[科普中国]-爆轰波

简介

炸药一旦起爆，首先在起爆点发生爆炸反应而产生大量高温、高压和高速的气流，在炸药中激发冲击波。冲击波强烈压缩邻近的炸药薄层引起炸药反应，产生大量气体与大量热。反应所释放出来的热量的一部分足以补偿冲击波传播时的能量损耗，因此，冲击波得以维持固有波速和波阵面压力继续向前传播。其后紧接着引起炸药进行化学反应，并以同等速度向前传播。这种伴随有化学反应，在炸药中传播的特殊形式的冲击波称为爆轰波 ，这个过程叫做爆轰过程1。

初始压力对爆轰波局部速度波动的影响爆轰波局部速度波动很小，且其平均速度接近理论爆轰CJ速度。爆轰波在管道内能够自持稳定地传播，证明在此初始压力下，爆轰波前导冲击波与化学反应区处于强耦合状态。爆轰波前导冲击波压缩诱导区内化学反应物，使之在很短的时间内达到较高的温度和密度，从而能够在很小尺度内迅速发生化学反应并释放出大量化学能量，而所释放出的能量则反过来促进前导冲击波传播，从而维持爆轰波继续稳定地传播，此种传播模式称为稳态式爆轰（Ⅰ）。

随着初始压力的降低（p0=18kPa），爆轰波局部速度波动有所增加。但此时爆轰波仍能够以约0.97vCJ平均速度在管道内传播，且局部速度波动的振幅及频率具有随机性，此种传播模式称为快速波动式爆轰（Ⅱ）。

随着初始压力进一步降低（p0=14kPa），爆轰波在进入到测试段管道后，以接近理论爆轰CJ速度在管道内传播，在传播至距离测试段入口端约0.3m处时，爆轰波局部速度突然降低至0.87vCJ左右，并以此速度在管道内传播约0.5m距离（约40倍管道直径）后，速度又突然增加至vCJ，待传播一段距离（约为0.2m），速度又降至0.87vCJ左右.爆轰波在管道内按照此种模式周期地传播至管道末端，此种传播模式称为结巴式爆轰（Ⅲ）。

继续降低可燃气体初始压力（p0=12kPa），爆轰波在进入到测试段管道后其局部速度将产生较大波动，可将其速度分布分为3个阶段：

①CJ爆轰阶段（0.8vCJ≤v≤vCJ）；

②低速阶段（0.4vCJ≤vCJ）。

在CJ爆轰阶段，爆轰波在管道内传播时局部速度缓慢降低，爆轰波前导冲击波与爆轰波火焰面仍处于耦合状态，但前导冲击波与化学反应区火焰面之间距离在逐渐增加，且诱导区长度在逐渐加大。在传播至约750mm处，爆轰波速度突然加速降低，表明此时前导冲击波与火焰面解耦，爆轰波进入低速阶段，此时爆轰波局部速度为0.6vCJ左右．然而爆轰波化学反应区内化学反应并未结束，此时火焰面与前导冲击波保持一定的距离，且以相同速度在管道内传播，前导冲击波仍对管道内预混气体进行压缩并形成诱导区．爆轰波在管道内传播大约2000mm 的距离（约为160倍管道直径）后，在2600mm处，前导冲击波与壁面边界层，以及冲击波与冲击波相互作用，使得局部诱导区内化学反应活性增强，随之产生热点，并导致热点燃烧爆炸形成局部爆炸中心．局部爆炸中心会形成强压缩波，此压缩波将导致火焰面速度迅速增加，并与火焰面一同向前追赶前导冲击波，在火焰面追赶上前导冲击波后，会造成爆轰波过载现象发生，此时爆轰波速度为1.4vCJ左右。然而由于过载阶段爆轰波并不能自持稳定地传播，故当爆轰波经历过载阶段后速度随之降低，并逐渐达到CJ爆轰状态（v≈vCJ），随后形成下一个传播周期．此种传播模式称为驰振式爆轰（Ⅳ）。

在结巴式爆轰与驰振式爆轰传播模式下均出现速度降低现象。对于结巴式爆轰，其速度降低是由于爆轰波稳定性减弱、非稳定性增强导致爆轰波速度波动，并使得爆轰波火焰面产生周期性的速度变化而造成的，然而此时爆轰波前导冲击波与火焰面并未解耦。

对于驰振式爆轰，其速度降低是由于在较低压力下，爆轰波前导冲击波与火焰面发生解耦现象造成的，在爆轰波速度加速降低阶段，爆轰波前导冲击波与火焰面完全解耦．另外通过对比低速段速度可以看出，对于结巴式爆轰，速度降低时其值约为0.87vCJ，仍接近理论爆轰CJ速度；而对于驰振式爆轰，速度降低时其低速段速度约为0.6vCJ，已远离理论爆轰CJ速度。

若进一步降低可燃气体初始压力至p0=8kPa以下时，爆轰波在进入到测试段管道后爆轰波前导冲击波将与化学反应区快速解耦，化学反应区的化学反应速率逐渐降低，不能产生足够能量继续维持爆轰波传播，使得爆轰波速度逐渐降低至0.3vCJ以下，形成爆燃波并最终失效，此种传播模式称为失效模式（Ⅴ）2。

初始压力对爆轰波平均速度的影响在30～18kPa压力区间内，爆轰波处于稳态传播模式，此时爆轰波平均速度接近理论爆轰CJ速度且衰减值很小。随着初始压力的降低，在18～14kPa，爆轰波处于快速波动传播模式，爆轰波平均速度衰减变大，且衰减值随着初始压力的降低而增加。这是由于爆轰波诱导区长度与初始压力有关，初始压力降低时，爆轰波诱导区长度增加，导致由边界层扩散所产生的能量损失增大，同时初始压力的降低使得爆轰波化学反应区化学反应速率变缓。

上述两种综合效应导致爆轰波平均速度降低并产生衰减。在14～12kPa压力区间内，爆轰波处于结巴式传播模式，在此传播模式下，爆轰波平均速度的波动显著增加且随着初始压力的降低其衰减速度加快。继续降低可燃气体初始压力，在12～8kPa压力区间内，爆轰波将发生驰振式爆轰，且爆轰波速度平均值将迅速从0.95vCJ降低至0.6vCJ左右．若进一步降低可燃气体初始压力至8kPa以下时，爆轰波在进入管道后将失效，此时无平均速度值3。

初始压力对爆轰波胞格结构的影响对于稳态式、快速波动式及结巴式传播模式，爆轰波在管道内传播时其胞格结构相似。爆轰波由左至右在管道内传播，爆轰波胞格呈现出不规则结构，且其胞格尺寸均随着可燃气体初始压力的降低而逐渐增加。

在CJ爆轰阶段，爆轰波进入到测试段管道后由多头爆轰逐渐转变成单头螺旋爆轰，并以单头螺旋爆轰在管道内持续传播直至爆轰波前导冲击波与化学反应区解耦处，此时单头螺旋爆轰消失，烟迹上无爆轰胞格结构，对应于低速阶段。在耦合处，爆轰波重新形成，此时爆轰波处于过载阶段，对应的胞格尺寸远小于CJ爆轰阶段爆轰波胞格尺寸。然而爆轰波过载时不能自持稳定传播，导致爆轰波逐渐衰弱，对应的爆轰波胞格尺寸逐渐增加。爆轰波进入到管道后出现单头螺旋爆轰，在传播一段距离后爆轰波前导冲击波与化学反应区结构解耦，爆轰波胞格结构消失直至管道末端2。

总结（1）可燃气体初始压力对爆轰波在管道内传播具有显著影响，随着初始压力的逐渐减小，爆轰波局部速度波动不断增加，并存在5种不同传播模式，分别为稳态式、快速波动式、结巴式、驰振式及失效模式。

（2）在稳态传播模式下，爆轰波平均速度接近于理论爆轰CJ速度．随着初始压力的减小，爆轰波平均速度不断衰减，当爆轰波失效时，最小平均速度约为0.6vCJ。

（3）在稳态式、快速波动式及结巴式传播模式下，爆轰波具有多头胞格结构，且胞格尺寸随着初始压力的降低而增加。在驰振式爆轰下，当前导冲击波与火焰面解耦时，爆轰波胞格结构消失，在重新耦合处，再次形成胞格结构。当爆轰失效时，烟迹无胞格结构3。