点是在爆炸现象发生过程中，造成爆炸发生的介质的化学性质不发生变化，发生变化的仅是介质的状态参数。
例如锅炉、压力容器和各种气体或液化气体钢瓶的超压爆炸以及高温液体金属遇水爆炸等。
化学爆炸就是物质由一种化学结构迅速转变为另一种化学结构，在瞬间放出大量能量并对外做功的现象。
如可燃气体、蒸气或粉尘与空气混合形成爆炸性混合物的爆炸。
化学爆炸的特点是：
爆炸发生过程中介质的化学性质发生了变化，形成爆炸的能源来自物质迅速发生化学变化时所释放的能量。
化学爆炸有3个要素，即反应的放热性、反应的快速性和生成气体产物。
雷电是一种自然现象，也是一种爆炸。
从工厂爆炸事故来看，有以下几种化学爆炸类型：
（1）蒸气云团的可燃混合气体遇火源突然燃烧，是在无限空间中的气体爆炸；
（2）受限空间内可燃混合气体的爆炸；
（3）化学反应失控或工艺异常所造成压力容器爆炸；
（4）不稳定的固体或液体爆炸。
总之，发生化学爆炸时会释放出大量的化学能，爆炸影响范围较大；而物理爆炸仅释放出机械能，其影响范围较小。
爆炸是物质的一种非常急剧的物理、化学变化，也是大量能量在短时间内迅速释放或急剧转化成机械功的现象。
它通常是借助于气体的膨胀来实现。
从物质运动的表现形式来看，爆炸就是物质剧烈运动的一种表现。
物质运动急剧增速，由一种状态迅速地转变成另一种状态，并在瞬间内释放出大量的能。
1）爆炸的特征
一般说来，爆炸现象具有以下特征：
（1）爆炸过程进行得很快；
（2）爆炸点附近压力急剧升高，产生冲击波；
（3）发出或大或小的响声；
（4）周围介质发生震动或邻近物质遭受破坏。
一般将爆炸过程分为两个阶段：
第一阶段是物质的能量以一定的形式（定容、绝热）转变为强压缩能；第二阶段强压缩能急剧绝热膨胀对外做功，引起作用介质变形、移动和破坏。
2）爆炸类型
按爆炸性质可分为物理爆炸和化学爆炸。
物理爆炸就是物质状态参数（温度、压力、体积）迅速发生变化，在瞬间放出大量能量并对外做功的现象。
其特点是在爆炸现象发生过程中，造成爆炸发生的介质的化学性质不发生变化，发生变化的仅是介质的状态参数。
例如锅炉、压力容器和各种气体或液化气体钢瓶的超压爆炸以及高温液体金属遇水爆炸等。
化学爆炸就是物质由一种化学结构迅速转变为另一种化学结构，在瞬间放出大量能量并对外做功的现象。
如可燃气体、蒸气或粉尘与空气混合形成爆炸性混合物的爆炸。
化学爆炸的特点是：
爆炸发生过程中介质的化学性质发生了变化，形成爆炸的能源来自物质迅速发生化学变化时所释放的能量。
化学爆炸有3个要素，即反应的放热性、反应的快速性和生成气体产物。
雷电是一种自然现象，也是一种爆炸。
从工厂爆炸事故来看，有以下几种化学爆炸类型：
（1）蒸气云团的可燃混合气体遇火源突然燃烧，是在无限空间中的气体爆炸；
（2）受限空间内可燃混合气体的爆炸；
（3）化学反应失控或工艺异常所造成压力容器爆炸；
（4）不稳定的固体或液体爆炸。
总之，发生化学爆炸时会释放出大量的化学能，爆炸影响范围较大；而物理爆炸仅释放出机械能，其影响范围较小。
19．3．2物理爆炸的能量
物理爆炸，如压力容器破裂时，气体膨胀所释放的能量（即爆破能量）不仅与气体压力和容器的容积有关，而且与介质在容器内的物性相态相关。
因为有的介质以气态存在，如空气、氧气、氢气等；有的以液态存在，如液氨、液氯等液化气体、高温饱和水等。
容积与压力相同而相态不同的介质，在容器破裂时产生的爆破能量也不同，而且爆炸过程也不完全相同，其能量计算公式也不同。
1）压缩气体与水蒸气容器爆破能量
当压力容器中介质为压缩气体，即以气态形式存在而发生物理爆炸时，其释放的爆破能量为：
式0J气舛的爆破能笊，kJ;
p—容器内气体的絶对压力.MPa;
V—容器的容积.nA
k—气悴的绝热指数*即5体的紀压比热马定容比热之比
曲用气体的绝值见衣2S-5o
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从表中可看出，空气、氮、氧、氢及一氧化氮、一氧化碳等气体
的绝热指数均为1.4或近似1.4,若用k=1.4代入式（28-42）中,
（2«-43）
ES仆（警）g]m
令qml—（警）y皿
螂式（23-43）町简化为：
（28-44）
式屮Ct——常用圧縮气体爆破能他系数，kj/m3
压缩气体爆破能量Cg是压力P的函数，各种常用压力下的气体爆破能量系数列于表28-6中。
舉28-6第用股力下的汽体務粉博硫能■賂盛
（Jt=!
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若将k=l代入式（28—42），可得干饱和蒸气容器爆破能量为：
用上式计算有较大的误差，因为它没有考虑蒸气干度的变化和其他的一些影响，但它可以不用查明蒸气热力性质而直接进行计算，因此可供危险性评价参考。
对于常用压力下的干饱和蒸气容器的爆破能量可按下式计算：
&=Ctv,（28-46）
式中比■—水蒸％的爆破能駐*kJ;
V—水蒸％的休积.
G——「饱和札S"爆鞍能址系St,kj/m\
各种常用压力下的F饱和水燕吒容器爆破能甲系数列］衣甥-7中。
*26-7力下干悔和水
力p/MPi
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1+3
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E*-C,V（28-46）
式中E,——水蘇气的爆破能6LU；
V—水蒸气的体积，
C-f他和水英吒爆破聽幘系数，kj/m\
各种常用压力下的F饱和水離气容嚣爆战能bt系数列I^28-7中,
*26-7常用庶力下干询和水慕气容戳爆礪徨■慕数
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2）介质全部为液体时的爆破能量
通常将液体加压时所做的功作为常温液体压力容器爆炸时释放的能量，计算公式如下：
成屮&-常温讹怵压力睜器处炸时释放的能hhkJ：
P——液休的压力（絶X內"；
V——容誥的体积.n?
;
仇一液体在压力》和温度『F的底缩系tt.P^-'：
3）液化气体与高温饱和水的爆破能量
液化气体和高温饱和水一般在容器内以气液两态存在，当容器破裂发生爆炸时，除了气体的急剧膨胀做功外，还有过热液体激烈的蒸发过程。
在大多数情况下，这类容器内的饱和液体占有容器介质质量的绝大部分，它的爆破能量比饱和气体大得多，一般计算时考虑气体膨胀做的功。
过热状态下液体在容器破裂时释放出的爆破能量可按下式计算：
E^[式申E——过热狀态被休的爆破腱就*kJ；
//,—爆炸酣惚和锻休的拾、
治——左大气压力A饱和液X的fitJd/kg:
*——炸前翳和液体的爛*kj/（kg*r）；
Si——嶽大％压力卜他和液怵的爛*kJ/伽・5
T\介质崔大气压力"F的鱗点.kJ/（€）;
»——炮和液体的质址.k軸
饱和水容器的爆按f式计算*
V
式中E.—饱和水容器的爆饋能就，kJ:
V一容器内饱和木所占的容积*mS
5一和水爆破能址系散，kJ7m\加位见衣期・8一
«28-B常用压力下悔和水■破堆■乐曲
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0.3
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3.25m
4,56mi（r
（L35x10*
9.56x11/IUxtO*
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。
表28-9冲击波超压对人体的伤害作用
Ap/MPa
伤害作用
0.02-0.03
轻微损伤
0.03-005
听觉器官损伤或骨折
Q.O5-0J0
内脏严觅损伤成死亡
>0.10
大部分人员死亡
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：
引ocR式屮3p——冲击波波阵面匕的超压，MPiuR—距爆炸中心的曲离.m;
n—奁威系数❾
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
实验数据表明，不同数量的同类炸药发生爆炸时，如果R与Ro比与q与qo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：
苦—s/=a
則Ap«色po（28-,1〉
式中R——日标与爆炸中心距离、m;
屁——日标吁堆淮煤炸中心的和艸距离.m
g°—基恵炸葩瞅TNT,婕；
q一一爆炸时产生冲阳波所沆耗的怖药hb1W,kg;
3—冃标处的趙用，MPa;
3pt）堆准口标处的趙压，MPa;
a—炸药爆炸试殓的模拟比。
上式也町耳成为：
△p（R）=（n/a）2452）
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。
表28一11是lOOOkgTNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压。
H28-111GOOkfiTYTlf炸时的冲击浚越圧
5
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综上所述，计算压力容器爆破时对目标的伤害、破坏作用，可按下列程序进行。
（1）首先根据容器内所装介质的特性，分别选用式（28—43）至式（28—49）计算出其爆破能量E。
⑵将爆破能量q换算成TNT当量qTNT。
因为IkgTNT爆炸所放出的爆破能量为4230〜4836kJ/kg，一般取平均爆破能量为4500kJ/kg，故其关系为：
（3）按式（28—51）求出爆炸的模拟比a,即：
孔严兰（"1000）l/3=0jff,/3（28-54）
⑷求出在lOOOkgTNT爆炸试验中的相当距离Ro,即Ro=R/a。
（5）根据Ro值在表28一11中找出距离为Ro处的超压ApoC中间值用插人法），此即所求距离为尺处的超压。
⑹根据超压△p值，从表28—9、表28—10中找出对人员和建筑物的伤害、破坏作用。
3）蒸气云爆炸的冲击波伤害、破坏半径
爆炸性气体以液态储存，如果瞬间泄漏后遇到延迟点火或气态储存时泄漏到空气中，遇到火源，则可能发生蒸气云爆炸。
导致蒸气云形成的力来自容器内含有的能量或可燃物含有的内能，或两者兼而有之。
“能”的主要形式是压缩能、化学能或热能。
一般说来，只有压缩能和热量才能单独导致形成蒸气云。
根据荷兰应用科研院TNO（1979）建议，可按下式预测蒸气云爆炸的冲击波的损害半径：
/?
=（小切"（28^55）
式屮/?
——害半径・m;
E——爆炸能融.kJ,对按卜式取*VHC（28-56）
V—参与反应的可燃Y休的体枳.
松一町燃气体的髙燃烧热値.kj/m\况见农義
a一率因予.mtt站燃烧浓度持绒展开所造成损耗的比例和燃料燃烧断旧机旅傕的数械祥关*--股取=佻；
仏——经验常数・取决「枚寓需级*M取仇悄况见我2咅13
7休名称
血烬值
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内烯
94375
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牛成邓
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