（安全技术及工程专业论文）特殊工况下可燃蒸气云爆炸的动力学过程模拟及其事故后果分析.pdf

中北大学学位论文 ( 3 ) 冲击波与障碍物相互作用规律的研究 蒸气云爆炸冲击波数值模拟及其防护墙设计：冲击波在与阻碍物相互作用的过程 中，除了反射还发生了类似于“爬山”的衍射( 绕射) 现象；阻碍物表面的超压分布正面 与背面存在着差异，其中最大的差异是背面超压的分布是边角处大、中心处小；根据冲 击波衍射的现象，得出“r 字型墙体减缓冲击波超压的效果最为明显。 探讨了多种工程评价方法相结合分析蒸气云爆炸危险性的途径，主要结论为： ( 1 ) 利用耵盯当量法与t n o 多能法相结合的方法进行事故后果危险性的定量计算； 得出了t n o 法( 计算灾害距离值) 与n 盯法( 计算爆炸总当量值) 相结合的评价方法。 ( 2 ) 以c f d 法为基础对事故案例进行模拟并计算爆炸超压。同时结合t n o 法进行 分析得到了c f d 模拟法( 确定参与爆炸气体质量) 与t n o 、( 计算爆炸超压值) 相结合 的评价思路。 关键词：蒸气云爆炸，c f d 数值模拟，阻塞率，最小安全间距，评价方法，结合分析 中北大学学位论文 s t u d yo nd y n a m i c o ff l a m m a b l ev c e p r o c e s si ns p e c i a lo p e r a t i o n c o n d i t i o n sa n da n a l y s i so fa c c i d e n t a lc o n s e q u e n c e a b s t r a c t f l a m m a b l eg a s e sa r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r i e se s p e c i a l l yi nc h e m i c a lo rp e t r o l e u m c h e m i c a li n d u s t r y e x p l o s i o na c c i d e n t so fg a sc l o u dc a u s e db yl e a k a g eo fg a so f t e nc a u s e s e v e r ep e r s o ni n j u r i e sa n dg r e a tp r o p e r t yl o s s r e s e a r c ho ni t se x p l o s i v er e g u l a t i o ni so fi m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u e p a r t i c u l a r l y , u n d e r c o n d i t i o no fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，v a p o rd o u de x p l o s i o ni sd a n g e rt h a nu n c o n f i n e dv a p o r c l o u de x p l o s i o na st h ep r o c e s su n i tc o n n e c t i o n ，p i p e l i n i n ga n dc o m p l i c a t i o n a tp r e s e n t t h ea p p l i c a t i o ns c o p eo ft n t e q u i v a l e n c ym e t h o da n dt n om u l t i e n e r g y m o d e la l et h el a r g e s ti nv a p o rc l o u de x p l o s i o no fa c c i d e n tc o n s e q u e n c ea s s e s s m e n t h o w e v e r , t h et n t e q u i v a l e n c ym e t h o d ，a ne m p i r i c a lm o d e l ，i sl i m i t e dt om a k ear o u g he s t i m a t i o nf o r f a rf i e l do fe x p l o s i o n t h et n om u l t i e n e r g yn e e d st o om u c hs u b j e c t i v ej u d g m e md u r i n g a p p l i c a t i o nd e s p i t eo fi t sr e a s o n a b i l i t y n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni su s e df o rs o l v i n gt h ee q u a t i o n s o ff l u i dm e c h a n i c s ，a n dt h e r ea r es t i l lo t h e rp r o b l e m su n a n s w e r e ds u c ha sc h e m i c a lr e a c t i o n d y n a m i c s ，t u r b u l e n c ee q u a t i o nn e a rb a r r i e r s t h et y p i c a la c c i d e n tr e a s o no fv a p o rc l o u de x p l o s i o ni nd o m e s t i ca n df o r e i g na l e c l a s s i f i e da n da n a l y z e d t h ev a p o rc l o u de x p l o s i o np a t t e r ni sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h a t s t a t i s t i c a la n a l y s i sr e s u l t ，a n ds p e c i a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n sa r eu s e da st h er e s e a r c ho b j e c t t h ee x p l o s i o nf l a m e p r o p a g a t i o nr e g u l a t i o na n da i rb l a s tp r e s s u r ei nv a p o rc l o u d e x p l o s i o ni ss t u d i e d i ti n c l u d e s ： ( 1 ) e x p l o s i o np r o p a g a t i o nr e g u l a t i o no fv a p o r c l o u de x p l o s i o ni nau n i t t h eo b s t a c l e i n d u c e dd i s t u r b a n c ea tt h ef l a m ef r o n ti sn e 酉i g i b l ea tt h ee a r l y - i g n i t e d s t a g eo ft h ef l a m m a b l eg a s w h e nt h ef l a m ep r o p a g a t e sn e a rt h eo b s t a c l e s ，t h ec h a n g eo f 中北大学学位论文 f l a m ef r o n th a p p e n so b v i o u s l y w i t ht h ee n h a n c e m e n to fh e i g h to fo b s t a c l e s ，t h ef l a m ef r o n ti s p u l l e da n dd i s t o r t e ds t r o n g l y , w h i c hr e s u l t si nt h er a p i di n c r e a s eo ff l a m ev e l o c i t y a n dw i t h t h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro fo b s t a c l e s ，t h ef l a m ef r o n tt h a tp u l l e df a r t h e rw i l lc a u s et h er a i s e o ff l a m ev e l o c i t y , t o o t h ep o s i t i v ef e e d b a c km e c h a n i s mo fm u t u a la c c e l e r a t i o na m o n g o b s t a c l e ，t u r b u l e n tf l o wa n df l a m ei se x p l a i n e d ( 2 ) e x p l o s i o np r o p a g a t i o nr e g u l a t i o no fv a p o rc l o u de x p l o s i o nb e t w e e nu n i t s o v e r p r e s s u r e t i m ec u r v eo fm i xv a p o rc l o u da tv a r i o u ss e p a r a t i o nd i s t a n c e si ss i m u l a t e d i fa l le x t e n d e df l a m m a b l ev a p o rc l o u da tac h e m i c a lp l a n ts i t ee x t e n d so v e rm o r et h a no n e p r o c e s su n i t ，w h i c ha r es e p a r a t e db yl a n e so fs u f f i c i e n tw i d t h ，t h ev a p o rc l o u de x p l o s i o no n i g n i t i o nd e v e l o p st h es a m en u m b e ro fs e p a r a t eb l a s t s i f , o nt h eo t h e rh a n d ，t h es e p a r a t i o n b e t w e e nt h eu n i t si s i n s u f f i c i e n t ，t h ev a p o rc l o u de x p l o s i o nd e v e l o p so n eb i gb l a s t c o n s i d e r i n gv a p o rc l o u de x p l o s i o no fe t h y l e n e a i rs t a t i o n ，t h ec r i t i c a ls e p a r a t i o nd i s t a n c e a p p e a r e dt ob el a r g e rt h a no 2 5t i m e st h ed o n o rs i z e u n d e rc o n d i t i o no fe x i s t i n gc o n n e c t i n g p i p er a c kb e t w e e nu n i t s ，t h ec r i t i c a ls e p a r a t i o ni sr e d u c e db e c a u s eo ft h ef l a m ea c c e l e r a t i o n ( 3 ) r e s e a r c ho nr e g u l a t i o no fi n t e r a c t i o nb e t w e e ns h o c kw a v ea n do b s t a c l e s t h es h o c kw a v ei sb r o u g h tf r o mb l a s tw a l lr e s p o n s et ov a p o rc l o u df i e l d c o n c l u s i o n s a r e ：i np r o c e s so ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns h o c kw a v ea n do b s t a c l e s ，e x i s t sn o to n l yr e f l e c t i o n ， b u ta l s ot h ep h e n o m e n o no fd i f f r a c t i o ns i m i l a rt om o u n t a i nc l i m b i n g o v e r p r e s s u r ei nt h e s u r f a c eo fo b s t r u c t i o nw i t ht h ep o s i t i v es i d ee x i s td i s c r e p a n c i e s t h em a x i m a ld i f f e r e n c ei s t h a tt h eo v e r p r e s s u r ed i s t r i b u t i o nj sg r e a ti nt h ec o m e ro fb a c kw h i l ei ti ss m a l li nt h ec g b i e l a c c o r d i n gt ot h ep h e n o m e n o no ft h ed i f f r a c t i o nf o rs h o c kw a v e ，t h et y p e so fb a r r i e rw a l la r e d e s i g n e d t h ee f f e c to fu s i n g ”t ”s h a p et or e d u c i n gs h o c kw a v eo v e r p r e s s u r ei st h em o s t d i s t i n c t c o n t r a s t i n gw i t ha l lk i n d so ft y p i c a l l yr e p r e s e n t a t i v em e a n i n g f u le n g i n e e r i n gm e t h o d st o c a r r yo nt h ea n a l y s i sa n dt h er e s e a r c ha n dt a l l yu pt h er e g u l a t i o n s ，i n q u i r ei n t ot h ep a t ho f c o m b i n i n g t h ec f dm e t h o dw i t ho t h e re n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e dm e t h o d ( 1 ) a c c i d e n tc o n s e q u e n c ef a t a l n e s si sq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t e db yt h ea s s o c i a t e dm e t h o do f t n te q u i v a l e n c ym e t h o da n dt n o m u l t i e n e r g ym o d e l e v a l u a t i o nm e t h o dw h i c hi st h e 中北大学学位论文 c o m b i n a t i o nt n t m e t h o d ( c a l c u l a t i o no ff a t a ld i s t a n c ev a l u e ) w i t ht n om o d e l ( c a l c u l a t i o n o fe x p l o s i v et o t a le q u i v a l e n c yv a l u e ) i so b t a i n e d ( 2 ) b a s e do nt h em e t h o do fc f d t h ea c c i d e n tc a s ei ss i m u l a t e da n dt h eo v e r p r e s s u r ei s c a l c u l a t e d a tt h es a m et i m e ，c o m b i n e dw i t ht h et n o m o d e l ，e v a l u a t i o na p p r o a c hi sg a i n e d o nt h eb a s i so fc o m b i n a t i o nc f ds i m u l a t i o nm e t h o d ( c a l c u l a t i o no fe x p l o s i v eo v e r p r e s s u r e v a l u e ) w i t ht n om o d e l ( c o n f i r m i n go fg a sq u a l i t yw h i c hp a r t i c i p a t e se x p l o s i v e ) k e yw o r d s ：v a p o rc l o u de x p l o s i o n ( v c e ) ，c f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，v b r ，t h ec r i t i c a l s e p a r a t i o nd i s t a n c e ，e v a l u a t i o nm e t h o d ，c o m b i n a t i o na n a l y s i s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 鹅：么 日期： 诮? t 。1 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名： 丝垒：蕴 导师签名：f乞取绞 导师签名：垒丛塑 日期：堡2 ：! ：2 中北大学学位论文 1引言 本章将首先介绍可燃蒸气云爆炸事故的危害性以及相关的研究趋势，指出进行可燃 蒸气云爆炸传播规律研究的重要意义；然后将国内外可燃蒸气云爆炸研究分为三个部分 ( 实验研究、数值模拟研究及工程评价方法) 分别进行文献综述；最后确定了本文的研 究目标与内容。 1 1 研究的目的和意义 1 1 1 蒸气云爆炸事故的危害性 当大量可燃气体或蒸气泄漏到敞开空间以后，如果没有立即点火，而是先在空气中 扩散，与空气形成爆炸混合物，然后发生延迟点火，那么，就会发生无约束蒸气云爆炸。 所谓无约束是从整体系统上来讲的，因为无论在工业环境中，还是交通运输环境下，都 或多或少存在着一定的局部约束，如厂房、生产设备和运输车辆的约束。局部约束的存 在能导致火焰的加速，甚至使有的爆燃转变为爆轰。正因为完全没有约束几乎是不可能 的，因此，许多学者认为“无约束蒸气云爆炸”更名为“蒸气云爆炸”更为合适【1 2 1 。蒸气 云爆炸可导致严重的财产损失和人员伤亡，是现代工业灾害中的主要形式之一【3 “j 。 根据凯思- 顾恩1 4 l 等人对1 9 2 6 到1 9 7 7 年百次可燃气体喷泄而引起的重大燃烧爆炸事 故进行研究，发现了以下主要特征：( 1 ) 多数事故产生了爆炸波的效应；( 2 ) 以丙烷和丁 烷为主体的烃类燃料占了很大比例；( 3 ) 事故频率和伤亡人数显现出逐年递增的趋势。 蒸气云一旦爆炸，危害性极大。它可发生在石油化工、冶金、煤炭、兵工以及交通 运输等行业或部门。1 9 7 4 年7 月1 闩在英国的f l i x b o r o u g h 地区发生的蒸气云爆炸事故 ( 由约3 0 t 环己烷泄漏引起) 将整个工厂夷为平地，死亡2 8 人，受伤人数更多，直接经 济损失达到1 亿美元【3 】；1 9 8 9 年1 0 月2 3 同在离美国t e x a s 州h o u s t o n 城2 4 k m 远的地 区发生了蒸气云爆炸事故，死亡2 4 人，受伤1 2 4 人i “。国内，1 9 9 3 年1 0 月，南京金陵 石油化工公司炼油厂，由于汽油泄漏造成的爆炸，2 人死亡，损失几千万人民币；同月， 北京燕山石化公司化工一厂，因乙烯泄漏造成的爆炸，死亡2 人，损失2 亿人民币【6 1 。 类似的事故举不胜举，随着现代工业的发展，生产呈现设备多样化、复杂化以及过程连 1 中北大学学位论文 接管道化的特点，使得蒸气云爆炸灾害的潜在可能性增加，事故的危害程度进一步增大。 因此研究工况下可燃蒸气云爆炸传播规律，提出防灾减灾措施，具有着极为重要的现实 意义。 1 1 2蒸气云爆炸研究的发展趋势 图1 1 当前蒸气云爆炸传播规律研究的发展趋势 如图1 1 所示，当前国内外在此领域基础研究方面的发展趋势是：在实验的基础上， 重视火焰加速机理及规律的研究，力图建立准确描述爆炸过程的理论数学模型，利用大 型c f d 软件或自行研制开发的程序包模拟爆炸过程，揭示爆炸传播过程的基本规律， 并将研究成果应用于事故后果分析和工业装置防爆抑爆的安全设计。 1 2 工况下可燃蒸气云爆炸实验及c f d 数值模拟研究的国内外进展 1 2 1 工况下实验研究的进展 ( 1 ) 内部无障碍物的可燃气云爆炸实验 t h o m 鹤1 1 0 l 在肥皂泡中充入乙烯与空气混合气体，进行了小规模实验，这种方法可 以忽略约束物对实验结果的影响。这类实验中，最大超压很低，一般为几千帕，最大火 2 中北大学学位论文 焰速度也只有每秒几米到几十米，但气云爆炸的超压和火焰速度均随气云尺寸的增大而 增大。例如氢气与空气混合气云，直径从3 m 变化到2 0 m ，最大爆炸压力由2 2 k p a 增大 到6 9 k p a ，最大火焰速度由3 9 m s 增大到8 4 m s n 1 。依据这种结果，如果爆炸场中物体 所受作用力只有几千帕，则物体不会受到严重损坏，而事实上，气云爆炸具有极强的破 坏性。后来人们以聚乙烯薄膜代替肥皂泡，并经l i n d 和w h i s t o n l l 2 l 的实验证实，薄膜的 存在未对爆燃火焰的传播产生较大影响，由此该方法得以推广，实验规模也得以扩大【1 3 ”1 。 毕明树等人1 1 6 2 0 】进行了可燃气云浓度均匀分布的半球形可燃气云爆炸实验研究，可 燃气体为7 7 5 的乙炔，气云半径为0 3 1 5 m 。研究发现，气云爆炸超压与气云初始 半径的平方( 体积的2 3 次方) 成正比，与离开爆源中心的距离成反比，即 p 一爿瑶r 式1 1 罗正鸿等人1 2 1 】进行了可燃气云浓度均匀分布的圆柱形可燃气云爆炸实验研究，可燃 气体为7 7 5 的乙炔，气云体积为0 2 6 m 3 ，通过实验，考察气云形状因子( 高径比) 对 爆炸强度的影响。实验发现，气云爆炸超压与气云形状有关，半球形气云爆炸超压最高， 圆柱形气云爆炸超压随着形状因子的增大而升高。 此外，孙博【2 2 j 等人对气云外部平板对爆炸波的加强作用进行了实验研究。可燃气云 半径为0 s m ，可燃气体为7 7 5 的乙炔。气云外部外置平板形障碍物，平板距球心的距 离分别为0 5 7 m 和l m ，平板的布置分为单板、双板垂直和双板平行等多种方式。研究 发现，障碍物对冲击波有加强作用，平板位于火焰扩展最外边界之内时，会引起火焰变 形，增加火焰扰动速度，从而大幅度增加爆炸压力。 ( 2 ) 局部约束或有障碍物的可燃气 云爆炸实验： h a r r i s o na n de y r e 实验： h a r r i s o na n de y r e 实验装置见图1 2 ， 为一楔形结构，两侧是高十米的围墙， 前后及上部用聚乙烯薄膜封闭。气云内 部设有由f 3 1 5 m m 管子组成的排管型 3 _ - - 一d _ 图1 2h a r r i s o na n de y r e 实验示意图 中北大学学位论文 障碍物，可燃气体选用天然气，点火源设在气云宽度较窄的一侧，压力传感器与火焰探 测器置于地面上。实验研究了排管的空间占有率与排管制距对气云爆燃的影响。实验研 究发现，最高火焰速度超过l o o m s ，最大超压超过2 0 k p a 。 m e r g e 实验i 驯：m e r g e ( m o d e l i n ga n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi n t og a se x p l o s i o n s ) 是欧共体资助，由七家科研单位共同承 担的一个大型项目，它由若干个实验与 数值模拟子项目组成。m e r g e 项目中的 实验装置为框架阵列式结构，由三个正 交方向的圆柱形管道组成，如图1 3 所 示。根据框架大小，实验分为大、中、 小三类，尺寸分别为8 x 8 x 8 m 3 4 x 4 x 2 m 3 、 1 8 x 1 8 x 0 9 m 3 ，它们之间比例约为4 5 ： 图1 3 m e r g e 实验装置示意图 2 2 5 ：1 。实验中，点火源置于障碍物中 心位置，采用多种可燃气体进行了研究，得出如下结论：一维爆炸压力高于二维爆炸压 力，二维爆炸压力又高于三维爆炸压力；实验所用介质中乙烯的反应活性最高，丙烷次 之，甲烷最低，结果表明，气体反应活性越高，超压值越大；障碍物密度越大，超压越 高。 d i s c o e 试验 2 5 , 2 6 1 v a nw i n g e r d e n 对工厂内部障碍物进行了分析，认为排管、蒸馏柱、平台这类结构 比较常见，并且通常在两个平行表面之间。因此，在对现场情况进行理想化处理基础上， 设计如图1 4 所示的实验装置。 0 0 0 0 0 ， 4 中北大学学位论文 如图1 4 所示，在两个平板之问，竖直排列着管径0 0 8 米的圆管，这些圆管分布在 不同的同心圆上。平板分别为4 x 4 m 2 、4 x 2 m 2 。试验研究了可燃气体活性、点火位置、 障碍物阻塞率、圆管间距对蒸气云爆炸的影响。在乙烯一空气的爆炸实验中，得出如下 结论：在恒定的间距p 下，火焰速度随着a b r ( 障碍物面积阻塞率) 增加而增大，当 a b r = 0 5 和p = 3 d 时火焰速度达到最大；当a b r 不变时，火焰速度随着圆管间距的 增大而增大。 通过上述实验可以发现，当气云内部存在障碍物时，改变了气云爆炸传播的规律。 上述几个实验，障碍物虽然各不相同，但存在着共性，它们都可以用一些共同的参数来 描述，即障碍物尺寸、阻塞率、管径等。 1 2 2 工况下c f d 数值模拟的研究进展 由于蒸气云爆炸的影响因素众多，如燃料的活性，障碍物，风向和风速，爆炸源的 初始压力和仞始温度，气运的形状以及尺寸等，而且蒸气云爆炸时能量不是瞬时释放， 爆源的体积不能忽略，属于一种非理想爆炸源，因此实验和理论研究困难极大。随着计 算机的发展，以c f d 为基础的数值模拟方法迅速发展，它以流体力学基本方程组和化 学动力学方程为基础，利用有限元法，对微分方程进行离散，通过建立合适的坐标系， 给定合适的边界条件和初始条件，从而对爆炸过程进行数值求解【2 7 1 。 c f d 数值模拟一般的基本求解思路可以总结如下： ( 1 ) 建立基本控制方程组 建立控制方程组，是求解任何问题前都必须首先进行的。其是由流体力学、热力学、 传热传质学、燃烧学等基本原理出发，建立质量、动量、能量、组分、湍流特性等守恒 方程组，如连续方程、扩散方程、湍流方程等。这些方程构建联立成非线性偏微分方程 组，不用经典的分析法，而只能用数值方程求解。单相层流流动的基本方程组已经很少 存在争议，对湍流，由不同的模拟理论出发，往往基本守恒方程组也不相同，因此，如 何构造基本方程组，首先就成为模拟理论的重要部分。常用的爆燃的气体动力学方程组 为1 2 8 l ： 质量守恒方程： a p ，+ ( p u j ) ；0 式1 2 甜缸、 。 5 中北大学学位论文 动量守恒方程 昙c 刚+ o ( p u 卜詈+ 鲁 如3 能量守恒方程： 鲁( 胆) + 考( 肛朋。石0 【- 2 瓦o e ) 一毒( 删抄巧考 式1 4 燃料质量分数： m 音( 即沪者( 百o r e f , , m 卢 式1 5 湍流方程： 杀( 肛) + 考( p 2 瓦o ，批o k ，) + 詈一班 击c 纠+ 者c 力一毒c 嗜，+ g 如詈譬 式1 6 式1 7 式中： ，b 叫【薏+ 鲁】一知【肚簧】 式1 8 p ：流体密度； 。 u ：流体流速； p ：压力； t ：湍流应力； g ：广义扩散系数； 办：单位矢量点积； e ：能量( = c v t + m 如h 。) ； 皿：焓； 七：湍动能： e ：湍流耗散率； 小血：燃料质量分数： 肌：湍流粘度；肌= q p k 2 c j ：待测定体积燃烧率； c y ：比热( 恒定体积) ； 6 式1 9 中北大学学位论文 丁：温度。 ( 2 ) 确定边界条件与初始条件 初始条件与边界条件是控制方程有确定的解的前提，控制方程组与相应的初始条 件、边界条件的组合构成了一个物理过程完整的数学描述。对于初始条件和边界条件的 处理，直接影响计算结果的精度，也是数值模拟成败的关键。 ( 3 ) 划分计算网格 采用数值方法求解控制方程组时，都是想办法将控制方程在空间区域上进行离散， 然后求解得到离散方程组，要想在空间上离散控制方程，必须使用网格。现已发展出多 种对各个区域进行离散以生成网格的方法，统称网格技术。 ( 4 ) 建立离散方程 对于在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有真解的。但由于所处理的问题自 身的复杂性，一般很难获得方程的真解。因此，就需要通过数值方法把计算域内有限数 量位置上的因变量值当作基本未知量来处理，从而建立一组关于这些未知量的代数方程 组，然后通过求解代数方程组来得到这些节点值，而计算域内其它位置上的值则根据节 点位置上的值来确定。方法组要包括：有限差分法、有限元法、有限体积法等不同类型 的离散化方法。 ( 5 ) 离散初始条件和边界条件 前面所给定的初始条件和边界条件是连续性的，现在需要针对所生成的网格，将连 续型的初始条件和边界条件转化为特定的节点的值，在各节点处建立离散的控制方程， 才能进行方程组求解。 ( 6 ) 给定求解控制参数 在离散空间上建立了离散化的代数方程组，并施加离散化的初始条件与边界条件 后，还需要给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数。此外，还要给定迭代计算的控 制精度、瞬态问题的时间步长和输出频率。 ( 7 ) 求解离散方程 在进行了上述设置后，生成了具有定解条件的代数方程组。对于这些方程组，数学 上有相应的解法，在选择过程中，通过选择不同的解法，以适应不同类型的问题。 ( 8 ) 判断与验证 7 中北大学学位论文 完成上述设置后，可以对各种工况进行大量的模拟计算，得到一批变量场的预测方 法结果。此后必须将这些模拟预测结果和变量场的实验结果进行对照，以便评价本模型 理论及方法的优缺点及可靠性。 1 2 3 ，卜结 综上，当前可燃蒸气云爆炸规律的研究是以实验和c f d 数值模拟两种手段联合进 行的。其共同的目的是揭示蒸气云爆炸过程中的传播、发展及变化规律，进而得出有效 的评价模型为事故后果分析以及防爆安全设计服务。在研究过程中，二者之间也并不是 完全独立的。工况下蒸气云爆炸实验为c f d 数值模拟提供验证，进而使其模拟理论得 到进一步的完善和提高；同时通过c f d 数值模拟可以克服实验设备和条件的限制，为 进一步的实验工作进行有效的理论指导。 1 3 事故后果分析及方法的研究进展 1 3 1 以实验为基础的事故后果分析及方法 在以上实验研究和其它类似事故爆炸经验基础之上，研究者通过总结与分析提出了 一些预测可燃蒸气云爆炸强度的简单方法。这类方法所使用的步骤，一般是将研究结果 用公式或图表的方式表示出来，在适当范围内，使用者只要套用公式或查阅图表，即可 计算出蒸气云爆炸可能产生的超压。常用方法包括以下几种： ( 1 ) 耵盯当量法1 2 9 捌：目前，对凝聚相爆炸( 理想爆源) 的研究达到了很高的水平， 已经可以对爆炸场进行有效的预测。在此基础上，研究者提出了n 盯当量的概念，即 采用能量相当的法则，将气云爆炸所产生的冲击波转化为t n t 爆炸所产生的冲击波， 然后用n 盯爆炸的结果与规律预测气云爆炸的强度。转化公式为： = 口券 如- 1 0 式中w t t , r r ：爆炸的t n t 当量； n ：能量当量经验系数； q 仁燃料燃烧热； 8 中北大学学位论文 晰：泄漏的燃料总量： q a w r n 汀爆热，( 4 2 m j k g ) 。 这种方法的优点是比较简单，使用方便，但是可信度低，这是因为气云爆炸与t n t 爆炸有本质的区别： n 盯爆炸产生的冲击波是理想冲击波；而可燃气云爆炸波则由前驱冲击波与火 焰波构成，属于非理想爆炸。它们的冲击波波形相差较大，n 盯爆炸形成的冲击波衰减 速度较快，超压大且作用时间短；而气体爆燃超压小，但作用时问长。 n r r 爆炸是近似点源、能量瞬时释放的爆炸；气云爆燃是大体积的燃烧加速爆 炸，它受到整个气云浓度分布场的限制，气云中各部分是否都在爆燃极限浓度之内，以 及燃烧的传播过程中是否受到障碍物的约束都会对爆燃强度产生影响。而正是由于这些 因素，气云中的燃料仅有很少一部分燃烧为爆燃提供能量，根据爆燃事故调查的统计数 据，气云爆燃的输出能量与总燃烧热之比，最高为1 0 ，最低仅为0 1 绝大多数低于 2 。 所以，采用n 盯当量法预测可燃气云爆燃强度，很可能高估了冲击波峰值超压， 这将导致对结构响应的错误预报。因此， ( 2 ) t n o 与多能模型：作为n 盯 当量法的发展，1 9 8 2 年，w i e k e a m 提出了t n o 模型【3 1 】。针对n 盯当量 法忽视爆源性质的缺点，t n o 模型 考虑了可燃气体活性对爆燃强度的 影响，按活性把气体分为高、中、低 三类加以区别。它假设爆燃发生时， 在地面上形成半球形气云，在中心点 火，并以无量纲参数曲线图的形式， 给出了爆燃超压随到爆心距离的变 化关系。1 9 8 5 年，v a nd e nb e r g 提出 了多能模型( m u l t i e n e r g y m e t h o d ) 【3 2 j ，它在t n o 模型的基础 这限制了该方法的应用前景。 无 鼙 纲 超 乐 e o 9 图1 5 多能模型超压一距离关系图 中北大学学位论文 上，又综合考虑了湍流加速、局部约束等因素对爆燃强度的影响。其基本概念是：在气 云爆燃中，只有处于相当程度封闭或局部约束的那部分气云才产生显著的爆燃效果，其 余部分只会缓慢燃烧而对爆燃效应没有贡献。从理论上解释：可燃气云爆燃过程中，湍 流强度和燃烧、超压之间相互影响作用很大，在火焰传播中受到限制越大，湍流与燃烧 及超压产生正反馈作用越强，形成的冲击波强度越高，气云爆燃的破坏力也就越大。基 于以上概念，一团气云就不是一个整体，而是根据各部分局部封闭的程度分为若干个爆 源来分别模拟。它将气体爆燃分成1 0 个等级：第1 0 级为爆轰，以下爆燃强度逐次递减。 如图1 3 所示，为多能模型给出的无量纲超压随无量纲距离的变化曲线。横坐标为无量 纲距离，纵坐标为无量纲超压p r = r ( e p o ) 1 口p = a p p o 式1 1 1 式中r ：无量纲距离 r ：距气云中心距离： e ：爆源所含能量； p 0 ：环境大气压力； p ：无量纲超压。 根据多能模型理论，气云爆燃的整体效果是内部几个爆燃区域效果的合成。因此在 预测时，先将整个气云分割，从中找出有效区域，然后分别计算强度，最后按照一定方 法叠加得到爆燃场中各点的超压值。为保证预测结果的安全性，它假设： 释放能量等于受约束的那部分气云完全燃烧产生的热值，可燃气体浓度为化学 计量比； 各部分以释放的能量所能产生的最大超压作为叠加计算的数据。 多能模型的建立基于这样的事实，即通过大量实验发现，当气云内部存在大量的障 碍物时，即使气云体积不大，也能产生较高的超压。而针对这种复杂的情况，目前还无 法采用数值模拟等方法来预测爆燃强度。多能模型则把这种复杂区域“黑箱化”，先估计 该区域可能产生的最高超压( 也就是选择爆燃级别) ，然后根据图1 4 来预测爆燃场中其 它位置的超压。 在选择爆燃级别时，需要综合考虑有效区域内障碍物的情况，即障碍物的个数，尺 寸，数量等，为了给使用者选择级别时提供依据，v a nd e nb e r g 等人进行了些典型障 1 0 中北大学学位论文 碍物的实验，并公布了实验结果。这样，使用者可以先把有效区域内所含的障碍物与典 型实验进行对比，然后再选择爆燃级别。因为生产现场的复杂性，很多情况都与典型实 验相差较大，这时就需要使用者估计爆燃级别，预测精度也就取决于使用者的专业水平 与经验。显然，对于多能模型来说，迫切需要一种简单、实用的方法，能够在选择爆燃 级别时提供指导。 1 3 2 以c f d 数值模拟为基础的事故后果分析及方法 ( 1 ) c f x l 3 3 】：c f x 是由英国a e a 公司开发，是一种实用流体工程分析工具，用于模 拟流体流动、传热、多相流、化学反应、燃烧问题。其优势在于处理流动物理现象简单 而几何形状复杂的问题，适用于直角柱面旋转坐标系，稳态非稳态流动，瞬态滑移网 格，不可压缩弱可压缩可压缩流，浮力流，多相流，非牛顿流体，化学反应，燃烧， n o ，生成，辐射，多孔介质及混合传热过程。c f x 采用有限元法，自动时间步长控制， s i m p l e 算法，代数多网格、i c c g 、l i n e 、s t o n e 和b l o c ks t o n e 解法。能有效、精确地 表达复杂几何形状，任意连接模块即可构造所需的几何图形。在每一个模块内，网格的 生成可以确保迅速、可靠地进行，这种多块式网格允许扩展和变形，例如计算气缸中活 塞的运动和自由表面的运动；滑动网格功能允许网格的各部分可以相对滑动或旋转，这 种功能可以用于计算牙轮钻头与井壁间流体的相互作用。c f x 引进了各种公认的湍流模 型，例如：k - e 模型，低雷诺数缸e 模型，r n g k - e 模型，代数雷诺应力模型，微分雷诺 应力模型，微分雷诺通量模型等。c f x 的多相流模型可用于分析工业生产中出现的各种 流动，包括单体颗粒运动模型，连续相及分散相的多相流模型和自由表面的流动模型。 同时，其存在着所使用的燃烧模式不能很好的与爆炸模式匹配，爆炸模式和点火模式不 能完全有效的配合的不足。 ( 2 ) f l a c s ( f l a m ea c c e l e r a t i o ns i m u l a t o r ) 【3 4 l ：是一种架设在计算机平台上，用来模 拟局部约束空间发生可燃性气云泄漏火灾爆炸情况的c f d 软件，它是由挪威c h r i s t a n m i c h e l s e n 研究院整合十家国际油气公司及三家相关法规单位开发的。其重要功能是反 复修j 下及测试，找出各种可能发生的原因及后果。其本身包括三个模块，分别是c a s d 、 f l a c s 以及f l o w v i s 等三个部分。其主要弱点是：程序中所使用的k - e 模型在壁面流 动问题上未能得到很好的解决。 1 1 中北大学学位论文 ( 3 ) a u t o r e a g a s l 3 5 l ：a u t o r e a g a s 是由美国世纪动力公司( c e n t u r y d y n a m i c s ) 和荷兰 t n o 公司联合开发完成的三维计算流体分析软件。它主要用来模拟气体爆炸与由此引 发的冲击波效应。专门设计用在那些非常拥塞( 如管道工程管和设备) 和限制( 由于建 筑物结构，包括通风口等) 的场所，这些场所对燃烧加速有着很重要的影响，从而引起 超压。其主体部分包括：气体爆炸求解器和冲击波求解器两个部分。其主要弱点是：使 用缸e 模式单一，限制过多。 ( 4 ) e x s i m l 3 6 1 ：e x s i m 是一个结构性的笛卡儿网格，半隐式，依赖于多孔分布阻力 ( p d r ) 方法的有限体积码，p d r 方法用于描述小尺寸结构，这些障碍物的主要作用是 阻碍流体，产生附加湍流。运用p d r 方法