關(guān)于蒸氣爆炸的理論研究

葛書杰 馮殿義

摘 要：總結(jié)了現(xiàn)如今階段對(duì)蒸氣爆炸（BLEVE）的認(rèn)識(shí)、蒸汽爆炸的壓力試驗(yàn)以及數(shù)值模擬的研究成果，分析了當(dāng)前對(duì)于蒸氣爆炸研究中出現(xiàn)的問題以及不足之處，并且提出了以后應(yīng)該進(jìn)行的研究方向。

關(guān)鍵詞：蒸氣爆炸；研究進(jìn)展；數(shù)值模擬

Theoretical research on BLEVE

Shujie Ge. Dianyi Feng

（College of Mechanical and Automation，Liaoning University of Technology，Jinzhou，Liaoning121001，China）

Abstract：This paper summarized the current understanding ， pressure experiment and numerical simulation's research results of BLEVE， we analyzed the current problems and shortcomings in BLEVE research and put forward the research direction that should be carried out next.

Key words： BLEVE； Research progress； Numerical simulation

1 蒸氣爆炸的認(rèn)識(shí)

BLEVE一詞最早出現(xiàn)于1957年，PETERSON在分析盛裝過熱福爾馬林和苯酚混合物的容器失效時(shí)，認(rèn)為該容器發(fā)生BLEVE現(xiàn)象；BIRK等針對(duì)受熱條件下的丙烷反應(yīng)釜進(jìn)行蒸氣爆炸實(shí)驗(yàn)，提出兩階段蒸氣爆炸理論。爆炸沸騰與常規(guī)沸騰差別很大，表現(xiàn)為汽泡初始?jí)毫团R界熱流密度極高、過程極短、實(shí)驗(yàn)重復(fù)性高等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者根據(jù)BLEVE機(jī)理建立相關(guān)模型。俞昌銘等分析研究冷爆炸現(xiàn)象，針對(duì)飽和狀態(tài)液-氣共存容器爆炸問題，建立較完整的物理數(shù)學(xué)模型；王三明等通過剖析BLEVE的發(fā)生、發(fā)展機(jī)理和條件，提出近地面抬升火球模型及爆炸超壓模型；徐書根基于漲落理論，建立壓力容器液相區(qū)的理論模型。1992年，日本某工廠的一個(gè)液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)罐發(fā)生破裂并引發(fā)了蒸氣爆炸（BLEVE），半個(gè)工廠完全幾乎被爆炸釋放出的能量炸毀，方圓400米內(nèi)的房屋及車輛受到嚴(yán)重破壞，此次事故導(dǎo)致了約5百萬美元的經(jīng)濟(jì)損失。

2蒸氣爆炸壓力

2.1 試驗(yàn)研究

2002年林文勝[1]等人設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬蒸氣爆炸的閥門突然開啟實(shí)驗(yàn)裝置。將閥迅速打開，使容器內(nèi)的壓力快速下降，從而模擬出容器內(nèi)可能發(fā)生的BLEVE現(xiàn)象，類似形成裂口而引發(fā)的蒸氣爆炸現(xiàn)象。壓力的峰值有時(shí)會(huì)接近或超過初始?jí)毫Φ姆逯?，大約為其的1.3倍，這是導(dǎo)致發(fā)生劇烈的蒸氣爆炸的一個(gè)原因。

2004年林文勝[2]等人于上海交大設(shè)計(jì)了在不同充裝率下的熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，考慮到了熱分層現(xiàn)象的存在，使用兩種不同的加熱形式，可以得到分層度 和 的液化石油氣。由于存在分層區(qū)，從而減小了能量和壓力反彈，從而使得發(fā)生BLEVE的幾率減小。

以上實(shí)驗(yàn)研究，都是以水為介質(zhì)研究的蒸氣爆炸情況，考慮了影響爆沸的幾個(gè)重要因素，對(duì)泄放口徑的大小，充裝率的大小，閥開度等因素的研究來研究爆沸的壓力變化情況。

2.2 數(shù)值模擬研究

除了試驗(yàn)方法以外，人們還通過理論建模與計(jì)算的方式來對(duì)蒸氣爆炸的問題進(jìn)行研討。

山東大學(xué)徐書根[3]于2010年基于漲落理論，建立壓力容器液相區(qū)的理論模型。通過研究得到內(nèi)部壓力的變化和裂紋張開面積有關(guān)，泄露面積與蒸氣爆炸壓力反彈幅度成正比。爆炸的發(fā)生與載荷峰值的大小與泄露面積是互相關(guān)聯(lián)的。并且以平陰尿塔為例來分析了這一結(jié)論。

大連理工大學(xué)葉志烜[4]于2014年進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，詳細(xì)說明了儲(chǔ)罐內(nèi)兩相流動(dòng)的特征存在于整個(gè)泄放過程，并且在原有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過FLUENT軟件和CFD軟件對(duì)充裝率、相對(duì)增壓量、降壓速率以及泄放口徑等參數(shù)的模擬對(duì)蒸氣爆炸的爆沸強(qiáng)度的影響進(jìn)行了分析與解釋：增壓倍數(shù)和升壓速率隨充裝率的增大而上升；初始溫度增加會(huì)導(dǎo)致相對(duì)增壓量和降壓速率都增加，初始溫度越高，儲(chǔ)罐越不安全；在泄放開始時(shí)，當(dāng)開口處反彈壓力臨近初始?jí)毫r(shí)，液體不在發(fā)生氣化時(shí)，但容器底部的壓力要稍微低些，其氣化速率更大些，可繼續(xù)沸騰，導(dǎo)致兩相流繼續(xù)膨脹，使得容器超壓。BLEVE是一個(gè)三維的流動(dòng)問題，本文建立的是二維軸對(duì)稱的數(shù)值模型，并且對(duì)于壁面有絕熱簡(jiǎn)化，只是針對(duì)水為介質(zhì)來進(jìn)行的模擬計(jì)算從而得出一些定性的規(guī)律。因此想得到接近真實(shí)的工況模擬的數(shù)學(xué)模型還要考慮儲(chǔ)罐內(nèi)的介質(zhì)、外界環(huán)境之間的傳熱機(jī)制等問題。

3 存在的問題

A.近幾年的研究?jī)H限于單一物質(zhì)的蒸氣爆炸現(xiàn)象，未在混合物上進(jìn)行研究，缺乏理論研究方法與成果。同時(shí)對(duì)容器缺陷的而導(dǎo)致蒸氣爆炸的評(píng)定也沒有任何的判斷依據(jù)。

B.在理論模型與數(shù)值模型中，大部分學(xué)者所建立的都為一維模型與二維模型，并且對(duì)壁面的分析做絕熱簡(jiǎn)化，因此需要建立三維模型對(duì)容器側(cè)壁等進(jìn)行分析，無法對(duì)溫度與壓力在爆炸中的演變做出更為真實(shí)的反映。

C.現(xiàn)如今的研究對(duì)于容器長(zhǎng)徑比、泄放口徑、初始?jí)毫Α⒔橘|(zhì)充裝率進(jìn)行研究，對(duì)兩相介質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步探索，但是蒸氣爆炸的響應(yīng)機(jī)理是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，在實(shí)際生產(chǎn)過程中對(duì)于容器壁面與外界環(huán)境還存在著熱量傳遞，對(duì)于容器內(nèi)的介質(zhì)，容器壁面，外界環(huán)境之間的傳熱機(jī)制都要考慮，能過得出更接近真實(shí)的數(shù)據(jù)與結(jié)論。

4 結(jié)論

通過對(duì)蒸氣爆炸發(fā)生的機(jī)理和對(duì)蒸氣爆炸的數(shù)值模擬和試驗(yàn)現(xiàn)狀的論述，可以看出現(xiàn)在對(duì)于蒸氣爆炸模型的研究還有些不足，對(duì)于接下來的研究：一是建立宏觀的過降壓極限模型，可以總結(jié)研究人員的數(shù)據(jù)，通過擬合得出過降壓極限模型的基本公式；二是研究上部空間壓力的變化對(duì)于泄放的影響，擬合公式。對(duì)這兩項(xiàng)進(jìn)行研究，對(duì)蒸氣爆炸才會(huì)有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]林文勝，顧安忠，魯雪生，弓燕舞.液化石油氣蒸汽爆炸的模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2002（06）：678-680.

[2]林文勝，顧安忠，李品友.液化天然氣的分層與渦旋研究進(jìn)展[J].真空與低溫，2000（03）：125-132.

[3]徐書根. 層板包扎容器多元物料蒸氣爆炸及殼體力學(xué)響應(yīng)研究[D].山東大學(xué)，2010.

[4]葉志烜. 液化氣體儲(chǔ)罐爆沸過程的數(shù)值模擬研究[D].大連理工大學(xué)，2014.