關(guān)于蒸氣爆炸的理論研究

葛書杰 馮殿義

摘 要：總結(jié)了現(xiàn)如今階段對蒸氣爆炸（BLEVE）的認識、蒸汽爆炸的壓力試驗以及數(shù)值模擬的研究成果，分析了當前對于蒸氣爆炸研究中出現(xiàn)的問題以及不足之處，并且提出了以后應該進行的研究方向。

關(guān)鍵詞：蒸氣爆炸；研究進展；數(shù)值模擬

Theoretical research on BLEVE

Shujie Ge. Dianyi Feng

（College of Mechanical and Automation，Liaoning University of Technology，Jinzhou，Liaoning121001，China）

Abstract：This paper summarized the current understanding ， pressure experiment and numerical simulation's research results of BLEVE， we analyzed the current problems and shortcomings in BLEVE research and put forward the research direction that should be carried out next.

Key words： BLEVE； Research progress； Numerical simulation

1 蒸氣爆炸的認識

BLEVE一詞最早出現(xiàn)于1957年，PETERSON在分析盛裝過熱福爾馬林和苯酚混合物的容器失效時，認為該容器發(fā)生BLEVE現(xiàn)象；BIRK等針對受熱條件下的丙烷反應釜進行蒸氣爆炸實驗，提出兩階段蒸氣爆炸理論。爆炸沸騰與常規(guī)沸騰差別很大，表現(xiàn)為汽泡初始壓力和臨界熱流密度極高、過程極短、實驗重復性高等特點。國內(nèi)學者根據(jù)BLEVE機理建立相關(guān)模型。俞昌銘等分析研究冷爆炸現(xiàn)象，針對飽和狀態(tài)液-氣共存容器爆炸問題，建立較完整的物理數(shù)學模型；王三明等通過剖析BLEVE的發(fā)生、發(fā)展機理和條件，提出近地面抬升火球模型及爆炸超壓模型；徐書根基于漲落理論，建立壓力容器液相區(qū)的理論模型。1992年，日本某工廠的一個液態(tài)二氧化碳儲罐發(fā)生破裂并引發(fā)了蒸氣爆炸（BLEVE），半個工廠完全幾乎被爆炸釋放出的能量炸毀，方圓400米內(nèi)的房屋及車輛受到嚴重破壞，此次事故導致了約5百萬美元的經(jīng)濟損失。

2蒸氣爆炸壓力

2.1 試驗研究

2002年林文勝[1]等人設(shè)計了一個模擬蒸氣爆炸的閥門突然開啟實驗裝置。將閥迅速打開，使容器內(nèi)的壓力快速下降，從而模擬出容器內(nèi)可能發(fā)生的BLEVE現(xiàn)象，類似形成裂口而引發(fā)的蒸氣爆炸現(xiàn)象。壓力的峰值有時會接近或超過初始壓力的峰值，大約為其的1.3倍，這是導致發(fā)生劇烈的蒸氣爆炸的一個原因。

2004年林文勝[2]等人于上海交大設(shè)計了在不同充裝率下的熱響應實驗，考慮到了熱分層現(xiàn)象的存在，使用兩種不同的加熱形式，可以得到分層度 和 的液化石油氣。由于存在分層區(qū)，從而減小了能量和壓力反彈，從而使得發(fā)生BLEVE的幾率減小。

以上實驗研究，都是以水為介質(zhì)研究的蒸氣爆炸情況，考慮了影響爆沸的幾個重要因素，對泄放口徑的大小，充裝率的大小，閥開度等因素的研究來研究爆沸的壓力變化情況。

2.2 數(shù)值模擬研究

除了試驗方法以外，人們還通過理論建模與計算的方式來對蒸氣爆炸的問題進行研討。

山東大學徐書根[3]于2010年基于漲落理論，建立壓力容器液相區(qū)的理論模型。通過研究得到內(nèi)部壓力的變化和裂紋張開面積有關(guān)，泄露面積與蒸氣爆炸壓力反彈幅度成正比。爆炸的發(fā)生與載荷峰值的大小與泄露面積是互相關(guān)聯(lián)的。并且以平陰尿塔為例來分析了這一結(jié)論。

大連理工大學葉志烜[4]于2014年進行數(shù)值模擬計算，詳細說明了儲罐內(nèi)兩相流動的特征存在于整個泄放過程，并且在原有實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過FLUENT軟件和CFD軟件對充裝率、相對增壓量、降壓速率以及泄放口徑等參數(shù)的模擬對蒸氣爆炸的爆沸強度的影響進行了分析與解釋：增壓倍數(shù)和升壓速率隨充裝率的增大而上升；初始溫度增加會導致相對增壓量和降壓速率都增加，初始溫度越高，儲罐越不安全；在泄放開始時，當開口處反彈壓力臨近初始壓力時，液體不在發(fā)生氣化時，但容器底部的壓力要稍微低些，其氣化速率更大些，可繼續(xù)沸騰，導致兩相流繼續(xù)膨脹，使得容器超壓。BLEVE是一個三維的流動問題，本文建立的是二維軸對稱的數(shù)值模型，并且對于壁面有絕熱簡化，只是針對水為介質(zhì)來進行的模擬計算從而得出一些定性的規(guī)律。因此想得到接近真實的工況模擬的數(shù)學模型還要考慮儲罐內(nèi)的介質(zhì)、外界環(huán)境之間的傳熱機制等問題。

3 存在的問題

A.近幾年的研究僅限于單一物質(zhì)的蒸氣爆炸現(xiàn)象，未在混合物上進行研究，缺乏理論研究方法與成果。同時對容器缺陷的而導致蒸氣爆炸的評定也沒有任何的判斷依據(jù)。

B.在理論模型與數(shù)值模型中，大部分學者所建立的都為一維模型與二維模型，并且對壁面的分析做絕熱簡化，因此需要建立三維模型對容器側(cè)壁等進行分析，無法對溫度與壓力在爆炸中的演變做出更為真實的反映。

C.現(xiàn)如今的研究對于容器長徑比、泄放口徑、初始壓力、介質(zhì)充裝率進行研究，對兩相介質(zhì)進行進一步探索，但是蒸氣爆炸的響應機理是一個十分復雜的過程，在實際生產(chǎn)過程中對于容器壁面與外界環(huán)境還存在著熱量傳遞，對于容器內(nèi)的介質(zhì)，容器壁面，外界環(huán)境之間的傳熱機制都要考慮，能過得出更接近真實的數(shù)據(jù)與結(jié)論。

4 結(jié)論

通過對蒸氣爆炸發(fā)生的機理和對蒸氣爆炸的數(shù)值模擬和試驗現(xiàn)狀的論述，可以看出現(xiàn)在對于蒸氣爆炸模型的研究還有些不足，對于接下來的研究：一是建立宏觀的過降壓極限模型，可以總結(jié)研究人員的數(shù)據(jù)，通過擬合得出過降壓極限模型的基本公式；二是研究上部空間壓力的變化對于泄放的影響，擬合公式。對這兩項進行研究，對蒸氣爆炸才會有更進一步的認識。

參考文獻：

[1]林文勝，顧安忠，魯雪生，弓燕舞.液化石油氣蒸汽爆炸的模擬實驗研究[J].工程熱物理學報，2002（06）：678-680.

[2]林文勝，顧安忠，李品友.液化天然氣的分層與渦旋研究進展[J].真空與低溫，2000（03）：125-132.

[3]徐書根. 層板包扎容器多元物料蒸氣爆炸及殼體力學響應研究[D].山東大學，2010.

[4]葉志烜. 液化氣體儲罐爆沸過程的數(shù)值模擬研究[D].大連理工大學，2014.