冲击波超压

三、事故后果之一：物理爆炸的能量爆炸的特征—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。三、事故后果之一：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：Eg——气体的爆破能量，kJ；P——容器内气体的绝对压力，MPa；V——容器的容积，m3；k——气体的绝热指数，即气体的定压比热与定容比热之比。3110])1013.0(1[1kkgpkpVE32857.010])1013.0(1[5.2ppVEg32857.010])1013.0(1[5.2ppCg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。则：Eg=CgV式中Cg——常用压缩气体爆破能量系数，kJ／m3。令若将k=1.135代入，可得干饱和蒸气容器爆破能量为：31189.010])1013.0(1[4.7ppVEs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：Es=CsV式中Es——水蒸气的爆破能量，kJ；V——水蒸气的体积，m3；Cs—干饱和水蒸气爆破能量系数，kJ/m3。各种常用压力下的干饱和水蒸气容器爆破能量系数列于下表。2)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，一般计算时不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=[(H1—H2)—(S1—S2)T1]W式中E——过热状态液体的爆破能量，kJ；H1——爆炸前饱和液体的焓，kJ/kg；H2——在大气压力下饱和液体的焓，kJ/kg；S1——爆炸前饱和液体的熵，kJ/(kg·℃)；S2——在大气压力下饱和液体的熵，kJ/(kg·℃)；T1——介质在大气压力下的沸点，kJ/(kg·℃)；W——饱和液体的质量，kg。饱和水容器的爆破能量按下式计算：Ew=CwV式中Ew——饱和水容器的爆破能量，kJ；V——容器内饱和水所占的容积，m3；Cw——饱和水爆破能量系数，kJ/m3，其值见下表。表：常用压力下饱和水爆破能量系数锅炉饱和水和水蒸汽爆炸饱和水——压力迅速降低——瞬时汽化——爆炸实例1、二氧化碳储罐物理爆炸能量。CO2储槽的参数：操作压力：2.0MPa；操作温度：－22℃；尺寸：Ø2×10m，30m3。方法1、压缩气体与水蒸气容器爆破能量方法2、液化气体与高温饱和水的爆破能量E=[(H1－H2)－(S1－S2)T1]W3110])1013.0(1[1kkgpkpVE查得有关数据如下：储罐内CO2液体在标况温度(20℃)下的饱和蒸气压为5.733MPa。CO2的绝热指数1.295H1：－346.45kJ/kg；H2：－20.68kJ/kg；S1：－1.89kJ/(kg·K)；S2：－0.0791kJ/(kg·K)；T：大气压下CO2的沸点为216.55K；W：CO2储罐的有效容积为27m3该状态下CO2的密度为1041kg/m3，合28107kg。方法1、压缩气体与水蒸气容器爆破能量（错误）方法2、液化气体与高温饱和水的爆破能量（正确）E=[(H1－H2)－(S1－S2)T1]W方法2计算爆炸能量：E=1857591kJ;将爆炸能量换算成TNT当量q：q=E/QTNT（QTNT为1kgTNT的平均爆破能量，取4500）1857591/4500=412.8kg。方法1计算爆炸能量：约75kgTNT爆炸能量3110])1013.0(1[1kkgpkpVE四、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一种介质状态突跃变化的强扰动传播，其破坏作用可用：峰值超压，持续时间，冲量三个特征参数来衡量。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。比定容热容Cv,比定压热容Cp;k=Cp/Cv热力学过程等温过程绝热过程等熵过程(绝热可逆）2112VVpp0dQ常数kpvcd222Tp111Tpc音速是微弱扰动波在弹性介质中的传播速度活塞以微小的速度dv向右运动,产生一道微弱压缩波,流动是非定常的。选用与微弱扰动波一起运动的相对坐标系作为参考坐标系,流动转化成定常的了。由质量守恒方程0AcdvcAddvcdcdvdpcdvccAAdpppA)(略去二阶微量(1)由动量方程(2)由（1）、（2）得ddpc由等熵过程（可逆又绝热）关系式以及状态方程可得：kRTddpc冲击波伤害、破坏作用准则有：超压准则、冲量准则、超压—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下表。表：冲击波超压对人体的伤害作用表：冲击波超压对建筑物的破坏作用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：式中△p——冲击波波阵面上的超压，MPa；R——距爆炸中心的距离，m；n——衰减系数。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。nRp实验数据表明，不同数量的同类炸药发生爆炸时，如果距离爆炸中心的R之比与炸药量q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：若则式中R——目标与爆炸中心距离，m；R0——目标与基准爆炸中心的相当距离，m；q0——基准炸药量，TNT，kg；q——爆炸时产生冲击波所消耗的炸药量，TNT，kg；△p——目标处的超压，MPa；△p0——基准目标处的超压，MPa；α——炸药爆炸试验的模拟比。300qqRR0pp∆p∆pR0=10mR1=20mq0=1000kgTNTq1=8000kgTNT上式也可写成为：△p(R)=△p0(R/a)利用该式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：1000kgTNT爆炸时的冲击波超压综上所述，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计算出其爆破能量E。(2)将爆破能量q换算成TNT当量q。因为1kgTNT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(51)求出爆炸的模拟比α，即：(4)求出在1000kgTNT爆炸试验中的相当距离R0，即R0=R/α。(5)根据R0值在表11中找出距离为R0处的超压△p0(中间值用插入法)，此即所求距离为R处的超压。(6)据超压△p值，从表中找出对人员和建筑物的伤害、破坏作用。1113330=(q/q)=(q/1000)=0.1qTNTq=E/q=E/4500实例1、二氧化碳储罐物理爆炸能量及波及范围CO2储槽的参数：操作压力：2.0MPa；操作温度：－22℃；尺寸：Ø2000×10000mm，30m3。方法1、压缩气体与水蒸气容器爆破能量方法2、液化气体与高温饱和水的爆破能量（正确）E=[(H1－H2)－(S1－S2)T1]W(1)将以上数据代入，得爆炸能量E=1857591kJ。(2)将爆炸能量换算成TNT当量q：q=E/QTNT（QTNT为1kgTNT的平均爆破能量，取4500）=1857591/4500=412.8kg。3110])1013.0(1[1kkgpkpVE用超压—冲量准则,进行计算(波及范围)1)死亡区:起点为爆炸中心,其外径为RA,称为死亡半径。说明处于外径为RA外圆处的无防护人员因爆炸冲击波作用导致肺出血而死亡的概率为0.5,RA可用下式求得:2)重伤区:起点内径为RA,外径记为RB,RB表示处于该圆周附近人员因冲击波作用耳膜破裂(重伤)的概率为0.5,它要求的冲击波超压峰值为44000Pa。RB由下列方程组求得:3)轻伤区:内径为RB,外径为RC,RC表示在此处,耳膜因冲击波作用破坏的概率为0.01,它要求的冲击波超压峰值为17000Pa,由方程组求出轻伤半径RC4）建筑物全部破坏半径爆炸使所有建筑物全部破坏的半径由下式计算:式中:Ki为常数,对应响应破坏等级,全部破坏其破坏等级为1级,取常数为3.8。由下式求得。5）财产损失半径RE假定RE内没有损失的财产与RE外遭到损失的财产等值。即假定RE内财产完全损失,而RE外财产完全无损失。RE的计算可采用上式,但常数KII取值为建筑破坏等级为2级时对应的常数,其值为5.6。