儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車隧道燃爆事故演化機(jī)理研究1)

時(shí)婷婷 汪 侃 張思琪 褚樾煒

*(國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司, 北京 102209)

?(上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 201306)

**(國(guó)際商務(wù)區(qū)投資建設(shè)有限公司市政部, 浙江嘉興 314001)

《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021—2035年）》明確指出氫能是實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的重要載體，并要求在大力發(fā)展氫能制備、儲(chǔ)運(yùn)和使用時(shí)堅(jiān)持安全為先。當(dāng)前，氫能在運(yùn)輸方式上以長(zhǎng)管拖車、液氫槽車/船和管道運(yùn)輸?shù)葏f(xié)同發(fā)展[1]。而在短距離城市運(yùn)輸時(shí)，儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車是最普遍采用的運(yùn)輸方式[2]。儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車在運(yùn)輸期間途經(jīng)公路特殊路段（如隧道）時(shí)，極易因駕駛員、車輛及環(huán)境等因素影響發(fā)生交通事故。高壓氫氣屬易燃易爆介質(zhì)，一旦長(zhǎng)管拖車在隧道內(nèi)發(fā)生泄漏，將誘發(fā)火災(zāi)爆炸等衍生災(zāi)害，造成隧道結(jié)構(gòu)破壞、群死群傷等嚴(yán)重后果[3-4]。基于儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車在隧道內(nèi)發(fā)生泄漏燃爆事故及其毀傷效應(yīng)的特殊性，針對(duì)此類事故的形成機(jī)理和演化過程開展研究十分必要。

目前，高壓儲(chǔ)氫的城市道路運(yùn)輸裝備以長(zhǎng)管拖車為主，市場(chǎng)占有量超過80%。就儲(chǔ)運(yùn)氫能的高壓裝備和設(shè)施而言，針對(duì)其事故風(fēng)險(xiǎn)程度、事故演化特征和事故區(qū)域形成的危害特點(diǎn)的研究廣泛受到關(guān)注[5-8]。Camila等[9]提出液氫泄漏事故鏈模型，有效分析了液氫儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備在不同場(chǎng)景中的風(fēng)險(xiǎn)因素，并改進(jìn)了傳統(tǒng)失效模式和影響分析法。Yoo等[10]對(duì)儲(chǔ)氫裝備發(fā)生泄漏事故的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及事故結(jié)果進(jìn)行了定量風(fēng)險(xiǎn)分析，研究顯示液氫運(yùn)輸車在運(yùn)輸時(shí)發(fā)生泄漏事故是其中最易導(dǎo)致災(zāi)難性的結(jié)果事件。Mair等[11]對(duì)氫能在道路運(yùn)輸過程中運(yùn)輸裝備的失效部件和失效概率進(jìn)行定量計(jì)算，提出了新的氫能道路運(yùn)輸安全管理方案。由于數(shù)值模擬工具在近幾十年事故分析中的卓越表現(xiàn)，數(shù)值模擬成為氫能儲(chǔ)運(yùn)安全性基礎(chǔ)研究中采用的重要方法[12-13]。趙康等[14]利用CFD軟件模擬了受限空間內(nèi)液氫泄漏擴(kuò)散，研究顯示環(huán)境風(fēng)力條件的提升會(huì)增大氫氣泄漏區(qū)域面積，從而增加氫氣爆炸的危害范圍。Yamada等[15]通過模擬發(fā)現(xiàn)氫氣在高壓氫能裝備泄漏時(shí)的自燃特性，研究闡釋了自燃演化和內(nèi)在機(jī)理，并預(yù)測(cè)了不同工況下的點(diǎn)火位置變化。王振華等[16]基于Abel-Nobel狀態(tài)方程、火焰模型和輻射模型構(gòu)建了高壓氫氣泄漏噴射火過程預(yù)測(cè)模型，Xie等[17]進(jìn)一步討論了氫氣在具備縱向通風(fēng)條件下的隧道內(nèi)形成噴射火后的毀傷效應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)通風(fēng)因子極大影響溫度分層現(xiàn)象。Zhang等[18]通過模擬與實(shí)驗(yàn)研究高壓氫氣在出口形狀不同場(chǎng)景中的事故性泄漏和爆炸效應(yīng)，對(duì)比分析了爆炸沖擊波的演化特征。通過對(duì)研究現(xiàn)狀的分析表明，高壓儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車在儲(chǔ)運(yùn)過程中發(fā)生事故具有特殊性，高壓儲(chǔ)存氫氣較其他介質(zhì)的泄漏速率更快，更易在受限空間內(nèi)形成積聚，從而存在更大火災(zāi)及爆炸潛在威脅。然而，目前針對(duì)此類氫能裝備在城市隧道路段發(fā)生事故后的演化過程探究尚不足以支撐氫能安全應(yīng)急保障。

基于此，本文運(yùn)用高精度事故模擬軟件FLACS對(duì)儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車在城市公路隧道內(nèi)泄漏、燃爆等事故演化過程開展研究。首先，通過FLACS構(gòu)建三維模型真實(shí)還原事故場(chǎng)景，模擬儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車在隧道內(nèi)發(fā)生泄漏的過程，進(jìn)而獲得氫氣在隧道內(nèi)泄漏的特征。其次，通過FLACS模擬獲得儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車在隧道內(nèi)發(fā)生燃爆事故的演化過程，同時(shí)闡明演化機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，本文探討了氫氣在隧道內(nèi)燃爆特征參數(shù)的演化規(guī)律和影響因素，根據(jù)毀傷準(zhǔn)則闡明儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車燃爆事故對(duì)人員、隧道結(jié)構(gòu)及環(huán)境的危害等級(jí)。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 物理模型與測(cè)點(diǎn)布置

本研究的物理模型及場(chǎng)景基于某事故現(xiàn)場(chǎng)確定，包括城市隧道、儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車、周圍建筑物、其他車輛等事故現(xiàn)場(chǎng)涉及元素。利用DIFFUSE模型來模擬儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車發(fā)生的氫氣泄漏動(dòng)態(tài)過程，該過程的物質(zhì)設(shè)置為Hydrogen，其組分根據(jù)儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車真實(shí)載運(yùn)狀況設(shè)定。模型在事故發(fā)生區(qū)域內(nèi)采用局部網(wǎng)格加密，隧道外部開放空間逐漸形成網(wǎng)格稀疏。本研究假定事故場(chǎng)景為儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車在隧道內(nèi)受到后方車輛的追尾導(dǎo)致罐體閥門損壞，隨后發(fā)生氫氣泄漏和擴(kuò)散，由于電氣短路形成電火花隨即引爆長(zhǎng)管拖車的儲(chǔ)氫罐體。整個(gè)事故過程發(fā)生在隧道入口附近區(qū)域，因而由于氫氣爆炸形成的毀傷效應(yīng)不僅會(huì)作用于隧道內(nèi)砌體結(jié)構(gòu)，同時(shí)也作用于隧道外側(cè)的建筑環(huán)境。根據(jù)研究所需，在三維模型中共設(shè)置55個(gè)基本監(jiān)測(cè)點(diǎn)。基本監(jiān)測(cè)點(diǎn)將在模擬結(jié)果中輸出對(duì)應(yīng)區(qū)域的氫氣濃度、爆炸壓力、火焰溫度等與事故參數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)。基本監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)呈水平排布，共5排，每一排監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間間隔10 m，每排監(jiān)測(cè)點(diǎn)按編號(hào)大小依次由隧道外側(cè)向隧道內(nèi)部布設(shè)。其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)01～11代表沿隧道中心向內(nèi)布設(shè)，距地高度與儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車一致。監(jiān)測(cè)點(diǎn)12～22、監(jiān)測(cè)點(diǎn)23～33分別沿著隧道左右兩側(cè)排布，與地面高度一致；監(jiān)測(cè)點(diǎn)34～44、監(jiān)測(cè)點(diǎn)45～55分別沿著隧道兩側(cè)頂部。詳細(xì)模型構(gòu)建形式與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方式如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車隧道事故三維模型示意圖Fig. 1 3D model diagram of hydrogen long-tube trailer accident in tunnel

1.2 控制方程

FLACS數(shù)值模擬的基礎(chǔ)為流體動(dòng)力學(xué)基本控制方程，包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。方程描述了FLACS-CFD中可壓縮流體流動(dòng)的數(shù)值模型，其中質(zhì)量控制方程為

式中，t為時(shí)間，s；x為空間坐標(biāo)，無(wú)量綱；u為流動(dòng)速度，m/s；v和j為坐標(biāo)方向；β為求解變量（即密度、動(dòng)量、能量、組分等）；ρ為流體密度，kg/m3；V為流體體積，m3；m為質(zhì)量流量，kg/s。

動(dòng)量控制方程為

式中，p為壓力，Pa；σij為壓力張量，無(wú)量綱；gi為重力加速度矢量，m/s2；ρ0為初始?jí)毫ο碌牧黧w密度，kg/m3；fw, i為由壁面引起的流體流動(dòng)阻力，J/kg；fo,i為由網(wǎng)格中障礙物引起的流體流動(dòng)阻力，J/kg。

通過熱流密度和溫度梯度之間的線性關(guān)系，可充分描述溫度梯度下的分子輸運(yùn)率，因而描述焓的輸運(yùn)控制方程為

式中，h為焓，J；Q為單位體積的內(nèi)熱源，W；σh為總焓輸運(yùn)方程中的普朗特–施密特系數(shù)，無(wú)量綱。

氫氣質(zhì)量組分的輸運(yùn)控制方程為

式中，σfuel為氫氣輸運(yùn)方程中的普朗特–施密特系數(shù)，無(wú)量綱；γair為理論空燃比，無(wú)量綱；Φ為氫氣的化學(xué)當(dāng)量比；Yfuel為氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Rfuel為氫氣的化學(xué)反應(yīng)速率，kg/(m3·s)；μeff為有效黏度

式中，Cμ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，通常取值為0.09;k為湍流能，J;ε為耗散率，無(wú)量綱；μ為湍流黏度（渦流黏度）。

對(duì)于湍流的模擬采用k–ε模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。其中，k–ε模型作為一種渦黏度模型，包含兩個(gè)附加的輸運(yùn)控制方程。一個(gè)用于湍流脈動(dòng)動(dòng)能k，另一個(gè)用于湍流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率ε。湍流脈動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加應(yīng)力，計(jì)算時(shí)需將其與時(shí)均應(yīng)變率關(guān)聯(lián)[19]。同時(shí)，基于Boussinesq的假設(shè)，有

本模型中所采用的預(yù)混湍流燃燒模型將湍流火焰的傳播速度表示為湍流燃燒速度，由數(shù)值火焰區(qū)擴(kuò)散速率和反應(yīng)速率計(jì)算獲得。為此，需對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)守恒方程中的擴(kuò)散系數(shù)和源項(xiàng)進(jìn)行建模?；鹧婺Ｐ投x燃燒的標(biāo)準(zhǔn)和跨越數(shù)值火焰區(qū)反應(yīng)速率的空間分布，其控制方程為

式中，D為FLACS火焰模型中定義的擴(kuò)散因子；Cβ,R為模型常數(shù)；S為燃燒速度，依賴于實(shí)時(shí)流動(dòng)狀態(tài)；Δ為與網(wǎng)格大小相關(guān)的常量；c為過程變量；Y0為初始控制體中的可燃介質(zhì)質(zhì)量組分。

1.3 初始及邊界條件

本模擬設(shè)定事故區(qū)域的儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車每個(gè)儲(chǔ)氫瓶長(zhǎng)度為10 m，直徑為0.5 m。儲(chǔ)氫瓶總數(shù)9個(gè)，工作壓力為20 MPa，總充裝氫氣3 500 Nm3。拖車內(nèi)介質(zhì)（氫氣）的物性參數(shù)：密度為0.089 kg/m3，臨界溫度為零下239.9℃，臨界壓力為1.313 MPa，汽化熱為305 kJ/kg，比熱比為1.4，熱值為140 MJ/kg，爆炸極限為4%～75%。本次事故模擬設(shè)定環(huán)境溫度為20℃，平均濕度設(shè)定為81%，大氣穩(wěn)定度C。環(huán)境平均風(fēng)速設(shè)置為3.5 m/s，氫氣泄漏方向的邊界條件為“WIND”，其余方向?yàn)椤癙lane-Wave”。初始湍流強(qiáng)度設(shè)為0.1，湍流長(zhǎng)度尺度0.01 m。事故泄漏源位置位于長(zhǎng)管拖車閥門處，泄漏源直徑設(shè)定為100 mm，泄漏初始狀態(tài)為氣/液兩相。點(diǎn)火源設(shè)定在儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車后方車輛車頭，模擬真實(shí)事故中車輛因追尾導(dǎo)致位于發(fā)動(dòng)機(jī)正極多股銅芯線絕緣層破損，進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)線與輸油泵輸油管管頭空心螺栓發(fā)生電氣短路而形成電火花。

2 結(jié)果與分析

2.1 儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車隧道內(nèi)外泄漏擴(kuò)散規(guī)律

模擬場(chǎng)景中的風(fēng)場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，故設(shè)定儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車的一個(gè)氣瓶在模擬開始后1 s發(fā)生泄漏，泄漏時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為20 s。圖2為儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車氫氣泄漏擴(kuò)散區(qū)域的三維云圖，圖中顯示氫氣從長(zhǎng)管拖車氣瓶泄漏后，一部分由于風(fēng)力作用向隧道內(nèi)部擴(kuò)散，另一部分在靠近事故發(fā)生位置的開放空間內(nèi)擴(kuò)散。由于在隧道內(nèi)部擴(kuò)散速度與環(huán)境風(fēng)速存在正相關(guān)，且模擬事故中風(fēng)力條件為1～2級(jí)，因而在氫氣向隧道內(nèi)部擴(kuò)散的初期階段速度相對(duì)較慢。當(dāng)泄漏發(fā)生20 s以后，氫氣逐漸充滿整個(gè)隧道頂部空間，該區(qū)域存在極高的爆炸危險(xiǎn)性。位于隧道底部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示氫氣濃度非常低，未達(dá)到氫氣爆炸極限濃度。氫氣從隧道口擴(kuò)散開后，由于氫氣密度較低，幾乎無(wú)法快速向左右兩側(cè)空間蔓延，因而始終呈現(xiàn)豎向擴(kuò)散。同時(shí)，泄漏氫氣卷積并與周圍空氣混合形成的混合可燃?xì)饬?，呈現(xiàn)羽流特性。由于隧道外部屬于開放空間，存在大量的助燃性介質(zhì)補(bǔ)給，因而氫氣濃度在擴(kuò)散過程中一直維持在28%～32%的范圍內(nèi)。圖3為儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車在隧道內(nèi)發(fā)生泄漏后，氫氣泄漏濃度X-Z切面圖，該二維切面圖顯示氫氣濃度在隧道豎向和水平方向變化。泄漏氫氣在極短時(shí)間內(nèi)覆蓋泄漏源附近車輛，隧道中的一定區(qū)域內(nèi)氫氣濃度值很快達(dá)到70%以上。圖2和圖3中顯示隧道外側(cè)若存在覆蓋物或障礙物，將導(dǎo)致氫氣擴(kuò)散行為變化，并可能增加氫氣在空間積聚，形成可燃性氣云團(tuán)。在城市隧道車輛事故場(chǎng)景中，往往存在高溫、明火、電火花及靜電等典型引燃源，當(dāng)引燃能量達(dá)到0.2 mJ以上即可引爆泄漏氫氣所形成的可燃混合氣云團(tuán)，導(dǎo)致災(zāi)難性的氫氣混合氣云爆炸。

圖2 儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車氫氣泄漏擴(kuò)散三維云圖Fig. 2 3D dispersion diagram of hydrogen long-tube trailer

圖3 儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車氫氣泄漏濃度X-Z切面圖Fig. 3 Hydrogen concentration slice(X-Z) of hydrogen long-tube trailer

2.2 氫氣隧道爆炸沖擊波傳播特征

圖4為儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車隧道爆炸沖擊波傳播過程。儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車發(fā)生泄漏后經(jīng)歷了氫氣混合氣云團(tuán)初始引爆、爆燃波形成、爆燃轉(zhuǎn)向爆轟、沖擊波穩(wěn)定傳播及衰減至聲波五個(gè)階段。首先，儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車發(fā)生泄漏后氫氣混合氣聚積在隧道內(nèi)部，引燃爆炸后在瞬間伴隨劇烈壓力和溫度變化，形成高溫高壓的爆炸沖擊波。隨后在極短時(shí)間內(nèi)，爆炸物理產(chǎn)物會(huì)裹挾爆炸波迅速朝外擴(kuò)張，當(dāng)沖擊波傳遞至一定距離后，爆炸產(chǎn)物會(huì)與爆炸波分離，停止向外做功，此時(shí)爆炸波開始獨(dú)自朝四周擴(kuò)散。爆炸沖擊波單獨(dú)傳播的衰減速度很快，產(chǎn)生低于一般大氣壓的負(fù)壓區(qū)，而在負(fù)壓狀態(tài)持續(xù)一段時(shí)間后，沖擊波大小最終趨于大氣壓。爆炸波超壓峰值和波面?zhèn)鞑ニ俣仍趥鞑ミ^程中會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，形成該傳播衰減現(xiàn)象是由于爆炸沖擊波在隧道空間傳播的幾何特征影響。圖4可知儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車爆炸產(chǎn)生的沖擊波向隧道內(nèi)部傳播與分布情況。由于隧道內(nèi)部存在若干輛駐留車輛，對(duì)沖擊波向隧道內(nèi)部傳遞形成障礙，促進(jìn)火焰加速，使得火焰陣面與前驅(qū)壓力波陣面重疊。在此場(chǎng)景下，爆燃波將轉(zhuǎn)為速度更快、壓力更高的爆轟波。此時(shí)，沖擊波傳播速度可達(dá)1 400 m/s以上。在隧道一側(cè)開放空間處，沖擊波以球形空間的形式向四周擴(kuò)散，球形表面積以傳播半徑二次方的速率上升，故在該空間的波陣面上，單位面積的能量隨著沖擊波傳播距離的增加而急劇下降。此外，開放空間內(nèi)沖擊波傳播擴(kuò)散中存在能量逸散損失，爆炸產(chǎn)物等壓縮空氣推動(dòng)沖擊波的過程中有部分機(jī)械能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，這導(dǎo)致爆炸沖擊波超壓出現(xiàn)上述傳遞與衰減的特征。

圖4 儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車隧道爆炸沖擊波傳播過程Fig. 4 Propagation process of shock wave induced by hydrogen long-tube trailer explosion in tunnel

圖5為儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車爆炸沖擊波形成的超壓在隧道底部、中心和頂部三個(gè)水平方向上分布情況。長(zhǎng)管拖車發(fā)生泄漏后形成大面積氫氣混合氣云團(tuán)，引爆后產(chǎn)生的爆炸產(chǎn)物能量巨大。圖5(b)表明最快達(dá)到峰值超壓的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為MP 03和MP 04，由于兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與泄漏源的位置相對(duì)較近。隧道中心方向上可達(dá)峰值超壓為288 kPa，根據(jù)超壓毀傷準(zhǔn)則[4]可知，在此環(huán)境下可致使人員完全死亡，鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大幅度位移且徹底破壞。爆炸中心兩側(cè)駐留車輛形成障礙物，導(dǎo)致爆炸沖擊波在正壓作用后形成短時(shí)間的負(fù)壓。隨后，受爆炸沖擊波在隧道地面、頂部和車輛之間反射影響，超壓–時(shí)間曲線呈現(xiàn)正負(fù)交替的變化情況。圖5(c)表明在514.4 ms時(shí)隧道頂部區(qū)域最大超壓值為492 kPa，將造成隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)完全破壞和車輛大面積形變。

圖5 儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車隧道爆炸超壓變化Fig. 5 Overpressure changes of hydrogen long-tube trailer explosion in tunnel

2.3 氫氣燃爆火焰?zhèn)鬟f特征與毀傷作用

儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車在隧道內(nèi)發(fā)生燃爆產(chǎn)生強(qiáng)烈熱毀傷效應(yīng)是此類事故的重要表征，其形式為高溫灼傷現(xiàn)場(chǎng)人員和高溫促使結(jié)構(gòu)發(fā)生熔融形變。隧道內(nèi)存在駐留車輛、電氣設(shè)備等，爆炸高溫和燃燒火焰進(jìn)一步誘發(fā)更大規(guī)模災(zāi)害。由于儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車燃爆的突發(fā)性很強(qiáng)，爆炸源處近地面區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生火焰和高溫?cái)U(kuò)散速度極快，且波及范圍非常廣。根據(jù)儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車燃爆形成的高溫可判定一定范圍內(nèi)人員和結(jié)構(gòu)受到的熱毀傷作用程度。本研究中，儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車形成的局部爆燃與瞬時(shí)高溫造成隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)局部或整體永久性變形。同時(shí)，氫氣爆炸產(chǎn)生的高溫火焰也將造成事故現(xiàn)場(chǎng)人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。圖6為隧道內(nèi)發(fā)生儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車燃爆過程伴隨爆炸沖擊波和燃燒火焰波的動(dòng)態(tài)過程。受到半封閉隧道空間內(nèi)的邊界條件制約，存在沖擊波超壓和爆燃火焰的正反饋?zhàn)饔茫撨^程還伴隨壓力波和火焰波的耦合作用。長(zhǎng)管拖車在隧道內(nèi)爆炸時(shí)，位于火焰鋒面前后的已燃區(qū)和未燃區(qū)，分別產(chǎn)生方向相反壓力波。燃燒火焰在兩個(gè)壓力波的共同作用下，伴隨大量能量釋放，且穩(wěn)定向前進(jìn)行傳播。隨著爆炸過程的發(fā)展，火焰鋒面和未燃區(qū)的壓力波持續(xù)向隧道出口方向的未燃區(qū)傳播，而已燃區(qū)的壓力波距離隧道入口處很近，促使其向入口外側(cè)的開放空間傳播。

圖6 儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車隧道爆炸火焰?zhèn)鬟f過程Fig. 6 Flame propagation of hydrogen long-tube trailer explosion in tunnel

圖7為隧道底部、中心和頂部區(qū)域內(nèi)的溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化情況。位于隧道底部區(qū)域內(nèi)的溫度變化曲線隨著爆炸事故的發(fā)展呈現(xiàn)先急劇上升，后快速下降，最后在不同位置出現(xiàn)差異性變化的特征。數(shù)據(jù)顯示，溫度場(chǎng)在位于隧道頂部區(qū)域內(nèi)的溫升速率明顯快于靠近隧道底部區(qū)域，且最高溫度達(dá)到2 364.3 K。這表明在隧道頂部空間內(nèi)，大量氫氣擴(kuò)散形成的可燃混合氣體聚集，在燃爆發(fā)生后化學(xué)反應(yīng)充分，反應(yīng)速率很快，產(chǎn)生較高的區(qū)域溫度場(chǎng)。位于隧道中心水平方向上的溫度值始終很高，該區(qū)域的駐留車輛將在超過2 500 K以上的高溫炙烤下嚴(yán)重受損。通過隧道地面、側(cè)面和車輛反射所形成的壓力波對(duì)火焰鋒面顯然具有較強(qiáng)的擾動(dòng)，導(dǎo)致火焰向隧道深部加速傳播。這是湍流和化學(xué)反應(yīng)相互作用下的結(jié)果，湍流引起速度、溫度和濃度脈動(dòng)，提升了平均化學(xué)反應(yīng)率和火焰?zhèn)鞑ニ俣取７粗?，燃爆產(chǎn)生的密度變化和脈動(dòng)又影響著湍流程度。隨著時(shí)間的推移，火焰?zhèn)鞑ニ俣群蜏囟戎稻@著減小?；鹧驿h面、壓力波和未燃介質(zhì)的耦合作用將會(huì)伴隨燃燒火焰在隧道內(nèi)的持續(xù)發(fā)展，期間的火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)出現(xiàn)振蕩波動(dòng)現(xiàn)象。由于向隧道入口一側(cè)傳播的壓力波已經(jīng)在開放空間存在泄壓現(xiàn)象，因而對(duì)于向隧道內(nèi)傳遞的火焰速度并無(wú)明顯的促進(jìn)作用。但是，爆燃火焰在開放空間內(nèi)傳播時(shí)，易引燃后續(xù)車輛的油箱或周圍環(huán)境可燃物等，造成一系列衍生災(zāi)害。

圖7 儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車隧道爆炸溫度場(chǎng)分布Fig. 7 Temperature distributions of hydrogen long-tube trailer explosion in tunnel.

3 結(jié)論

本文通過構(gòu)建三維事故場(chǎng)景模型，對(duì)儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車在城市公路隧道發(fā)生泄漏和燃爆事故開展模擬研究，基于模擬所得與儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車隧道事故相關(guān)參數(shù)開展深入分析，得到以下結(jié)論。

（1）氫氣從長(zhǎng)管拖車泄漏后，其中一部分由于風(fēng)力作用向隧道深部擴(kuò)散，另一部分向鄰近的隧道入口外側(cè)擴(kuò)散。泄漏初期由于氫氣的比重較低，氫氣泄漏至空氣中更容易向上擴(kuò)散，積聚在隧道頂部。泄漏后期氫氣從隧道口擴(kuò)散開后，幾乎不向左右兩側(cè)的空間蔓延，而是始終呈現(xiàn)豎向擴(kuò)散趨勢(shì)。

（2）儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車燃爆產(chǎn)生的熱量擾動(dòng)隧道內(nèi)的未燃混合氣體，使其不斷燃燒進(jìn)而形成大量氣相膨脹，隧道內(nèi)部產(chǎn)生的壓縮空氣層構(gòu)成爆燃波。由于隧道內(nèi)尚存一些駐留車輛，加之原有設(shè)置的設(shè)備，構(gòu)成邊界約束條件增強(qiáng)沖擊波的傳播速度和峰值超壓。

（3）在隧道底部區(qū)域內(nèi)形成的溫度變化隨儲(chǔ)氫長(zhǎng)管拖車爆燃事故發(fā)展出現(xiàn)先急劇上升，后快速下降，最后在不同位置呈現(xiàn)差異性變化的特征。位于隧道頂部區(qū)域的溫升速率明顯快于隧道底部，且最高溫度更高，表明由長(zhǎng)管拖車泄漏出的大量氫氣擴(kuò)散形成可燃混合氣體在隧道頂部聚集，燃爆時(shí)的化學(xué)反應(yīng)速率快，產(chǎn)生更高的區(qū)域溫度場(chǎng)。

（4）隧道地面、側(cè)面和車輛反射形成壓力波對(duì)氫氣燃爆火焰鋒面具有較強(qiáng)擾動(dòng)，使火焰向隧道深部加速傳播，火焰鋒面、壓力波和未燃介質(zhì)的耦合作用伴隨毀傷作用在隧道內(nèi)發(fā)展，期間沖擊波超壓和火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)出現(xiàn)振蕩波動(dòng)的現(xiàn)象。