球狀空間可燃?xì)怏w爆炸規(guī)律研究的進(jìn)展

宋曉婷 徐景德 李 鑫 陳昊馳

(華北科技學(xué)院 北京 101601)

球狀空間可燃?xì)怏w爆炸規(guī)律研究的進(jìn)展

宋曉婷 徐景德 李 鑫 陳昊馳

(華北科技學(xué)院 北京 101601)

球狀空間可燃?xì)怏w爆炸規(guī)律的研究對(duì)企業(yè)安全生產(chǎn)和社會(huì)穩(wěn)定具有重要的意義，研究爆炸規(guī)律過(guò)程通常以理論研究、數(shù)值模擬研究和實(shí)驗(yàn)研究三種方法展開(kāi)，通過(guò)總結(jié)球形空間可燃?xì)怏w爆炸的研究方法和內(nèi)容，對(duì)于設(shè)計(jì)更為合理的球形爆炸實(shí)驗(yàn)裝置和收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有重要意義，同時(shí)也為探討更科學(xué)有效的防爆抑爆技術(shù)提供理論支持。

球狀空間；可燃?xì)怏w；爆炸

引言

球狀空間由于不存在應(yīng)力集中點(diǎn)，相比方形空間發(fā)生大面積罐體破裂的可能性較小的優(yōu)勢(shì)，許多企業(yè)選擇用球罐進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸可燃?xì)怏w。同時(shí)，由于存在點(diǎn)火源和適合燃燒爆炸的外部條件，可燃?xì)怏w球罐的爆炸事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)化工企業(yè)的安全生產(chǎn)造成了重大的威脅。

研究爆炸事故通常采用三種方法：(1)理論研究：即采用一些經(jīng)驗(yàn)公式，建立物理和數(shù)學(xué)模型對(duì)球狀空間爆炸過(guò)程進(jìn)行模型描述，對(duì)后續(xù)的研究提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)公式；(2)數(shù)值模擬研究：現(xiàn)代數(shù)值模擬研究多采用商用CFD軟件，如：Fluent、FLACS、Phoenics、Dytran等，對(duì)爆炸傳播過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)模擬結(jié)果圖來(lái)描述爆炸過(guò)程，具有成本低，可行性高，真實(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；(3)實(shí)驗(yàn)研究：即設(shè)計(jì)球形爆炸裝置，對(duì)爆炸過(guò)程進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)以獲得具體的爆炸相關(guān)數(shù)據(jù)，具有真實(shí)性高，數(shù)據(jù)可靠的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)三種方法之間相互補(bǔ)充，能夠得到球狀空間爆炸傳播的特性，并為防爆抑爆技術(shù)的提出提供堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

一、球狀空間可燃?xì)怏w爆炸的理論研究

在以往的對(duì)球狀空間可燃?xì)怏w爆炸的理論研究過(guò)程中，通常以經(jīng)驗(yàn)方法為主，即通過(guò)大量的爆炸事故所得到的數(shù)據(jù)總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式，但由于爆炸受到多種外界因素影響，所以每個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式都有各自嚴(yán)格的使用條件。常用的理論研究方法有：TNT當(dāng)量法、TNO多能模型、球型和半球型火焰模型等理論模型。

(一)TNT當(dāng)量法和TNO多能模型

TNT當(dāng)量法是以爆炸相當(dāng)于多少TNT炸藥爆炸所產(chǎn)生的能量來(lái)衡量爆炸強(qiáng)度的方法，將爆炸看成點(diǎn)源起爆并且能量瞬間全部釋放的過(guò)程，并且將沖擊波視為理想沖擊波。因爆炸波傳播過(guò)程受氣體濃度分布、障礙物的影響，與理想沖擊波差異較大。TNO多能法則克服了這一缺點(diǎn)，它根據(jù)不同的約束條件，避免使用單一爆炸波，對(duì)各個(gè)爆炸波單獨(dú)建模，按不同火焰速度給出了10條標(biāo)志著不同爆炸級(jí)別的爆炸曲線，從弱到強(qiáng)，更為合理，但依舊存在使用的主觀性。

(二)球型模型和半球型模型

球型模型由Strehlow等人研究建立，通過(guò)球型模型便于找到由球形爆炸蒸汽云產(chǎn)生的沖擊波超壓和沖量，缺點(diǎn)是必須知道火焰速度和沒(méi)有考慮火焰加速過(guò)程。半球型火焰模型則是以半球型蒸汽云爆燃產(chǎn)生的爆炸強(qiáng)度建立模型，缺點(diǎn)是火焰形狀局限性太大，對(duì)于普遍的球型火焰爆炸不具有普遍研究意義[1]。

二、球狀空間可燃?xì)怏w爆炸的數(shù)值模擬研究

伴隨對(duì)計(jì)算流體力學(xué)的深入研究，越來(lái)越多研究者選擇采用數(shù)值模擬方法對(duì)球狀空間可燃?xì)怏w爆炸的過(guò)程進(jìn)行研究。在數(shù)值模擬的方法中，商用CFD軟件以其高度適用性受到研究者們的歡迎，總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，適用于球罐爆炸模擬的CFD軟件有Fluent、FLACS等。

利用Fluent軟件直接模擬可燃?xì)怏w球罐的爆炸過(guò)程較少，多數(shù)是利用軟件模擬球罐泄漏過(guò)程，以可燃?xì)庠频姆秶蜐舛缺碚鞅ǖ目赡苄院蛷?qiáng)度。如閆興清等人利用Fluent為平臺(tái)，建立甲烷球罐區(qū)真實(shí)尺寸模型，得知相同泄漏擴(kuò)散條件下，氫氣泄漏引起的可燃?xì)庠品秶畲?，爆炸波及程度最廣，甲烷次之[2]。同樣是研究泄漏濃度對(duì)爆炸的影響，劉春秀等人利用Fluent對(duì)LPG球罐區(qū)不同風(fēng)速下的泄漏規(guī)律進(jìn)行研究，得出了LPG氣體泄漏過(guò)程中沿地面區(qū)域具有高濃度氣云，具有爆炸危險(xiǎn)[3]。同時(shí)，F(xiàn)luent對(duì)于球罐泄漏爆炸的數(shù)值模擬技術(shù)還運(yùn)用到了海上石油儲(chǔ)存和運(yùn)輸中，劉欣等利用Fluent軟件對(duì)某氣田群海上平臺(tái)可燃?xì)怏w泄漏爆炸的范圍進(jìn)行了數(shù)值模擬，從而確定了概率最大的泄漏和爆炸區(qū)域，為應(yīng)急程序的細(xì)化提供了可靠的理論依據(jù)。

相比于Fluent在模擬球罐泄漏方面的優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)LACS軟件在模擬球罐爆炸傳播的具體過(guò)程中具有更大的便捷性。羅振敏等人運(yùn)用FLACS軟件對(duì)于近20L甲烷球罐進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果說(shuō)明輻射換熱是瓦斯爆炸過(guò)程中除熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流外主要的熱量傳遞方式，并且經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，F(xiàn)LACS軟件進(jìn)行的爆炸數(shù)值模擬結(jié)果僅與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差1.88%，具有非常高的可行性[4]。同樣針對(duì)液化氣球罐區(qū)的泄漏爆炸問(wèn)題，羅艾民等人運(yùn)用FLACS軟件對(duì)某液化氣工廠進(jìn)行三維建模，得到真實(shí)泄漏氣云的濃度三維分布圖并轉(zhuǎn)化為化學(xué)當(dāng)量比模擬出不同區(qū)域火焰鋒面及爆炸超壓關(guān)系圖，得出罐區(qū)越密，阻塞程度越大，發(fā)生爆炸危險(xiǎn)越大的重要結(jié)論。

借助Fluent、FLACS軟件在球狀空間可燃?xì)怏w泄漏和爆炸過(guò)程的模擬具有精度高、能夠模擬極端環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，因此越來(lái)越多的企業(yè)采用此種方式對(duì)球罐進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

三、球狀空間可燃?xì)怏w爆炸的實(shí)驗(yàn)研究

因球狀空間無(wú)應(yīng)力集中點(diǎn)，難以控制爆炸過(guò)程，故實(shí)驗(yàn)研究發(fā)展較慢。1952年美國(guó)發(fā)表的《氣體與蒸汽燃燒范圍》中第一次嘗試了球狀空間測(cè)定氣體火焰的裝置。日本、加拿大等國(guó)家隨后設(shè)計(jì)出了可燃?xì)怏w的球型密閉爆炸容器。國(guó)內(nèi)研究起步較晚，王華等人通過(guò)一個(gè)容積為19900cm3的球形容器，進(jìn)行了預(yù)混無(wú)湍流、湍流氣體爆炸實(shí)驗(yàn)，得出了球型容器鏈?zhǔn)椒磻?yīng)平均速率和發(fā)生爆炸的充要條件，總結(jié)了對(duì)于球罐而言，隨著容器的擴(kuò)展性增大，爆炸極限將變寬，爆炸較容易發(fā)生的特性[5]。羅振敏等人運(yùn)用XKWB-1型近球型密閉式氣體爆炸特性測(cè)試裝置進(jìn)行甲烷爆炸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了該裝置甲烷的最佳爆炸濃度、最大爆炸壓力和上升速率，與數(shù)值模擬結(jié)果吻合度高。中北大學(xué)胡立雙等人同樣設(shè)計(jì)了20L的球型爆炸容器，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)可見(jiàn)橘紅色火焰閃過(guò)視窗，沒(méi)有局部爆炸點(diǎn)出現(xiàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得甲烷的爆炸上下限，并對(duì)甲烷煤塵混合爆炸規(guī)律進(jìn)行研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，甲烷的加入能夠明顯提高煤塵的最大爆炸壓力值[6]。

球型爆炸容器爆炸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的取得，對(duì)于球型爆炸物理、數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬結(jié)果均有很強(qiáng)的驗(yàn)證性。

四、結(jié)論

總結(jié)球型容器爆炸的研究現(xiàn)狀，分析三種研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于促進(jìn)可燃?xì)怏w球罐防爆抑爆的深入研究有著重要的科學(xué)意義，并能夠?qū)窈蟮那蚬薇ㄌ匦匝芯刻峁┹^為系統(tǒng)的思路。

[1]胡雙啟，張景林.燃燒與爆炸[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1992：24-126.

[2]閆興清，喻健良.球罐內(nèi)甲烷氣體泄漏形成的可燃?xì)庠埔?guī)律研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2015,15(1):83-86.

[3]劉春秀，易麗軍.某石化企業(yè)LPG球罐區(qū)泄漏擴(kuò)散的數(shù)值模擬[J].廣州化工，2016,44(10)：182-184.

[4]羅振敏，張群，等.基于FLACS的受限空間瓦斯爆炸數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(8)：1381-1387.

[5]王華，葛玲梅.受限空間可燃?xì)怏w爆炸特性的對(duì)比[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009，34(2)：218-223.

[6]胡立雙，胡雙啟.多功能球形爆炸容器研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，7(11)：151-154.

華北科技學(xué)院基金項(xiàng)目：甲烷儲(chǔ)罐泄漏引發(fā)爆炸燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬研究(3142017027)

宋曉婷(1991—)，女，漢族，福建人，碩士研究生，華北科技學(xué)院，研究方向：危險(xiǎn)化學(xué)品安全技術(shù)。