（安全技术及工程专业论文）可燃气云爆炸压力场的实验研究.pdf

可燃气云爆炸压力场的实验研究 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h ep r e s s u r ef i e l do ff l a m m a b l e v a p o re x p l o s i o n a b s t r a c t t h ep r o c e s so fu n c o n f i n e dg a sc l o u de x p l o s i o n sb e l o n g st oc o m p l i c a t e de x p l o s i v ep r o c e s s w h 6 t lt h ee x p l o s i v ef l a m em e e t sa l lk i n d so f o b s t m c t i o n 协t h es p r e a d i n g p r o c e s s ，t h ee x p l o s i o n o v e r p r e s s u r ew i l li n c r e a s ev a r i a b l y , t h u sw i l li n c r e a s et h ee x p l o s i v ep o w e ro f t h ee x p l o s i o n t h e r e s e a r c ho ft h er o l e so ft h eu n c o n f i n e dg a sc l o u de x p l o s i o n so fb u i l t i no b s m l c t i o n sh a s i m p o r t a n ts o c i a ls i g n i f i c a n c ea n de c o n o m i cv a l u e s i nt h i sp a p e r , w i t ht h ec 2 h 2 一a i ra st h em e d i a , t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ne f f e c t so f p r e m i x e df l a m m a b l eg a sc l o u de x p l o s i o n si n d u c e db ys e m i - s p h e r i c a l - b a g g yo b s m a c t i o n sw a s c o n d u c t e d t h em a i nw o r ka n dc o n e l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mc o n s i s t i n go fp r e s s u r et r a n s d u c e r s ，d a t aa c q u i s i t i o nc a r d , c o m p u t e ra n d e l e c t r i cs p a r ki g n f i o nd e v i c ew a ss e tu pt os t u d yt h e p r e s s u r ef i e l do nt h es e m i - s p h e r i c a lo b s t r u c t i o n sw i t hs t r i ps p a c ei nc a s eo f f l a m m a b l eg a sc l o u dd e f l a g r a t i o n 2 ) a s e r i e so f p e r p e n d i c u l a re x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e do nc 2 h 2 一a i rf l a t t l ea c c e l e r a t i o n r e s u l t e df i - o mh e m i s p h e r i c a lb a rg a t i n gb a r r i e r si nh e m i s p h e r i c a lg a sc l o u d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h er a d i u sr , a n g l e ap l a yad i s t i n c t i v er o l eo ne x p l o s i o no v e r p r e s s u r e b u tt h e i r i n t e r a c t i o n sd on o th a v ea n yr e m a r k a b l ee f f e c t so ne x p l o s i o no v e r p r e s s u r e 3 ) a i m e da tt h ee f f e c t so i lo v e r p r e s s u r eo fe a c hc h a r a c t e r i s t i cf a c t o ro ft h eo b s t m c t i o n s a n e x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e d ，i i lt h i sw a y , t h ew o r k i n gr u l e so fe a c he f f e c t i v ef a c t o ro nt h e e x p l o s i o no v e r p r e s s u r ew a sc e r t a i n e d t h eo v e r p r e s s u r ea pi n c r e a s e sw i t ht h er i s i n go f t h er a d i u so ft h ef l a m m a b l eg a sr ，t h es i z eo ft h eo b s t r u c t i o na n dt h ea n g l e a ，a n dd e c r e a s e s w i t l lt h ei n c r e a s i n go f i n t e r s p a c e dr a t i oo f b a r r i e r 毋a n dd i s t a n c eb e t w e e nt h ed o t sz 4 ) b a s e d0 nt h er e g r e s s i o no f e x p e r i m e n t a ld a t aa n dd e v i a t i o na n a l y s i s , t h ef i t t i n ge q u a t i o ni s o b t a i n e db e t w e e nt h ee x p l o s i v eo v e r p r e s s u r e a pa n di t s i n f l u e n t i a lf a c t o r s ：o b s t a c l e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ( r , 毋) ，g a sc l o u dr a d i u sr ，d i s t a n c eb e t w e e nt h ed o t sd t h e c o n n e c t i o nb e t w e e nt h eo v e r p r e s s u r ea n de f f e c t i v ef a c t o r sc o n c l u d e df r o mt h ef i t t i n g e q u a t i o nc o i n c i d e sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lc o n c l u s i o nc o n c e r n i n g 血ee f f e c t so fe a c h ，h 一 大连理工大学硕士学位论文 c h a r a c t e r i s t i cf a c t o ro i lt h eo v e r p r e s s u r e ? 册场t h ea n a l y s i sa n de x a m i n a t i o n , t h ec o r l n e e t i o n b e t w e e nt h ef i t t i n ge q u a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t aw a sv e r i f i e d 5 ) l e a d i n gt ot h em u l t i e n e r g ym e t h o dt h o u g h ti nt h ep r e s e n te x p e r i m e n t s ，i ft h et h r e e f a c t o r so fi n f l u e n c e ：t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h em i x t u r er e a c t i v i t ya n dt h es c a l ea r e c o n s i d e r e dt o g e t h e r , t h e1 1 1 0 d eo ft h e p a r a m e t e r sc o m b i n a t i o i lw a sr a i s e d ，a n di so b t a i n e d e q u a t i o no ft h ee x l p o s i o no v e r p r e s s u r eo ft h eu n c o n f i n e dg a sc l o u de x p l o s i o n so fb u i l t - h a s e m i s p h e r i c a l - b a g g yo b s t r u c t i o n s t h e r e f o r e ，t h eb a s i sw a sp r o v i d e df o rt h ef o r e c a s to ft h e s c e n eo f 吐1 ee x p l o s i o no f t h e 丑a l t l i n a b l eg a s k e yw o r d s ：e x p l o s i o n s ；o v e r p r e s s u r e ；f l a m m a b l eg a sc l o u d ；o b s t r u c t i o n i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 大连理工大学硕士学位论文 引言 在可燃气体的输送、贮存、加工和使用过程中，由可燃气体泄漏至开敞空间( 大 气) 而形成可燃气云。可燃气云如果被意外的点燃就可能形成破坏极大的气相爆炸，造 成巨大的经济损失和人员伤亡。这种现象称作开敞空间可燃气云爆炸( u n c o n f i n e d v a p o u rc l o u de x p l o s i o n ) ，简称u v c e s “。 可燃气云爆炸是工业生产和生活领域爆炸灾害的主要形式之一。随着工业现代化的 高速发展，特别是近年来石油、化工、天然气、粮食、饲料工业的快速发展，重大的燃 烧爆炸事故屡有发生。既造成了重大的生命与财产损失，又困扰着国民经济的持续发 展。采取何种措施更积极有效的把爆炸范围和可能造成的破坏限制在最小的程度上，一 直是安全工作者关注的焦点。开场空间可燃气云爆炸使工业装备和建筑物损坏，多因爆 炸形成的压力波所致。通过对开敞空间可燃气云爆炸进行动力分析、压力场对周围环境 影响的定性与定量分析，确定爆炸破坏的成灾模式，进而提出防灾减灾措施，是十分必 要和有意义的。 从大量文献的整理和分析中可以看出，国外对开敞空间气云爆炸的研究起步较早， 早在二十世纪七十年代就提出开敞空间气云爆炸这一课题并开始一系列的研究工作。九 十年代初期，欧洲建立了气体爆炸模拟与实验研究项目( m o d e l i n ga n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c jo mg a s ，简称m e r g e ) ，由欧洲的几家著名研究机构，t n op r i n sm a u r i t s l a b o r a t o r y ( 简称t n o ) ，n e t h e r l a n d s ；b r i t is hg a sr e s e a r c hc e n t e r ，u k ： t h o r n t o ns h e l lr e s e a r c hc e n t e r ( 简称s h e l l ) ，u k ：i m p e r i a lc o l l e g eo f s c i e n c et e c h n o l o g ya n dm e d i c i n e ( 简称i c ) ，u k ；c h r i s t i o nm i c h e l s e n r e s e a r c h ( 简称c m r ) ，n o r w a y ；t e l e m a r kt e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t c e n t e r( 简称t e l t e k ) ， n o r w a y ； b a t t e l l ei n g e n i e u r t e c h n i kg m b h( 简称 b a t t e l l e ) ，g e r m a n y ：i n s t i t u tn a t i o n a ld el e n v i r o n m e n ti n d u s t r i e le td e s r i s q u e s ( 简称i n e r i s ) ，f r a n c e ，联合起来从事相关研究。我国这方面的研究工作起 步较晚，研究单位主要有中国科学院、大连理工大学、北京理工大、南京理工大学、南 京化工大学、四川大学、华南理工大学、中国矿业大学等。近年来，我国对此项工作高 速重视，经费投入较大，使该技术有了迅速发展。 可燃气云爆炸属非理想爆炸。可燃气云爆炸的实验研究最初从无约束气云爆炸实验 开始，这方面的研究工作国外起步较早”1 ，报道了一些特定工况下的实验结果，主要研 究可燃气云体积、形状，可燃气体种类、活性对爆炸威力的影响。无约束气云通常只产 可燃气云爆炸压力场的实验研究 生较小的超压，破坏性也相对较小。而爆炸场中存在障碍物时，爆炸压力明显增高，其 破坏性也较大。要采取防治措施，首先要掌握气云爆炸的特性和爆炸强度。然而，这方 面的研究工作，由于气云爆炸的危险性和复杂性，研究工作难度较大，仍然未能形成有 效的防治方法。尤其是爆燃场中存在障碍物时，爆燃场与障碍物问的相互作用更无定量 结论。故进一步的进行开敞空间气云爆炸场中有障碍物的实验研究非常必要。 本文拟在前人工作的基础上，经过理论分析，对开敞空间半球形乙炔一空气混合可 燃气云的爆炸场的特性进行研究。在内部设置半球球袋形障碍物，并建立炸威力影响一 套定性定量研究开敞空间可燃气云受局部约束的爆炸实验系统( 包括压力变送器、数据 采集系统和点火系统组成的测试系统) 能够较全面地进行气体爆炸超压场的实验数据采 集。通过探讨半球形可燃气云中障碍物对爆炸场的加强作用，为进一步研究气云爆炸波 加速机制提供实验依据。在实验研究的理论分析基础上，将多能模型的思想应用于半球 形可燃气云受障碍物约束的气云爆炸研究，得到综合考虑约束条件和介质性质的总的爆 炸超压关系式，从而为其它约束条件下的可燃气云爆炸场的预测提供一定依据。 2 一 大连理工大学硕士学位论文 】文献综述 1 1 概述 在一些综合性化工企业中，油气储存、运输过程和远距离输油管道输油过程中，都 有可能产生可燃气体的泄露。可燃气体一旦发生了泄露，随后就有可能发生下面四种情 况： ( 1 ) 泄漏的可燃气体在还没有着火之前就消散掉，不形成爆炸危险性； ( 2 ) 泄漏的可燃气体在泄放口上高速喷射、摩擦或静电点火。在这种情况下，一 般只引起着火而不爆炸： ( 3 ) 泄漏物扩散到广阔的区域，经过一段延滞时间后，可燃蒸气云被点燃，接着 发生一场大火灾； ( 4 ) 火焰经过较长距离的传播而加速，使爆燃向爆轰转变，产生危险的爆炸冲击 波。 无约束蒸气云可以扩展到很大范围，由于泄漏物进入开放的空气中，遇到适宜的气 象条件，发火之前就能产生大面积的可燃蒸气与空气混合形成的气云，开敞空间可燃气 云爆炸能够造成的巨大的经济损失和人员伤亡。 这种爆炸事故无论就其发生的频率或单次事故所造成的损失都在逐年增长，特别是 在石油化工、塑料、与合成橡胶以及天然气行业中，蒸气云爆炸在事故总数中所占的比 例分别高达4 6 、4 2 和6 0 ，而且单次事故所造成的生命和财产损失大大高于其他事 故。3 ，国内外的研究机构对此已给予广泛的重视。 1 2 爆炸 所谓爆炸，是导致压力快速增加的现象，是一种极其迅速的物理或化学能量释 放的过程”“。在实际生产过程中，很多情况能使气体、液体或粉尘燃料与空气混 合，达到可燃浓度，此时若有点火源的存在，就能形成燃烧或者爆炸。在此过程 中，物系的体积在极短的时间内急剧膨胀而对外界作功，致使周围气压急剧增大并 会造成巨大的人员伤亡和财产损失。1 ，导致爆炸灾害的发生。 气体爆炸与炸药爆炸的最基本区别是由爆炸源特性决定的。爆炸源的特性主要 包括：( 1 ) 爆炸源的总能量；( 2 ) 爆炸源的尺寸及几何形状；( 3 ) 爆炸源的能量 释放率；( 4 ) 爆炸源的能量密度。 一3 可燃气云爆炸压力场的实验研究 从爆源上划分，爆炸可分为理想爆源爆炸和非理想爆源爆炸。 理想爆源通常指核装药或高能炸药等。最简单的理想化爆源是一种称作“点 源”的爆炸源，即理想点爆炸源。这种模型的基本点是认为能量瞬时释放，爆炸源 尺寸无限小。由于能量是假定在一个点释放的，所以点源爆炸没有源尺寸，爆炸波 是球对称的。 在自由场中，根据冲击波在空气中传播到达点与爆源距离的不同，又将爆炸场 分为近场、中场、远场三个区域。在讨论中场和远场爆炸波特性时，一般把凝聚相 含能材料爆炸源都典型话为点源爆炸。这种处理是比较符合实际的，因为凝聚相含 能材料爆炸的特征时间很短，在爆炸过程中的能量沉积( 释放) 极快，源体积来不 及发生明显的膨胀，所以能量释放实际上是在定容条件下发生的。 凡是不符合理想爆源的均称为非理想爆源。非理想爆源的两个特点：一是有限的能 量释放速率；二是爆炸场参数与爆源的能量密度有关。f m s m 用实验方法研究了能量释 放速率与时间相关的爆源爆炸所产生的冲击波8 。结果证明：近场，非理想爆源与理想 爆源的爆炸场差别较大；远场两者结果相近。该结果说明在非理想爆源爆炸场中，爆源 的能量释放与时间相关。 可燃气体爆炸被认为是非理想爆源爆炸，与高能炸药这样的理想爆源相比，非理想 爆源具有爆源体积不能忽略、有限的能量释放速率、爆炸场参数与爆源能量有关三个特 点”。”。其中，有限的能量释放速率是指气体爆炸的潜能不是百分之百释放出来的，而是 只有一部分能量可以释放出来，其能量释放率取决于环境条件和约束条件。对密闭容 器，潜能基本上能全部释放；对敞开气云，能量释放率大约只有百分之几。燃料和空气 混合的均匀性也是影响能量释放率的重要因素。 l _ 3 可燃气云爆炸 可燃气体爆炸是典型而又常见的非理想爆源爆炸，它具有能量密度小、爆源压力 低、爆源体积大、能量释放时间长、所产生的爆炸波在很大程度上取决于爆源的能量释 放快慢等特点。1 。 1 3 1 可燃气云爆炸的形式及其特点 可燃气体的燃烧爆炸按爆炸传播和变化形式可分为四种模式：定压燃烧、爆燃、定 容爆炸和爆轰。 4 一 大连理工大学硕士学位论文 定压燃烧是无约束的敞开型燃烧。其燃烧产物能及时向后排放，压力始终保持与初 始环境压力相平衡，因此系统的压力是恒定的。它的特征参量为定压燃烧速度，或叫基 本燃烧速度，取决于燃料的输运速率和反应速率。在化学计量浓度下，对大多数烃类燃 料与空气的混合物，其典型的基本燃烧速度为o 5 m s 量级；而与氧气混合时，其基本燃 烧速度值比与空气混合要高约一个数量级。 爆燃是指已燃气体通过热传导、扩散和辐射的方式，使未反应的可燃气体达到燃 点，并开始化学反应的过程”。爆燃是一种带有压力波的燃烧。在一般情况下，混合气 体露天燃烧多以爆燃形式出现，它由局部点火源点燃，然后迅速扩展，形成压力波。定 压燃烧实际上是爆燃的一个特例，此时爆燃波传播速度很慢，在行进的每一时刻都能够 达到压力平衡，这种燃烧不会引起压力升高或形成压力波，也不会产生产生具有破坏性 的爆炸波( 空气冲击波) 。因此，二者之间的不同之处正是在于是否有压力波的产生。 当大面积的可燃气云燃烧时或在传播途径设置障碍物的情况下，燃烧产物可形成一 定的压力，在波阵面两侧就形成一定的压力差，这个压力差以当地的音速向前传播，这 就是压力波。由于这个压力波传播速度比燃烧阵面( 火焰阵面) 要快，行进在燃烧阵面 前，因此也叫前驱冲击波( 或前驱压力波) 。故此，爆燃是由前驱冲击波和后随的燃烧 阵面构成的。它是一种不稳定状态的燃烧波，它可以因约束减弱而沦为定压燃烧，相反 也可以因约束加强而发展成为爆轰。 定容爆炸是可燃性预混气体在给定体积的刚性容器中均匀地同时点火所发生的燃烧 过程。这是密闭容器中局部点火形成爆炸的理想化模型。在这种爆炸过程中，容器体积 保持不变，密度也不变，而压力随燃烧释放的化学能的增加而增加。对于大多数烃类燃 料和空气的混合物，在化学计量浓度下，定容爆炸的压力约为初始压力的7 8 倍”“。 爆轰是在冲击波的作用下，可燃气体被强烈她冲击压缩，在波阵面上，温度迅速提 高，从而引发化学反应放出的能量支持波阵面运动。爆轰是爆炸的最高形式，相对于未 燃介质，爆轰在介质中的传播速度是超音速的，这是爆轰区别于其它燃烧爆炸形式的最 显著特征。以恒定速度稳定传播的爆轰称为稳定爆轰，没有达到稳定速度的爆轰称为非 稳定爆轰。其中，以高于稳定爆速传播的爆轰称为强爆轰，又称为超驱爆轰或超压爆 轰，其传播速度，波后压力及温度都明显高于稳定爆轰的情况。在一定条件下，爆燃可 以转变为爆轰，而爆轰也可以衰减为爆燃甚至熄灭。 工业事故爆炸中绝大多数以爆燃形式出现。爆燃与爆轰有着本质的区别，其中的一 个根本特点是前者为亚音速流动，因此它与超音速流动的爆轰有很大的不同，特别是受 环境条件和物理因素的影响极大。工业可燃气云爆炸事故多是由弱点火( 点火能量小于 一5 一 可燃气云爆炸压力场的实验研究 1 0 0 焦耳) 点燃可燃气云引起的，传播形式多为亚音速传播的爆燃波。当个理想的火焰 阵面从点火源向外扩展时，由于火焰阵面两侧的介质状态发生突变，形成一个比火焰速 度快的压缩波，此压缩波阵面称为前驱冲击波阵面。即火焰在己被扰动介质中传播。这 样，一个爆燃波在行进过程中形成三个流场区域，即如图1 1 所示的“双波三区”结构 【2 1 1 i 羽 篆二卜篡m 卜2 0 p o p o c o t o q ，墨扎q 五扎 爆燃矗阵面 前驱冲击波阵面 e - l ：f ：内能；z 广粒子速度；c - 音速；7 - 等熵指数 0 区一可燃混合气的初始状态；1 区一前驱冲击波通过后的状态 2 区一爆燃波阵面( 火焰面) 通过后的状态 图l _ 1 爆燃过程的“双波三区”结构 f i g ，1 1t w o w a v e sa n d 耵e e a r e a o f d e f l a g r a f i o n w a v e 可见，爆燃是由前驱压力波和后随的燃烧阵面构成的，随着约束条件的变化，压力 波随之减弱或增强，爆燃则相应的转化为定压燃烧或者是爆轰。 爆燃波是一个膨胀波，跨过波面，压力和密度都是下降的；而爆轰波与之相反，跨 过波阵面压力和密度是增加的。爆轰是气体或粉尘燃烧爆炸的最高形式。对大多数氮氢 化物和空气化学计量浓度混合物，典型的爆轰压力为1 5 m p a 量级，而纯氧中爆轰压力 可提高一倍左右。 所以，在各类的工业粉尘爆炸灾害，燃料泄露后形成的气雾造成的爆炸灾害，火灾 中夹杂着的爆炸灾害等事故中，为减少事故所造成的损失，在发生燃烧事故的初期，需 要避免爆燃向爆轰转变的破坏效应。研究、掌握和运用可燃气体的爆燃转爆轰的规律， 一直受到此领域内研究人员广泛关注。 一6 大连理工大学硕士学位论文 1 3 - 2 可燃气云爆炸的基本参数 表征气体爆炸特征的参数主要有火焰速度、燃烧温度、绝热火焰温度、定容爆炸压 力、压力上升速率、爆炸强度特征值、点火能量及点火温度等。 ( 1 ) 火焰速度和燃烧速度 火焰相对于前方已扰动气体的运动速度叫燃烧速度，它与反应物质有关，是反应物 质的特征量。常温、常压下的层流燃烧速度叫标准层流燃烧速度，或基本燃烧速度。火 焰速度是火焰相对于静止坐标系的速度，它不是燃料的特征量，而取决于火焰阵面前气 流的扰动情况。 混合气体的燃烧速度和火焰速度是与爆炸猛烈程度直接相关的参量，燃烧速度大的 气体具有大的危害性和破坏效应。燃烧速度较难测量，而火焰速度较易测量，例如用光 导纤维探头或电力探针能叫方便的测定管道中的火焰传播速度，但由于火焰传播的不稳 定性，故火焰速度的测定一手各种条件的影响。 ( 2 ) 火焰温度 b a k e r 等人“”提供的数据表明，绝大多数气体混合物系统的引燃温度范围大体上是 在9 0 0 1 2 0 0 k 。这说明，低于此温度，或研究不能层层点火，既不能自动传播，因而 与此温度相对应的浓度应为爆炸极限浓度。常见可燃气混合物最高火焰温度在2 5 0 0 k 左右。 ( 3 ) 定容爆炸压力 理论上定容爆炸是指在钢壁容器内瞬时整体点火，且系统绝热，既不考虑容器壁的 冷却效应与气体泄漏而带走的热损失情况下的爆炸，因此定容爆炸压力应是爆炸最高压 力。实际上，瞬时整体点火是不可能的，一般是在球形容器中心点火。在这种情况下测 得的峰值压力接近于定容爆炸压力，因为只有火焰接近于球壁时，才会产生壁面导热冷 却效应，虽然此压力维持时间极短，并很快就衰减下去，但此时压力峰值接近定容爆炸 压力值。 通过测得的压力波形可以看出，爆炸分为三个阶段：爆炸压力上升阶段、爆炸压力 高值区和爆炸压力衰减区。 ( 4 ) 爆炸压力上升速率 爆炸压力上升速率定义为压力一时间曲线上升拐点处的切线些率，即压力差除以时 间差的商。压力上升速率是衡量燃烧速度的标准，也就是衡量爆炸强度的标准。 ( 5 ) 气体爆炸的点火 一7 一 可燃气云爆炸压力场的实验研究 气体爆炸的三个要素之一就是具有足够能量的点火源，当混合气体从点火源得到超 过某一阈值的能量时，就被点燃着火。表征气体爆炸点火敏感度的参数有：气体爆炸的 最小点火能量、自然点和火焰猝灭距离等。 可燃气体的点火能量很小，只有几十到几百微焦耳量级，因此极易被点燃。点火能 量越小，点火敏感度越高，相应的危险性也就越高，这是气体爆炸的一个重要特点。 1 3 3 爆炸波的破坏准则 过去直沿用的爆炸波破坏准则如下： ( 1 ) 超压准则 超压准则认为，当爆炸波的超压达到一定值时，便会对目标( 建筑物、设备设施及人 员等) 造成一定程度( 或某一等级) 的破坏或伤害。典型的超压准则见表1 1 “”和表 1 2 。 表l _ 1 爆炸波超压对障碍物的破坏准则 t a b l e1 1e x p l o s i o no v e r p r e s s u r e di t sd a m a g et os t r u c t u r e 超压p ( k p a )破坏程度 3 。5 1 7 3 5 8 3 轻度 中度 严重 彻底毁坏 表1 2 爆炸波超压对人体的伤害准则 t a b l e1 2e x p l o s i o no v e r p r e s s u r ea n di t sd a m a g et op e o p l e 超压4 p ( k p a )伤害程度 2 0 3 0 3 0 5 0 5 0 1 0 0 1 0 0 轻度挫伤 中度损伤 严重伤害 极严重，可能大部分死亡 表i 1 给出的准则基本适用于英、美两国的砖砌房屋。 一8 大连理工大学硕士学位论文 但应指出的是，超压准则只适用于凝聚炸药点源爆炸的特定情况。由于爆炸源不同， 即使同样的超压所具有的破坏效应也是不相同的。例如，和炸药相比，蒸气云爆炸产生的 同样的超压具有的破坏作用更大。同一类爆炸源和同样的超压，大药量爆炸的破坏效应 比小药量爆炸的破坏效应要大。超压准则的一个致命弱点是它只考虑峰值超压值，不考 虑超压作用的持续时间，因而它失去了普遍意义。 ( 2 ) 冲量准则； 出于对超压准则的修正，人们也常采用比冲量i = r p d t 作为破坏准则。式中p 为 坩 爆炸波超压( 随时间t + 变化的函数) ( p a ) ，t + 为正压区作用时间( s ) 。 冲量准则认为，当作用于目标的爆炸波冲量达到某一临界值时，便会引起目标相应 等级的破坏或伤害。由于该准则同时考虑了超压与正相持续时间的影响，因此比超压准 则更全面。但是，该准则忽略了这样一种情况：如果超压低于某个最小临界值，那么即 使作用时间再长，冲量再大，目标也不会遭受破坏或伤害。而且，实践表明，不同的爆 炸源有不同的爆炸波形，同样冲量值产生的破坏作用也可能会显著不同。 ( 3 ) 目标自振周期正 当爆炸源性质和目标与爆源的距离确定以后，冲击波破坏作用的计算由结构自振周 期，与正压区作用时间t 确定。当f + 丁时，适用超压准则；当0 r ，说明对实验指标( 爆炸超压厶p ) 来 说，各因素的影响由主到次依次为：因素1 ( a - 障碍物半径r ) 、因素2 ( b 一障碍物屏 蔽角a ) 、因素3 ( a b ) ，即障碍物的两个特性参量：障碍物半径和障碍物屏蔽角对爆 炸超压的影响是显著的，而障碍物的两个特性因素的交互作用的影响不很显著。 3 1 5 0 5 m 獭m 。o o ，o o 可燃气云爆炸压力场的实验研究 表2 6 实验2 4 3 的正交实验数据表( d = 0 7 m ) t a b l e2 6t h eo m 】o d o x ye x p e n n e n t a lr e s u l t st a b l eo f e x p e r i m e n t2 43 ( d 三0 7 m ) a i b i a i b 2 a 1 8 3 a 2 b l a 2 8 2 a 2 8 3 a 3 8 1 a 3 8 2 a 3 8 3 3 7 0 4 7 4 1 0 7 4 4 5 9 6 9 50 8 6 7 7 2 9 7 i 6 7 5 1 4 6 4 2 1 8 8 3 9 3 9 9 4 7 5 3 8 8 3 5 4 1 3 0 2 4 7 2 1 8 5 6 6 7 5 9 4 6 8 6 3 3 1 2 68 5 7 3 1 0 7 0 3 8 9 7 5 9 4 1 2 8 1 4 2 1 1 9 4 9 4 6 8 6 5 i 3 7 5 6 4 6 3 6 4 2 2 5 6 2 8 2 6 9 3 0 7 6 1 0 4 4 6 1 3 9 0 5 4 4 1 4 9 8 4 7 5 5 2 5 7 5 5 8 6 2 9 6 7 6 5 0 1 7 6 5 2 0 3 g 6 1 6 9 1 00 5 0 9 正交实验的方差分析如表2 8 所示，判断各因素对实验指标影响的显著性。取显著 性水平d = o 2 5 ，则；2 , a o 2 s ) = 3 0 ，由于l 、b 均大于3 0 ，可以得到：障碍物的特性因 素：障碍物半径，、障碍物屏蔽角口对爆炸超压都有显著影响，而障碍物特性参数的交互 作用对爆炸超压的影响不显著。各因素影响效果的关系由主到次依次为：因素i ( a 半 径，) 、因素2 ( b 一屏蔽角口) 、因素3 ( a b ) ，这与极差分析的结果是一致的 表2 7 正交实验结果极差分析表 t a b l e2 7t h ea n a l y s i st a b l eo f o r t h o d o x ye x p e a s m e n t a lr e s u l t s 1 ( 1 0 0 ) 1 1 2 ( 2 0 0 ) 2 2 3 ( 3 0 0 ) 3 1 ( 1 5 ) 2 ( 3 0 ) 3 “5 ) 1 2 3 i 2 3 2 3 ，9 0 5 4 4 1 4 9 8 4 7 5 5 2 5 7 5 5 8 6 2 9 6 7 6 5 0 1 7 65 2 0 3 9 6 1 6 9 大连理工大学硕士学位论文 注：1 ) 表中表示第列因素水平j j ( 七= 1 , 2 ，3 ) 的3 次实验指标之和； 2 ) 表中瓦= & 3 表示第列因素水平t ( 尼= 1 ，2 ，3 ) 的3 次实验指标的平均数 3 ) 表中尺，表示极差，定义为玛= m 僦奴 一m i ，z 圾 。 l s t 王3 1 s e 5 3 表2 8 正交实验的方差分析表 t a b l e2 8d e v i a t i o na n a l y s i so f o r t h o d o x ye x p e r i m e n t 2 5 小结 本章设计了实验测试系统，制作了半球形障碍物，建立了可燃气云爆燃实验系统， 进行了正交实验。归纳如下： ( 1 ) 本文的测试系统是由压力变送器、数据采集卡、计算机和电火花装置组成的。 用火花塞点火，气云爆炸产生的压力与时间曲线由压力变送器感受、经数据采集卡采 3 3 可燃气云爆炸压力场的实验研究 集、最后由计算机记录。传感器沿气云半径周向布置，响应时间为1 m s ，精度为 0 5 ：采集卡为1 2 b i t ，精度为o 0 2 。 ( 2 ) 实验以高反应活性的乙炔气与空气形成预混可燃气云，其浓度为它的最危险浓 度( 1 3 3 ) ，乙炔是烃类气体中较为活跃的气体，具有代表性。 ( 3 ) 通过正交实验和方差分析，发现障碍物半径和障碍物的屏蔽角对爆炸超压都有 显著影响，而它们的交互作用对超压的影响不显著。 一3 4 盔垄望兰盔堂堡主塑堡塞 3 障碍物特性参数变化对爆炸超压影响的实验研究 本文除正交实验外，还设计了障碍物的特性参数变化对爆炸超压影响的实验 以探索半球球带形障碍物的单个特性因素的变化对爆炸超压影响的规律。 3 1 障碍物半径r 对爆炸超压厶p 影晌的实验 为了考察内置球袋形障碍物的半径r 对爆炸超压的影响，先固定实验中的其他 条件不变，即气云半径r 、障碍物障碍物的屏蔽角度a ( r = 5 0 0 r a m ，a = 4 5 0 ) ，只 考察障碍物半径，的变化对爆炸超压却的影响，在此障碍物半径r - 0 、1 0 0 、 2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 r a m ，每组实验重复三次，实验数据如表3 1 所示。 表3 1 半径，对爆炸超压z i p 影响的实验结果 t a b l e3 1 e x p e r i m e n tr e s u l t s b e t w e e n ，a n dz i p 障碍物半径，佃距离m i 疆压, z i p k p a 实验值 平均值 0 7 3 6 3 1 63 4 2 32 9 0 4 5 3 3 1 9 7 无障碍物 0 1 0 2 o 93 3 7 9 4 3 0 1 6 12 6 6 73 0 2 0 8 1 32 1 9 6 4 2 2 3 8 21 7 6 9 12 0 6 7 9 1 71 7 8 7 1 8 8 1 3 14 5 1 2 17 0 6 5 2 5 13 7 6 51 4 8 2 5 1 3 7 9 21 4 1 2 7 2 9 1 2 0 9 61 2 6 4 11 1 7 2 7 1 2 1 5 4 0 74 5 9 6 9 4 7 2 1 84 9 4 6 847 5 5 2 0 941 9 1 3 4 2 9 5 94