球狀空間可燃氣體爆炸規律研究的進展

宋曉婷 徐景德 李 鑫 陳昊馳

(華北科技學院 北京 101601)

球狀空間可燃氣體爆炸規律研究的進展

宋曉婷 徐景德 李 鑫 陳昊馳

(華北科技學院 北京 101601)

球狀空間可燃氣體爆炸規律的研究對企業安全生產和社會穩定具有重要的意義，研究爆炸規律過程通常以理論研究、數值模擬研究和實驗研究三種方法展開，通過總結球形空間可燃氣體爆炸的研究方法和內容，對于設計更為合理的球形爆炸實驗裝置和收集實驗數據具有重要意義，同時也為探討更科學有效的防爆抑爆技術提供理論支持。

球狀空間；可燃氣體；爆炸

引言

球狀空間由于不存在應力集中點，相比方形空間發生大面積罐體破裂的可能性較小的優勢，許多企業選擇用球罐進行儲存和運輸可燃氣體。同時，由于存在點火源和適合燃燒爆炸的外部條件，可燃氣體球罐的爆炸事故時有發生，對化工企業的安全生產造成了重大的威脅。

研究爆炸事故通常采用三種方法：(1)理論研究：即采用一些經驗公式，建立物理和數學模型對球狀空間爆炸過程進行模型描述，對后續的研究提供了寶貴的經驗公式；(2)數值模擬研究：現代數值模擬研究多采用商用CFD軟件，如：Fluent、FLACS、Phoenics、Dytran等，對爆炸傳播過程進行數值模擬，通過模擬結果圖來描述爆炸過程，具有成本低，可行性高，真實性強的優點；(3)實驗研究：即設計球形爆炸裝置，對爆炸過程進行真實實驗以獲得具體的爆炸相關數據，具有真實性高，數據可靠的優點。通過三種方法之間相互補充，能夠得到球狀空間爆炸傳播的特性，并為防爆抑爆技術的提出提供堅實的理論和實驗依據。

一、球狀空間可燃氣體爆炸的理論研究

在以往的對球狀空間可燃氣體爆炸的理論研究過程中，通常以經驗方法為主，即通過大量的爆炸事故所得到的數據總結出經驗公式，但由于爆炸受到多種外界因素影響，所以每個經驗公式都有各自嚴格的使用條件。常用的理論研究方法有：TNT當量法、TNO多能模型、球型和半球型火焰模型等理論模型。

(一)TNT當量法和TNO多能模型

TNT當量法是以爆炸相當于多少TNT炸藥爆炸所產生的能量來衡量爆炸強度的方法，將爆炸看成點源起爆并且能量瞬間全部釋放的過程，并且將沖擊波視為理想沖擊波。因爆炸波傳播過程受氣體濃度分布、障礙物的影響，與理想沖擊波差異較大。TNO多能法則克服了這一缺點，它根據不同的約束條件，避免使用單一爆炸波，對各個爆炸波單獨建模，按不同火焰速度給出了10條標志著不同爆炸級別的爆炸曲線，從弱到強，更為合理，但依舊存在使用的主觀性。

(二)球型模型和半球型模型

球型模型由Strehlow等人研究建立，通過球型模型便于找到由球形爆炸蒸汽云產生的沖擊波超壓和沖量，缺點是必須知道火焰速度和沒有考慮火焰加速過程。半球型火焰模型則是以半球型蒸汽云爆燃產生的爆炸強度建立模型，缺點是火焰形狀局限性太大，對于普遍的球型火焰爆炸不具有普遍研究意義[1]。

二、球狀空間可燃氣體爆炸的數值模擬研究

伴隨對計算流體力學的深入研究，越來越多研究者選擇采用數值模擬方法對球狀空間可燃氣體爆炸的過程進行研究。在數值模擬的方法中，商用CFD軟件以其高度適用性受到研究者們的歡迎，總結前人經驗，適用于球罐爆炸模擬的CFD軟件有Fluent、FLACS等。

利用Fluent軟件直接模擬可燃氣體球罐的爆炸過程較少，多數是利用軟件模擬球罐泄漏過程，以可燃氣云的范圍和濃度表征爆炸的可能性和強度。如閆興清等人利用Fluent為平臺，建立甲烷球罐區真實尺寸模型，得知相同泄漏擴散條件下，氫氣泄漏引起的可燃氣云范圍最大，爆炸波及程度最廣，甲烷次之[2]。同樣是研究泄漏濃度對爆炸的影響，劉春秀等人利用Fluent對LPG球罐區不同風速下的泄漏規律進行研究，得出了LPG氣體泄漏過程中沿地面區域具有高濃度氣云，具有爆炸危險[3]。同時，Fluent對于球罐泄漏爆炸的數值模擬技術還運用到了海上石油儲存和運輸中，劉欣等利用Fluent軟件對某氣田群海上平臺可燃氣體泄漏爆炸的范圍進行了數值模擬，從而確定了概率最大的泄漏和爆炸區域，為應急程序的細化提供了可靠的理論依據。

相比于Fluent在模擬球罐泄漏方面的優勢，FLACS軟件在模擬球罐爆炸傳播的具體過程中具有更大的便捷性。羅振敏等人運用FLACS軟件對于近20L甲烷球罐進行了數值模擬研究，結果說明輻射換熱是瓦斯爆炸過程中除熱傳導和熱對流外主要的熱量傳遞方式，并且經過實驗驗證，FLACS軟件進行的爆炸數值模擬結果僅與實驗結果相差1.88%，具有非常高的可行性[4]。同樣針對液化氣球罐區的泄漏爆炸問題，羅艾民等人運用FLACS軟件對某液化氣工廠進行三維建模，得到真實泄漏氣云的濃度三維分布圖并轉化為化學當量比模擬出不同區域火焰鋒面及爆炸超壓關系圖，得出罐區越密，阻塞程度越大，發生爆炸危險越大的重要結論。

借助Fluent、FLACS軟件在球狀空間可燃氣體泄漏和爆炸過程的模擬具有精度高、能夠模擬極端環境的優勢，因此越來越多的企業采用此種方式對球罐進行風險評估。

三、球狀空間可燃氣體爆炸的實驗研究

因球狀空間無應力集中點，難以控制爆炸過程，故實驗研究發展較慢。1952年美國發表的《氣體與蒸汽燃燒范圍》中第一次嘗試了球狀空間測定氣體火焰的裝置。日本、加拿大等國家隨后設計出了可燃氣體的球型密閉爆炸容器。國內研究起步較晚，王華等人通過一個容積為19900cm3的球形容器，進行了預混無湍流、湍流氣體爆炸實驗，得出了球型容器鏈式反應平均速率和發生爆炸的充要條件，總結了對于球罐而言，隨著容器的擴展性增大，爆炸極限將變寬，爆炸較容易發生的特性[5]。羅振敏等人運用XKWB-1型近球型密閉式氣體爆炸特性測試裝置進行甲烷爆炸實驗，實驗測定了該裝置甲烷的最佳爆炸濃度、最大爆炸壓力和上升速率，與數值模擬結果吻合度高。中北大學胡立雙等人同樣設計了20L的球型爆炸容器，進行實驗時可見橘紅色火焰閃過視窗，沒有局部爆炸點出現，通過實驗測得甲烷的爆炸上下限，并對甲烷煤塵混合爆炸規律進行研究，通過實驗得知，甲烷的加入能夠明顯提高煤塵的最大爆炸壓力值[6]。

球型爆炸容器爆炸實驗數據的取得，對于球型爆炸物理、數學模型，數值模擬結果均有很強的驗證性。

四、結論

總結球型容器爆炸的研究現狀，分析三種研究方法的優缺點，對于促進可燃氣體球罐防爆抑爆的深入研究有著重要的科學意義，并能夠對今后的球罐爆炸特性研究提供較為系統的思路。

[1]胡雙啟，張景林.燃燒與爆炸[M].北京：兵器工業出版社，1992：24-126.

[2]閆興清，喻健良.球罐內甲烷氣體泄漏形成的可燃氣云規律研究[J].安全與環境學報，2015,15(1):83-86.

[3]劉春秀，易麗軍.某石化企業LPG球罐區泄漏擴散的數值模擬[J].廣州化工，2016,44(10)：182-184.

[4]羅振敏，張群，等.基于FLACS的受限空間瓦斯爆炸數值模擬[J].煤炭學報，2013，38(8)：1381-1387.

[5]王華，葛玲梅.受限空間可燃氣體爆炸特性的對比[J].煤炭學報，2009，34(2)：218-223.

[6]胡立雙，胡雙啟.多功能球形爆炸容器研究[J].中國安全生產科學技術，2011，7(11)：151-154.

華北科技學院基金項目：甲烷儲罐泄漏引發爆炸燃燒過程的數值模擬研究(3142017027)

宋曉婷(1991—)，女，漢族，福建人，碩士研究生，華北科技學院，研究方向：危險化學品安全技術。