对爆轰CJ模型和ZND模型合理性的讨论.pdf

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1、第17卷第3期高压物理学报Vol.17，No.32003年9月CHINESEJOURNALOFHIGHPRESSUREPHYSICSSept.，2003文章编号：1000-5773（2003）03-0214-06!对爆轰CJ模型和ZND模型合理性的讨论胡绍鸣，李辰芳（西安近代化学研究所，陕西西安710065）摘要：CJ模型和ZND模型未充分考虑爆轰过程中由于热量瞬时释放所带来的本质变化，它们所确定的爆轰终点状态是所有可能状态中熵值最低的，实现的概率极小。终点状态应该由热力学确定，ZND模型达不到热力学确定的平衡终态。爆轰

2、模型应该同时符合流体力学定律和热力学定律。关键词：爆轰；ZND模型；CJ模型；熵；热力学；流体力学中图分类号：O381文献标识码：A1引言爆轰过程的基本理论是CJ模型以及ZND模型，在爆轰科学的发展中起了极重要的作用。然而百［1］年来它的真实性一直受到怀疑，近年来争论并未平息。W.C.Davis认为，爆轰科学尚未成熟；李银成［2，3］认为，用有统计力学基础的物态方程所作的检验表明，爆轰的ZND模型是成立的；R.Cheret认为，CJ［4］理论提出后的一百年是处在神话和真实之间的一个世纪，有必要重新改写；著名爆轰学者J.K

3、amlet在告别学术生涯时说，爆轰科学是由好的实验证据、轶事、真伪不明的报导，以及大量错误信息组成的杂［5］［6］烩；C.O.Leiber赞同Kalmet的意见，认为爆轰理论在本质上是错误的。大多数学者认为，经典爆轰理论在一定程度上反映了客观存在，能满足工程计算的需要，但也还需要作进一步的完善。如孙锦山等认为：“虽然已经证明CJ理论并不完全正确，但CJ理论仍在广泛使用”，其原因是“很可能通过状态［7］方程的实验修正，已将CJ理论不正确的部分作了某种补偿，使计算结果非常令人满意”，代表了爆轰界普遍的观点。作者认为，经受过百

4、年实践检验的爆轰理论必然有其合理的内核；另一方面，作为人类认识客观真理的一个具体阶段，CJ模型和ZND模型（以下称为经典爆轰模型）只是相对真理而有待于深化。CJ模型和ZND模型不是那种只关联了某些数量关系的经验模型，而是从守恒定律推导出来并力求反映爆轰过程本质的理论模型。探索自然的奥秘是科学永恒的主题。当理论模型的某些特征和自然过程不相符，或违背了某些自然规律时，就应分析这些矛盾，以进一步揭示爆轰过程的本质。本研究将讨论经典爆轰模型的以下问题：爆轰过程终态是所有可能状态中熵值最低的，实现的概率极小；等熵的稀疏波膨胀不合理

5、；ZND模型达不到热力学确定的平衡终态。我们提出，爆轰是极快速的强放热过程，达到热力学平衡也极快，热力学平衡终态应该也是一个已知状态。以这两个已知状态为依据，研究爆轰过程的各个中间阶段，是一条可以探索的新思路。2经典爆轰模型的稀疏波和终态本节将阐明，经典爆轰模型反应区终点CJ点熵值最低，通过等熵的稀疏波膨胀达到的爆轰终态F!收稿日期：2002-07-22；修回日期：2002-10-14作者简介：胡绍鸣（1945—），男，硕士，副研究员.第3期胡绍鸣等：对爆轰CJ模型和ZND模型合理性的讨论2l5点熵值也最低，这个终点状态

6、实现的概率极小。［8］［7~9］图l是一个典型的经典理论爆轰波构型，图2为爆轰过程中状态的变化。按照经典理论，原始爆炸物受冲击波阵面压缩，系统的温度和压力在瞬间沿Rayheigh线跃升至N点状态，再沿Rayheigh线至反应区终态CJ点，随后在稀疏波区进行等熵膨胀，最后达到爆轰过程终态点F。图l爆轰波构型Fig.lConfigurationofdetonationwave按照ZND模型，从状态冯-诺曼尖点N沿着Rayheigh线至CJ点状态是一个熵值不断增加的过程，CJ点是Rayheigh线上熵值极大点。同时，CJ点又是

7、Hugoniot线上熵值的极小点。因为Hugoniot线是波后一切可能状态的集合，所以CJ点也就是一切可能状态中熵最低的一个状态点，从N点状态到CJ点状态是熵增加最慢的一条途径。按照不可逆过程热力学的理论，过程的发展方向应该沿着“亲合势”进行，熵的梯度是“亲合势”的一种形式，所以过程应该沿熵增加最快的方向进行（详见有关不可逆过程热力学专著，如文献［l0］及所附参考资料）。自发过程不可能沿熵增加最慢的途径进行。过程沿Rayheigh线进行，是经典爆轰模型从守恒定律得出的结论，似乎除这条熵增加最慢的途径之外，没有其它路可走。

8、而且沿此线熵虽然增加最慢，毕竟还是在增加，也还算有一定道理。但应注意图2经典爆轰理论的Hugoniot线和Rayheigh线到，所有这些结论都是在假设爆轰过程是一维层流Fig.2HugoniotcurveandRayheighhinein的条件下得出的。层流是一种有序的方式，这种假chaSSicahdetonatio