爆炸分散過程的數(shù)值模擬研究進展

李廷 梁婷 李江存 蔣志剛 龔皓

摘 ?????要：近年來與含毒?；废嚓P(guān)的爆炸事件頻頻發(fā)生，給國家和人民生命、財產(chǎn)安全都帶來了嚴(yán)重危害。爆炸作用下擴散過程復(fù)雜，不易掌握和控制。分析對比了爆炸分散在化學(xué)武器、燃料空氣炸藥、滅火彈藥中等應(yīng)用，從理論和數(shù)值模擬等方面對爆炸分散過程的相關(guān)研究進行了綜述，總結(jié)了整個拋撒過程中被分散介質(zhì)的顆粒速度、濃度、形成氣溶膠云團的范圍等主要參數(shù)的研究進展，得出啟示并提出了今后對含毒?；返难芯糠较?。

關(guān) ?鍵 ?詞：危化品;爆炸分散;數(shù)值模擬

中圖分類號：TQ086.52 ??????文獻標(biāo)識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）08-1846-04

Abstract： In recent years， explosions related to hazardous chemicals have occurred frequently， bringing serious harm to the lives and property of people. The diffusion process under explosion is complicated and difficult to master and control. In this paper， application of explosions in chemical weapons， fuel-air explosives， and fire-fighting ammunition was analyzed and contrasted. The related research on the explosion dispersion process was reviewed from the aspects of theory and numerical simulation. The research progress of the main parameters such as cloud range， particle velocity， particle size and concentration during the explosion dispersion process was summarized， and the research direction of hazardous chemicals in the future was put forward.

Key words： Hazardous chemical; Explosive dispersion; Numerical simulation

近年來，恐怖勢力日益猖獗，恐怖手段多種多樣，爆炸暴亂事件時有發(fā)生，給國家和人民生命財產(chǎn)安全造成了巨大危害和惡劣影響。隨著石油、化工等產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，人們對?；返纳a(chǎn)、使用、運輸、儲存等需求日益增多，突發(fā)性含毒?；繁ㄊ鹿室差l頻發(fā)生，具有突發(fā)性強、風(fēng)險性大、危害范圍廣、處置難度高等特點，指揮決策、應(yīng)急救援和危害預(yù)測與評估十分困難[1]。

2015年天津港“8.12”特大火災(zāi)爆炸事故，堪稱建國以來消防官兵傷亡最慘重的事件，造成165人遇難，8人失蹤（其中遇難消防公安人員110人，失蹤消防人員5人），798人受傷住院醫(yī)治，直接經(jīng)濟損失68.66億元[2]。事故中，大量含毒危化品被拋撒分散至整個事故區(qū)域，毒物濃度未知，現(xiàn)場救援難度極大。1993年深圳市清水河村危險品倉庫爆炸、2004年重慶天元化工總廠氯氫分廠液氯瞬間外泄、2010年本溪市萬昌小區(qū)冰棍廠冷凍車間氨氣泄漏和2010年杭州城北祥符鎮(zhèn)新文社區(qū)化工倉庫有毒原料泄漏4起事故處理中，突然發(fā)生爆炸或二次爆炸致使15名官兵犧牲，29名官兵中毒、局部受傷、缺氧窒息[3]。

從上述幾起事故可見，雖然事故的現(xiàn)場處置工作均有力有序，但救援過程中，對爆炸作用下含毒?；窋U散機理不清楚，對毒物濃度隨時空分布情況和規(guī)律沒有掌握，只能在短時間內(nèi)粗略判斷化學(xué)危害種類和危害程度，致使救援工作進展緩慢，并可能引發(fā)?；愤M一步泄漏擴散或爆炸等次生危害的發(fā)生，造成事故后果極其嚴(yán)重。鑒于目前部隊對于爆炸等重大危險源事故中?；返臄U散規(guī)律及危害情況急需掌握，對爆炸作用下含毒?；窋U散研究已刻不容緩，對實現(xiàn)平時突發(fā)性化學(xué)事故的有效處置和戰(zhàn)時軍隊防護洗消的指揮決策具有重大意義。

1爆炸分散過程分析

爆炸伴隨著巨大的能量釋放，沖擊波是其最直接和最主要的破壞形式。根據(jù)爆炸驅(qū)動力和空氣阻力的大小，爆炸作用下含毒?；窋U散過程大致可分為兩個階段：第一階段爆炸分散段和第二階段云團擴散段。爆炸分散段是指含毒?；吩跊_擊波作用下，被強力拋撒，并在空氣阻力的沖擊下，進行亂流分散，形成毒物云團[4]。云團擴散段是指毒物云團在浮力的作用下，克服重力與上升阻力，相對于大氣進行熱抬升運動，進行大氣擴散[5]。爆炸分散段完成后的各項參數(shù)是云團擴散段的初始條件，直接影響云團的直徑、范圍、氣溶膠粒徑及云團內(nèi)部毒物的濃度分布。研究云團擴散的流場結(jié)構(gòu)對于預(yù)測含毒?；返臄U散現(xiàn)象、探明氣溶膠沉降規(guī)律、評估武器彈藥效能等具有重要價值[5]，可為下一步化學(xué)爆炸事故模型源項建立和爆炸擴散全過程危害評估提供依據(jù)，輔助現(xiàn)場指揮決策和應(yīng)急救援。爆炸分散驅(qū)動方式已在化學(xué)武器、燃料空氣炸藥、滅火彈藥、粉塵爆炸預(yù)防等軍事和民用工程中獲得廣泛應(yīng)用[6]，但在含毒?；贩稚⒎矫嫜芯康妮^少，在燃料空氣炸藥（FAE）和煙火藥方面研究較為深入，主要基于爆炸力學(xué)、動力學(xué)、流體力學(xué)等原理，通過運用動力學(xué)分析軟件、二次開發(fā)的流體力學(xué)軟件與實驗相結(jié)合進行數(shù)值模擬研究，其方法可以借鑒。

2 ?爆炸分散的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

數(shù)值模擬[7]是運用計算機模擬進行擴散研究的一種重要方法，指的是將實際研究的問題，通過能體現(xiàn)相應(yīng)過程的物理、化學(xué)機理轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，并進行建模計算。求解過程中主要在于設(shè)定模型的初始和邊界條件，以及對方程組進行離散化，最終求解出所研究的實際問題。

研究爆炸分散起源于一戰(zhàn)中化學(xué)武器，而后到裝填CS、CR等刺激劑的催淚彈藥的出現(xiàn)，深入研究要歸于燃料空氣炸藥的迅速發(fā)展。尤其是燃料空氣炸彈出現(xiàn)后，美國、歐洲和俄羅斯開展了大量實驗和數(shù)值模擬研究。國內(nèi)多家單位也開展了相關(guān)研究，目前已在液體破碎機制和分散模式、氣溶膠云團膨脹生長機制等方面獲得了較多成果。

2.1 ?數(shù)值模擬研究

隨著計算機仿真技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值求解和有限元模擬無論是在計算規(guī)模方面還是計算精度方面都取得了重大進展，且具有經(jīng)濟、高效、安全等優(yōu)點，在研究湍流流動和多相流動等領(lǐng)域前景可觀，對爆炸作用下燃料或毒物分散特性參數(shù)的研究主要集中在分布范圍和云霧濃度變化。

Los Alamos美國國家實驗室，成功開發(fā)了一系列KIVA程序[8]，是一種以FOR-TRAN語言編譯的反應(yīng)流體動力學(xué)程序，其最初被應(yīng)用于氟化氫化學(xué)激光系統(tǒng)中，在遵循相關(guān)守恒方程和氣體狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上，建立湍流模型，采用任意拉格朗日—歐拉法進行有限差分計算。因源代碼被公開而廣泛運用，學(xué)術(shù)界許多有關(guān)爆炸拋撒過程的數(shù)值模擬都基于該程序。

D.R.Gardner和M.W.Glass[9]基于爆炸過程中作用于燃料上的爆炸作用力與氣動阻力大小的比較，爆炸拋撒全過程被劃分為近場階段和遠場階段，對兩個階段分別進行了建模和計算，聯(lián)合將近場和遠場的建模仿真相耦合獲得了對整個爆炸分散過程的數(shù)值模擬研究。

Y.H.li[10]采用ADM方法模擬了液體燃料的分散過程，應(yīng)用泰勒斷裂準(zhǔn)則分析了殼體的破碎情況，計算結(jié)果與商用數(shù)值模擬軟件計算結(jié)果基本一致。S.K.Singh等[11]根據(jù)液體燃料空氣炸藥爆炸初期階段爆殼的特點，預(yù)測了初始粒徑對燃料分散范圍的影響，并對爆炸后形成氣溶膠云團的大小進行了估算。

北京理工大學(xué)陳嘉琛[12]在論文中采用流體力學(xué)FLUENT軟件， 利用自定義函數(shù)的引入，再次開發(fā)液體燃料入口壓力邊界條件和蒸發(fā)過程，對固液混合燃料拋撒過程進行實驗和數(shù)值模擬研究。通過改變爆炸驅(qū)動載荷、固液比和液體燃料組分，研究了云團燃料分散范圍和燃料分散邊緣速度，并分析了云霧濃度和湍流強度。運用高速攝影系統(tǒng)對不同爆炸驅(qū)動載荷作用下的燃料拋撒過程進行試驗觀測，圖1為2 kg云爆裝置燃料的分散過程圖，燃料拋撒過程的早期以快速徑向擴散運動為主，后期以慢速縱向擴散為主;圖2為2 kg云爆裝置數(shù)值模擬得到的燃料分散密度云圖，通過對比分析，燃料爆炸分散過程和基本形態(tài)同實驗結(jié)果是吻合的。其實驗和數(shù)值模擬結(jié)果證明，文中所建立的數(shù)值計算模型及經(jīng)過二次開發(fā)后的FLUENT，可以模擬爆炸分散過程。其主要研究燃料在爆炸作用下殼體破碎后的分散過程，關(guān)注燃料經(jīng)爆炸分散后的二次點火。

防化研究院李磊、陸曉霞等[13，14]利用AUTODYN軟件進行相關(guān)實驗和數(shù)值模擬，研究了在不同比藥量和不同殼體材料約束條件下的液體爆炸拋撒過程，爆炸拋撒早期液體破碎分散過程的重要形態(tài)特征得到了進一步揭示。

對液體爆炸拋撒過程的模型建立，特別是在不同殼體約束下，指導(dǎo)對拋撒云團初始粒徑分布的估算具有一定意義。其主要研究起爆后1 ms內(nèi)破殼過程的規(guī)律，對破殼后的爆炸分散過程未進行研究。

陸軍防化學(xué)院陳海平、王玄玉等[4]在《化學(xué)武器效應(yīng)及銷毀》教材中將毒劑炮彈的爆炸認為是瞬時體源的一種形式。對瞬時體源與初生毒劑云團研究時，把瞬時體源視為“擴大的瞬時點源”，從而根據(jù)拉赫特曼湍流擴散方程推出了濃度表達式，得到染毒濃度水平分布為正態(tài)分布的結(jié)論。實際測定結(jié)果，染毒濃度在水平方向的分布并不完全是正態(tài)分布，與實際情況還有一段差距。

陳玉昆等[15]利用AUTODYN爆炸動力學(xué)軟件，對滅火彈爆炸及滅火劑的拋撒過程進行仿真模擬，研究不同滅火彈中心裝藥結(jié)構(gòu)及彈體形狀對滅火劑拋撒作用的影響。結(jié)果表明：產(chǎn)生的云霧形狀明顯受到彈體形狀和裝藥結(jié)構(gòu)的影響，水粒的速度在經(jīng)歷極短時間的變化后大致為一固定值，進行類勻速運動，位移曲線也呈直線狀增加。

賈飛等[16]采用LS-DYNA軟件模擬云爆劑的近場拋撒過程，得出了在2種不同拋撒方式下不同位置觀測點的最大速度和最大壓力，還得到了速度在100微秒內(nèi)不同時刻的變化情況。石藝娜等[17]從理論和數(shù)值模擬上研究了爆炸拋撒形成氣溶膠云團的運動規(guī)律，獲得了氣溶膠云團直徑的變化情況，以及氣溶膠介質(zhì)的濃度分布規(guī)律。

丁玨[18，19]進一步深入研究了燃料分散的近場和遠場，將近場和遠場的燃料分散分別簡化為一維氣液兩相流動和多相流模型，同時將近場和遠場進行程序耦合，進而得出液體燃料拋撒半徑隨時間的變化規(guī)律，模擬與實驗結(jié)果較為一致。之后模擬了以爆炸拋撒為原理的抑爆裝置，利用FLUENT軟件對水早期的拋撒和水霧形成到后期的擴散過程進行了兩相流簡化，采用歐拉法分析受限空間內(nèi)的水霧運動狀態(tài)和濃度隨時間的變化規(guī)律。

鞠偉等[20]采用任意拉格朗日-歐拉方法對FAE拋撒初期進行了數(shù)值模擬，研究不同量級燃料空氣炸藥裝置殼體破碎的沖擊波傳播特性，在云爆裝置質(zhì)量不同的情況下，比藥量為1.524 5%時，最大加速度值接近。表明殼體加速到最大速度的時間相近，殼體達到最大速度所需時間與裝置質(zhì)量的立方根的比值為常數(shù)。

2.2 ?軟件運用對比分析

對大量文獻的收集整理和分析研究表明，目前對爆炸分散段的數(shù)值模擬主要采用AUTODYN和LS-DYNA等動力學(xué)軟件、二次開發(fā)后FLUENT等流體力學(xué)軟件。兩類軟件在數(shù)值模擬運用中表現(xiàn)出了各自的優(yōu)缺點和適用性。特別是對燃料空氣炸藥研究時，動力學(xué)分析軟件只能把FAE燃料當(dāng)成單相物質(zhì)，而且無法模擬燃料或毒物遠場的擴散過程和多相之間的相互作用以及液相不斷蒸發(fā)為氣相的過程，只能單純模擬爆炸沖擊過程。流體力學(xué)軟件FLUENT中自帶的湍流模型、離散相模型、多相流模型和自定義函數(shù)的導(dǎo)入可以有效研究燃料分散過程，但對殼體破碎前期的爆炸無法進行模擬，只能將模型建立在殼體已破碎的情況下進行研究。因此，充分利用兩類軟件優(yōu)勢互補，對探索連續(xù)的爆炸分散過程研究是一種全新的思路。