爆轟波

炸藥一旦起爆，首先在起爆點發生爆炸反應而產生大量高温、高壓和高速的氣流，在炸藥中激發衝擊波。衝擊波強烈壓縮鄰近的炸藥薄層引起炸藥反應，產生大量氣體與大量熱。反應所釋放出來的熱量的一部分足以補償衝擊波傳播時的能量損耗，因此，衝擊波得以維持固有波速和波陣面壓力繼續向前傳播。其後緊接着引起炸藥進行化學反應，並以同等速度向前傳播。這種伴隨有化學反應，在炸藥中傳播的特殊形式的衝擊波稱為爆轟波　，這個過程叫做爆轟過程 ^[1]  。

初始壓力對爆轟波局部速度波動的影響

爆轟波局部速度波動很小，且其平均速度接近理論爆轟CJ速度。爆轟波在管道內能夠自持穩定地傳播，證明在此初始壓力下，爆轟波前導衝擊波與化學反應區處於強耦合狀態。爆轟波前導衝擊波壓縮誘導區內化學反應物，使之在很短的時間內達到較高的温度和密度，從而能夠在很小尺度內迅速發生化學反應並釋放出大量化學能量，而所釋放出的能量則反過來促進前導衝擊波傳播，從而維持爆轟波繼續穩定地傳播，此種傳播模式稱為穩態式爆轟（Ⅰ）。

隨着初始壓力的降低（p0=18kPa），爆轟波局部速度波動有所增加。但此時爆轟波仍能夠以約0.97vCJ平均速度在管道內傳播，且局部速度波動的振幅及頻率具有隨機性，此種傳播模式稱為快速波動式爆轟（Ⅱ）。

隨着初始壓力進一步降低（p0=14kPa），爆轟波在進入到測試段管道後，以接近理論爆轟CJ速度在管道內傳播，在傳播至距離測試段入口端約0.3m處時，爆轟波局部速度突然降低至0.87vCJ左右，並以此速度在管道內傳播約0.5m距離（約40倍管道直徑）後，速度又突然增加至vCJ，待傳播一段距離（約為0.2m），速度又降至0.87vCJ左右.爆轟波在管道內按照此種模式週期地傳播至管道末端，此種傳播模式稱為結巴式爆轟（Ⅲ）。

繼續降低可燃氣體初始壓力（p0=12kPa），爆轟波在進入到測試段管道後其局部速度將產生較大波動，可將其速度分佈分為3個階段：

①CJ爆轟階段（0.8vCJ≤v≤vCJ）；

②低速階段（0.4vCJ≤vCJ）。

在CJ爆轟階段，爆轟波在管道內傳播時局部速度緩慢降低，爆轟波前導衝擊波與爆轟波火焰面仍處於耦合狀態，但前導衝擊波與化學反應區火焰面之間距離在逐漸增加，且誘導區長度在逐漸加大。在傳播至約750mm處，爆轟波速度突然加速降低，表明此時前導衝擊波與火焰面解耦，爆轟波進入低速階段，此時爆轟波局部速度為0.6vCJ左右．然而爆轟波化學反應區內化學反應並未結束，此時火焰面與前導衝擊波保持一定的距離，且以相同速度在管道內傳播，前導衝擊波仍對管道內預混氣體進行壓縮並形成誘導區．爆轟波在管道內傳播大約2000mm 的距離（約為160倍管道直徑）後，在2600mm處，前導衝擊波與壁面邊界層，以及衝擊波與衝擊波相互作用，使得局部誘導區內化學反應活性增強，隨之產生熱點，並導致熱點燃燒爆炸形成局部爆炸中心．局部爆炸中心會形成強壓縮波，此壓縮波將導致火焰面速度迅速增加，並與火焰面一同向前追趕前導衝擊波，在火焰面追趕上前導衝擊波後，會造成爆轟波過載現象發生，此時爆轟波速度為1.4vCJ左右。然而由於過載階段爆轟波並不能自持穩定地傳播，故當爆轟波經歷過載階段後速度隨之降低，並逐漸達到CJ爆轟狀態（v≈vCJ），隨後形成下一個傳播週期．此種傳播模式稱為馳振式爆轟（Ⅳ）。

在結巴式爆轟與馳振式爆轟傳播模式下均出現速度降低現象。對於結巴式爆轟，其速度降低是由於爆轟波穩定性減弱、非穩定性增強導致爆轟波速度波動，並使得爆轟波火焰面產生週期性的速度變化而造成的，然而此時爆轟波前導衝擊波與火焰面並未解耦。

對於馳振式爆轟，其速度降低是由於在較低壓力下，爆轟波前導衝擊波與火焰面發生解耦現象造成的，在爆轟波速度加速降低階段，爆轟波前導衝擊波與火焰面完全解耦．另外通過對比低速段速度可以看出，對於結巴式爆轟，速度降低時其值約為0.87vCJ，仍接近理論爆轟CJ速度；而對於馳振式爆轟，速度降低時其低速段速度約為0.6vCJ，已遠離理論爆轟CJ速度。

若進一步降低可燃氣體初始壓力至p0=8kPa以下時，爆轟波在進入到測試段管道後爆轟波前導衝擊波將與化學反應區快速解耦，化學反應區的化學反應速率逐漸降低，不能產生足夠能量繼續維持爆轟波傳播，使得爆轟波速度逐漸降低至0.3vCJ以下，形成爆燃波並最終失效，此種傳播模式稱為失效模式（Ⅴ） ^[2]  。

初始壓力對爆轟波平均速度的影響

在30～18kPa壓力區間內，爆轟波處於穩態傳播模式，此時爆轟波平均速度接近理論爆轟CJ速度且衰減值很小。隨着初始壓力的降低，在18～14kPa，爆轟波處於快速波動傳播模式，爆轟波平均速度衰減變大，且衰減值隨着初始壓力的降低而增加。這是由於爆轟波誘導區長度與初始壓力有關，初始壓力降低時，爆轟波誘導區長度增加，導致由邊界層擴散所產生的能量損失增大，同時初始壓力的降低使得爆轟波化學反應區化學反應速率變緩。

上述兩種綜合效應導致爆轟波平均速度降低併產生衰減。在14～12kPa壓力區間內，爆轟波處於結巴式傳播模式，在此傳播模式下，爆轟波平均速度的波動顯著增加且隨着初始壓力的降低其衰減速度加快。繼續降低可燃氣體初始壓力，在12～8kPa壓力區間內，爆轟波將發生馳振式爆轟，且爆轟波速度平均值將迅速從0.95vCJ降低至0.6vCJ左右．若進一步降低可燃氣體初始壓力至8kPa以下時，爆轟波在進入管道後將失效，此時無平均速度值 ^[3]  。

初始壓力對爆轟波胞格結構的影響

對於穩態式、快速波動式及結巴式傳播模式，爆轟波在管道內傳播時其胞格結構相似。爆轟波由左至右在管道內傳播，爆轟波胞格呈現出不規則結構，且其胞格尺寸均隨着可燃氣體初始壓力的降低而逐漸增加。

在CJ爆轟階段，爆轟波進入到測試段管道後由多頭爆轟逐漸轉變成單頭螺旋爆轟，並以單頭螺旋爆轟在管道內持續傳播直至爆轟波前導衝擊波與化學反應區解耦處，此時單頭螺旋爆轟消失，煙跡上無爆轟胞格結構，對應於低速階段。在耦合處，爆轟波重新形成，此時爆轟波處於過載階段，對應的胞格尺寸遠小於CJ爆轟階段爆轟波胞格尺寸。然而爆轟波過載時不能自持穩定傳播，導致爆轟波逐漸衰弱，對應的爆轟波胞格尺寸逐漸增加。爆轟波進入到管道後出現單頭螺旋爆轟，在傳播一段距離後爆轟波前導衝擊波與化學反應區結構解耦，爆轟波胞格結構消失直至管道末端 ^[2]  。

（1）可燃氣體初始壓力對爆轟波在管道內傳播具有顯著影響，隨着初始壓力的逐漸減小，爆轟波局部速度波動不斷增加，並存在5種不同傳播模式，分別為穩態式、快速波動式、結巴式、馳振式及失效模式。

（2）在穩態傳播模式下，爆轟波平均速度接近於理論爆轟CJ速度．隨着初始壓力的減小，爆轟波平均速度不斷衰減，當爆轟波失效時，最小平均速度約為0.6vCJ。

（3）在穩態式、快速波動式及結巴式傳播模式下，爆轟波具有多頭胞格結構，且胞格尺寸隨着初始壓力的降低而增加。在馳振式爆轟下，當前導衝擊波與火焰面解耦時，爆轟波胞格結構消失，在重新耦合處，再次形成胞格結構。當爆轟失效時，煙跡無胞格結構 ^[3]  。