數(shù)值模擬研究BLEVE火災(zāi)中的火球

李健

摘要：在火災(zāi)侵襲作用下，低沸點(diǎn)可燃液體儲(chǔ)罐可能會(huì)發(fā)生破裂，形成沸騰液體擴(kuò)展蒸汽爆炸（BLEVE），噴射的可燃蒸汽遇火源會(huì)形成火球，對(duì)周圍環(huán)境和人員造成巨大的損害。文章以LNG爆炸事故為例，采用FDS軟件數(shù)值模擬研究火球的形態(tài)和熱輻射強(qiáng)度，并評(píng)估火球的危害、得出相應(yīng)的結(jié)論，希望能為大家提供參考。

關(guān)鍵詞：火球;FDS;熱輻射強(qiáng)度;噴射速度;風(fēng)速

1? 研究背景

液體儲(chǔ)罐被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，比如化工生產(chǎn)、車輛運(yùn)輸。儲(chǔ)存可燃液體（如LNG和LPG）的儲(chǔ)罐具有很大的危險(xiǎn)性，一旦置于火災(zāi)環(huán)境中，很容易導(dǎo)致罐體破裂，形成射流火或火球（由沸騰液體擴(kuò)展蒸汽爆炸造成），發(fā)出巨大的熱輻射和爆炸波，對(duì)人員和建筑物造成巨大的危害。在2020年6月份，浙江溫嶺G15沈海高速上，一輛裝有液化石油氣的槽罐車發(fā)生了爆炸，爆炸發(fā)生時(shí)，LPG汽化在現(xiàn)場形成白霧，然后發(fā)展成巨大火球，根據(jù)爆炸事故特點(diǎn)確定本次爆炸事故為沸騰液體擴(kuò)展蒸汽云爆炸[1]。此次罐車爆炸事故使得200多戶居民及周邊工廠內(nèi)70多名工人受到波及，造成20人死亡，172人住院治療，是一起重大事故，也是近20年來最嚴(yán)重的運(yùn)輸LPG槽罐車爆炸事故。因此，研究BLEVE火災(zāi)是很有必要的，能夠?yàn)閼?yīng)急預(yù)案編寫和應(yīng)急救援策略提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，保障人員生命安全。

BLEVE是1979年由Reid[2]提出，其含義為“外部熱源侵襲條件下的罐體破裂造成壓力驟降，導(dǎo)致過熱液體劇烈沸騰，爆炸性向外擴(kuò)散，液體四濺”，由此可知，BLEVE更容易發(fā)生在低沸點(diǎn)液體儲(chǔ)罐中，其是一種物理爆炸。加拿大女王大學(xué)的Birk教授自20世紀(jì)90年代便開展壓力儲(chǔ)罐受熱實(shí)驗(yàn)研究[3-5]，并給出儲(chǔ)罐失效機(jī)理：壓力儲(chǔ)罐在受到外部熱源侵襲時(shí)，罐壁溫度會(huì)增加，屈服強(qiáng)度下降，罐壁會(huì)變薄;而罐內(nèi)液體溫度與罐壁進(jìn)行對(duì)流換熱，溫度會(huì)增加，則會(huì)增加蒸發(fā)速率，導(dǎo)致氣相分子數(shù)增加，同時(shí)氣相受到液體和罐體的傳熱作用，溫度也會(huì)增加，綜合作用導(dǎo)致內(nèi)部壓力增加;同時(shí)，干壁和濕壁之間存在溫度差，在罐體表面形成熱應(yīng)力。熱應(yīng)力與內(nèi)部壓力的矢量和超過罐壁屈服強(qiáng)度時(shí)，罐體便發(fā)生塑性變形，形成小孔洞。這時(shí)候氣液便從小孔洞噴射而出形成射流，如果內(nèi)部液體溫度超過過熱極限溫度，則沸騰加劇，并撕裂小孔，最后導(dǎo)致整個(gè)儲(chǔ)罐炸掉，形成BLEVE。如果液體是可燃的，那么BLEVE的后果就是火球（Fireball），也就是本文研究點(diǎn)。

在過去的幾十年間，國外已經(jīng)有很多實(shí)驗(yàn)用以研究火球的特征，包括火球高度和火球直徑。然而，由于BLEVE火球?qū)嶒?yàn)耗資巨大，在國內(nèi)很難開展。而FDS軟件在研究火球特征方面表現(xiàn)出優(yōu)越性：模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，受到了國內(nèi)外學(xué)者的青睞。Wang等人[6]采用FDS軟件模擬丙烷的火球，模擬的火球高度和直徑與Balke的實(shí)驗(yàn)[7]結(jié)果吻合較好，在此基礎(chǔ)上，研究噴射燃料質(zhì)量、噴射速度和風(fēng)速對(duì)模擬結(jié)果的影響。結(jié)果表明，噴射燃料質(zhì)量越大，火球的橫縱比和火球直徑越大。噴射質(zhì)量超過10000kg時(shí)，火球?qū)χ車臒彷椛潴E增，因此罐車運(yùn)輸?shù)腖PG質(zhì)量應(yīng)控制在1000kg之內(nèi)。隨著出口速度的增加，火球的橫向直徑并沒有明顯改變，但是縱向直徑和火球抬升速度增加很多。自然空氣流動(dòng)會(huì)促進(jìn)空氣和燃料云混合，使得燃料云燃燒速率增加，并且火球釋放的輻射能量也會(huì)增加，但是火球的球形態(tài)會(huì)由于風(fēng)的影響而受到破壞，球形變得不明顯。Chen等人[8]同樣采用FDS模擬火球，燃料為某化工廠的1，1二氟乙烷，選擇2m的平面作為輻射面，以輻射劑量92（kW-2）4/3作為人員傷害臨界值，評(píng)估火球?qū)θ藛T的輻射傷害。研究表明，在1，1二氟乙烷火球形成后，人員需要在10.7s離開化工廠或找到掩體。Rajendram等人[9]采用FDS模擬近海設(shè)備中的丙烷火球和射流火，并與火球的固體火焰模型進(jìn)行對(duì)比分析。數(shù)值模型高估了火球高度，而FDS模型提供了一個(gè)比較準(zhǔn)確的結(jié)果;FDS模型橫向安全距離遠(yuǎn)大于數(shù)值模型計(jì)算的橫向安全距離;火球中心區(qū)域的致死率很高，發(fā)生的時(shí)間很短暫，留給人員很少的疏散時(shí)間逃離火球。Sellami等人[10]對(duì)FDS模擬火球的具體參數(shù)設(shè)置進(jìn)行探討，通過與Balke的實(shí)驗(yàn)[7]進(jìn)行對(duì)比分析，選用的湍流模型為Deardorff模型[10]，熄滅模型選用CFT（極限火焰溫度）模型。研究結(jié)果表明，隨著火球直徑和高度的發(fā)展，爆炸區(qū)域的熱通量強(qiáng)度下降，而較遠(yuǎn)區(qū)域的在增加（僅對(duì)距爆炸區(qū)域70m的范圍有效）。

綜上所述，F(xiàn)DS模型已被廣泛用于模擬BLEVE中的火球。燃料在短時(shí)間內(nèi)以巨大的速度從儲(chǔ)罐內(nèi)迸發(fā)并燃燒，形成火球。顯然，火球的燃燒過程是湍流燃燒過程。在前人研究中，缺乏研究風(fēng)速和噴射時(shí)間對(duì)LNG火球的影響。而LNG作為一類沸點(diǎn)極低的液化氣，更容易發(fā)生BLEVE，火球危害更大。因此，筆者將采用FDS軟件模擬LNG火球，并研究風(fēng)速和噴射時(shí)間對(duì)火球的影響。

1.1? 模擬場景建立

在LNG的BLEVE事故中，巨量過熱的液態(tài)甲烷遇常溫常壓會(huì)瞬間汽化，并被點(diǎn)燃，形成火球。在本研究中，暫不考慮儲(chǔ)罐破裂和甲烷噴濺的復(fù)雜過程，只研究巨量甲烷噴出并被點(diǎn)燃后的火球。采用版本6.6.0的FDS軟件（基于PyroSim2018）建立模型如圖1所示，中心方形綠色區(qū)域?yàn)榧淄閲娚淇冢溥呴L為20m，噴射口中心坐標(biāo)為（10，0，0），設(shè)置的反應(yīng)的類型為甲烷噴出后，與氧氣擴(kuò)散燃燒。同時(shí)，在（25，0，2）沿X正方向在Z=2m的高度，每隔5m布置一個(gè)測點(diǎn)。供風(fēng)口為左側(cè)平面，沿X正方向供風(fēng)，因此測點(diǎn)在下風(fēng)向。采用LES模擬方法、CFT火焰熄滅模型和Deardorff湍流模型[10]。網(wǎng)格尺寸為2×2×2m，共計(jì)1000000個(gè)網(wǎng)格，模擬時(shí)間為10s，在Intel?Core?i3-7350KCPU@4.20GHZ的電腦運(yùn)行時(shí)間為5個(gè)小時(shí)。

1.2? 模擬工況

在BLEVE事故中，風(fēng)速是不確定的，燃料的噴出時(shí)間是不確定的（保證燃料噴出的總質(zhì)量5000kg不變，改變噴出速率以改變噴出時(shí)間），因此將噴出時(shí)間（或噴射速度）和風(fēng)速作為變量。通過改變邊界條件，研究風(fēng)速和噴出速度對(duì)火球的影響，模擬工況如表1所示。

2? 結(jié)果與討論

2.1? 實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比

圖2給出了實(shí)驗(yàn)與FDS的火球形態(tài)對(duì)比圖，可以看出，F(xiàn)DS計(jì)算出的火球形態(tài)與實(shí)驗(yàn)火球形態(tài)很接近，這表明采用FDS模擬火球是可行的。

2.2? 噴射速度對(duì)火球的影響

2.2.1? 噴射速度對(duì)火球形態(tài)的影響

無風(fēng)時(shí)的火球形態(tài)如圖3所示，分別對(duì)應(yīng)三種噴射時(shí)間：0.17s、0.25s、0.5s，噴射速度分別為：75m/s、

通過圖3可以看出，在火球形成初期（2s），火球高度從左到右依次降低，表明在初期階段，噴射速度越大，火球越高。這是因?yàn)椋^高的噴射速度帶動(dòng)燃料來到更高的區(qū)域，而火球的形成是在燃料反應(yīng)的區(qū)域，導(dǎo)致火球高度較高。但是在噴射初期，火球橫向直徑基本無變化，說明初期噴射速度對(duì)火球橫向直徑無影響，橫向直徑受噴射口直徑影響，三者的噴射口直徑保持一致，故而火球橫向直徑基本無變化。然而，隨著燃燒的持續(xù)，a1的火球開始消失（6s），a2的火球隨后消失（8s），而a3的火球在8s時(shí)仍然保持一定的形態(tài)。表明，噴射速度越大，火球持續(xù)時(shí)間越短。這是因?yàn)?，較大的噴射速度對(duì)應(yīng)更大的湍流度，導(dǎo)致甲烷分布區(qū)域更廣泛，甲烷混合更均勻，造成甲烷燃燒速率增加，從而導(dǎo)致火球持續(xù)時(shí)間較短。

圖4給出了無風(fēng)時(shí)噴射口中心切片的溫度分布，可以看出溫度分布在一定程度上反映了火球形態(tài)的分布，與圖3相對(duì)應(yīng)。在火球初期（2s），超高溫（1000℃）區(qū)域面積滿足：a1>a2>a3，表明在火球初期，噴射速度越大，超高溫區(qū)域面積越大。而在火球后期（8s），對(duì)于a1和a2，盡管火球已經(jīng)消失了，但是仍然存在一定非常溫區(qū)域，這是火球的殘余溫度。而對(duì)于a3，仍然存在超高溫區(qū)域，這是因?yàn)閍3的火球依然存在，未完全消失（通過圖3可以看出）。

從圖5可以看出，三個(gè)工況的最大熱釋放速率滿足：a1>a2>a3，這是因?yàn)閍1的噴射速度最大，燃料分布的更均勻，燃燒速率更大，所以在相同時(shí)間內(nèi)釋放的熱量更大，所以最大熱釋放速率（HRRmax）最大，并且到達(dá)最大熱釋放速率需要時(shí)間滿足：a3>a2>a1，這也和燃燒速率有關(guān)。而在火球后期階段（6～8s），熱釋放速率卻滿足：a3>a2>a1，這是因?yàn)閍3的噴射速度較小，燃料未能及時(shí)耗盡，在6～8s，仍有甲烷在燃燒，通過圖3亦可以看出這個(gè)現(xiàn)象。

2.2.2? 噴射速度對(duì)熱輻射強(qiáng)度的影響

噴射口中心坐標(biāo)為（10，0，0），同時(shí)在（25，0，2）沿X正方向在Z=2m的高度，每隔5m布置一個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)始終朝向火球。分別取1、2、4、6s的測點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度，如圖6所示?？梢钥闯鲈?～6s期間，所有測點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度都在衰減，且1～2s的衰減幅度最大，表明火球形態(tài)在這個(gè)期間變化最大。在1～6s內(nèi)，對(duì)于所有測點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度，均滿足：a3>a2>a1，但不可推測在整個(gè)燃燒期間，熱輻射強(qiáng)度均滿足這個(gè)規(guī)律，這是因?yàn)?，?s后，a3的火球燃燒最為劇烈，而a1和a2的火球已經(jīng)過了劇烈時(shí)期。根據(jù)圖5的熱釋放速率分布，在0.1～0.3s期間，a1的熱釋放速率最大，可以推測熱輻射強(qiáng)度滿足：a1>a2>a3。

根據(jù)圖6，在1～2s期間，測點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度隨著距離的增加而呈現(xiàn)指數(shù)式衰減，與簡化版的熱輻射計(jì)算公式的規(guī)律保持一致。在6s時(shí)，同一工況不同測點(diǎn)之間的熱輻射強(qiáng)度相差很小，這是因?yàn)榛鹎蛟?s時(shí)，已經(jīng)升到一定的高度，根據(jù)固體火焰模型，所有測點(diǎn)與火球之間的角系數(shù)相差很小，同時(shí)在4～6s期間，火球的熱釋放速率已經(jīng)處于較低值，即火球溫度較低，發(fā)出的輻射能也較低，二者共同作用導(dǎo)致，所有測點(diǎn)間的熱輻射強(qiáng)度相差很小。

2.3? 風(fēng)速對(duì)火球的影響

2.3.1? 風(fēng)速對(duì)火球形態(tài)的影響

根據(jù)2.2的討論，可以看出較高的噴射速度會(huì)導(dǎo)致火球過早消失，為了更好地研究風(fēng)速對(duì)火球形態(tài)的影響，需要取較低的噴射速度工況，即a3、b3、c3，如圖7所示。從左至右，隨著風(fēng)速的增加，火球向右偏離燃料中心（10，0，0）的程度在逐漸加大，這是因?yàn)轱L(fēng)促使燃料湍流擴(kuò)散向右偏移，風(fēng)速越大，湍流擴(kuò)散程度越大，導(dǎo)致火球偏移程度越大。在無風(fēng)8s時(shí)，火球中心呈現(xiàn)中空，火球形態(tài)不明顯。而在有風(fēng)8s時(shí)，燃料的燃燒仍然呈現(xiàn)火球形態(tài)。這表明，對(duì)于BLEVE事故，風(fēng)會(huì)降低燃料的燃燒速率，增加火球的持續(xù)時(shí)間，導(dǎo)致火球的危害持續(xù)更長的時(shí)間。

圖8給出了風(fēng)作用下的溫度分布，在火球前期（2s），風(fēng)速對(duì)火球溫度的分布幾乎無影響。而在火球后期（8s），隨著風(fēng)速的增加，溫度分布由圓形逐漸變?yōu)闄E圓形。

2.3.2? 風(fēng)速對(duì)熱輻射強(qiáng)度的影響

圖9給出了測點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度，值得注意的是，這些測點(diǎn)均在下風(fēng)向。在1s時(shí)，三條曲線幾乎重合，說明風(fēng)速對(duì)熱輻射強(qiáng)度基本無影響。隨著時(shí)間的推移，風(fēng)速影響逐漸強(qiáng)烈。在2～4s時(shí)，測點(diǎn)熱輻射強(qiáng)度滿足：c3>b3>a3。這是因?yàn)闇y點(diǎn)在下風(fēng)向，而火球由于風(fēng)速影響，會(huì)朝下風(fēng)向偏移，導(dǎo)致測點(diǎn)與火球之間的視角系數(shù)增加，高溫區(qū)域也偏向下風(fēng)向，二者共同作用導(dǎo)致c3的熱輻射強(qiáng)度最大。同時(shí)我們也可以得出結(jié)論，在火球事故中，下風(fēng)向是較危險(xiǎn)區(qū)域，人員疏散方向應(yīng)該朝著上風(fēng)向。

然而，在1～2s期間，遠(yuǎn)場（測點(diǎn)橫坐標(biāo)>70）的熱輻射強(qiáng)度基本等于0。隨著火球的抬升，遠(yuǎn)場的熱輻射強(qiáng)度逐漸大于0，但對(duì)于三個(gè)工況來講，遠(yuǎn)場的熱輻射強(qiáng)度差異很小。這表明，風(fēng)速對(duì)遠(yuǎn)場的熱輻射強(qiáng)度分布影響較小。

3? 結(jié)語

本文采用FDS軟件數(shù)值模擬研究LNG的BLEVE火災(zāi)中的火球形態(tài)和溫度分布，并通過測點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度評(píng)估火球危害，得出以下結(jié)論：

（1）噴射速度越大，則燃料燃燒速率越大，最大熱釋放速率最大，但火球持續(xù)時(shí)間最短;

（2）在火球初期階段，噴射速度越大，超高溫區(qū)域（1000℃）面積越大;

（3）風(fēng)會(huì)促進(jìn)火球朝下風(fēng)向偏移，且風(fēng)速越大，火球偏移程度越大，同時(shí)下風(fēng)向的熱輻射強(qiáng)度也會(huì)增加。因此，人員疏散方向?yàn)樯巷L(fēng)向。

（4）在火球前期（2s），風(fēng)速對(duì)火球溫度的分布幾乎無影響。而在火球后期（8s），隨著風(fēng)速的增加，溫度分布由圓形逐漸變?yōu)闄E圓形。

（5）風(fēng)的作用會(huì)降低燃料的燃燒速率，增加火球的持續(xù)時(shí)間。風(fēng)速從0～5m/s遞增，火球的最大熱釋放速率先減小后增加。

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Numerical simulation study on fireball in BLEVE fire

Li Jian

Hetian District Fire and Rescue Brigade of Xinjiang Province

Abstract：Under the action of fire， low-boiling flammable liquid storage tanks may rupture， forming a boiling liquid extended vapor explosion （BLEVE）. The injected flammable vapor will form a fireball when it encounters a fire source， causing huge damage to the surrounding environment and people. Taking the LNG explosion accident as an example， the paper uses FDS software to numerically simulate the shape and thermal radiation intensity of the fireball， evaluate the hazard of the fireball， and draw corresponding conclusions. It’s hoping to provide a reference.

Keywords：fireball; FDS; thermal radiation intensity; jet velocity; wind velocity