爆炸分散過程的數值模擬研究進展

李廷 梁婷 李江存 蔣志剛 龔皓

摘 ?????要：近年來與含毒危化品相關的爆炸事件頻頻發生，給國家和人民生命、財產安全都帶來了嚴重危害。爆炸作用下擴散過程復雜，不易掌握和控制。分析對比了爆炸分散在化學武器、燃料空氣炸藥、滅火彈藥中等應用，從理論和數值模擬等方面對爆炸分散過程的相關研究進行了綜述，總結了整個拋撒過程中被分散介質的顆粒速度、濃度、形成氣溶膠云團的范圍等主要參數的研究進展，得出啟示并提出了今后對含毒危化品的研究方向。

關 ?鍵 ?詞：危化品;爆炸分散;數值模擬

中圖分類號：TQ086.52 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）08-1846-04

Abstract： In recent years， explosions related to hazardous chemicals have occurred frequently， bringing serious harm to the lives and property of people. The diffusion process under explosion is complicated and difficult to master and control. In this paper， application of explosions in chemical weapons， fuel-air explosives， and fire-fighting ammunition was analyzed and contrasted. The related research on the explosion dispersion process was reviewed from the aspects of theory and numerical simulation. The research progress of the main parameters such as cloud range， particle velocity， particle size and concentration during the explosion dispersion process was summarized， and the research direction of hazardous chemicals in the future was put forward.

Key words： Hazardous chemical; Explosive dispersion; Numerical simulation

近年來，恐怖勢力日益猖獗，恐怖手段多種多樣，爆炸暴亂事件時有發生，給國家和人民生命財產安全造成了巨大危害和惡劣影響。隨著石油、化工等產業高速發展，人們對危化品的生產、使用、運輸、儲存等需求日益增多，突發性含毒危化品爆炸事故也頻頻發生，具有突發性強、風險性大、危害范圍廣、處置難度高等特點，指揮決策、應急救援和危害預測與評估十分困難[1]。

2015年天津港“8.12”特大火災爆炸事故，堪稱建國以來消防官兵傷亡最慘重的事件，造成165人遇難，8人失蹤（其中遇難消防公安人員110人，失蹤消防人員5人），798人受傷住院醫治，直接經濟損失68.66億元[2]。事故中，大量含毒危化品被拋撒分散至整個事故區域，毒物濃度未知，現場救援難度極大。1993年深圳市清水河村危險品倉庫爆炸、2004年重慶天元化工總廠氯氫分廠液氯瞬間外泄、2010年本溪市萬昌小區冰棍廠冷凍車間氨氣泄漏和2010年杭州城北祥符鎮新文社區化工倉庫有毒原料泄漏4起事故處理中，突然發生爆炸或二次爆炸致使15名官兵犧牲，29名官兵中毒、局部受傷、缺氧窒息[3]。

從上述幾起事故可見，雖然事故的現場處置工作均有力有序，但救援過程中，對爆炸作用下含毒危化品擴散機理不清楚，對毒物濃度隨時空分布情況和規律沒有掌握，只能在短時間內粗略判斷化學危害種類和危害程度，致使救援工作進展緩慢，并可能引發危化品進一步泄漏擴散或爆炸等次生危害的發生，造成事故后果極其嚴重。鑒于目前部隊對于爆炸等重大危險源事故中危化品的擴散規律及危害情況急需掌握，對爆炸作用下含毒危化品擴散研究已刻不容緩，對實現平時突發性化學事故的有效處置和戰時軍隊防護洗消的指揮決策具有重大意義。

1爆炸分散過程分析

爆炸伴隨著巨大的能量釋放，沖擊波是其最直接和最主要的破壞形式。根據爆炸驅動力和空氣阻力的大小，爆炸作用下含毒危化品擴散過程大致可分為兩個階段：第一階段爆炸分散段和第二階段云團擴散段。爆炸分散段是指含毒危化品在沖擊波作用下，被強力拋撒，并在空氣阻力的沖擊下，進行亂流分散，形成毒物云團[4]。云團擴散段是指毒物云團在浮力的作用下，克服重力與上升阻力，相對于大氣進行熱抬升運動，進行大氣擴散[5]。爆炸分散段完成后的各項參數是云團擴散段的初始條件，直接影響云團的直徑、范圍、氣溶膠粒徑及云團內部毒物的濃度分布。研究云團擴散的流場結構對于預測含毒危化品的擴散現象、探明氣溶膠沉降規律、評估武器彈藥效能等具有重要價值[5]，可為下一步化學爆炸事故模型源項建立和爆炸擴散全過程危害評估提供依據，輔助現場指揮決策和應急救援。爆炸分散驅動方式已在化學武器、燃料空氣炸藥、滅火彈藥、粉塵爆炸預防等軍事和民用工程中獲得廣泛應用[6]，但在含毒危化品分散方面研究的較少，在燃料空氣炸藥（FAE）和煙火藥方面研究較為深入，主要基于爆炸力學、動力學、流體力學等原理，通過運用動力學分析軟件、二次開發的流體力學軟件與實驗相結合進行數值模擬研究，其方法可以借鑒。

2 ?爆炸分散的數值模擬研究現狀

數值模擬[7]是運用計算機模擬進行擴散研究的一種重要方法，指的是將實際研究的問題，通過能體現相應過程的物理、化學機理轉化為數學模型，并進行建模計算。求解過程中主要在于設定模型的初始和邊界條件，以及對方程組進行離散化，最終求解出所研究的實際問題。

研究爆炸分散起源于一戰中化學武器，而后到裝填CS、CR等刺激劑的催淚彈藥的出現，深入研究要歸于燃料空氣炸藥的迅速發展。尤其是燃料空氣炸彈出現后，美國、歐洲和俄羅斯開展了大量實驗和數值模擬研究。國內多家單位也開展了相關研究，目前已在液體破碎機制和分散模式、氣溶膠云團膨脹生長機制等方面獲得了較多成果。

2.1 ?數值模擬研究

隨著計算機仿真技術的快速發展，數值求解和有限元模擬無論是在計算規模方面還是計算精度方面都取得了重大進展，且具有經濟、高效、安全等優點，在研究湍流流動和多相流動等領域前景可觀，對爆炸作用下燃料或毒物分散特性參數的研究主要集中在分布范圍和云霧濃度變化。

Los Alamos美國國家實驗室，成功開發了一系列KIVA程序[8]，是一種以FOR-TRAN語言編譯的反應流體動力學程序，其最初被應用于氟化氫化學激光系統中，在遵循相關守恒方程和氣體狀態方程的基礎上，建立湍流模型，采用任意拉格朗日—歐拉法進行有限差分計算。因源代碼被公開而廣泛運用，學術界許多有關爆炸拋撒過程的數值模擬都基于該程序。

D.R.Gardner和M.W.Glass[9]基于爆炸過程中作用于燃料上的爆炸作用力與氣動阻力大小的比較，爆炸拋撒全過程被劃分為近場階段和遠場階段，對兩個階段分別進行了建模和計算，聯合將近場和遠場的建模仿真相耦合獲得了對整個爆炸分散過程的數值模擬研究。

Y.H.li[10]采用ADM方法模擬了液體燃料的分散過程，應用泰勒斷裂準則分析了殼體的破碎情況，計算結果與商用數值模擬軟件計算結果基本一致。S.K.Singh等[11]根據液體燃料空氣炸藥爆炸初期階段爆殼的特點，預測了初始粒徑對燃料分散范圍的影響，并對爆炸后形成氣溶膠云團的大小進行了估算。

北京理工大學陳嘉琛[12]在論文中采用流體力學FLUENT軟件， 利用自定義函數的引入，再次開發液體燃料入口壓力邊界條件和蒸發過程，對固液混合燃料拋撒過程進行實驗和數值模擬研究。通過改變爆炸驅動載荷、固液比和液體燃料組分，研究了云團燃料分散范圍和燃料分散邊緣速度，并分析了云霧濃度和湍流強度。運用高速攝影系統對不同爆炸驅動載荷作用下的燃料拋撒過程進行試驗觀測，圖1為2 kg云爆裝置燃料的分散過程圖，燃料拋撒過程的早期以快速徑向擴散運動為主，后期以慢速縱向擴散為主;圖2為2 kg云爆裝置數值模擬得到的燃料分散密度云圖，通過對比分析，燃料爆炸分散過程和基本形態同實驗結果是吻合的。其實驗和數值模擬結果證明，文中所建立的數值計算模型及經過二次開發后的FLUENT，可以模擬爆炸分散過程。其主要研究燃料在爆炸作用下殼體破碎后的分散過程，關注燃料經爆炸分散后的二次點火。

防化研究院李磊、陸曉霞等[13，14]利用AUTODYN軟件進行相關實驗和數值模擬，研究了在不同比藥量和不同殼體材料約束條件下的液體爆炸拋撒過程，爆炸拋撒早期液體破碎分散過程的重要形態特征得到了進一步揭示。

對液體爆炸拋撒過程的模型建立，特別是在不同殼體約束下，指導對拋撒云團初始粒徑分布的估算具有一定意義。其主要研究起爆后1 ms內破殼過程的規律，對破殼后的爆炸分散過程未進行研究。

陸軍防化學院陳海平、王玄玉等[4]在《化學武器效應及銷毀》教材中將毒劑炮彈的爆炸認為是瞬時體源的一種形式。對瞬時體源與初生毒劑云團研究時，把瞬時體源視為“擴大的瞬時點源”，從而根據拉赫特曼湍流擴散方程推出了濃度表達式，得到染毒濃度水平分布為正態分布的結論。實際測定結果，染毒濃度在水平方向的分布并不完全是正態分布，與實際情況還有一段差距。

陳玉昆等[15]利用AUTODYN爆炸動力學軟件，對滅火彈爆炸及滅火劑的拋撒過程進行仿真模擬，研究不同滅火彈中心裝藥結構及彈體形狀對滅火劑拋撒作用的影響。結果表明：產生的云霧形狀明顯受到彈體形狀和裝藥結構的影響，水粒的速度在經歷極短時間的變化后大致為一固定值，進行類勻速運動，位移曲線也呈直線狀增加。

賈飛等[16]采用LS-DYNA軟件模擬云爆劑的近場拋撒過程，得出了在2種不同拋撒方式下不同位置觀測點的最大速度和最大壓力，還得到了速度在100微秒內不同時刻的變化情況。石藝娜等[17]從理論和數值模擬上研究了爆炸拋撒形成氣溶膠云團的運動規律，獲得了氣溶膠云團直徑的變化情況，以及氣溶膠介質的濃度分布規律。

丁玨[18，19]進一步深入研究了燃料分散的近場和遠場，將近場和遠場的燃料分散分別簡化為一維氣液兩相流動和多相流模型，同時將近場和遠場進行程序耦合，進而得出液體燃料拋撒半徑隨時間的變化規律，模擬與實驗結果較為一致。之后模擬了以爆炸拋撒為原理的抑爆裝置，利用FLUENT軟件對水早期的拋撒和水霧形成到后期的擴散過程進行了兩相流簡化，采用歐拉法分析受限空間內的水霧運動狀態和濃度隨時間的變化規律。

鞠偉等[20]采用任意拉格朗日-歐拉方法對FAE拋撒初期進行了數值模擬，研究不同量級燃料空氣炸藥裝置殼體破碎的沖擊波傳播特性，在云爆裝置質量不同的情況下，比藥量為1.524 5%時，最大加速度值接近。表明殼體加速到最大速度的時間相近，殼體達到最大速度所需時間與裝置質量的立方根的比值為常數。

2.2 ?軟件運用對比分析

對大量文獻的收集整理和分析研究表明，目前對爆炸分散段的數值模擬主要采用AUTODYN和LS-DYNA等動力學軟件、二次開發后FLUENT等流體力學軟件。兩類軟件在數值模擬運用中表現出了各自的優缺點和適用性。特別是對燃料空氣炸藥研究時，動力學分析軟件只能把FAE燃料當成單相物質，而且無法模擬燃料或毒物遠場的擴散過程和多相之間的相互作用以及液相不斷蒸發為氣相的過程，只能單純模擬爆炸沖擊過程。流體力學軟件FLUENT中自帶的湍流模型、離散相模型、多相流模型和自定義函數的導入可以有效研究燃料分散過程，但對殼體破碎前期的爆炸無法進行模擬，只能將模型建立在殼體已破碎的情況下進行研究。因此，充分利用兩類軟件優勢互補，對探索連續的爆炸分散過程研究是一種全新的思路。