爆炸理论发展简介-爆炸理论

爆轰现象被发现于19世纪80年代。贝特洛（Bertheloth）、维也里（Vieille）等人在研究火焰传播的过程中，发现一种远高于一般火焰传播速度的燃烧波，这种燃烧波的速度与点火条件、混合气体种类有关。一般火焰的传播速度为几米至几百米每秒，而这种燃烧波的传播速度可达到数千米每秒，被称为爆轰波。爆轰过程不仅是放热的化学反应过程，也是流体力学过程。爆轰波由诱导冲击波和化学反应区组成，在爆轰过程中，可燃物的化学反应和质点的运动同时发生。诱导冲击波加热、压缩并引发化学反应。化学反应释放的能量支持诱导冲击波并推动其在反应气体中传播。爆轰中的化学反应是极其复杂的。

1899年，查普曼（Chapman）首先提出计算爆轰波速度的理论，该理论将爆轰波阵面视为一间断面，波前气体跨过间断面后立即转化为高温产物，爆轰波速度对应于跨波阵面间断雷利线能够与平衡产物雨果尼奥线交汇的最低速度解，即雷利线与雨果尼奥线相切，因此也被称为切线解。其后的1905年，柔格（Jouguet）也独立提出了他的声速解准则，即爆轰波后气流相对波阵面以声速离开。实际上，他们所描述的是跨波阵面守恒方程的同一个解点，但柔格理论部分解释了该解的物理必然性。关于这一解点的讨论以及此后逐步完善的相关理论就成为人们现在所熟知的查普曼-柔格理论（Chapman-Jouguet理论，简称CJ理论）。这就是19世纪建立起来的经典爆轰波流体力学理论。试验证明，用这种简化理论研究爆轰波，与实际结果符合较好。

1940年苏联人泽尔道维奇（Zeldovich）、1942年美国人冯·诺依曼（Von Neumann）、1943年德国人德林（Döring）各自独立地对CJ理论的假设和论证作了改进，提出了新的爆轰模型，简称ZND模型。与CJ理论相比，ZND模型更接近实际情况。该模型把爆轰波看作由一个前导冲击波和随后的化学反应区构成，且化学反应是以有限速率进行的。引导冲击波压缩反应介质，在有限的诱导时间内，急剧上升的压力和温度诱导化学反应，形成化学反应诱导区，其具有一定的宽度，中间产物的摩尔分数在化学反应诱导区内急剧增大。在诱导区内，热力学状态近似不变；在能量释放区，化学反应急剧进行并伴随大量的能量释放。可燃物在经过一个连续的化学反应区后，最终转变成爆轰产物。爆轰波的CJ理论和ZND模型由于能够简单地反映问题的本质而得到了广泛的应用。上述两种经典理论都是一维理论。(www.xing528.com)

随着爆轰装置的小型化和试验测量技术的提高，借助20世纪50—60年代烟迹技术和瞬态流场捕捉技术的发展和应用，人们发现了很多与以上理论不符合的现象，即非定常爆轰现象。实际上，化学反应速率非线性地依赖于温度，导致爆轰波在时间和空间上的不稳定性。20世纪50年代，研究人员发现爆轰波阵面有复杂的三维结构，这种结构被解释为入射波、反射波和马赫波构成的三波结构。1959年，德尼索夫（Denisov）和特罗申（Troshin）首次用烟迹法获得三维爆轰波阵面传播留下来的鱼鳞状胞格结构。怀特（White）于1961年采用火花干涉技术首先发现了爆轰的不稳定性。1965年，索洛乌欣（Soloukhin）得到了首张爆轰波纹影照片。同一时期，研究人员还从理论与数值的角度揭示了爆轰波阵面的不稳定结构。菲克特（Fickett）等人以数值模拟得到了脉动的一维爆轰波，关于这种一维爆轰波的稳定性讨论一致延续至今。随着计算机技术的发展，二维数值模拟也逐渐发展起来。

这些工作促进了人们对爆轰波结构的认识。此外，其他的许多试验结果也证实：爆轰波阵面会发展为依赖时间的复杂三维结构。爆轰波的引导冲击波由多个间隔排列的马赫波和入射波组成。横波与马赫波和入射波相交于三波点并形成三波结构。利用烟膜技术可以记录三波点的运动轨迹，它们表现为不断重复的类似于“鱼鳞形”图案的胞格结构，即爆轰胞格结构。