基于不同等效方法的儲(chǔ)罐內(nèi)爆載荷計(jì)算與結(jié)構(gòu)破壞分析

丁宇奇 葉碧濤 蘆 燁 成佳浩 盧 宏 謝 清 王學(xué)勇

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院）

隨著石化工業(yè)的發(fā)展，近年來能源危機(jī)不斷加大，國家原油戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫項(xiàng)目的實(shí)施迫使我國不得不建造更多更大的儲(chǔ)罐。 儲(chǔ)罐儲(chǔ)存的液體或者氣體多為易燃易爆物品，容易發(fā)生爆炸事故［1～3］。 為了減小爆炸事故造成的傷害，需要對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)爆載荷與儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)破壞之間的關(guān)系進(jìn)行研究。

目前， 針對(duì)爆炸載荷計(jì)算方法的研究有很多。在理論計(jì)算方面，最常見的方法是以TNT炸藥為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，將氣云爆熱等效為TNT當(dāng)量來計(jì)算，即TNT當(dāng)量法［4］。張麗運(yùn)用TNT當(dāng)量法計(jì)算了不同燃?xì)庑再|(zhì)、不同泄漏量以及不同泄漏口徑等情況下燃?xì)庑孤┍óa(chǎn)生的沖擊波值，并預(yù)測(cè)了可能對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞［5］。 丁宇奇等依據(jù)TNT當(dāng)量法推導(dǎo)出了儲(chǔ)罐內(nèi)爆超壓分布曲線，得到了不同起爆點(diǎn)和不同液位會(huì)影響儲(chǔ)罐破壞位置的結(jié)論［6］。然而， 由于爆炸時(shí)的物理和化學(xué)過程相當(dāng)復(fù)雜，致使理論求解范圍極其有限，且理論計(jì)算無法觀測(cè)到破口的形貌。 而數(shù)值模擬在獲得爆炸過程中各種動(dòng)態(tài)物理量的同時(shí)，還可以得到更加全面且足夠精確的計(jì)算結(jié)果，因此得到了廣泛的應(yīng)用［7，8］。常用的確定容器內(nèi)爆載荷的數(shù)值模擬方法主要有兩種：計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法和TNT當(dāng)量法，已有不少學(xué)者對(duì)兩種方法進(jìn)行了對(duì)比研究。 張秀華等建立了相同裝藥形狀的乙炔氣團(tuán)和當(dāng)量的TNT兩種爆炸源模型， 在分析兩種爆源產(chǎn)生的超壓曲線后， 得到了隨著距爆源距離的增加，兩種爆炸壓力波形間的誤差逐漸減小的結(jié)論［9］。但是，這種方法是單純的將乙炔濃縮為高能爆炸氣團(tuán)，沒有考慮乙炔與空氣的化學(xué)反應(yīng)。 為此， 蘆燁等考慮可燃?xì)庠票〞r(shí)的化學(xué)反應(yīng)，分別采用TNT當(dāng)量法和CFD方法研究了二維儲(chǔ)罐模型內(nèi)的壓力和速度變化，研究結(jié)果表明：CFD方法能更好地描述儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力場分布［10］。 然而，該研究僅分析了罐內(nèi)流場，沒有對(duì)爆炸載荷作用下儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)行研究。 實(shí)驗(yàn)方法可以直接有效地獲取結(jié)構(gòu)破壞研究所需的數(shù)據(jù)，姚術(shù)健等通過多次箱型結(jié)構(gòu)內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)，得出了箱體在內(nèi)爆作用下會(huì)出現(xiàn)板中心沖切破口、箱體角隅處破壞及板邊緣撕裂等多種破壞形式的結(jié)論［11］。Vanessa P等開展了金屬容器內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)，分別使用金相分析和高速攝像技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)行了分析，指出結(jié)構(gòu)破壞是由焊接熱影響區(qū)域應(yīng)變過大和材料強(qiáng)度降低導(dǎo)致的［12］。 然而，進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)研究的成本非常高，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過程存在一定的危險(xiǎn)性。

綜上所述，數(shù)值模擬方法是開展爆炸載荷研究的最佳方法，但是目前鮮有人針對(duì)儲(chǔ)罐在不同載荷等效方法下的結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)行數(shù)值模擬研究。因此，筆者以立式拱頂儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，考慮儲(chǔ)罐角鋼結(jié)構(gòu)和壁板變壁厚的特性， 分別使用CFD方法和TNT當(dāng)量法對(duì)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。 通過分析儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形和破壞位置，得到兩種方法在不同容量儲(chǔ)罐和不同爆心距下的儲(chǔ)罐破壞形貌， 為研究儲(chǔ)罐內(nèi)可燃?xì)庠票〞r(shí)，兩種等效方法在載荷計(jì)算和結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的誤差范圍提供參考。

1 儲(chǔ)罐內(nèi)可燃?xì)庠票ㄝd荷不同等效方法分析及模型建立

1.1 儲(chǔ)罐內(nèi)可燃?xì)庠票ㄝd荷CFD方法及模型建立

可燃?xì)庠票ㄊ且环N帶有劇烈化學(xué)反應(yīng)的過程，表現(xiàn)出來的形態(tài)為逐層燃燒，火焰從點(diǎn)火點(diǎn)逐步擴(kuò)散，火焰在擴(kuò)散過程中加速并形成爆轟波。 爆轟波的傳播速度為每秒數(shù)千米，燃燒過程伴有強(qiáng)烈的壓力升高［13］。 筆者在使用CFD方法模擬儲(chǔ)罐爆轟過程時(shí)不考慮溫度作用和氣體的泄漏， 此時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)的爆炸壓力可視為定容爆炸壓力。 氣體定容爆炸壓力pm與初始環(huán)境壓力p0有以下關(guān)系［14］：

其中，n0為氣體初始摩爾量；T0為反應(yīng)初始溫度；nf為反應(yīng)終態(tài)摩爾量；Tf為反應(yīng)終態(tài)溫度。為了使儲(chǔ)罐內(nèi)可燃?xì)庠迫紵l(fā)展成爆轟波，以達(dá)到儲(chǔ)罐爆炸破壞效果，筆者采用設(shè)置高溫點(diǎn)火源的方法驅(qū)動(dòng)爆轟波形成。 為簡化計(jì)算，將儲(chǔ)罐內(nèi)部可燃混合氣體視為理想氣體，混合氣體滿足理想氣體狀態(tài)方程。 使用Fluent流體仿真軟件來模擬可燃?xì)怏w燃燒爆炸過程。 在保證較好模擬湍流擴(kuò)散燃燒反應(yīng)的前提下， 采用計(jì)算量較小的EDC燃燒模型，同時(shí)使用k-ε湍流模型實(shí)現(xiàn)燃燒時(shí)的湍流流動(dòng)［15］。

筆者分析的儲(chǔ)罐容積為3 000、5 000、10 000m3，三者直徑分別為15、20、27.5m，罐壁高均為17.82m，罐頂曲率半徑為直徑的1.2倍，壁板厚度由上到下逐漸增大。 可燃?xì)怏w點(diǎn)火點(diǎn)的位置選擇在儲(chǔ)罐1/2高度，距離罐壁5m（N1）、3m（N2）、1m（N3）處。并選擇最先接觸爆炸波位置設(shè)置測(cè)點(diǎn)A， 另外在罐頂與罐壁連接處位置設(shè)置測(cè)點(diǎn)B、C。因?yàn)樵撐恢媒Y(jié)構(gòu)不連續(xù)， 同時(shí)厚度也是最薄弱的。限于篇幅，本節(jié)僅以5 000m3儲(chǔ)罐做詳細(xì)分析。根據(jù)5 000m3罐尺寸在Fluent中設(shè)置儲(chǔ)罐內(nèi)可燃?xì)怏w域。在初始化設(shè)置上，混合氣體初始溫度300K，并在點(diǎn)火位置設(shè)置一個(gè)2 500K的高溫區(qū)域以及少許反應(yīng)產(chǎn)物。 可燃?xì)怏w濃度取乙炔反應(yīng)最劇烈的濃度7.4%，5 000m3儲(chǔ)罐流體域有限元模型如圖1所示。

圖1 CFD分析儲(chǔ)罐有限元模型

1.2 儲(chǔ)罐內(nèi)可燃?xì)庠票ㄝd荷TNT當(dāng)量法及模型建立

由于可燃?xì)庠票ǖ膹?fù)雜性，通常將可燃?xì)庠票ǖ哪芰康刃С僧?dāng)量的TNT來研究爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞［16］。使用TNT當(dāng)量法模擬儲(chǔ)罐內(nèi)爆時(shí)，巨大的爆炸能量會(huì)在瞬間全部釋放，產(chǎn)生大量的高溫高壓爆炸產(chǎn)物，急劇膨脹的爆炸產(chǎn)物會(huì)壓縮周圍的空氣并使之偏離原有位置，形成一層高壓空氣波。 隨著爆炸氣體的繼續(xù)膨脹，其體積的增大帶來的后果就是壓力的不斷減小，最終爆炸波壓力將與大氣壓相同。TNT爆炸壓力p的計(jì)算一般使用JWL狀態(tài)方程［17］：

其中，V為爆轟產(chǎn)物相對(duì)比容；E為爆轟產(chǎn)物的比內(nèi)能；A、B、R1、R2、ω均為JWL方程參數(shù)。 爆炸威力取決于可燃?xì)怏w換算的TNT當(dāng)量，TNT當(dāng)量計(jì)算公式如下：

其中，WTNT為可燃?xì)怏w的TNT當(dāng)量；α為可燃?xì)怏w的效率因子，表明參與爆炸的可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)，其中乙炔的效率因子為19%；Wf為可燃?xì)怏w的總質(zhì)量；Qf為可燃?xì)怏w的燃燒熱；QTNT為TNT的爆炸熱，一般取4.61×103kJ/kg。 將3 000、5 000、10 000m3儲(chǔ)罐內(nèi)可燃?xì)怏w換算后， 得到TNT當(dāng)量分別為276、498、962kg。

與CFD方法中流體域位于結(jié)構(gòu)模型內(nèi)部不同，TNT當(dāng)量法采用CEL方法計(jì)算，因此建立的流體域要大于結(jié)構(gòu)模型，以保證結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞后數(shù)據(jù)能繼續(xù)傳遞。 為了得到較好的網(wǎng)格質(zhì)量，使用VOF法指派TNT為球形裝藥并設(shè)置初始空氣體積分?jǐn)?shù)， 得到TNT當(dāng)量法分析儲(chǔ)罐有限元模型如圖2所示。

圖2 TNT當(dāng)量法分析儲(chǔ)罐有限元模型

2 不同等效方法下的儲(chǔ)罐內(nèi)爆載荷計(jì)算

2.1 CFD方法計(jì)算儲(chǔ)罐內(nèi)可燃?xì)庠票ㄝd荷

由于筆者采用的CFD方法無法模擬儲(chǔ)罐破壞后罐內(nèi)壓力的泄放， 因此在使用CFD方法計(jì)算儲(chǔ)罐內(nèi)可燃?xì)庠票ㄝd荷時(shí)，僅提取爆炸破壞前測(cè)點(diǎn)的壓力。 限于篇幅，本節(jié)僅提取5 000m3儲(chǔ)罐中N2點(diǎn)火點(diǎn)的工況數(shù)據(jù)。爆炸波剛接觸到罐壁時(shí)的壓力分布如圖3所示，A、B、C點(diǎn)的壓力隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。

圖3 CFD方法爆炸壓力分布圖

圖4 CFD方法測(cè)點(diǎn)壓力曲線

由圖3可以看出，使用CFD方法模擬燃燒爆炸時(shí)，可燃?xì)庠迫紵纬闪艘粋€(gè)球形波，而且火焰接觸到儲(chǔ)罐罐壁時(shí)可燃?xì)怏w僅發(fā)生了部分燃燒。 由于火焰擴(kuò)散是一個(gè)逐層燃燒的過程， 因此可以看到球形波外層的壓力要大于內(nèi)層。 從圖4可以看出，A點(diǎn)在15ms時(shí)檢測(cè)到了壓力，壓力數(shù)值在17ms時(shí)達(dá)到峰值1.53MPa， 隨后逐漸下降直到穩(wěn)定在0.40MPa左右。B、C點(diǎn)由于距離起爆點(diǎn)較遠(yuǎn)，因此測(cè)得壓力的時(shí)間相對(duì)滯后。但是B點(diǎn)測(cè)得的峰值壓力（2.01MPa） 為A點(diǎn)的1.31倍，C點(diǎn)測(cè)得的峰值壓力（3.31MPa）為A點(diǎn)的2.16倍。 由此可以看出，使用CFD方法模擬爆炸時(shí)，距離點(diǎn)火點(diǎn)越遠(yuǎn)，爆炸壓力越大。這是因?yàn)樵谌紵跏茧A段，雖然爆炸波先到達(dá)近爆點(diǎn)A，但是此時(shí)罐內(nèi)可燃?xì)怏w并沒有完全燃燒。 隨著時(shí)間的推移，可燃?xì)怏w邊燃燒邊擴(kuò)散，壓力波依次到達(dá)B點(diǎn)和C點(diǎn)， 此時(shí)罐內(nèi)可燃?xì)怏w絕大部分已經(jīng)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的壓力也就更大。因此B、C點(diǎn)測(cè)得的爆炸壓力也就更大，最終出現(xiàn)了測(cè)點(diǎn)距離起爆點(diǎn)越遠(yuǎn)爆炸壓力越大的現(xiàn)象。

2.2 TNT當(dāng)量法計(jì)算儲(chǔ)罐內(nèi)可燃?xì)庠票ㄝd荷

TNT當(dāng)量模型的工況設(shè)置與CFD方法相同，計(jì)算后僅提取N2起爆點(diǎn)的爆炸數(shù)據(jù)，爆炸波剛接觸到罐壁時(shí)的壓力分布如圖5所示， 各測(cè)點(diǎn)的壓力變化曲線如圖6所示。

圖5 TNT方法爆炸壓力分布圖

圖6 TNT方法測(cè)點(diǎn)壓力曲線

從圖5可以看出，TNT當(dāng)量法模擬出來的爆炸壓力以環(huán)形波形式擴(kuò)散，爆炸發(fā)生后中心區(qū)域的壓力與壓力波未到達(dá)的區(qū)域壓力數(shù)值相同。 由于爆炸波接觸到罐壁后形成了反射波，因此罐壁附近的壓力數(shù)值較大。 與CFD方法不同，圖6所示的A點(diǎn)在1.8ms時(shí)就檢測(cè)到了爆炸壓力，并且壓力峰值達(dá)到了9.78MPa，是CFD方法的6.39倍，并且壓力到達(dá)峰值之后在2ms內(nèi)迅速下降為零。B點(diǎn)的峰值壓力為8.15MPa，較A點(diǎn)下降了20%。 壓力波在到達(dá)C點(diǎn)之前結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生破壞，因此C點(diǎn)未檢測(cè)到爆炸壓力。由此可以得出結(jié)論，使用TNT當(dāng)量法計(jì)算儲(chǔ)罐內(nèi)可燃?xì)庠票ㄝd荷時(shí)，測(cè)點(diǎn)離起爆中心越遠(yuǎn)爆炸壓力越小。

綜上所述，使用CFD方法時(shí)，爆炸壓力隨著距爆炸中心距離的增大而增大；使用TNT當(dāng)量法時(shí)，爆炸壓力隨著距爆炸中心距離的增大而減小。 由于CFD方法和TNT當(dāng)量法本質(zhì)上的不同，導(dǎo)致在相同工況下，二者得到了完全不同的壓力變化規(guī)律。

3 不同等效方法下的儲(chǔ)罐內(nèi)爆結(jié)構(gòu)破壞分析

3.1 CFD方法儲(chǔ)罐內(nèi)爆結(jié)構(gòu)破壞分析

使用CFD方法研究儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)破壞時(shí)需要借助Abaqus來進(jìn)行模擬。 使用Mpcci來完成Fluent與Abaqus之間的數(shù)據(jù)傳遞， 由此實(shí)現(xiàn)CFD方法模擬儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)在可燃?xì)庠票ㄝd荷下的破壞。 限于篇幅，此處僅出具爆源距罐壁1m時(shí)不同容積儲(chǔ)罐的破壞位置（圖7）。

圖7 不同容積儲(chǔ)罐的破壞位置

從圖7a可以看出，整個(gè)儲(chǔ)罐壁板都產(chǎn)生了應(yīng)力和變形， 儲(chǔ)罐破壞位置位于左側(cè)頂壁連接處。由2.1節(jié)可知， 爆炸壓力隨著爆心距的增大而增大，因此3 000m3儲(chǔ)罐左側(cè)頂壁連接處承受的爆炸壓力最大。 同時(shí)，儲(chǔ)罐頂壁連接處屬于結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置，容易發(fā)生應(yīng)力集中。 因此，頂壁連接處較儲(chǔ)罐其他位置更容易發(fā)生破壞。 對(duì)比圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著儲(chǔ)罐容積的增大，破口位置逐漸由左向右轉(zhuǎn)移。 這是因?yàn)殡S著儲(chǔ)罐容積的增大，罐內(nèi)可燃?xì)怏w的質(zhì)量也在增大，氣體燃爆產(chǎn)生爆炸壓力也就更大。 此時(shí)，燃爆產(chǎn)生的球形火焰波還未到達(dá)最左側(cè)頂壁連接處，燃爆的壓力已足以使結(jié)構(gòu)發(fā)生失效破壞。 因此，隨著容積的增大，破口位置不再出現(xiàn)在最左側(cè)頂壁連接處，并逐漸向右側(cè)轉(zhuǎn)移。 同時(shí)，儲(chǔ)罐的變形呈現(xiàn)上大下小的葫蘆狀，這是由于本課題中儲(chǔ)罐模型采用了變壁厚的設(shè)置，越靠近罐頂位置、罐壁厚度越小，所以儲(chǔ)罐上半部的變形比下半部更大。 為了避免儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)大變形引起的單元畸變，本次計(jì)算使用J-C強(qiáng)度模型和相應(yīng)的失效準(zhǔn)則［18］，公式如下：

其中A′、B′、C、n、m為模型參數(shù)；εeq為等效塑性應(yīng)變；σeq為等效應(yīng)力；εf為失效應(yīng)變；為等效塑性應(yīng)變率；T*為無量綱溫度；D1～D5是材料常數(shù)；σ*為材料應(yīng)力三軸度。 由此可見，J-C強(qiáng)度模型和失效準(zhǔn)則均與應(yīng)變率相關(guān)，等效應(yīng)力和失效應(yīng)變是隨著應(yīng)變率的變化而不斷改變的。 筆者在統(tǒng)計(jì)儲(chǔ)罐破壞應(yīng)力時(shí)發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)罐破壞伴隨著單元的刪除，單元?jiǎng)h除的瞬間應(yīng)力變化幅度很大。 為了分析起爆點(diǎn)不同時(shí)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)破壞的規(guī)律，試驗(yàn)中提取的數(shù)據(jù)為破壞前0.5ms時(shí)的數(shù)據(jù)，得到儲(chǔ)罐的最大應(yīng)力及徑向變形（表1）。

表1 不同容積儲(chǔ)罐應(yīng)力及徑向變形量

由表1中3 000m3儲(chǔ)罐破壞數(shù)據(jù)可以看出，隨著點(diǎn)火點(diǎn)越靠近罐壁，儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)破壞時(shí)間逐漸增加，徑向變形也越來越大。 由于點(diǎn)火點(diǎn)越靠近罐壁，燃燒產(chǎn)生的火焰波到達(dá)左側(cè)頂壁連接處的時(shí)間越長。 同時(shí)，爆炸壓力也隨著時(shí)間的增加而增大，因此變形也就隨之增大。 由式（4）、（5）可知，結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變率相關(guān)，而應(yīng)變率的大小取決于爆炸壓力作用在結(jié)構(gòu)上時(shí)間的快慢。 不同工況下儲(chǔ)罐破壞時(shí)的應(yīng)變率不同，因此儲(chǔ)罐破壞時(shí)的應(yīng)力也就不同。 在儲(chǔ)罐容積增大的過程中，隨著罐內(nèi)可燃?xì)怏w量的大幅增長，儲(chǔ)罐的應(yīng)力、變形都沒有很大變化，這是由不同容積的儲(chǔ)罐壁厚不同導(dǎo)致的。 為了保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，隨著儲(chǔ)罐容量的增加， 儲(chǔ)罐的壁厚也會(huì)相應(yīng)增大，壁厚的增加限制了儲(chǔ)罐應(yīng)力和變形的大幅提升。

3.2 TNT當(dāng)量法儲(chǔ)罐內(nèi)爆結(jié)構(gòu)破壞分析

綜合考慮儲(chǔ)罐罐體結(jié)構(gòu)、罐體內(nèi)外空氣域和可燃?xì)怏w的TNT當(dāng)量質(zhì)量， 模型中爆炸產(chǎn)物與結(jié)構(gòu)之間采用CEL流固耦合算法， 起爆點(diǎn)位置與CFD方法采用相同設(shè)置， 最終得到不同起爆點(diǎn)時(shí)儲(chǔ)罐應(yīng)力分布及破壞位置（圖8）。

由圖8a、b可以看出，3 000、5 000m3儲(chǔ)罐的破壞位置均為近爆側(cè)頂壁連接處，同時(shí)儲(chǔ)罐罐壁位置出現(xiàn)了較大凸起。這是由于TNT爆炸時(shí)，距離爆炸中心越近，結(jié)構(gòu)承受的壓力越大，爆炸產(chǎn)生的超壓使儲(chǔ)罐罐壁發(fā)生局部大變形。 當(dāng)爆炸波繼續(xù)傳遞到達(dá)右側(cè)頂壁連接處時(shí)， 由于該位置是結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，因此該位置先發(fā)生破壞。 而從圖8c可以看出10 000m3儲(chǔ)罐爆炸破壞位置為罐壁。這是因?yàn)?0 000m3儲(chǔ)罐換算的TNT當(dāng)量質(zhì)量足夠大，雖然同樣是在距離罐壁1m位置處爆炸， 但10 000m3當(dāng)量TNT爆炸產(chǎn)生的超壓足以使儲(chǔ)罐罐壁直接被破壞。為了得到更準(zhǔn)確的儲(chǔ)罐破壞時(shí)刻，采用TNT當(dāng)量法分析時(shí)設(shè)置的時(shí)間間隔為0.1ms。 提取3種不同容積的儲(chǔ)罐在不同起爆位置破壞時(shí)的參數(shù)，具體見表2。

圖8 不同容積儲(chǔ)罐應(yīng)力分布及破壞位置

表2 不同容積儲(chǔ)罐應(yīng)力及徑向變形

從表2可以看出， 當(dāng)儲(chǔ)罐容積相同時(shí)，TNT起爆位置每靠近罐壁2m， 徑向變形增量超過80%。這是由于TNT爆炸產(chǎn)生的超壓在空氣中損失很大，爆炸沖擊波每向前傳遞1m，爆炸壓力就會(huì)大幅下降。 觀察不同容積儲(chǔ)罐的破壞時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，隨著容積的增大，爆炸破壞時(shí)間變短，這是由于TNT當(dāng)量變大后，爆炸瞬間產(chǎn)生的壓力越大，破壞時(shí)間越提前。

3.3 不同等效方法下儲(chǔ)罐內(nèi)爆結(jié)構(gòu)破壞對(duì)比分析

為了分析CFD方法和TNT當(dāng)量法各測(cè)點(diǎn)位置結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況，對(duì)5 000m3儲(chǔ)罐，在距罐壁5m起爆位置工況中， 分別提取兩種方法A、B、C點(diǎn)的壓力和應(yīng)力時(shí)程曲線如圖9、10所示。

圖9 不同方法壓力時(shí)程曲線

圖10 不同方法應(yīng)力時(shí)程曲線

由圖9可以看出，TNT當(dāng)量法在A點(diǎn)和B點(diǎn)得到的壓力遠(yuǎn)大于CFD方法。 TNT當(dāng)量法的爆炸壓力波經(jīng)過A點(diǎn)的壓力峰值為9.8MPa，CFD方法的壓力波經(jīng)過A點(diǎn)的壓力峰值僅為1.9MPa， 二者相差超過80%。 B點(diǎn)的壓力峰值也相差了近74%。 C點(diǎn)由于在儲(chǔ)罐破壞前沒有檢測(cè)到壓力，因此僅有CFD方法的壓力曲線。通過觀察圖10可以發(fā)現(xiàn)，兩種方法的A點(diǎn)應(yīng)力變化趨勢(shì)相同， 但是CFD方法的應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間和上升速度都較小。 TNT當(dāng)量法的B點(diǎn)出現(xiàn)了單元?jiǎng)h除，因此應(yīng)力值在發(fā)生劇烈增大后下降為零，CFD方法的B點(diǎn)與A點(diǎn)趨勢(shì)一致，僅應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間略有增大。 兩種方法C點(diǎn)位置的單元沒有發(fā)生失效，因此CFD方法的應(yīng)力在結(jié)構(gòu)破壞前持續(xù)上升，而TNT當(dāng)量法未檢測(cè)到壓力，也就沒有產(chǎn)生應(yīng)力數(shù)值。 為了分析不同爆炸模擬方法對(duì)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)破壞位置的影響，分別提取CFD方法和TNT當(dāng)量法模擬后的儲(chǔ)罐破壞位置，具體見表3。

表3 不同容積儲(chǔ)罐破壞位置

由表3可以看出，相同容積的儲(chǔ)罐采用CFD方法時(shí)破壞位置相同， 而且隨著儲(chǔ)罐容積的增大，破壞位置逐漸由左向右轉(zhuǎn)移。 TNT當(dāng)量法計(jì)算得到的儲(chǔ)罐破壞位置大部分位于右側(cè)頂壁連接處，而10 000m3儲(chǔ)罐的破壞位置發(fā)生了改變， 起爆點(diǎn)距罐壁1m時(shí)儲(chǔ)罐的破壞位置為近爆點(diǎn)罐壁。破壞位置的改變是不同容積儲(chǔ)罐的TNT當(dāng)量不同導(dǎo)致的。采用CFD方法得到的儲(chǔ)罐破壞時(shí)間差別不大，最大時(shí)長與最小時(shí)長僅相差25%； 采用TNT當(dāng)量法得到的儲(chǔ)罐破壞時(shí)間相差較大，最大時(shí)長與最小時(shí)長相差超過72%。

4 結(jié)論

4.1 采用CFD方法和TNT當(dāng)量法研究儲(chǔ)罐內(nèi)爆載荷時(shí)，CFD方法的爆炸載荷傳遞速度要低于TNT當(dāng)量法。 在同一測(cè)點(diǎn)TNT當(dāng)量法檢測(cè)到壓力的時(shí)間僅為CFD方法的1/10，同時(shí)TNT當(dāng)量法近爆測(cè)點(diǎn)A的峰值壓力是CFD方法的6.39倍。 使用CFD方法時(shí)， 爆炸壓力隨著爆炸中心的距離增大而增大；使用TNT當(dāng)量法時(shí)， 爆炸壓力隨著爆炸中心的距離增大而減小。

4.2 采用CFD方法和TNT當(dāng)量法研究儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，CFD方法計(jì)算出來的結(jié)構(gòu)破壞位置位于遠(yuǎn)離起爆點(diǎn)的左側(cè)頂壁連接處，并且隨著儲(chǔ)罐容積的增大逐漸由左向右轉(zhuǎn)移。 TNT當(dāng)量法多數(shù)工況儲(chǔ)罐破壞位置位于近爆點(diǎn)頂壁連接處。 當(dāng)TNT當(dāng)量質(zhì)量足夠大或者TNT與罐壁距離足夠近時(shí)，儲(chǔ)罐在近爆點(diǎn)罐壁發(fā)生破壞。 采用CFD方法得到的儲(chǔ)罐破壞時(shí)間差別不大，最大時(shí)長與最小時(shí)長僅相差25%； 采用TNT當(dāng)量法得到的儲(chǔ)罐破壞時(shí)間相差較大，最大時(shí)長與最小時(shí)長相差超過72%。

4.3 由于可燃?xì)怏w逐層燃燒的特性，CFD方法的爆炸壓力隨著爆心距的增大而增大，使得距離點(diǎn)火點(diǎn)較遠(yuǎn)處的結(jié)構(gòu)承受較大的壓力，因此遠(yuǎn)爆點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)先發(fā)生破壞。 而TNT當(dāng)量法計(jì)算爆炸載荷時(shí)，爆炸壓力是瞬間釋放并逐漸降低的，此時(shí)近爆點(diǎn)結(jié)構(gòu)會(huì)承受更大載荷并發(fā)生破壞。 正是兩種等效方法本質(zhì)上的不同導(dǎo)致了模擬結(jié)果的規(guī)律不一樣。 CFD方法模擬的爆炸在結(jié)構(gòu)與爆源較近時(shí)爆炸強(qiáng)度較低， 此時(shí)TNT當(dāng)量法模擬可燃?xì)庠票óa(chǎn)生的超壓峰值最大相差80%。 當(dāng)結(jié)構(gòu)與爆源相距較遠(yuǎn)時(shí)，兩種方法模擬出的結(jié)構(gòu)破壞趨于一致。