成果介紹： 障礙物布置對(duì)氣體爆炸壓力場(chǎng)的影響效果研究
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作者：張文
根據(jù)火焰燃燒加速機(jī)理，工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的約束物，即理論研究中的障礙物，在弱點(diǎn)火源存在的情況下能加速燃燒和引起爆炸。這些障礙物有立體障礙物如通風(fēng)設(shè)備、機(jī)械設(shè)備、壓力管道、隧道內(nèi)支架等；平面障礙物有礦井風(fēng)門、隔板等。當(dāng)火源引燃了可燃?xì)怏w使其充分燃燒，其燃燒產(chǎn)物會(huì)在短時(shí)間受熱膨脹擠壓周圍氣體使其流動(dòng)，如果此時(shí)有障礙物與之作用會(huì)形成湍流現(xiàn)象，進(jìn)而加速燃燒過程。本文還具體研究了立體障礙物與平面障礙物對(duì)加速燃燒的影響情況，為工業(yè)生產(chǎn)過程中的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)。
火焰加速燃燒對(duì)爆炸壓力場(chǎng)的影響十分顯著，而火焰在實(shí)際情況下并非以恒速傳播，使得實(shí)際中產(chǎn)生的爆炸超壓相比預(yù)測(cè)值偏高。聯(lián)系火焰加速機(jī)理，障礙物的布置可明顯加速火焰?zhèn)鞑ィ瑥亩绊懕▔毫?chǎng)。上世紀(jì)70年代，研究人員首次將火焰?zhèn)鞑シ譃閮蓚�(gè)恒速進(jìn)行傳播的過程，并得出實(shí)驗(yàn)測(cè)定的保守超壓值，顯然將爆炸過程簡單的分為兩個(gè)恒定速率過程并不準(zhǔn)確，這是當(dāng)時(shí)爆炸研究方面的局限性所在。到上世紀(jì)80年代，研究者開始對(duì)火焰加速后的爆炸效應(yīng)問題產(chǎn)生了興趣，同時(shí)分別研究了自發(fā)性火焰加速過程和強(qiáng)制性加速過程，至此，障礙物所產(chǎn)生的湍流和渦旋被引入氣云爆炸的影響因素行列，而此時(shí)的局限在于還未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。上世紀(jì)90年代，荷蘭核工業(yè)將實(shí)驗(yàn)研究推上歷史舞臺(tái)，豎直排水管道模型的建立進(jìn)一步說明湍流對(duì)爆炸程度的影響。上世紀(jì)90年代末期，從豎直型障礙物到平板型障礙物的研究，引出了障礙物對(duì)開敞空間氣云爆炸的研究，并得出影響爆炸強(qiáng)度的影響因素。
分析現(xiàn)階段對(duì)可燃?xì)怏w爆炸的研究狀態(tài)知理論研究缺少評(píng)估開敞空間可燃?xì)怏w爆炸的復(fù)雜性，研究者有必要深入障礙物布置情況對(duì)氣體爆炸的影響規(guī)律研究。尤其是具體到從平面障礙物到立體障礙物的變化對(duì)于爆炸壓力場(chǎng)的影響效果鮮有研究。本文運(yùn)用AutoReaGas建立不同阻塞程度和布置結(jié)構(gòu)（平面、立體）的爆炸障礙物模型并分析得出具體影響規(guī)律，為工業(yè)界實(shí)際問題如裝置安全設(shè)計(jì)、合理布局和爆炸災(zāi)害評(píng)估分析等提供理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。
1 障礙物場(chǎng)對(duì)氣體爆炸的影響機(jī)理
高能量點(diǎn)燃的可燃?xì)怏w爆炸產(chǎn)生破壞性爆炸超壓，這種超壓在能量達(dá)不到相應(yīng)臨界值且無障礙物條件下無法產(chǎn)生，因此能夠及時(shí)控制所形成的爆炸。而在實(shí)際情況下，多數(shù)氣體爆炸的過程中存在諸如機(jī)器、隔板、管道的障礙物，因此在高能點(diǎn)火源作用下會(huì)產(chǎn)生破壞性的爆炸超壓。
湍流引起的火焰加速機(jī)理如圖1，弱點(diǎn)火源點(diǎn)燃預(yù)混氣云產(chǎn)生層流火焰，流動(dòng)加速過程中遇到障礙物并受障礙物作用轉(zhuǎn)變成湍流后爆燃，繼續(xù)受障礙物作用爆燃效果增強(qiáng)
2 研究方法與數(shù)值模擬設(shè)計(jì)
2.1 研究方法
現(xiàn)階段氣體爆炸研究方法主要有實(shí)驗(yàn)研究和模擬研究兩大類，實(shí)驗(yàn)研究又分為實(shí)體實(shí)驗(yàn)研究和模型實(shí)驗(yàn)研究，模擬研究指計(jì)算機(jī)模擬。由于實(shí)體實(shí)驗(yàn)研究不符合經(jīng)濟(jì)性因素，而模型實(shí)驗(yàn)研究更多的是對(duì)局部進(jìn)行模擬分析，因而選用計(jì)算機(jī)模擬的方法進(jìn)行研究。對(duì)于計(jì)算機(jī)模擬研究來說，爆炸模型設(shè)計(jì)是首要工作，設(shè)計(jì)的合理性直接決定仿真結(jié)果的可靠性，因此合理的場(chǎng)景設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)模擬的關(guān)鍵步驟。本文選用AutoReaGas設(shè)計(jì)并模擬爆炸實(shí)驗(yàn)。
2.2數(shù)值模擬設(shè)計(jì)
模擬實(shí)驗(yàn)所用模型為一個(gè)lOm×lOm×lOm的正方體區(qū)域空間，空間內(nèi)布置的障礙物是由一端開口的長為lOm半徑r=0.1m的圓柱形管道排列組合而成。實(shí)驗(yàn)時(shí)所模擬的甲烷濃度為9.5%．點(diǎn)火點(diǎn)位于坐標(biāo)(0，0)原點(diǎn)處，設(shè)置x方向上的5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。
模擬實(shí)驗(yàn)方案有3種：
1)研究距火點(diǎn)的遠(yuǎn)近對(duì)壓力峰值的影響規(guī)律以及開口端對(duì)泄壓的作用情況，進(jìn)行甲烷一空氣混合氣體無障礙物條件下的爆炸實(shí)驗(yàn)并與之后布置障礙物的實(shí)驗(yàn)相比較。設(shè)置無障礙物情況觀測(cè)記錄測(cè)點(diǎn)1~5（距離著火點(diǎn)越來越遠(yuǎn)）的壓力峰值。觀測(cè)點(diǎn)是從左端起，每隔2m設(shè)置的，共5個(gè)。
2)研究障礙物在相同結(jié)構(gòu)，不同阻塞程度的條件下壓力場(chǎng)的變化情況，實(shí)驗(yàn)設(shè)置圓柱形管道(r=0. Im)的障礙物，并具體到兩部分：一是通過改變平面障礙物的阻塞情況觀察對(duì)爆炸壓力場(chǎng)的影響情況，二是改變立體障礙物的阻塞情況觀測(cè)爆炸壓力場(chǎng)。對(duì)于平面障礙物和立體障礙物均設(shè)置3種情況分別為3m×3m，5m×5m，7m×7m規(guī)格的管道模型，通過改變壓力場(chǎng)的管道擁擠程度，即阻塞程度來觀測(cè)阻塞率對(duì)超壓峰值的影響情況。同樣設(shè)置間距為2m的5個(gè)測(cè)點(diǎn)。
3)研究障礙物結(jié)構(gòu)（平面、立體）對(duì)爆炸超壓峰值的影響情況，用控制變量法固定阻塞率，即比較在相同阻塞率的情況下平面障礙物和立體障礙物對(duì)氣體爆炸壓力場(chǎng)的影響情況。觀測(cè)點(diǎn)是在模型管道上方Im范圍內(nèi)，兩兩間隔2m設(shè)置的。
3 建模與數(shù)據(jù)結(jié)果分析
3.1 無障礙物時(shí)爆炸壓力場(chǎng)
實(shí)驗(yàn)所得的各測(cè)點(diǎn)超壓一時(shí)間圖，見圖3。
由圖3可知，無障礙物條件下可燃?xì)怏w的爆炸過程較為緩慢，測(cè)點(diǎn)1~5分別對(duì)應(yīng)從左到右的5條曲線，從壓力一時(shí)間圖來看，壓力普遍不大，最大也只有0. 75×l03Pa。分析圖中峰值變化情況，測(cè)點(diǎn)從1~5的變化過程中，實(shí)際上是距離點(diǎn)火源逐漸變遠(yuǎn)的過程，其壓力峰值不斷減小，故可知設(shè)置開口端有明顯泄壓作用。
3.2 平面障礙物不同阻塞率對(duì)壓力場(chǎng)的影響分析
建立3m x3m，5m x5m，7m x7m 3種規(guī)格的管道模型，相應(yīng)阻塞率為30%，50%，70%，如圖4所示。
在上述3種規(guī)格的模型下進(jìn)行爆炸模擬，圖5為測(cè)點(diǎn)1記錄的3m x3m，Sm x5m．7m x7m 3種規(guī)格的管道模型的超壓一時(shí)間樣圖。
同理記錄測(cè)點(diǎn)2、3、4、5的超壓峰值一時(shí)間樣圖，并將5個(gè)測(cè)點(diǎn)在3種阻塞情況下的超壓峰值繪制在同一坐標(biāo)系中進(jìn)行比較，見圖6。
同時(shí)將平面障礙物下各測(cè)點(diǎn)的峰值超壓的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯總記錄，見表1。
觀測(cè)圖5，障礙物的布置方式從3m x3m（阻塞率30%）變化至5m xSm(50%)時(shí)，各測(cè)點(diǎn)壓力峰值呈上升變化趨勢(shì)；阻塞率為50 010時(shí)觀察測(cè)點(diǎn)1發(fā)現(xiàn)峰值壓力在該時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)；阻塞率為70 010時(shí)，測(cè)點(diǎn)1達(dá)到最大峰值壓力為9×103Pa，其值約為無障礙物條件下的測(cè)點(diǎn)中最大峰值壓力值0. 75×l03Pa的12倍。繼續(xù)增加障礙物的阻塞率，設(shè)置9m x9m模型（阻塞率相應(yīng)為90%）并模擬爆炸，記錄此時(shí)測(cè)點(diǎn)1的峰值壓力為9.7×103Pa。綜合分析數(shù)據(jù)可知，當(dāng)阻塞率在0%~30%區(qū)間時(shí)，最大峰值超壓增大明顯，相對(duì)于無障礙物情況下能增大10倍；繼續(xù)增加阻塞比到70%的過程中超壓峰值仍處于增長狀態(tài)，但增速明顯不如30%之前；而增加至90%的過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)超壓峰值逐漸減小。
平面障礙物下阻塞程度對(duì)超壓峰值的影響如上所述，在阻塞率不斷增大的過程中，各測(cè)點(diǎn)的峰值超壓分布也是呈均勻分布的，并且期間沒有交叉。
3.3 立體障礙物不同阻塞率對(duì)壓力場(chǎng)的影響分析
建立3m x3m x3m，Sm x5m x5m，7m×7m×7m共3種規(guī)格的管道模型，相應(yīng)阻塞率為l0%，30%，50%，如圖7所示。
同樣在上述3種規(guī)格的模型下進(jìn)行爆炸模擬，并記錄測(cè)點(diǎn)1的3m x3m x3m，Sm x5m x5m．7m×7m x7m共3種規(guī)格的管道模型的超壓一時(shí)間樣圖以便和平面障礙物相比較。同時(shí)將得到的各測(cè)點(diǎn)的超壓一時(shí)間樣圖匯總，繪制出同一阻塞率下不同測(cè)點(diǎn)位置情況下的峰值超壓一測(cè)點(diǎn)位置圖，并將3種情況繪制在同一圖中進(jìn)行比較，見圖8。
同時(shí)將立體障礙物下各測(cè)點(diǎn)的峰值超壓的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯總記錄，見表2。
同樣，從圖8中可以明顯看到，當(dāng)障礙物的阻塞程度從3m x3m x3m排列變成Sm x5m x5m排列模式時(shí)，即阻塞率從30%增大到50%的過程中，各測(cè)點(diǎn)壓力峰值呈上升變化趨勢(shì)；阻塞率為50 010時(shí)觀察測(cè)點(diǎn)1發(fā)現(xiàn)峰值壓力在該時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)；阻塞率為70%時(shí)，測(cè)點(diǎn)1達(dá)到最大峰值壓力為4.5×l04Pa，其值約為無障礙物條件下的測(cè)點(diǎn)中最大峰值壓力值0. 75×l03Pa的60倍。繼續(xù)增加障礙物的阻塞率，設(shè)置9m x9m×9m模型（阻塞率相應(yīng)為90%）并模擬爆炸，記錄此時(shí)測(cè)點(diǎn)1的峰值壓力為4.8×l04Pa。綜合分析數(shù)據(jù)可知，當(dāng)阻塞率在0%~300/0區(qū)間時(shí)，最大峰值超壓增大明顯，相對(duì)于無障礙物情況下能增大60倍；繼續(xù)增加阻塞比到70%的過程中超壓峰值仍處于增長狀態(tài)，但增速明顯不如30%之前；而增加至90%的過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)超壓峰值逐漸減小。以上規(guī)律與平面障礙物一致。
3.4結(jié)果與討論
1)比較無障礙物和有障礙物情況下對(duì)爆炸壓力場(chǎng)的影響情況，分析對(duì)比圖3、6、8得知有障礙物條件下爆炸超壓明顯比無障礙物條件下大，可用圖1湍流引起的火焰加速機(jī)理解釋障礙物的加速作用。測(cè)點(diǎn)距離點(diǎn)火點(diǎn)越遠(yuǎn)其超壓峰值越小，知開口端對(duì)泄壓有顯著作用。對(duì)比圖3、54橫坐標(biāo)（時(shí)間軸）可知，設(shè)置障礙物時(shí)，爆炸達(dá)到最大超壓峰值的平均用時(shí)在0. 04s，而相比無障礙物情況達(dá)到最大超壓峰值的平均用時(shí)在0. 06s而言用時(shí)較短。
2)比較不同阻塞程度對(duì)爆炸壓力場(chǎng)的影響情況，觀測(cè)對(duì)比平面障礙物條件下3種阻塞程度3m×3m．5m x5m．7m x7m的峰值超壓，綜合分析數(shù)據(jù)可知，當(dāng)阻塞率在0%~30%區(qū)間時(shí)，最大峰值超壓增大明顯，相對(duì)于無障礙物情況下能增大10倍；繼續(xù)增加阻塞比到70%的過程中超壓峰值仍處于增長狀態(tài)，但增速明顯不如30%之前；而增加至90%的過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)超壓峰值逐漸減小。對(duì)于阻塞程度方面立體障礙物的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與平面障礙物一致。
3)比較障礙物結(jié)構(gòu)，即平面障礙物和立體障礙物的峰值超壓圖知，在阻塞程度一定的情況下，立體障礙物對(duì)爆炸壓力場(chǎng)產(chǎn)生的影響明顯大于平面障礙物。這點(diǎn)在實(shí)際中有應(yīng)用價(jià)值，比如在爆炸發(fā)生時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)障礙物結(jié)構(gòu)可判斷出爆炸事故傷害的大小，為爆炸傷害評(píng)估提供理論依據(jù)。
4 結(jié)論
本文選擇計(jì)算機(jī)軟件實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法，通過設(shè)置障礙物的不同布置方式深入研究其對(duì)爆炸壓力場(chǎng)的影響規(guī)律。得出結(jié)論如下：
1)布置有障礙物比無障礙物條件下的壓力值大，且用時(shí)少。障礙物在一定時(shí)間條件下對(duì)可燃?xì)怏w爆炸有促進(jìn)激勵(lì)作用。
2)障礙物同一結(jié)構(gòu)下（本文指平面、立體結(jié)構(gòu)），其阻塞程度在一定范圍內(nèi)與超壓峰值呈正比，但在不同阻塞程度階段所呈現(xiàn)的壓力峰值變化幅度不同。
3)在障礙物阻塞率相同的情況下，立體障礙物對(duì)氣體爆炸壓力場(chǎng)的影響要大于平面障礙物。這點(diǎn)在實(shí)際中有應(yīng)用價(jià)值，如在爆炸發(fā)生時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)障礙物結(jié)構(gòu)可判斷出爆炸事故傷害的大小，為爆炸傷害評(píng)估提供理論依據(jù)和參考。
5摘要：
為研究可燃?xì)怏w爆炸壓力場(chǎng)受障礙物布置的影響情況，運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)軟件AutoReaGas建立不同阻塞程度和不同結(jié)構(gòu)（平面、立體）的障礙物爆炸模型，模擬分析不同布置情況對(duì)氣體爆炸壓力場(chǎng)的影響程度和規(guī)律。研究表明：改變障礙物的阻塞程度和結(jié)構(gòu)（平面、立體）都會(huì)影響可燃?xì)怏w的爆炸超壓峰值。同種障礙物結(jié)構(gòu)下，隨著阻塞率的增加，氣體爆炸壓力的增加程度在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化情況；相同阻塞率下，立體障礙物對(duì)爆炸壓力場(chǎng)產(chǎn)生的影響明顯大于平面障礙物。研究立體障礙物與平面障礙物對(duì)加速燃燒的影響情況旨在為工業(yè)生產(chǎn)過程中的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)，為防控氣體爆炸災(zāi)害提供一定參考借鑒作用。
