基于VR技術的大型儲罐火災爆炸仿真軟件設計*

劉婉瑩，侯 磊，伍星光，劉瑩瑩

(中國石油大學(北京) 油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京 102249)

0 引言

目前，我國已建設約7 000座大型儲罐，石油儲罐單罐容量最大可達20萬m3。隨著儲存危險品容積的增大，其安全風險更加突出。2013年6月，大連某石化公司發(fā)生1起儲油罐爆炸事故，結果造成2人失蹤，2人重傷；2013年11月，青島某石化企業(yè)發(fā)生爆炸事故，事故造成62人死亡、136人不同程度受傷，直接經濟損失達7.5億元[1]。因此，大型儲罐火災和爆炸事故的防控是儲油罐區(qū)安全工作的重要內容。

目前，虛擬現(xiàn)實技術在我國石油化工安全方面的應用已經取得了一些進展。王俊杰等[2]利用GIS、AJAX和VRML等技術繪制電子地圖，模擬工廠內部實際場景，開發(fā)了某化工廠的安全培訓演練仿真系統(tǒng)；周德闖[3]、韓冬[4]和張俊杰等[5]均采用MultiGen Creator/3Ds Max建模軟件構建虛擬現(xiàn)實場景，在Vega Prime仿真環(huán)境中分別研究了大空間火災的實時仿真，庫區(qū)火災的消防救援和有毒氣體擴散泄漏仿真工作；劉永立等[6]、侯建明等[7]基于Unity 3D虛擬仿真平臺設計出煤礦火災應急救援系統(tǒng)；玄令岐[8]結合UE4和Visual Studio平臺對礦井火災蔓延進行了研究。但上述研究中，應用粒子系統(tǒng)時未考慮危險源特性和事故發(fā)生原因，導致火焰形態(tài)與真實情況相差較大；另外，對于事故預防、發(fā)生和后果分析等問題主要側重于單一方面進行研究，鮮有結合事故發(fā)生的全過程進行研究。

針對以上問題，本文在研究火焰動態(tài)變化時，修正粒子系統(tǒng)參數(shù)，添加黑煙動態(tài)模型，使火災形態(tài)更加接近儲罐火災爆炸真實情況；選用適合于大型儲罐的火災爆炸模型進行模擬計算，使事故后果預測更加準確；將事故發(fā)生原因、演變過程、事故后果等研究工作進行結合，集成于仿真軟件中；通過軟件對大型儲罐火災爆炸事故后果進行分析，判斷火災爆炸事故對周圍人員生命和環(huán)境安全的影響程度。可為制定應急方案提供科學依據。

1 大型儲罐典型事故數(shù)學模型

1.1 火災理論后果模型

大型儲罐一般在防火堤內或密封圈處發(fā)生池火災，并對鄰近人員及設備產生熱輻射危害，根據池火災傷害半徑來確定火災熱輻射對人員和周圍環(huán)境的損害影響情況。池火災火焰的特征參數(shù)通常包括火焰直徑、火焰最大高度和平均燃燒速率等。

1.1.1 火焰高度模型

火焰高度是池火災關鍵特征參數(shù)，也是事故三維演變過程模擬的重要依據，池火災火焰高度可由Thomas建立的湍流擴散火焰平均可見高度模型求得[9]。

無風時：

(1)

有風時：

(2)

式中：ω10*是無量綱風速，計算公式為：

(3)

式中：h為火焰高度，m；D為液池半徑，m；ρ0為空氣密度，kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2；m′為單位表面積燃料燃燒速度，kg/(m2·s)；ω10*為無量綱風速；ωw為10米高處風速，m/s；ρv為原油蒸發(fā)密度，kg/m3。

1.1.2 池火災輻射模型比選

目標熱輻射通量是評判池火嚴重程度的關鍵指標，經典點源模型、Shokri-Beyler模型以及Mudan模型為3種常見的池火災輻射模型[10]。經典點源模型適用于火災初始危害評估，預測值誤差較大，Shokri-Beyler模型以及Mudan模型較為復雜，但預測結果相對更加準確。

以原油為研究對象，其理化參數(shù)見表1，為了優(yōu)選出適用于大型儲罐的池火輻射模型，選取直徑分別為10，30，50和80 m的液池直徑，在無風條件下通過計算對比3種模型的熱輻射通量、設備損壞情況和人員傷亡情況。

表1 原油理化性質Table 1 Physical and chemical properties of crude oil

利用3種輻射模型，分別計算4種不同液池直徑發(fā)生池火災后的目標熱輻射通量隨目標到液池中心距離的變化關系。圖1為目標熱輻射通量隨目標與液池中心間的距離變化趨勢。由圖1可見，在不同液池直徑下，目標熱通量均隨目標到液池中心距離的增大而減小；在D=10 m的情況下，3種模型計算結果相近，均可適用；隨著液池直徑增大，計算結果相差明顯，與點源模型相比，Mudan模型和Shokri-Beyler模型目標熱輻射通量更大；當目標距液池中心較小時，Shokri-Beyler模型的熱通量值最為保守，宜采用Shokri-Beyler模型作為池火熱輻射模型；當目標距液池中心較大時，Mudan模型計算的熱通量值超過Shokri-Beyler模型，采用Mudan模型最為合適。

根據熱輻射傷害準則[11]，分別計算3種模型池火災傷害范圍，分析對設備損壞和人員傷亡情況。計算結果表明，當液池直徑較小時，3種模型死亡半徑、輕傷半徑和輕微傷半徑接近；隨著液池直徑增大，3種模型傷害半徑差值逐漸擴大，與點源模型相比，Shokri-Beyler模型和Mudan模型傷害半徑較大；隨著傷害程度減小，Mudan模型傷害半徑逐漸超過Shokri-Beyler模型，但相對于點源模型，Shokri-Beyler模型與Mudan模型傷害半徑計算結果相差較小。

圖1 不同液池直徑下的目標熱輻射通量趨勢Fig.1 Trend of target heat flux at different diameters

綜合考慮液池直徑和池火災熱輻射傷害范圍，對于大型儲罐的危險工況，液池直徑較大，Shokri-Beyler模型和Mudan模型較為適用。根據池火災影響范圍進一步分析，Mudan模型可以計算出確保人員安全撤離的最大保守距離，與Shokri-Beyler模型相比，該模型的優(yōu)點在于有風和無風條件下均適用，最終確定，采用Mudan模型作為池火輻射模型。

1.2 爆炸理論后果模型

大型儲罐的爆炸事故分為罐內爆炸和罐外爆炸。當大型儲罐發(fā)生泄漏，若不及時發(fā)現(xiàn)，泄漏出來的油品在空氣中不斷蒸發(fā)，當油蒸氣濃度達到爆炸極限時，暴露在明火中就會發(fā)生蒸氣云爆炸，這稱為罐外爆炸；當清洗油罐時儲罐內殘留高濃度的油蒸氣，空氣進入儲罐并混合，達到爆炸極限并用明火點燃便會發(fā)生蒸氣云爆炸，這種情況稱為罐內爆炸。

對于蒸氣云爆炸，事故模型主要包括TNT等效模型[12]、TNO多能法[13-14]、Baker-Strehlow模型[15]等。TNT等效模型原理是利用TNT質量計算燃料質量，該模型簡單易懂，廣泛應用于蒸氣云爆炸事故后果的計算，事故后果預測效果更為準確。因此，確定選用TNT等效模型作為蒸氣云爆炸事故后果模型。

2 應用VR技術的大型儲罐事故仿真軟件設計

基于VR技術的大型儲罐火災爆炸事故仿真軟件設計流程如圖2所示。使用3Ds Max軟件對真實場景進行建模，應用Qt軟件編寫軟件界面控件，將庫區(qū)虛擬現(xiàn)實場景和Qt界面嵌入VS 2010軟件中，編入火災爆炸事故后果模型，應用OSG粒子系統(tǒng)編寫火災爆炸效果，最終跨平臺整合形成一套軟件。

圖2 仿真軟件設計流程Fig.2 Simulation software design flow chart

2.1 軟件功能設計

基于VR技術的大型儲罐火災爆炸事故三維仿真模擬軟件的功能主要包括3D場景模擬與管理模塊、火災計算模擬評估模塊和爆炸計算模擬評估模塊。

2.1.1 軟件功能模塊

軟件各功能模塊間的關系如圖3所示，通過分析軟件系統(tǒng)的功能需求，將本仿真軟件分解為3大模塊分別進行應用程序界面設計。

2.1.2 數(shù)據處理

軟件系統(tǒng)中主要功能、系統(tǒng)與外部環(huán)境間的輸入輸出、系統(tǒng)內部處理和數(shù)據存儲等情況可通過數(shù)據流程圖體現(xiàn)。在三維場景管理模塊中，通過讀取道路、建筑物、綠地、大型儲罐區(qū)的地理坐標以及屬性數(shù)據，在后臺對數(shù)據進行處理，利用平移、放大/縮小和旋轉等三維場景操作管理機制，將三維虛擬場景以人機交互的方式顯示在軟件界面上。在池火災和爆炸模擬模塊中，在單元界面上設置參數(shù)后，通過自動進行三維可視化計算，對池火和蒸氣云爆炸演變過程進行仿真模擬，計算結果存儲于文件中，以便于數(shù)據處理與分析。

圖3 軟件功能模塊之間的關系Fig.3 Relationship between software function modules

2.2 3Ds Max軟件和Qt軟件在三維仿真軟件中的應用

利用3Ds Max建模軟件對石油儲備庫區(qū)的真實場景進行建模、紋理貼圖和渲染，3Ds Max建模的優(yōu)勢在于能夠增強庫區(qū)場景的質感，使三維場景更加接近真實環(huán)境；通過Qt軟件編寫界面實現(xiàn)人機交互，完成大型儲罐事故后果的三維動態(tài)展示的前期工作。

2.2.1 3Ds Max建模軟件的應用

以某原油商業(yè)儲備庫布置圖為依據對真實場景建模，應用3Ds Max軟件進行精簡建模，利用材質貼圖表現(xiàn)庫區(qū)中模型對象的細節(jié)，例如通過草坪、水泥和水波等圖片對材質進行貼圖，使簡單平面模型對象呈現(xiàn)出綠地、水泥地或水池等不同場景效果。制作完畢后利用3Ds Max默認的渲染器進行渲染，圖4為庫區(qū)全局渲染效果。

圖4 庫區(qū)全局渲染效果Fig.4 Tank rendering area rendering effect

2.2.2 Qt軟件的應用

為了編制軟件中火災爆炸各單元模塊界面，需要采用支持2D/3D圖形渲染的用戶界面軟件，Qt作為1個支持2D/3D圖形渲染的跨平臺圖形用戶界面軟件，易擴展，界面簡潔大方。全面積火災模塊單元用戶界面如圖5所示。在該單元界面中，能夠實現(xiàn)數(shù)據存儲和界面切換等功能。

圖5 全面積火災界面Fig.5 Full area fire interface

2.3 OSG粒子系統(tǒng)在三維仿真軟件中的應用

OSG粒子系統(tǒng)是整個軟件的關鍵部分，主要用于模擬火災爆炸動態(tài)效應。利用無限個帶有生命屬性的微小顆粒來描述火焰的不規(guī)則形狀[16]。每個火焰粒子具有形狀，大小，顏色，Alpha透明度，運動速度，加速度，運動方位和生命周期等8個基本特征屬性，均為隨時間進行變化。

粒子位置的變化取決于其自身受力的作用[17]，在火災爆炸中，主要受重力和風力作用。假設粒子位置是勻速變化的，利用質量燃燒速率代表火焰粒子速度，隨著時間步長的增加，粒子在三維空間中位置變化由式(4)計算。

(4)

式中：P為粒子的空間位置；P0為粒子的初始空間

位置；V為粒子的運動速度，m/s；t為時間，s。

火焰動態(tài)模擬過程如下：產生并初始化火焰粒子，然后確定火焰粒子的壽命，如果壽命值為0，火焰粒子消亡；如果壽命值不為0，則利用質量燃燒速率、火焰直徑、火焰最大高度和燃燒持續(xù)時間，在下一時間步長中進行迭代更新屬性參數(shù)，如火焰粒子的速度、位置、顏色和生命周期等。火焰高度決定粒子高度的上限值，燃燒時間決定粒子生命周期，火焰顏色由生命周期控制。對于爆炸場景，沖擊波超壓的持續(xù)時間即是虛擬現(xiàn)實中爆炸持續(xù)時間，以顯示爆炸瞬時的演變過程。將更新程序與粒子系統(tǒng)關聯(lián)后添加到場景中呈現(xiàn)出火焰動態(tài)效果。隨燃燒時間的推移，火焰顏色由明轉暗，若火焰粒子生命值為0，粒子顏色變?yōu)橥该鳎趫鼍爸袆h除消失的粒子，直到全部粒子均消失，火焰動態(tài)模擬過程結束。煙霧的模擬過程與火焰模擬基本相同，區(qū)別在于煙霧的顏色是由淡轉濃，且位置坐標高于火焰位置。

3 基于交互式的真實場景中火災爆炸事故三維模擬展示

3.1 全面積火災案例

某原油商業(yè)儲備庫區(qū)內，大型儲罐單罐容積為10萬m3，直徑為80 m，高度為21.8 m；原油的密度為840 kg/m3，燃燒熱值為43 890 kg/kJ，質量燃燒速率為0.078 1 kg/(m2·s)，利用Mudan模型對單罐進行求解，經過計算得到池火災演變過程如圖6所示，火焰從小到大，由于油品的不完全燃燒，火焰外部有大量黑煙生成。

利用Mudan模型求得目標熱輻射通量與目標到液池距離之間的關系，求得火焰高度為79.5 m，大氣透過率為0.78，火焰高度和液池直徑2個參數(shù)將作為虛擬現(xiàn)實中池火災火焰形態(tài)的最大上限值，用來控制事故演變過程，根據熱輻射傷害準則，通過目標熱輻射通量判斷生命財產損失程度。

通過事故后果計算得，當目標熱輻射通量大于25 kW/m2，即人員設備距液池39.5 m時，人員死亡率達到100%，儲罐失效；當目標熱輻射通量小于1.6 kW/m2，人員設備均處于安全狀態(tài)，因此最大人員安全撤離距離為338 m，下一步即可制定應急消防和救援方案。

圖6 全面積火災的演化過程Fig.6 Evolution of a full-area fire

3.2 爆炸案例

對于單罐，原油理化參數(shù)同上，假設有5 m3體積的原油泄漏蒸發(fā)引發(fā)爆炸事故，利用TNT等效模型進行求解，經過計算得到罐外爆炸演變過程如圖7所示，由于爆炸時間極短，因此爆炸效果是瞬時過程。

利用TNT等效模型爆炸求得目標位置在1 m時，最大沖擊波超壓為3 770 kPa，到達最大沖擊波的時間為0.361 ms，沖擊波的持續(xù)時間為0.209 ms，隨著目標距離的增加，沖擊波超壓峰值呈指數(shù)型下降。目標距離與沖擊波超壓、沖擊波持續(xù)時間和沖擊波到達目標時間的關系如圖8所示。由圖8(a)可見，目標距離與沖擊波到達目標位置的時間為正相關關系，隨著目標距離的增大，沖擊波到達目標位置的時間也不斷增加，但目標距離并不影響沖擊波自身持續(xù)時間，如圖8(b)所示，沖擊波持續(xù)時間基本保持在3～4 ms之間。

圖7 蒸氣云爆炸演變過程Fig.7 Evolution of the vapor cloud explosion

圖8 沖擊波超壓、沖擊波到達時間和沖擊波持續(xù)時間隨目標距離的變化Fig.8 Shock wave overpressure, shock wave arrival time and shock wave duration as a function of target distance

根據沖擊波傷害準則，通過沖擊波超壓值判斷生命財產損失程度，表2為人員設備損壞情況，當目標距離爆炸源2.68 m時，沖擊波超壓大于500 kPa，人員死亡率100%；當目標距離爆炸源5.5 m時，沖擊波超壓大于100 kPa，大部分人員死亡；當目標距離爆炸源7.8 m時，沖擊波超壓大于50 kPa，人員內臟嚴重損傷或死亡；只有當目標距離爆炸源大于13.8 m時，沖擊波超壓小于20 kPa，人員才處于安全狀態(tài)。

表2 人員設備損壞情況Table 2 Personnel and equipment damage

4 結論

1)以人員保守安全撤退距離為依據，對多種池火災輻射模型和蒸氣云爆炸模型進行比選，確定采用Mudan模型進行大型儲罐池火災的熱輻射通量計算，采用TNT當量模型進行蒸氣云爆炸沖擊波計算。

2)采用3Ds Max+OSG+QT的開發(fā)模式，在Visual Studio 2010平臺上開發(fā)了基于VR技術的大型儲罐火災爆炸仿真軟件，通過添加黑煙效果提高了火焰的逼真度。該仿真軟件能夠實時地對大型儲罐火災爆炸事故進行三維可視化動態(tài)仿真模擬。

3)利用該軟件對某火災和爆炸工程案例進行后果模擬分析，判斷池火災熱輻射和爆炸沖擊波對人員和周圍建筑設施的傷害損壞程度，驗證了該軟件實時模擬的功能。