甲烷爆炸冲击波对动物损伤研究

【摘要】：随着由甲烷等碳氢化合物为燃料的空气炸弹在战场上的杀伤和破坏效应日渐显著，各国科学家们先后对燃料空气炸弹进行了深入研究。在此基础上，开发了许多新型功能的燃料空气炸弹以满足攻击不同地下目标的需求。近些年来，这些研究主要集中在新型云爆剂的开发、起爆方式的改进、云爆效应的超压分配规律，但对于云爆效应的战场效能和爆炸冲击波对人员损伤生物学效应研究的较少。甲烷气体不仅是云爆剂的燃料之一，也是煤矿瓦斯气体的主要成份。由于煤炭事故频发，瓦斯爆炸给人民生命财产造成巨大损失，科学家们更多关注瓦斯爆炸火焰传播规律、引起煤尘二次爆炸机理、障碍物对爆炸特性的影响，但对于密闭空间内甲烷爆炸对动物损伤研究较少，对置障条件下密闭空间内对动物损伤研究未曾见报道。 鉴于云雾爆轰效应产生的冲击波对人员及动物机体损伤与气体爆炸产生的冲击波对人员损伤有相似之处以及气体爆炸冲击波作用机体的靶位器官、病理改变研究的空白，本论文选择甲烷气体，利用大鼠作为模型动物，在模拟巷道内进行气体爆炸冲击波对动物损伤生物学效应、损伤机理以及损伤部位及程度等研究。 首先，本文研究了管道内浓度为10%甲烷-空气预混气体爆炸对不同位置、不同姿势大鼠的肺、肝、脾损伤程度及损伤机理。研究发现甲烷爆炸时，不同位置、不同姿势对大鼠肺、肝、脾损伤均有影响，但肺部损伤明显；肺显微结构和超微结构显示，肺部对爆冲击波压力最为敏感，极易造成致命损伤，是冲击波攻击的靶位脏器；大鼠肺泡中黑色碳颗粒物的吸入与否以及吸入量表明，在密闭环境中反射波对动物的损伤不仅存在而且比入射波对机体的损伤更加严重。 其次，在管道内进行了浓度为6%甲烷-空气预混气体爆炸波冲击次数对大鼠肺、肝损伤程度的研究。结果发现，随爆炸次数的增加，肺损伤呈现逐步递增的状态，但未见有倍增的损伤变化，但肝损伤递增程度明显没有肺损伤递增严重；进一步分析认为爆炸冲击波压力是大鼠致死的根本原因。 再次，本文研究了在圆环形障碍管道内10%甲烷-空气预混气爆炸时对不同位置大鼠肺、肝、脾损伤程度和病理改变。结果表明，圆环形障碍物阻塞率和障碍物数量对甲烷爆炸压力有显著影响。在阻塞率为50%，3片圆环障碍物条件下，爆炸压力最大为0.5036MPa，压力上升速率为31.1MPa/s；置障管道内甲烷爆炸造成大鼠的灼伤和肺泡隔断裂，肺泡塌陷程度更加严重，直接导致大鼠当场全部死亡，但放置在管道内后端大鼠的肺损伤程度明显高于前端大鼠；肝、脾与无障碍物管道内大鼠相比二者损伤变化没有明显差异。 最后，利用试验数据对冲击波损伤超压公式进行了检验并建立了适合于置障条件下动物损伤超压公式。依据修正公式计算了煤矿巷道内甲烷爆炸对人员造成50%死亡概率的超压为0.312MPa，造成轻微损伤的超压为0.015MPa；利用蒸汽云爆炸模拟公式，对模拟巷道内甲烷爆炸区域进行了死亡区、重伤区、轻伤区的划分与计算。 该研究不仅对揭示燃料空气炸弹爆炸冲击波在战场上的生物学损伤效应、瞬间致死的病理学、冲击波损伤机制有重要意义，而且可以为矿井瓦斯爆炸的防治和生命的救治提供理论与技术支撑。 【关键词】：甲烷 爆炸冲击波 动物 损伤
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TJ410.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 1 引言14-30
• 1.1 研究目的和意义14-17
• 1.2 甲烷爆炸对动物损伤的研究现状17-28
• 1.2.1 甲烷爆炸对人员损伤的类型18-20
• 1.2.2 甲烷爆炸对动物的伤害表现20-23
• 1.2.3 国外研究现状23-25
• 1.2.4 国内研究现状25-28
• 1.3 本文研究的主要内容28-30
• 2 甲烷爆炸对动物损伤模型研究进展30-47
• 2.1 甲烷爆炸化学机理分析30-32
• 2.1.1 甲烷爆炸的必备条件30
• 2.1.2 甲烷爆炸机理30-32
• 2.2 火焰加速机理32-37
• 2.2.1 层流火焰加速机理32-34
• 2.2.2 湍流火焰加速机理34-37
• 2.3 冲击波的传播37-40
• 2.3.1 正反射37-38
• 2.3.2 规则斜反射38-39
• 2.3.3 马赫反射39-40
• 2.3.4 环流作用40
• 2.4 损伤模型研究进展40-46
• 2.4.1 火球热辐射损伤事故伤害模型41
• 2.4.2 冲击波损伤事故伤害模型41-42
• 2.4.3 部分冲量标准损伤模型42-43
• 2.4.4 胸部和肺组织生物力学损伤模型43-44
• 2.4.5 肺部气体交换和呼吸损伤模型44
• 2.4.6 全身心肺循环和呼吸损伤模型44-45
• 2.4.7 Injury 软件对冲击伤的评估45-46
• 2.5 本章小结46-47
• 3 管道内甲烷爆炸对动物损伤试验研究47-86
• 3.1 试验设备与仪器47-49
• 3.1.1 爆炸试验设备47-49
• 3.1.2 大鼠固定笼设计49
• 3.1.3 主要试验仪器49
• 3.2 试验材料与方法49-55
• 3.2.1 试验材料49-50
• 3.2.2 甲烷爆炸试验方法50
• 3.2.3 病理切片制备方法50-55
• 3.3 管道内甲烷爆炸对动物损伤试验55-66
• 3.3.1 试验方法55
• 3.3.2 肺损伤试验结果与分析55-62
• 3.3.3 肝、脾损伤试验结果与分析62-66
• 3.4 大鼠姿势对爆炸损伤影响试验66-73
• 3.4.1 试验方法66
• 3.4.2 肺损伤试验结果与分析66-71
• 3.4.3 肝损伤试验结果与分析71-73
• 3.5 爆炸次数对大鼠损伤试验73-84
• 3.5.1 试验方法73
• 3.5.2 肺损伤试验结果与分析73-82
• 3.5.3 肝损伤试验结果与分析82-84
• 3.6 本章小结84-86
• 4 置障管道内甲烷爆炸对动物损伤试验研究86-106
• 4.1 置障管道内甲烷爆炸特性试验研究86-93
• 4.1.1 障碍物阻塞率对甲烷爆炸特性的影响86-89
• 4.1.2 障碍物数量对甲烷爆炸特性的影响89-92
• 4.1.3 障碍物间距对甲烷爆炸特性的影响92-93
• 4.2 置障管道内甲烷爆炸对大鼠损伤试验93-105
• 4.2.1 试验方法93
• 4.2.2 肺损伤试验结果与分析93-101
• 4.2.3 肝、脾损伤试验结果与分析101-105
• 4.3 本章小结105-106
• 5 甲烷爆炸冲击波对人员损伤评估106-122
• 5.1 冲击波超压对人损伤评估106-114
• 5.1.1 动物损伤超压计算方法107-109
• 5.1.2 动物损伤超压计算公式的检验109-110
• 5.1.3 动物损伤超压计算公式的修正110-112
• 5.1.4 人员损伤超压的计算112-114
• 5.2 甲烷爆炸冲击波伤害区域划分114-120
• 5.2.1 冲击波伤害破坏作用定量分析方法114-116
• 5.2.2 井下巷道甲烷爆炸冲击波损伤区域划分116-118
• 5.2.3 井下巷道甲烷爆炸冲击波损伤区域计算118-120
• 5.3 本章小结120-122
• 6 结论与展望122-124
• 6.1 结论122-123
• 6.2 创新点123
• 6.3 不足与展望123-124
• 参考文献124-133
• 攻读博士学位期间发表的论文及所取得的研究成果133-134
• 致谢134-135

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