Page 22 - 《爆炸与冲击》2026年第2期

第 46 卷 黄 阳，等： 反应平衡对TNT约束爆炸准静态压力热力学模型计算结果的影响 第 2 期

绝热系数及单位质量炸药从引爆到流场进入准静态阶段所释放的总能量，即假定单位质量炸药释能为
已知以确保模型可解，且无法体现约束爆炸的实际化学过程。基于热力学的准静态压力模型首先计算
爆炸前后的物质变化和单位质量炸药释能，然后基于能量守恒方程求解准静态温度，最后基于理想气体
状态方程得出准静态压力。因此，热力学模型可以实现对物质组分、温度和压力的描述，并可进一步导
出准静态阶段的气体绝热系数、单位质量炸药释能等参数。Kinney 等 [23] 提出了考虑化学反应平衡的热
力学模型，其压力结果与试验吻合良好。然而，该模型需同时迭代温度及各项物质组分以确保反应平
衡，且求解的稳定性依赖计算初值的选取，计算较为复杂。钟巍等 [24] 和徐维铮等 [25] 基于反应顺序提出
了分段式热力学模型，模型假定各反应发生在特定的 m/V 区间，该区间范围与温度解耦且仅由碳与氧气
的比例决定，其结果精度低于考虑反应平衡的热力学模型。Feldgun 等 [22] 和 Edri 等 [26] 基于炸药的爆轰
和完全燃烧方程提出了不考虑化学反应平衡的热力学模型，其压力结果与试验吻合较好，且只需迭代温
度即可，求解相对简单，被广泛用于计算约束爆炸的理论和数值模型中的气体绝热系数和单位质量炸药
释能等参数 [17, 22, 27] 。然而，该模型无法考虑温度对反应平衡的影响，且在反应产物中有碳单质析出后与
UFC 曲线出现偏差 [28] 。
综上所述，已有研究提出的考虑及不考虑反应平衡的 TNT 约束爆炸准静态热力学模型的压力结果
均与试验结果基本一致，且可导出物质组分、温度、绝热系数等物理量，然而对热力学模型中不同物理
量考虑反应平衡的必要性研究还未见报道。考虑到约束爆炸的热效应将导致反应平衡发生改变，基于
不考虑反应平衡的热力学模型得到的温度、绝热系数等物理量可能与考虑反应平衡的模型存在明显偏
差，不能反映真实的物理过程。为探究化学反应平衡对热力学模型结果的影响，首先，本文基于等容过
程的能量守恒方程和固体碳析出现象，对不考虑反应平衡的 TNT 约束爆炸准静态压力热力学模型进行
修正；然后，基于统一的热力学模型求解框架，对比考虑与不考虑反应平衡的热力学模型求解结果，讨论
计算物质组分、温度、压力等物理量时考虑反应平衡的必要性；最后，针对 TNT 约束爆炸提出考虑反应
平衡后准静态阶段的物质组分、温度及压力的简化计算方法。

1 不考虑反应平衡的热力学模型及其修正

Feldgun 等 [22] 和 Edri 等 [26] 提出了不考虑反应平衡的 TNT 约束爆炸准静态压力热力学模型，模型假
设约束爆炸可视作等容绝热过程，且约束空间中的爆轰产物与空气发生充分完全的反应。然而，该模型
基于等压过程中的反应热计算系统的温升，且生成物中的碳被假定为气态，与实际情况存在偏差。本节
首先简要介绍该模型的求解过程，然后基于等容过程的能量守恒方程和固体碳析出现象对模型进行
修正。
1.1 模型求解过程
对不考虑化学反应平衡的热力学模型，基于 TNT 爆轰产物在完全燃烧和完全不发生后燃时的 2 个
化学反应方程式，确定生成物的组分。发生完全燃烧时，相应的反应方程式为：

(1)
C 7 H 5 N 3 O 6 +5.25O 2 → 1.5N 2 +2.5H 2 O+7CO 2
当 TNT 发生无后燃的爆轰时，采用 Brinkley-Wilson 假设 [29] ，相应的反应方程式为：

C 7 H 5 N 3 O 6 → 1.5N 2 +2.5H 2 O+3.5CO+3.5C (2)
对于当量体积比为 m/V 的约束爆炸工况，定义单位摩尔 TNT 分配的空气摩尔数为 Φ，Φ 可表示为：
Å ã Å ã
( ) 1 1 1 1 1
m
Φ = n air = p 0 V air = p 0 M TNT − = 9.284 − (3)
V n TNT RT init m/M TNT RT init m/V ρ TNT m/V 1 630
式中：n ai r 和 n TN T 分别为空气和 TNT 的摩尔数，p =101.325 kPa 为初始大气压力，V ai r 为空气所占体积，
0
M =0.227 kg/mol 为 TNT 单位摩尔质量，R=8.314 J/(mol·K) 为理想气体常数，T =298 K 为初始温度，ρ =
TNT init TNT
1 630 kg/m 为 3 TNT 密度，m/V 的单位为 kg/m 。当空气中的氧气（体积分数为 21%）恰好使得 TNT 发生完
3
全燃烧时，碳单质达到析出临界点，对应的 m/V 转折点 (m/V) trans, 1 满足：

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