基于VR技術(shù)的大型儲罐火災(zāi)爆炸仿真軟件設(shè)計*

劉婉瑩，侯 磊，伍星光，劉瑩瑩

(中國石油大學(xué)(北京) 油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京 102249)

0 引言

目前，我國已建設(shè)約7 000座大型儲罐，石油儲罐單罐容量最大可達20萬m3。隨著儲存危險品容積的增大，其安全風(fēng)險更加突出。2013年6月，大連某石化公司發(fā)生1起儲油罐爆炸事故，結(jié)果造成2人失蹤，2人重傷；2013年11月，青島某石化企業(yè)發(fā)生爆炸事故，事故造成62人死亡、136人不同程度受傷，直接經(jīng)濟損失達7.5億元[1]。因此，大型儲罐火災(zāi)和爆炸事故的防控是儲油罐區(qū)安全工作的重要內(nèi)容。

目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在我國石油化工安全方面的應(yīng)用已經(jīng)取得了一些進展。王俊杰等[2]利用GIS、AJAX和VRML等技術(shù)繪制電子地圖，模擬工廠內(nèi)部實際場景，開發(fā)了某化工廠的安全培訓(xùn)演練仿真系統(tǒng)；周德闖[3]、韓冬[4]和張俊杰等[5]均采用MultiGen Creator/3Ds Max建模軟件構(gòu)建虛擬現(xiàn)實場景，在Vega Prime仿真環(huán)境中分別研究了大空間火災(zāi)的實時仿真，庫區(qū)火災(zāi)的消防救援和有毒氣體擴散泄漏仿真工作；劉永立等[6]、侯建明等[7]基于Unity 3D虛擬仿真平臺設(shè)計出煤礦火災(zāi)應(yīng)急救援系統(tǒng)；玄令岐[8]結(jié)合UE4和Visual Studio平臺對礦井火災(zāi)蔓延進行了研究。但上述研究中，應(yīng)用粒子系統(tǒng)時未考慮危險源特性和事故發(fā)生原因，導(dǎo)致火焰形態(tài)與真實情況相差較大；另外，對于事故預(yù)防、發(fā)生和后果分析等問題主要側(cè)重于單一方面進行研究，鮮有結(jié)合事故發(fā)生的全過程進行研究。

針對以上問題，本文在研究火焰動態(tài)變化時，修正粒子系統(tǒng)參數(shù)，添加黑煙動態(tài)模型，使火災(zāi)形態(tài)更加接近儲罐火災(zāi)爆炸真實情況；選用適合于大型儲罐的火災(zāi)爆炸模型進行模擬計算，使事故后果預(yù)測更加準(zhǔn)確；將事故發(fā)生原因、演變過程、事故后果等研究工作進行結(jié)合，集成于仿真軟件中；通過軟件對大型儲罐火災(zāi)爆炸事故后果進行分析，判斷火災(zāi)爆炸事故對周圍人員生命和環(huán)境安全的影響程度?？蔀橹贫☉?yīng)急方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 大型儲罐典型事故數(shù)學(xué)模型

1.1 火災(zāi)理論后果模型

大型儲罐一般在防火堤內(nèi)或密封圈處發(fā)生池火災(zāi)，并對鄰近人員及設(shè)備產(chǎn)生熱輻射危害，根據(jù)池火災(zāi)傷害半徑來確定火災(zāi)熱輻射對人員和周圍環(huán)境的損害影響情況。池火災(zāi)火焰的特征參數(shù)通常包括火焰直徑、火焰最大高度和平均燃燒速率等。

1.1.1 火焰高度模型

火焰高度是池火災(zāi)關(guān)鍵特征參數(shù)，也是事故三維演變過程模擬的重要依據(jù)，池火災(zāi)火焰高度可由Thomas建立的湍流擴散火焰平均可見高度模型求得[9]。

無風(fēng)時：

(1)

有風(fēng)時：

(2)

式中：ω10*是無量綱風(fēng)速，計算公式為：

(3)

式中：h為火焰高度，m；D為液池半徑，m；ρ0為空氣密度，kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2；m′為單位表面積燃料燃燒速度，kg/(m2·s)；ω10*為無量綱風(fēng)速；ωw為10米高處風(fēng)速，m/s；ρv為原油蒸發(fā)密度，kg/m3。

1.1.2 池火災(zāi)輻射模型比選

目標(biāo)熱輻射通量是評判池火嚴(yán)重程度的關(guān)鍵指標(biāo)，經(jīng)典點源模型、Shokri-Beyler模型以及Mudan模型為3種常見的池火災(zāi)輻射模型[10]。經(jīng)典點源模型適用于火災(zāi)初始危害評估，預(yù)測值誤差較大，Shokri-Beyler模型以及Mudan模型較為復(fù)雜，但預(yù)測結(jié)果相對更加準(zhǔn)確。

以原油為研究對象，其理化參數(shù)見表1，為了優(yōu)選出適用于大型儲罐的池火輻射模型，選取直徑分別為10，30，50和80 m的液池直徑，在無風(fēng)條件下通過計算對比3種模型的熱輻射通量、設(shè)備損壞情況和人員傷亡情況。

表1 原油理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of crude oil

利用3種輻射模型，分別計算4種不同液池直徑發(fā)生池火災(zāi)后的目標(biāo)熱輻射通量隨目標(biāo)到液池中心距離的變化關(guān)系。圖1為目標(biāo)熱輻射通量隨目標(biāo)與液池中心間的距離變化趨勢。由圖1可見，在不同液池直徑下，目標(biāo)熱通量均隨目標(biāo)到液池中心距離的增大而減?。辉贒=10 m的情況下，3種模型計算結(jié)果相近，均可適用；隨著液池直徑增大，計算結(jié)果相差明顯，與點源模型相比，Mudan模型和Shokri-Beyler模型目標(biāo)熱輻射通量更大；當(dāng)目標(biāo)距液池中心較小時，Shokri-Beyler模型的熱通量值最為保守，宜采用Shokri-Beyler模型作為池火熱輻射模型；當(dāng)目標(biāo)距液池中心較大時，Mudan模型計算的熱通量值超過Shokri-Beyler模型，采用Mudan模型最為合適。

根據(jù)熱輻射傷害準(zhǔn)則[11]，分別計算3種模型池火災(zāi)傷害范圍，分析對設(shè)備損壞和人員傷亡情況。計算結(jié)果表明，當(dāng)液池直徑較小時，3種模型死亡半徑、輕傷半徑和輕微傷半徑接近；隨著液池直徑增大，3種模型傷害半徑差值逐漸擴大，與點源模型相比，Shokri-Beyler模型和Mudan模型傷害半徑較大；隨著傷害程度減小，Mudan模型傷害半徑逐漸超過Shokri-Beyler模型，但相對于點源模型，Shokri-Beyler模型與Mudan模型傷害半徑計算結(jié)果相差較小。

圖1 不同液池直徑下的目標(biāo)熱輻射通量趨勢Fig.1 Trend of target heat flux at different diameters

綜合考慮液池直徑和池火災(zāi)熱輻射傷害范圍，對于大型儲罐的危險工況，液池直徑較大，Shokri-Beyler模型和Mudan模型較為適用。根據(jù)池火災(zāi)影響范圍進一步分析，Mudan模型可以計算出確保人員安全撤離的最大保守距離，與Shokri-Beyler模型相比，該模型的優(yōu)點在于有風(fēng)和無風(fēng)條件下均適用，最終確定，采用Mudan模型作為池火輻射模型。

1.2 爆炸理論后果模型

大型儲罐的爆炸事故分為罐內(nèi)爆炸和罐外爆炸。當(dāng)大型儲罐發(fā)生泄漏，若不及時發(fā)現(xiàn)，泄漏出來的油品在空氣中不斷蒸發(fā)，當(dāng)油蒸氣濃度達到爆炸極限時，暴露在明火中就會發(fā)生蒸氣云爆炸，這稱為罐外爆炸；當(dāng)清洗油罐時儲罐內(nèi)殘留高濃度的油蒸氣，空氣進入儲罐并混合，達到爆炸極限并用明火點燃便會發(fā)生蒸氣云爆炸，這種情況稱為罐內(nèi)爆炸。

對于蒸氣云爆炸，事故模型主要包括TNT等效模型[12]、TNO多能法[13-14]、Baker-Strehlow模型[15]等。TNT等效模型原理是利用TNT質(zhì)量計算燃料質(zhì)量，該模型簡單易懂，廣泛應(yīng)用于蒸氣云爆炸事故后果的計算，事故后果預(yù)測效果更為準(zhǔn)確。因此，確定選用TNT等效模型作為蒸氣云爆炸事故后果模型。

2 應(yīng)用VR技術(shù)的大型儲罐事故仿真軟件設(shè)計

基于VR技術(shù)的大型儲罐火災(zāi)爆炸事故仿真軟件設(shè)計流程如圖2所示。使用3Ds Max軟件對真實場景進行建模，應(yīng)用Qt軟件編寫軟件界面控件，將庫區(qū)虛擬現(xiàn)實場景和Qt界面嵌入VS 2010軟件中，編入火災(zāi)爆炸事故后果模型，應(yīng)用OSG粒子系統(tǒng)編寫火災(zāi)爆炸效果，最終跨平臺整合形成一套軟件。

圖2 仿真軟件設(shè)計流程Fig.2 Simulation software design flow chart

2.1 軟件功能設(shè)計

基于VR技術(shù)的大型儲罐火災(zāi)爆炸事故三維仿真模擬軟件的功能主要包括3D場景模擬與管理模塊、火災(zāi)計算模擬評估模塊和爆炸計算模擬評估模塊。

2.1.1 軟件功能模塊

軟件各功能模塊間的關(guān)系如圖3所示，通過分析軟件系統(tǒng)的功能需求，將本仿真軟件分解為3大模塊分別進行應(yīng)用程序界面設(shè)計。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理

軟件系統(tǒng)中主要功能、系統(tǒng)與外部環(huán)境間的輸入輸出、系統(tǒng)內(nèi)部處理和數(shù)據(jù)存儲等情況可通過數(shù)據(jù)流程圖體現(xiàn)。在三維場景管理模塊中，通過讀取道路、建筑物、綠地、大型儲罐區(qū)的地理坐標(biāo)以及屬性數(shù)據(jù)，在后臺對數(shù)據(jù)進行處理，利用平移、放大/縮小和旋轉(zhuǎn)等三維場景操作管理機制，將三維虛擬場景以人機交互的方式顯示在軟件界面上。在池火災(zāi)和爆炸模擬模塊中，在單元界面上設(shè)置參數(shù)后，通過自動進行三維可視化計算，對池火和蒸氣云爆炸演變過程進行仿真模擬，計算結(jié)果存儲于文件中，以便于數(shù)據(jù)處理與分析。

圖3 軟件功能模塊之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between software function modules

2.2 3Ds Max軟件和Qt軟件在三維仿真軟件中的應(yīng)用

利用3Ds Max建模軟件對石油儲備庫區(qū)的真實場景進行建模、紋理貼圖和渲染，3Ds Max建模的優(yōu)勢在于能夠增強庫區(qū)場景的質(zhì)感，使三維場景更加接近真實環(huán)境；通過Qt軟件編寫界面實現(xiàn)人機交互，完成大型儲罐事故后果的三維動態(tài)展示的前期工作。

2.2.1 3Ds Max建模軟件的應(yīng)用

以某原油商業(yè)儲備庫布置圖為依據(jù)對真實場景建模，應(yīng)用3Ds Max軟件進行精簡建模，利用材質(zhì)貼圖表現(xiàn)庫區(qū)中模型對象的細(xì)節(jié)，例如通過草坪、水泥和水波等圖片對材質(zhì)進行貼圖，使簡單平面模型對象呈現(xiàn)出綠地、水泥地或水池等不同場景效果。制作完畢后利用3Ds Max默認(rèn)的渲染器進行渲染，圖4為庫區(qū)全局渲染效果。

圖4 庫區(qū)全局渲染效果Fig.4 Tank rendering area rendering effect

2.2.2 Qt軟件的應(yīng)用

為了編制軟件中火災(zāi)爆炸各單元模塊界面，需要采用支持2D/3D圖形渲染的用戶界面軟件，Qt作為1個支持2D/3D圖形渲染的跨平臺圖形用戶界面軟件，易擴展，界面簡潔大方。全面積火災(zāi)模塊單元用戶界面如圖5所示。在該單元界面中，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和界面切換等功能。

圖5 全面積火災(zāi)界面Fig.5 Full area fire interface

2.3 OSG粒子系統(tǒng)在三維仿真軟件中的應(yīng)用

OSG粒子系統(tǒng)是整個軟件的關(guān)鍵部分，主要用于模擬火災(zāi)爆炸動態(tài)效應(yīng)。利用無限個帶有生命屬性的微小顆粒來描述火焰的不規(guī)則形狀[16]。每個火焰粒子具有形狀，大小，顏色，Alpha透明度，運動速度，加速度，運動方位和生命周期等8個基本特征屬性，均為隨時間進行變化。

粒子位置的變化取決于其自身受力的作用[17]，在火災(zāi)爆炸中，主要受重力和風(fēng)力作用。假設(shè)粒子位置是勻速變化的，利用質(zhì)量燃燒速率代表火焰粒子速度，隨著時間步長的增加，粒子在三維空間中位置變化由式(4)計算。

(4)

式中：P為粒子的空間位置；P0為粒子的初始空間

位置；V為粒子的運動速度，m/s；t為時間，s。

火焰動態(tài)模擬過程如下：產(chǎn)生并初始化火焰粒子，然后確定火焰粒子的壽命，如果壽命值為0，火焰粒子消亡；如果壽命值不為0，則利用質(zhì)量燃燒速率、火焰直徑、火焰最大高度和燃燒持續(xù)時間，在下一時間步長中進行迭代更新屬性參數(shù)，如火焰粒子的速度、位置、顏色和生命周期等?；鹧娓叨葲Q定粒子高度的上限值，燃燒時間決定粒子生命周期，火焰顏色由生命周期控制。對于爆炸場景，沖擊波超壓的持續(xù)時間即是虛擬現(xiàn)實中爆炸持續(xù)時間，以顯示爆炸瞬時的演變過程。將更新程序與粒子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)后添加到場景中呈現(xiàn)出火焰動態(tài)效果。隨燃燒時間的推移，火焰顏色由明轉(zhuǎn)暗，若火焰粒子生命值為0，粒子顏色變?yōu)橥该?，在場景中刪除消失的粒子，直到全部粒子均消失，火焰動態(tài)模擬過程結(jié)束。煙霧的模擬過程與火焰模擬基本相同，區(qū)別在于煙霧的顏色是由淡轉(zhuǎn)濃，且位置坐標(biāo)高于火焰位置。

3 基于交互式的真實場景中火災(zāi)爆炸事故三維模擬展示

3.1 全面積火災(zāi)案例

某原油商業(yè)儲備庫區(qū)內(nèi)，大型儲罐單罐容積為10萬m3，直徑為80 m，高度為21.8 m；原油的密度為840 kg/m3，燃燒熱值為43 890 kg/kJ，質(zhì)量燃燒速率為0.078 1 kg/(m2·s)，利用Mudan模型對單罐進行求解，經(jīng)過計算得到池火災(zāi)演變過程如圖6所示，火焰從小到大，由于油品的不完全燃燒，火焰外部有大量黑煙生成。

利用Mudan模型求得目標(biāo)熱輻射通量與目標(biāo)到液池距離之間的關(guān)系，求得火焰高度為79.5 m，大氣透過率為0.78，火焰高度和液池直徑2個參數(shù)將作為虛擬現(xiàn)實中池火災(zāi)火焰形態(tài)的最大上限值，用來控制事故演變過程，根據(jù)熱輻射傷害準(zhǔn)則，通過目標(biāo)熱輻射通量判斷生命財產(chǎn)損失程度。

通過事故后果計算得，當(dāng)目標(biāo)熱輻射通量大于25 kW/m2，即人員設(shè)備距液池39.5 m時，人員死亡率達到100%，儲罐失效；當(dāng)目標(biāo)熱輻射通量小于1.6 kW/m2，人員設(shè)備均處于安全狀態(tài)，因此最大人員安全撤離距離為338 m，下一步即可制定應(yīng)急消防和救援方案。

圖6 全面積火災(zāi)的演化過程Fig.6 Evolution of a full-area fire

3.2 爆炸案例

對于單罐，原油理化參數(shù)同上，假設(shè)有5 m3體積的原油泄漏蒸發(fā)引發(fā)爆炸事故，利用TNT等效模型進行求解，經(jīng)過計算得到罐外爆炸演變過程如圖7所示，由于爆炸時間極短，因此爆炸效果是瞬時過程。

利用TNT等效模型爆炸求得目標(biāo)位置在1 m時，最大沖擊波超壓為3 770 kPa，到達最大沖擊波的時間為0.361 ms，沖擊波的持續(xù)時間為0.209 ms，隨著目標(biāo)距離的增加，沖擊波超壓峰值呈指數(shù)型下降。目標(biāo)距離與沖擊波超壓、沖擊波持續(xù)時間和沖擊波到達目標(biāo)時間的關(guān)系如圖8所示。由圖8(a)可見，目標(biāo)距離與沖擊波到達目標(biāo)位置的時間為正相關(guān)關(guān)系，隨著目標(biāo)距離的增大，沖擊波到達目標(biāo)位置的時間也不斷增加，但目標(biāo)距離并不影響沖擊波自身持續(xù)時間，如圖8(b)所示，沖擊波持續(xù)時間基本保持在3～4 ms之間。

圖7 蒸氣云爆炸演變過程Fig.7 Evolution of the vapor cloud explosion

圖8 沖擊波超壓、沖擊波到達時間和沖擊波持續(xù)時間隨目標(biāo)距離的變化Fig.8 Shock wave overpressure, shock wave arrival time and shock wave duration as a function of target distance

根據(jù)沖擊波傷害準(zhǔn)則，通過沖擊波超壓值判斷生命財產(chǎn)損失程度，表2為人員設(shè)備損壞情況，當(dāng)目標(biāo)距離爆炸源2.68 m時，沖擊波超壓大于500 kPa，人員死亡率100%；當(dāng)目標(biāo)距離爆炸源5.5 m時，沖擊波超壓大于100 kPa，大部分人員死亡；當(dāng)目標(biāo)距離爆炸源7.8 m時，沖擊波超壓大于50 kPa，人員內(nèi)臟嚴(yán)重?fù)p傷或死亡；只有當(dāng)目標(biāo)距離爆炸源大于13.8 m時，沖擊波超壓小于20 kPa，人員才處于安全狀態(tài)。

表2 人員設(shè)備損壞情況Table 2 Personnel and equipment damage

4 結(jié)論

1)以人員保守安全撤退距離為依據(jù)，對多種池火災(zāi)輻射模型和蒸氣云爆炸模型進行比選，確定采用Mudan模型進行大型儲罐池火災(zāi)的熱輻射通量計算，采用TNT當(dāng)量模型進行蒸氣云爆炸沖擊波計算。

2)采用3Ds Max+OSG+QT的開發(fā)模式，在Visual Studio 2010平臺上開發(fā)了基于VR技術(shù)的大型儲罐火災(zāi)爆炸仿真軟件，通過添加黑煙效果提高了火焰的逼真度。該仿真軟件能夠?qū)崟r地對大型儲罐火災(zāi)爆炸事故進行三維可視化動態(tài)仿真模擬。

3)利用該軟件對某火災(zāi)和爆炸工程案例進行后果模擬分析，判斷池火災(zāi)熱輻射和爆炸沖擊波對人員和周圍建筑設(shè)施的傷害損壞程度，驗證了該軟件實時模擬的功能。