可燃爆炸物的爆燃轉(zhuǎn)爆轟過程探析

郗雪辰， 王新文， 王克劍， 趙學(xué)民

(山西警察學(xué)院 治安系， 山西太原 030401)

0 引言

公安機(jī)關(guān)在處置爆炸物品時，通常會涉及爆炸物品的銷毀，期間包括爆炸物品的貯存、運輸和銷毀作業(yè)等重要環(huán)節(jié)。在實際操作過程中，往往采用集中銷毀的方式。被收繳的爆炸物一般具有種類多樣，爆炸性能不確定等特征。因此，在采用燃燒或爆炸的方式銷毀爆炸物時，可能具有爆炸物從爆燃轉(zhuǎn)向爆轟的潛在風(fēng)險。不僅如此，貯存和運輸過程中的可燃爆炸物，在適當(dāng)條件下有發(fā)生自燃的可能性，如果遭遇復(fù)雜的外界環(huán)境，可能進(jìn)一步誘使爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變。除此之外，利用燃料/氣體混合爆炸物實施的爆炸犯罪，也可能出現(xiàn)DDT的現(xiàn)象。在工業(yè)領(lǐng)域，生產(chǎn)過程中的燃料爆炸，也會給相關(guān)生產(chǎn)單位帶來不可預(yù)估的損失。對可燃爆炸物的研究是爆炸物品公共安全領(lǐng)域的重要課題之一。其中，DDT過程又是燃燒理論研究過程中的一個基礎(chǔ)問題，具有很重要的應(yīng)用價值。

可燃爆炸物的燃燒或爆炸，通常起源于小的點火源，然后發(fā)展為一般的擴(kuò)散火焰，即層流火焰。這種火焰的傳播速度很慢，通常低于1 m/s。層流火焰很容易在周圍環(huán)境的影響下，成長為速度更快的湍流火焰，進(jìn)而演變成爆燃，以爆炸波的形式向外傳播。這種爆炸波對周圍物體的作用時間相對較長，這種持續(xù)作用表現(xiàn)出較大的破壞能力[1]。多數(shù)情況下，以燃燒法處置的爆炸物，其化學(xué)反應(yīng)多以爆燃的形式完成。但是在一定條件下，爆燃可能會發(fā)展為反應(yīng)更加劇烈的爆轟。因此，有必要對燃燒和爆轟的傳播機(jī)理，及爆燃轉(zhuǎn)爆轟的機(jī)制進(jìn)行研究。

爆燃與爆轟屬于兩種不同的燃燒組織形式。這兩種組織形式的本質(zhì)相同，都是伴隨化學(xué)反應(yīng)的傳播。從傳播形式上講，二者的區(qū)別在于，爆燃通過熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散和輻射的方式向外傳播[2]。爆轟則屬于一種超聲速燃燒波，同時也可以理解為伴隨化學(xué)反應(yīng)的激波[3]；從傳播速度上看，爆燃波的波陣面是亞音速，而爆轟波的波陣面是超音速，因此爆燃波和爆轟波會表現(xiàn)出截然不同的性質(zhì)。

Brinkley和Lewis[4]在1959年的國際燃燒會議上描述了實驗過程中出現(xiàn)的DDT現(xiàn)象，同時闡述了Karlovitz[5]的理論。Oppenheim[6-8]的團(tuán)隊在之后的研究中通過實驗證實了這些理論并對其進(jìn)行了補充。之后的幾十年也有很多學(xué)者對火焰加速和DDT的相關(guān)問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[9-14]。

1 爆燃波的傳播特性

爆炸物被點燃之后，燃燒會以很低的速度在炸藥內(nèi)部傳播，同時緩慢地向未燃區(qū)域擴(kuò)散，此時為層流火焰，燃燒產(chǎn)生的氣壓可忽略不計。若燃燒的過程沒有受到湍流擾動的影響，可以認(rèn)為是一般的燃燒。然而，根據(jù)Landau-Darrieus的不穩(wěn)定性理論，自由膨脹的層流火焰受到熱輻射的影響，光滑的火焰表面會發(fā)生褶皺。這表明自由擴(kuò)散的火焰本身就具有內(nèi)在的不穩(wěn)定性。同時，外界環(huán)境又會強化這種不穩(wěn)定性，比如受限空間、空間中的障礙物和湍流擾動。在爆炸物的銷毀工作中，貯存和運輸過程不可避免地要將爆炸物放置于受限空間。燃燒時，對于單件爆炸物，周圍堆放的其他爆炸物很容易成為障礙物。銷毀作業(yè)通常在室外進(jìn)行，空氣流動環(huán)境的多變和復(fù)雜，極易形成湍流擾動。不穩(wěn)定的層流火焰，擁有更大的火焰表面積和更快的反應(yīng)速率，這會誘使燃燒加速，使緩慢燃燒發(fā)展為爆燃，在某些情況下，甚至發(fā)展為爆轟。

1.1 層流火焰燃燒

燃燒過程需要持續(xù)的化學(xué)反應(yīng)維持，真實燃燒化學(xué)反應(yīng)過程復(fù)雜，反應(yīng)組分和反應(yīng)步驟多。為了研究氣體燃燒的機(jī)理，Zeldovich、Frank-Kamenetski和Istratov Ya[15-18]等人建立了基礎(chǔ)火焰參數(shù)模型，利用單步總反應(yīng)方程(1)定性分析火焰的燃燒。

vFFuel+vOOxidant=Products+Q

(1)

式中：Q表示放熱量；vF和vO表示化學(xué)計量系數(shù)。反應(yīng)速率遵循Arrhenius定律：

(2)

式中：NF和NO分別表示燃料和氧化劑的摩爾濃度；nF和nO分別表示燃料和氧化劑的反應(yīng)級數(shù)；kA表示指前因子；Ea表示活化能；T表示溫度。式(2)可近似為一個簡單的指數(shù)函數(shù)。高活化能情況下，Ea/RTb?1，其中Tb表示極限火焰溫度?；诖四Ｐ?，獲得了層流火焰面燃料濃度、溫度和反應(yīng)速率之間的變化關(guān)系，如圖1所示。

圖1描述了層流火焰的基本結(jié)構(gòu)，將燃燒過程分為預(yù)熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)。預(yù)熱區(qū)內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的能量以亞聲速向未燃混合區(qū)傳播，燃燒產(chǎn)物以熱傳遞的形式將能量運輸?shù)椒磻?yīng)物。預(yù)熱區(qū)內(nèi)溫度快速上升，使得反應(yīng)速率加快，反應(yīng)區(qū)內(nèi)的反應(yīng)物濃度Y迅速消耗，溫度接近極限溫度Tb。圖中SL為層流燃燒速率。

1.2 火焰的不穩(wěn)定性

根據(jù)Landau-Darrieus不穩(wěn)定性理論[19-20]，層流火焰發(fā)生彎曲，燃燒氣體會偏離凹面向凸面匯聚，如圖2所示。這種匯聚會進(jìn)一步促進(jìn)火焰面的彎曲。因此，受到這種產(chǎn)物擴(kuò)散的氣體動力學(xué)影響，可知二維火焰面本身就具有不穩(wěn)定性。

Gostintsev[21]證實了這一理論，發(fā)現(xiàn)自由發(fā)展的球形火焰在無外界擾動時，火焰速度與火焰曲率半徑呈正相關(guān)。但是Gostintsev的研究并未深入討論這種現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理。為了研究穩(wěn)定火焰中潛在的不穩(wěn)定因素，Matsukov和Kuznetsov等[22-23]利用紋影相機(jī)觀察了氫/氧混合氣體在不同比例下火焰?zhèn)鞑サ某跏紶顟B(tài)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)劉易斯數(shù)Le<1(10% H2/air)時，火焰?zhèn)鞑ズ懿环€(wěn)定，如圖3(a)所示；在Le>1(70%H2/air)的情況下，火焰光滑穩(wěn)定傳播，如圖3(c)所示；值得注意的是，當(dāng)Le=1(10%H2+5%O2+85%Ar)時，在光滑的火焰表面后會形成一些大擾動，如圖3(b)所示。這種不穩(wěn)定的火焰被稱為胞格火焰[24],之后有很學(xué)者對此進(jìn)行了理論分析[25-27]，認(rèn)為當(dāng)火焰曲率半徑RF不大時，火焰的流動不穩(wěn)定性就會衰減。是否會發(fā)生衰減，取決于佩里克數(shù)Pe,Pe=RF/δ，即火焰曲率半徑與火焰厚度的比。當(dāng)火焰曲率半徑足夠大時，Pe會超過臨界值Pecr，火焰會向不穩(wěn)定方向發(fā)展。對于不穩(wěn)定火焰(Le<1)來說，則必然會出現(xiàn)胞格結(jié)構(gòu)[28]。

圖3 初始階段火焰紋影

在對火焰結(jié)構(gòu)關(guān)于Landau-Darrieus不穩(wěn)定性的分析中，Markstein[24]認(rèn)為彎曲火焰的傳播速度可以表達(dá)為：

(3)

式中：Sn是彎曲火焰?zhèn)鞑ニ俣?；LM是馬克斯坦長度；RF是火焰曲率半徑。馬克斯坦長度和火焰的熱厚度的比值，被稱為馬克斯坦數(shù)，即Ma=LM/δ。Markstein分析認(rèn)為火焰曲率是決定火焰結(jié)構(gòu)和局部火焰速度的主要參數(shù)。當(dāng)Ma>0時火焰拉伸會導(dǎo)致局部燃燒速度降低，從而降低火焰的不穩(wěn)定性，使燃燒火焰趨于平穩(wěn)。反之，則會引起局部燃燒速度增加，誘導(dǎo)火焰從層流向湍流發(fā)展。Karlovitz等[29]的研究中也提到局部火焰速度由火焰拉伸率決定，這與Markstein的結(jié)論相吻合。

1.3 湍流火焰

火焰的不穩(wěn)定性機(jī)理解釋了火焰發(fā)展過程中層流到湍流的很多問題。促進(jìn)這種不穩(wěn)定性的環(huán)境因素，也受到研究人員的關(guān)注。人們對受限空間和障礙物對火焰不穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了大量的研究[30-34]?；鹧?zhèn)鞑バ纬傻牟ㄔ庥龉瘫诤髸l(fā)生反射，反射波作用于火焰面，誘使火焰向不穩(wěn)定發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，火焰的加速過程與湍流有很大的關(guān)系。湍流主要表現(xiàn)為流動的隨機(jī)振蕩，這種振蕩現(xiàn)象用于表征湍流強度?；鹧姹砻嬖谛〕叨葦_動下會發(fā)展擴(kuò)大，引起火焰面與鄰近未反應(yīng)區(qū)的混合；大尺度湍流會使火焰表面扭曲變形，進(jìn)一步增大火焰表面。扭曲后的火焰產(chǎn)生局部熱點，一定條件下發(fā)展為爆轟。湍流火焰和激波的形成，被認(rèn)為是自由空間下DDT過程的重要機(jī)制。

2 爆轟波結(jié)構(gòu)

1881年，Berthelot和Vieille[35]首次發(fā)現(xiàn)了爆轟現(xiàn)象。此后，Chapman和Jouquet分別在1899年和1905年利用氣體動力學(xué)的基本原理對爆轟現(xiàn)象作了一維理論描述，提出了著名的C-J理論。在當(dāng)時的條件下，利用C-J理論的計算結(jié)果可以輕易估算出氣體中的爆速。但是該理論無法解釋爆轟的形成及傳播機(jī)理。Zeldovich[36]、Neumann[37]和Doring[38]在C-J理論的基礎(chǔ)上，將爆轟波陣面分為進(jìn)行絕熱壓縮的誘導(dǎo)區(qū)和其后的化學(xué)反應(yīng)區(qū)，彌補了C-J理論的缺陷，這就是著名的ZND模型。

后來的研究人員發(fā)現(xiàn)基于ZND模型計算的爆轟波，在出現(xiàn)小擾動的情況下具有不穩(wěn)定性。Lee[39]等人也在實驗中觀察到了爆轟波的波面不穩(wěn)定現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)反應(yīng)區(qū)前的激波面在初始激波和若干橫波的耦合下呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這也使得波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)的邊界尺寸和邊界形狀變得模糊。

3 空間環(huán)境對DDT過程的影響

在實際處置爆炸物的過程中，周圍環(huán)境往往非常復(fù)雜。建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，環(huán)境中的物體，都會改變湍流場的結(jié)構(gòu)。以空間環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)，把爆炸物所處的空間環(huán)境分為3個類型：(1)開放空間?；鹧嫒紵梢猿浞值倪M(jìn)行，產(chǎn)生的沖擊波在空間中的傳播幾乎不受任何來自外界的干擾。從火焰加速和爆轟波形成的機(jī)理出發(fā)，此條件下DDT過程的發(fā)生條件，至今仍然存在爭議，還需進(jìn)一步研究。(2)受限空間。實際情況中的爆炸多屬于受限空間。此類空間往往環(huán)境復(fù)雜，這增加了對DDT過程的研究難度，現(xiàn)在只能通過簡化模型的辦法來研究特定條件下的DDT過程。(3)封閉空間。從爆炸防護(hù)及公共安全的角度，對封閉空間的研究相對較少。這方面的研究更多的服務(wù)于航空航天領(lǐng)域，利用燃料的爆轟實現(xiàn)飛行器的高速推進(jìn)。因此，對封閉空間情況下的爆燃轉(zhuǎn)爆轟問題暫不做論述。

3.1 開放空間的DDT過程

對于開放條件下的DDT過程，主要關(guān)心的是轉(zhuǎn)變過程的本質(zhì)。劉云峰[40]等人通過理論研究，給出了爆燃轉(zhuǎn)爆轟的臨界表達(dá)式。理論計算結(jié)果顯示，當(dāng)爆燃波的最大傳播速度達(dá)到C-J爆轟波的60%時，就會觸發(fā)DDT過程。并且認(rèn)為該速度與燃燒產(chǎn)物的聲速很相近。理論分析認(rèn)為該過程的本質(zhì)是從燃燒發(fā)展為鏈熱爆炸[41]。不穩(wěn)定燃燒過程中的湍流火焰形成局部熱點，某些情況下在熱點周圍會出現(xiàn)瞬間的超壓。這個理論被廣泛引用，不足之處是很難完全量化[42]。

Khokhlov和Oran[43]描述了一種預(yù)測湍流火焰在自由空間下發(fā)展為爆轟波的理論方法。這種方法基于兩個基本假設(shè)：(1)自由條件下DDT的內(nèi)在機(jī)制是梯度機(jī)制；(2)在誘發(fā)DDT過程之前的誘導(dǎo)時間內(nèi)，形成梯度機(jī)制的原因是湍流混合和局部火焰猝熄。Khokhlov依據(jù)一維爆轟波的厚度、層流火焰速度和反應(yīng)氣體中層流火焰的厚度作為發(fā)生DDT過程的判定依據(jù)，并以此標(biāo)準(zhǔn)給出了激波預(yù)熱、壁面影響和無障礙物條件下的下界標(biāo)準(zhǔn)，確定了開放空間下發(fā)生DDT過程的參數(shù)范圍。

近幾年對預(yù)混氣體燃燒的理論研究有了新的進(jìn)展[44-46]。在Deshaies[47]等人的研究基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)當(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸^熱量耗散的速度后，推進(jìn)火焰和驅(qū)動壓力之間會形成積極的正反饋關(guān)系。根據(jù)這個理論，Koksharov[48]發(fā)現(xiàn)火焰足夠大時，即使在開放空間下，也會發(fā)生球形火焰的DDT過程。

3.2 受限空間的DDT過程

經(jīng)過人們長期的研究，發(fā)現(xiàn)在受限空間中，弱點火起爆的爆轟會經(jīng)歷層流火焰、火焰加速、爆燃、爆轟的過程。層流火焰的不穩(wěn)定性理論已經(jīng)闡述了從層流火焰加速的內(nèi)在機(jī)理，這為后來的研究提供了重要的理論支持。在此基礎(chǔ)上，也提出了更多的疑問。Deshaies[47]等人重點關(guān)注了火焰與未燃區(qū)交界面的情況，研究了一維模型的火焰?zhèn)鞑ミ^程。發(fā)現(xiàn)火焰面的傳播速度與未燃區(qū)的壓縮存在反饋耦合。

Dorofeev[49]等人發(fā)現(xiàn)火焰加速的極限與火焰膨脹系數(shù)σ有關(guān)，并且計算出常溫常壓下氫/氧混合氣體的臨界值σ*=3.75。Alekseev[50]等人通過研究泄壓管道中的火焰加速行為，認(rèn)為火焰加速的極限還依賴于管道的泄放率。

3.3 障礙物對DDT過程的影響

障礙物的存在對火焰?zhèn)鞑サ倪^程有很大影響。Lee[51]等人提出了障礙物對火焰影響的4種模式：抑制模式——火焰在傳播過程中熄滅；壅塞火焰——火焰?zhèn)鞑ニ俣冉咏橘|(zhì)中的聲速；準(zhǔn)爆轟——火焰?zhèn)鞑ニ俣冉橛诮橘|(zhì)聲速和C-J爆轟速度之間；C-J爆轟——火焰?zhèn)鞑ニ俣冉咏碚揅-J速度。

Obara[52]等人通過實驗發(fā)現(xiàn)多個障礙物存在的情況下，會更容易發(fā)生爆燃向爆轟的轉(zhuǎn)變。同時，Obara還提出了兩種多障礙物影響下DDT的機(jī)制：

(1)激波與火焰耦合。激波在障礙物后方渦流的影響下加速，同時，火焰加速又會形成反射激波。激波和火焰在下一個障礙前耦合，形成一個強烈的局部爆炸，從而引起爆燃轉(zhuǎn)爆轟的發(fā)生，如圖4所示。D表示爆轟波；F表示爆燃波；R表示反射激波；S表示初始激波；V表示渦流。

圖4 激波火焰耦合引起的爆燃轉(zhuǎn)爆轟

(2)多激波加速。對于較弱的局部爆炸，會在障礙物間形成多個激波，且當(dāng)激波處于加速傳播時，就會引起DDT過程發(fā)生，如圖5所示。F表示爆燃波；S表示初始激波；V表示渦流。

圖5 多激波引起的爆燃轉(zhuǎn)爆轟

實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與多激波誘導(dǎo)的爆燃轉(zhuǎn)爆轟過程相比，激波火焰耦合機(jī)制具有更短的爆轟誘導(dǎo)距離。后來Lu-Qing Wang[53]等人通過實驗得到了與Obara相同的結(jié)果，但是他們認(rèn)為是馬赫干和流場中連續(xù)出現(xiàn)的熱點共同作用，引起爆燃轉(zhuǎn)爆轟，而且障礙物間距越小，作用越顯著。

4 結(jié)語

本文通過討論火焰?zhèn)鞑ズ虳DT過程的形成機(jī)制，闡述了燃燒法和爆炸法在爆炸物銷毀工作中可能發(fā)生的DDT過程。人們已經(jīng)對可燃爆炸物的爆燃及爆轟機(jī)理、傳播和影響因素等基礎(chǔ)問題進(jìn)行了較為充足的理論和實驗研究。目前，這些理論和研究成果，已經(jīng)應(yīng)用于解決多個領(lǐng)域中的工程問題。對于公安機(jī)關(guān)的爆炸物品處置及銷毀工作，可以基于以下思路開展：充分利用現(xiàn)有的研究理論，改進(jìn)爆炸物處置及銷毀工作中涉及的關(guān)鍵問題；針對公安業(yè)務(wù)需求，提煉出相應(yīng)的科學(xué)問題。依據(jù)上述思路，可立足于現(xiàn)有理論基礎(chǔ)，進(jìn)行爆炸物處置及銷毀過程中的爆炸預(yù)防及爆炸控制實驗研究；建立適用于求解銷毀過程中爆燃及爆轟問題的模型，為銷毀作業(yè)的安全評估和實施預(yù)案提供參考。