安全工程专业毕业论文19145

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1、毕业论文巷道内苯蒸气云爆炸的特性研究学 院： 化工与环境学院 专 业： 安全工程 摘要本课题利用计算流体动力学软件AutoReaGas定量研究障碍物、障碍物阻塞比对模拟巷道内苯蒸气云爆炸超压、温度、燃速的影响，进而通过对这几组数据的分析了解苯蒸气云爆炸的危险特性。研究结果表明：当有障碍物存在时，爆炸超压、火焰传播速度的峰值都会显著增加，且峰值超压随着障碍物阻塞比的增加而增加。另外在泄压口处，其各项数值都达到最大，其危险性也最高。并依据研究结果，联系实际情况制定有效的防范措施，为可燃气体爆炸的研究提供进一步的思路。 关键词：苯；蒸气云爆炸；超压；温度；燃速；数值模拟；障碍物abstractUsi

2、ng computational fluid dynamics software AutoReaGas quantitative study of obstacles，obstacles blocking the simulated roadway benzene vapor cloud explosion overpressure，temperature，burning rate of impact.By these groups of data analysis to understand the hazardous properties of benzene vapor cloud ex

3、plosion. The results show that：when obstacles exist，explosion overpressure，the peak flame propagation speed will be significantly increased，and peak overpressure increases with the obstacles blocking ratio increases. In addition，at the pressure relief openings, its value reaches the maximum，the risk

4、 of the highest. Based on the results，contact the actual situation to develop effective preventive measures，provide further ideas for the study of combustible gas explosion.Keywords：benzene；Steam cloud explosion；Overpressure；Temperature；Burning rate；Numerical simulation；obstacles目 录1 引言 11.1 国内外实验研究

5、进展 11.2 理论研究概况 21.3 本课题研究目标及内容 21.4 研究方法 31.4.1 经验与理论研究 31.4.2 研究方法的选择及依据 41.5 苯及苯蒸气云的主要物理特性 51.5.1 贮存方法和应急措施 62 爆炸的类型、评测手段及影响因素 72.1 爆炸的基本形式及特点 72.1.1 理想爆源 72.1.2 非理想爆源 82.1.3 可燃气云燃烧的基本形式及特点 92.2 爆燃波破坏效应的评测手段 132.2.1 超压准则 132.2.2 冲量准则 142.2.3 超压冲量准则 152.3 影响苯蒸气云爆炸强度的主要因素 153 苯蒸气云爆炸的数值模拟研究 173.1 计算流

6、体动力学软件 173.1.1 模型概述及初始条件设定 193.2 苯蒸气云爆炸的物理模型和参数曲线 203.2.1 无障碍物、一端开口模型 203.2.2 有障碍物（VBR=0.075）、一端开口模型 203.2.3 有障碍物（VBR=0.3375）、一端开口模型 213.2.4 开敞空间无障碍物模型 223.3 数值模拟结果及分析 233.3.1 数值模拟结果 233.3.2 障碍物对爆燃超压的影响 253.3.3 障碍物对爆燃温度的影响 263.3.4 障碍物对爆燃速度的影响 273.3.5 结论 284 苯蒸气云爆炸的伤害风险分析 294.1 巷道内苯蒸气云爆炸的可能伤害 294.2 预

7、防措施 295 总结 315.1 数值模拟过程中的发现和收获 315.2 本课题未来研究方向 31参考文献 33致谢 35II1 引言工业生产过程中,特别是化工和石油化工生产中,可燃性气体得到广泛应用。绝大多数情况下,可燃性气体会密封在密闭空间中,反应器、反应釜、贮罐、管道等装置通常可用来储存或输送这类气体。由于装置设备本身的缺陷或人为因素导致装置内混入空气形成可燃气体混合物而达到爆炸极限,遇引燃源就会发生气体爆炸事故。一旦发生该类事故,就会导致财产损失和人员伤亡。据统计,在石油化工、塑料、橡胶合成及天然气等行业,可燃气体爆燃在事故总数中所占的比例分别高达46%、42%和60% ,而且单次事故

8、所造成的人员伤亡和财产损失也大大高于其它事故1。在工业生产过程中,生产装置常常需要通过管道连接而形成容器管道系统。就单个容器而言,由于受到约束作用,气体爆炸会产生较高的压强和压力增长速率,通常会产生相同条件下装置外蒸气云爆炸更高的压强,以至于很多装置或设备不能承受而造成员伤亡和财产损失。而在容器管道系统中,此类爆炸事故的后果更为严重。11 国内外实验研究进展国外关于单个容器或管道气体爆炸的研究起步较早,已取得了大量的研究成果。如Bartknecht2对封闭容器内的可燃气体爆燃进行了大量的实验研究,探讨了容器体积对可燃气体爆燃强度的影响,提出了立方根定律,该定律已被国际标准ISO6184“Exp

9、losion Protection System”所采用。研究者通过大量实验研究了密闭容器中爆炸发展规律,建立了描述容器内气体爆炸发展过程的理论模型,比较典型的爆炸模型有:等温模型、绝热模型和一般模型3。由于在工业生产中可燃气体爆燃很多是发生在有障碍物的设备内,如塔、反应器等,因此,近些年来,国内外对受限空间内障碍物对气体爆炸过程的影响进行了较多的研究。如Ritsu、Masri对管道内可燃气体爆燃强度进行了研究,定性描述了障碍物形状对爆燃压力的影响。Ibrahim介绍了一套新的实验装置,综合研究了障碍物尺寸、阻塞率以及泄放压力对预混火焰爆燃过程超压的影响。实验设置的是单层障碍物,阻塞率从10%

10、到75%。实验发现,障碍物的阻塞率不同,火焰的形状和传播速度也不同。最大超压通常随着阻塞率的升高而升高。国内研究者通过建立大型的实验管道和实验巷道来研究障碍物对气体爆炸过程的影响。北京理工大学爆炸灾害预防与控制国家重点实验室利用80 m 长水平管道,进行了气体爆炸规律的初步研究,如障碍物对蒸气云燃烧转爆轰的影响4。12 理论研究概况受限空间气体爆炸发展过程较为复杂,建立比较准确的理论模型描述爆炸发展过程是很困难的。由于工程应用的实际需要,研究人员通过各种假设建立了适合于工程应用的爆炸模型,先后提出了等温模型、绝热模型和一般模型5,6。等温爆炸模型比较简单,对受限空间气体爆炸压力和压力上升速率的

11、计算比较粗糙,误差较大。主要是忽略了温度和压力变化对爆炸过程的影响。绝热爆炸模型是在等温爆炸模型的基础上进行的改进,考虑了绝热压缩对气体混合物温度和压强的影响以及压力对燃速的影响,其精确度比等温爆炸模型高。J . Lee 于1985 年通过引进化学反应度提出了密闭容器中爆炸发展的一般模型,该模型较为详细地描述了容器内气体爆炸发展过程的3 个阶段:点火前容器内初始状态,点火后气体燃烧状况和火焰面达到容器壁面的状况。研究者从等容绝热燃烧模式出发,采用球面火焰假设对受限空间气体爆炸进行了研究。如Chippett考虑了球形容器内燃烧状况的影响,通过加入湍流加速因子、燃烧不稳定性因子和火焰面变形系数对容

12、器内气体爆炸过程进行了理论分析,理论计算结果与实验结果吻合较好。Russel在热力学分析的基础上提出了绝热混合模型计算部分填充可燃气体的受限空间内气体爆炸,该模型可以预测产生特定压力所需要的燃料的最小质量。张艳春等运用有效能概念提出了预测封闭容器内可燃气体爆燃最大压力的方法。近年来,随着计算流体动力学的蓬勃发展,国内外研究者采用数值模拟方法对气体爆炸进行了研究。关于受限空间可燃气体爆炸数值模拟研究,国外已进行了大量的工作。国内学者对受限空间气体爆炸也进行了一些数值模拟研究工作。如郭文军利用特征线方法对一维密闭容器中气体爆炸进行了模拟研究,得到了压力和密度等随时间变化的计算数据。毕明树等采用均匀

13、能量释放模型,对管道内气体爆炸进行了数值计算,获得了受限空间气体爆炸压力和压力上升速率。杨宏伟等通过考虑障碍物对爆炸场的附加作用,通过修改方程的源项,建立了湍流加速火焰现象的理论模型,模拟了障碍物和摩擦管壁在三维空间中导致火焰加速的现象。13 本课题研究目标及内容本文拟在前人工作的基础上，通过理论与数值模拟相结合的方法，从温度、超压和冲量三个方面对苯蒸气云爆炸的危险特性进行研究。主要研究障碍物对这三个指标的影响效应，探讨障碍物对苯蒸气云爆燃强度的加强机理，为苯蒸气及其他可燃气体的防爆抑爆提供一定的研究基础。(1) 研究目标运用Auto Reagas软件对巷道内苯蒸气云爆炸的多种可能且具代表性的

14、情况进行模拟。本课题主要从空间大小、有无障碍物以及障碍物的大小多少，即从阻塞比方面进行模拟，以此研究爆压、温度和爆速的变化。(2) 研究内容通过对苯蒸气云爆炸的爆压、温度和爆速改变，科学合理分析这些改变可能对人及环境和设备的破坏，并据此制定出可行的改进方案或提出新的防治措施。14 研究方法评价蒸气云爆炸的方法有很多，比较具有代表性的有TNT当量法、TNO多能法、自相似法、比例缩放方法及CFD（流体动力学数值模拟）方法。几种方法各有优缺点，一般根据实际情况选择使用。1.4.1 经验与理论研究研究蒸气云爆炸的方法有很多，这方面的经验与理论研究工作主要有TNT当量法、TNO多能法、自相似法、比例缩放

15、方法和CFD模拟方法等，几种方法各有优缺，通常视具体情况选择使用。（1）TNT当量法TNT当量法是评价蒸气云爆炸破坏力的典型方法，此法简单方便，适用于灾害风险评价方面，但用以计算蒸气云破坏力时有一些不足：比如忽略了爆源体积、 加快了蒸气云爆能量释放炸速率、对蒸气云爆炸产生的冲击波的强度和衰减考虑的不足，同时TNT当量法没有考虑约束的影响。（2）TNO多能法7针对TNT当量法忽视爆源性质，TNO多能法综合考虑了可燃气体活性、湍流加速、局部约束等因素对爆燃强度的影响，概念清楚，理论上较为合理，该模型经大量的实验结果验证和修正，比较接近事实，但也有一些缺点，如应用上带有较强的主观性。（3）自相似法自

16、相似法以流场分布为研究对象，结束了实验研究只能以有限点进行参数测定的历史。但是该方法在理论上也存在一定不足之处，比如把火焰的传播速度认为是层流传播的速度，而忽略了压力波对速度的影响；另外，该方法也没有考虑障碍物对压力波的影响，只考虑了蒸气云自身的发展，因此自相似法是过度简化了的模型。（4）比例缩放方法这种观点认为，气云的爆炸威力可根据气云的尺寸进行缩放。密闭容器内可燃气体爆燃时升压速度与容器体积之间存在立方根定律，即升压速度与容器体积的1/3次方成反比。例如，以1000m的气云进行爆燃实验，测得压力与距离的关系曲线。对其他体积为V的气云爆燃，按实际气云体积与1000m的比值的1/3次方计算所关

17、心点的当量距离，即req=r(1000v)13然后根据req从测得的1000m气云爆炸的压力关系曲线上查出爆燃压力，如图所示。这种方法把气云爆燃看成为唯一的几何相似，认为气云的最大爆燃压力与气云的具体几何尺寸无关，只是大气云的影响范围更大而已。这显然不太合理，也与实验结果不吻合。（5）CFD(计算流体动力学)模拟方法该方法综合考虑了点火能、蒸气云类别和浓度、障碍物、泄放口等实际情况，这些在预测气云爆炸时是非常重要的。CFD软件可以和GIS系列软件实现链接，一目了然地在地图上显示出冲击波的影响范围，为应急救援提供帮助。原理：建立物理模型和数学模型，设置初始条件和边界条件，选择合适的求解器进行求解

18、。不足之处：模拟时要有准确的数学模型，而有些问题机理尚未完全弄清楚，很难有准确的数学模型。对数学方程进行离散化处理时，需要对稳定性、收敛性等进行分析，而分析方法大部分对线性方程是有效的，对非线性方程则不是十分有效。但是对于复杂度一般的可燃气体爆炸的情况，只要使用正确的湍流和燃烧模型，CFD就可以对爆炸过程进行细致的描述，并可以得到实验过程得不到的细节。1.4.2 研究方法的选择及依据本次课题拟选用CFD法和TNO多能法作为主要理论研究基础，结合Auto Reagas软件进行数值模拟。其原因主要在于该方法相较其他方法对苯蒸气云的适用度较高，对该类型实验的研究更为成熟。同时，CFD法及TNO多能法

19、也是Auto Reagas软件设计时的主要理论基础。本课题的研究对象是苯蒸气，针对的实际环境是巷道。先前有部分学者和研究人员做过类似的可燃气体和空气的混合气在指定的环境中爆炸的研究实验，但综观国内，该种类型实验的总体数量依然不多，其原因主要有以下几点：安全性。此类实验通常研究的是可燃气体与空气混合物的爆燃、爆轰的特性，因此在实际实验过程中隐含着极大的危险性；经费问题。类似的这种大型实验，一般要解决场地问题，以及实验所需的相关的可燃气体、各种感应元件、探测器材、计算机等电子仪器，而且还要耗费大量的人力物力，因此该类型实验通常由国家立项或机构支持，对个人而言难度很大；结论的适用度和准确性。单一的通

20、过实验得出的结论往往具有针对性，同样的结论可能会因为环境的变化而不再适用，因此这类实验达到的结果往往不具备广泛的代表性，在数学上和物理上难以完全准确地描述，在实验上也难以形成规律性结论。尤其对于巷道内时有突发情况的环境，实验的方法显然难以以一概全。鉴于以上原因，考虑到在实际的巷道中进行相关实验更是充满了极大的困难和危险性，所以本文拟在前人工作的基础上，借助Auto Reagas软件，尽量模拟出接近实际的巷道条件，同时对可能发生的苯泄漏情况在软件框定的范围内进行多个参数的模拟，并对最终测得的数据进行组织计算，通过对爆压、爆炸温度、爆速的分析，高度还原苯蒸气云在巷道内爆炸产生的破坏效应，达到最终了

21、解此种危险并预防的主要目的。用Auto Reagas软件进行数值模拟的最大好处就是，既能避免实际的危险性，同时又能综合考虑实际发生的环境变化情况，并可对随时随机的外界变化，分次进行模拟，且模拟结果可信度非常高。15 苯及苯蒸气云的主要物理特性苯（Benzene， C6H6）在常温下为一种无色、有甜味的透明液体，并具有强烈的芳香气味。苯可燃，有毒，也是一种致癌物质。能与乙醇、乙醚、丙酮、四氯化碳、二硫化碳、冰乙酸和油类任意混溶，微溶于水。苯的沸点为80.1，熔点为5.5，易挥发。苯比水密度低，密度为0.88g/ml，但其分子质量比水轻。苯难溶于水，1升水中最多溶解1.7g苯；但苯是一种良好的有机

22、溶剂，溶解有机分子和一些非极性的无机分子的能力很强，除甘油、乙二醇等多元醇外能与大多数有机溶剂混溶，除碘和硫稍溶解外，无机物在苯中不溶解，.苯对金属无腐蚀性。当苯遇热达到沸点形成苯蒸气后，其相对蒸气密度（空气=1）为2.77。蒸汽压（26.1）是13.33kPa，临界压力4.92MPa。苯的最小点火能为0.20mJ，其爆炸上限（体积分数）为8%，爆炸下限（体积分数）为1.2%。1.5.1 贮存方法和应急措施由于苯自身易燃，且沸点较低，所以应贮于低温通风处，远离火种、热源，且与氧化剂、食用化学品等分储。防止阳光直射，库温不宜超30。堆垛不可过高、过大、过密，切忌把整个仓间堆成一个大垛。要留有防火

23、检查、消防施救的通道。管道阀门要密封，灌装时流速不应超过3m/s，而且要有导除静电的接地装置8。在苯储区一定范围内禁止使用易产生火花的工具。同时苯具有一定毒性，所以还应保证存储器物密闭，谨防泄漏致人中毒。苯泄漏时，首先要切断所有火源，戴好防毒面具、胶鞋、手套等，用不燃性分散剂制成乳液刷洗。如无分散剂可用砂土吸收后运到空旷地方掩埋或任其蒸发掉。受污染的地面，要用肥皂或洗涤剂洗刷，洗水经稀释后排入废水系统9。发生苯燃烧时，应该用泡沫、干粉、二氧化碳、砂土等灭火，用水灭火无效。本文主要研究苯蒸气云爆炸方面的内容。此次研究将为巷道以及其他涉及到苯蒸气的工况，在预防苯蒸气云爆炸以及灾后处理等方面提供进一

24、步的思路和基础。2 爆炸的类型、评测手段及影响因素爆炸一直是学术界关注的课题，这方面的研究工作可分为两方面10。一方面用于军事领域，主要研究凝聚相炸药和燃料空气炸药（Fule-Air Explosive，简称FAE）的爆炸威力，开发先进武器。另一方面用于工业防爆，主要研究可燃气体的爆炸威力，以便有针对性地提出防爆措施。关于工业可燃性气体爆炸威力及其防治方面的研究，主要有三大类：一类是研究管道内气体点燃后由爆燃向爆轰的转变过程，从可燃介质中的亚声速和超声速的概念出发，研究爆燃转爆轰的原因和规律；第二类是容器内气体爆炸的强度及安全泄放过程，从热力学原理出发，对容器内气体的爆炸过程进行理论分析与实验

25、研究，确定适宜的爆炸泄放方法和泄放面积。第三类是研究弱点火条件下的气云爆炸过程这正是工业生产中气云爆炸灾害的最一般情况。本文的工作就是针对这第三种情况中苯的蒸气云爆炸进行研究，因此主要进行这方面的文献评述。21 爆炸的基本形式及特点爆炸的分类通常有很多种分类方法，如根据爆炸的能量来源区分，可以分为物理爆炸、化学爆炸、核爆炸；根据爆炸物的相区分可以分为液相爆炸、气相爆炸和固相爆炸等。本课题依据爆炸源本身的体积对爆炸过程的影响程度进行分类，将爆炸源分为理想爆源和非理想爆炸源两类11。2.1.1 理想爆源所谓理想爆源是指点爆炸源。它具有三个关键特征：能量密度大，爆源体积可忽略不计，因此可视为点源；爆

26、炸过程中能量瞬间释放，即点火后的一瞬爆炸压力就达到最大值；爆源区压力高，爆炸产生的的冲击波初始压力可达50MPa量级，爆炸破坏的主要形式是由空气冲击波造成的，破坏作用范围可达对比距离为=50 =r/3W 式中r是据爆源的距离，W是爆源的质量。理想爆源的爆炸场可用相似理论进行计算。凝聚相炸药爆炸和核爆炸是人们最熟悉的理想爆源的爆炸形式。凝聚相炸药在起爆后数微秒内就发展成爆炸的最高形式爆轰。凝聚相炸药的爆炸参数已能精确计算和实验测量。2.1.2 非理想爆源不符合理想爆炸源特点的爆炸源统称为非理想爆炸源。在工业上，有些油气燃料如天然气、苯、汽油等在生产运输和存放过程中因为意外泄露在大气中形成可燃气云

27、，一旦遇到火源就会产生爆炸，从而造成巨大的经济损失和人员伤亡。这种工业可燃性气体爆炸，爆源的能量密度与能量释放速率都远远低于凝聚相炸药，一般烃类气体与空气混合物的燃烧速率为0.41.5m/s左右，如表2.112所列举的常见的一些混合气体的最大燃烧速度。表2.1 各种混合气体的最大燃烧速度混合气 燃料配比（%） 燃烧速度（cm/s） 甲烷-空气 9.9633.8乙烷-空气 6.48 40.1丙烷-空气 4.54 39.0丁烷-空气 3.52 37.9戊烷-空气 2.92 38.5巳烷-空气 2.51 38.5乙烯-空气 2.26 38.6丙烯-空气 7.40 68.3一氧化碳-空气 51.0 4

28、5.0氢气-空气 43.0 270苯-空气 3.34 40.7二硫化碳-空气 2.65 57.0甲醇-空气 12.3 55.0一氧化碳-氧气 77.0 108氢-氧气 70.0 890这种爆炸不能再用点点火源模型进行研究。工业可燃气体爆炸事故大多是由弱点火（点火能量小于100J，苯的最小点火能为0.2mJ）点燃可燃气体引起的，其传播形式大多是以亚音速传播的爆燃波。爆燃波的传播过程很复杂，受环境条件物理因素的影响极大，因此必须采用与凝聚相炸药不同的研究方法和实验手段研究可燃性气体爆炸过程。可燃气体的爆炸具有三个显著特征13：爆源体积不能忽略，且随着爆炸的进行，爆源体积在增大；能量的释放速率有限，

29、逐层燃烧，逐层释放；爆源区压力较低，且与爆源体积有关，通常为几千帕到几百千帕。通常的可燃混合气体的燃烧爆炸，都从属于非理想爆源这一类型。 2.1.3 可燃气云燃烧的基本形式及特点 可燃气体的燃烧爆炸有四种类型：定压燃烧、爆燃、爆轰和定容爆炸14。本文对苯蒸气云爆炸的研究，实际正是建立在可燃气体爆燃这一过程的基础上。（1）定压燃烧定压燃烧属于无约束敞开型燃烧。在该类型燃烧过程中，燃烧产物能及时不断地向后排放，系统压力始终保持与初始环境压力相平衡，是恒定不变的。（2）定容爆炸定容爆炸是燃料混合物在刚性容器中，均匀地同时点火时所发生的燃烧过程。显然该模型属于理想模型，实际情况下很难做到同时均匀地点火

30、，最一般的情况是在局部点火，然后燃烧逐渐扩展到整体。由于爆炸过程十分迅速，密闭容器中局部点火所形成的参数与定容爆炸几乎相同，因此可用定容爆炸模型来处理。在此过程中，容器体积保持不变，混合气体密度也随之不便，容器内压力随释放的化学能的增加而增加。通常在密闭空间内的混合气体一旦着火，火焰便在整个容器内迅速传播，使整个容器中充满高压气体。内部压力在短时间内急剧上升，但如不形成爆轰的话，其最高压力一般不超过初压的10倍15，对大部分烃类空气混合气体，在化学计量浓度下定容爆炸的压力大约为初始压力的78倍，苯与空气的混合气体爆炸最大压力不超过900KPa，以下表2.2是几种常见气体的最大爆炸压力。表2.2

31、 几种常见混合气体的最大爆炸压力名称 Pmax(KPa)名称 Pmax(KPa)氢甲烷己烷乙炔乙烯7407208701030890苯900一氧化碳730标准汽油850城市煤气700乙醇 750如果气体燃烧过程中，火焰遇到约束，或者由于扰动而使火焰在预混气体中逐渐加速，则会建立起一定的压力，形成压力波，这样的过程称为爆燃，爆燃产生的压力远比预混合气体在密闭容器中燃烧产生的压力低得多。（3）爆燃可燃气云燃烧一般的发展情况都是爆燃。爆燃是一种带有压力波的燃烧，火焰以亚音速传播，压力波则以当地音速向前传播，行进在火焰阵面之前，也叫前驱冲击波，冲击波引起的超压变化范围为几千帕至几百千帕之间。因此，爆燃是

32、由前驱冲击波和后随火焰阵面构成的。开敞空间可燃气云的爆炸过程通常属于爆燃过程。以亚音速传播的火焰阵面前方有前驱冲击波扰动，即火焰在已被扰动的介质中传播，从而形成两波三区结构16，如图2.1所示。两波即为冲击波与火焰面，它们把整个流场分为三个区域，0区为可燃混合气的初始状态；1区为前驱冲击波通过后的状态，为已扰动区；2区为火焰面通过后的状态。2区1区0区e2、p2、2、u2C2、T2、r2Df e1、p1、1、u1C1、T1、r1Ds e0、p0、0、u0C0、T0、r0爆燃波阵面前驱冲击波阵面e-比内能；u-粒子速度；C-音速；-等熵指数图2.1爆燃过程的两波三区结构爆燃过程的研究工作较复杂，

33、是因为爆然过程是不稳定的燃烧波传播过程，在不同的条件下，其发展结果也是不确定的。如果排气及时则可使冲击波减弱，直至冲击波消失，演变为定压燃烧；相反如果爆燃的约束增强，火焰加速，直至火焰阵面赶上前驱冲击波阵面，火焰阵面和冲击波阵面合二为一，成为一个带化学反应区的冲击波17，就转变为爆轰。此外，由于爆燃过程火焰以亚音速传播，所以外界环境对爆燃过程有较大的影响。如果爆燃过程受到强烈干扰，火焰逐渐加速并赶上前驱冲击波，即火焰阵面与压力波阵面重合，形成了爆轰波。爆燃过程所产生的爆炸波和爆炸场既不具有解析解，也不能再用点源爆炸模型。（4）爆轰爆轰是气体燃烧的最高形式，与爆燃相比，是完全不同的燃烧模式。爆轰

34、波只具有一区两波结构，一波为带化学反应的冲击波，它把流场分为已燃与未燃两区。爆轰波相对于波前反应区来说是超音速传播的，它把流场分为已燃与未燃两区。爆轰波相对于波前反应物来说是超音速传播的，其典型速度为每秒几千米量级。烃类气体与空气混合物的爆轰速度大多在18002000m/s，爆轰压力在1.5MPa量级，纯氧中爆轰压力可提高一倍左右18。慢速爆燃模式很容易实现，只需用一个很弱的点火源点火即可。例如只要用零点几毫焦的电火花源就可引起爆燃。而对于大多数燃料/空气混合物，直接激发爆轰需要大约103106J的起爆能量。在适当的条件下，爆燃可以突然转变为爆轰。在实际情况下，有很多因素可使爆燃加速到爆轰状态

35、。例如，管道内，火焰行进通道上连续布有障碍物，且管道够长，就能使火焰连续加速，爆燃就可能转成爆轰19。表2.3是爆轰与爆燃的区别与联系。表2.3爆燃和爆轰的区别与联系爆燃爆轰相同点1.都属于带有化学反应的波；2.化学反应波的反应区比较窄，且一经发生，在反应区内以占化学反应波形式，按一定方向和速度，一层一层地自动传播进行；3.基本守恒方程相同;4.爆燃和爆轰过程均包含流体动力学过程和化学反应动力学过程;5.发生的基本条件相同:(1)有合适浓度的可燃气体;(2)有合适浓度的氧气;(3)有足够能量的点火源不同点传播形式爆燃波（两波三区结构），波阵面前后压力和密度变化较小爆轰波是一个强冲击波，波后能形

36、成高温高压状态传播速度每秒几十米到几百米，但不超过其传播介质的音速103-104m/s数量级，远远大于气体的声速传播持续机理化学反应区放出的能量通过热传导、辐射和气体产物的扩散传入下一层气体，激起未反应气体进行化学反应，使爆燃持续进行化学反应区放出的能量以压缩波的形式提供给前驱冲击波，维持前驱冲击波的强度，然后籍助于前驱冲击波的冲击压缩作用用激起下一层气体进行化学反应使爆轰持续进行压力反应产物的压力通常不高反应产物的压力较高，向四周传出压力波，有强烈的力学效应影响因素对周围未燃气体的扰动十分敏感，火焰前方未燃气体流动状态越紊乱，火焰面越卷面，火焰传播速度越快基本不受外界条件的影响可燃气云发生爆

37、轰则较为困难，需要有局部密闭或形成湍流加速条件，或外加强刺激源才有可能使爆燃转变成爆轰。通过以往气云爆炸事故分析，实际发生爆轰的情况极少，常见的形式是爆燃。22 爆燃波破坏效应的评测手段可燃气云爆燃的破坏能力，即爆燃强度，是一个很复杂的概念。用什么参数来衡量爆燃波的破坏效应，这是一个很重要的问题。正如材料力学中强度理论的屈服准则，爆炸力学中的临界冲击起爆准则，也是一个相当复杂的评价准则问题。可燃气云本质上是一类预混燃烧，可燃气云爆燃的破坏力来源于爆燃过程中产生的冲击波和火焰阵面二者破坏力之和20。在过去的研究中，爆燃的温度变化范围通常不大，多在1800K2600K之间，可近似看做确定的量。而在

38、爆燃过程中由火焰锋面加速造成的冲击波引起的破坏一般来说要比随后火灾的破坏更严重，因此这不仅是过去的研究者比较关注的方面，这也是本课题最关心的问题。从图2.2所示的爆炸成灾模式图可以看出，任何一种特定的破坏曲线(等破坏曲线) 都可以分为3段，即超压破坏段、动态破坏段和冲量破坏段。图2.2 爆炸成灾模式图在超压破坏段，决定物体发生破坏变形的仅仅是最大超压值。在动态破坏段，结构物的破坏取决于超压与冲量的联合作用。在冲量破坏段，施加于结构物的冲量是最重要的指标。尤其是对“可燃气云爆燃来说，爆燃过程最大超压较凝聚相爆炸小，但是作用时间长，冲量大，从而对结构物造成极大的危害” 21。2.2.1 超压准则目

39、前，评价冲击波强弱的常用指标为超压p，它是实测压力与大气压之间的压力差。对建筑物构件以及各种有生力量(动物等)的爆炸破坏或毁伤试验数据指出，只要爆炸波的超压p达到一定值，便会对这类目标构成一定程度的(某一等级的)破坏或损伤。 表2.422为冲击波超压可能造成的破坏效果。但这个准则只适用于凝聚炸药点源爆炸的特定情况。不同的爆炸源，同样的超压具有不同的破坏效应。对于事故爆炸，像常见的气体或粉尘爆炸，同样的超压具有的破坏效应比凝聚炸药更大。即使是同一类爆炸源和同样的超压，即同一对比距离R=R/3W，大药量的破坏效应比小药量爆炸的破坏效应更大。可见，超压准则的一个致命弱点是它只考虑峰值超压，不考虑超压

40、作用的持续时间，因而它失去了普遍意义。表2.4爆炸超压对结构及人员的破坏作用到达结构或人体表面时的超压p/kPa完全毁坏 严重毁坏 中等毁坏 轻度毁坏 轻微毁坏钢筋混凝土建筑 80100508030501030310多层砖建筑 20402030102051035少层砖建筑 35452535152571535木建筑物 203012208125835工业钢架建筑物 50803050203052035死亡致命伤重伤中伤轻伤人员骨折、内出血内伤、耳聋内伤、耳鸣40060010050100305020402.2.2 冲量准则压作用时间。实践表明，不同的爆炸源有不同的脉冲波形，同样冲量值产生的破坏效应也显

41、著不同。2.2.3 超压-冲量准则20世纪70年代，美国海军武器实验室(NOL)和弹道研究实验室(BRL)经过大量实验和理论研究，逐步形成了一套超压-冲量破坏准则模型。爆炸波“等破坏模型”是Sperrazza首先提出的，他认为爆炸波的破坏作用可以从目标性质、毁坏水平、爆炸波压力及爆炸波总冲量四个参量上体现出来，并将它们作为特征值，对爆炸波的破坏作用进行了较为客观且全面的评价。23 影响苯蒸气云爆炸强度的主要因素气云爆炸事故中最常见的形式是爆燃，“即燃烧波相对于未燃烧气体以亚音速传播”，一般情况下不会演变为爆轰。苯蒸气云爆炸作为气云爆炸类型中的一种，其气云爆炸超压的大小主要受以下六点因素的影响。

42、（1）苯蒸气的气体活性通常气体爆炸的发生几率和爆炸瞬间产生的破坏结果很大程度上取决于反应气体的活性。气体反应活性越强，则分子扩散速度越快，进而爆炸产生的火焰燃烧速度越快，爆炸超压值越大。产生爆轰的可能性也随之增大。到目前为止，还没有关于可燃气体爆炸的明确分类标准，一般根据可燃气体的活性定性地分为三类，见表2.5，从表中可知，本文研究的对象苯蒸气具有高反应活性。表2.5可燃气体反应活性的分类反应活性 可燃气体低反应活性 氨甲烷氯乙烯中反应活性 乙烷丙烷乙烯n-丁烷高烷烃高反应活性氢乙炔苯（2）苯蒸气的密度可燃气体的密度对气云的形成有很大影响。密度比空气小的可燃气体在空气中将向上漂移，并在上升过程

43、中逐渐稀释，而相对空气密度较大的可燃气体则会进入隧道、沟槽及其他一些受到限制的区域，容易下沉聚积在地面上形成很大的气云。由苯的相对蒸气密度为2.77可知，苯蒸气在进入空气后易向地面移动，因而潜在的危害也就更大。（3）气云的均匀程度可燃气体在泄漏过程中，其扩散过程和与空气混合的过程是同时进行的，因此形成的气云一般不太均匀，只有经过较长时间，才能产生均匀的气云。一般来说，非均匀气云爆炸产生的压力其超压值小于均匀气云爆炸产生的超压值。（4）点火能量点火能量对开敞空间气云爆炸形式有重要影响。一般气云所要求的最小点火能量很低，像甲烷、乙烷等烷烃类可燃气体的最小点火能量通常在亳焦数量级，像前面介绍的苯的最

44、小点火能仅为0.20mJ。当点火能量不太大时，即只要保持气云不产生爆轰的情况下，点火能量对气云爆炸压力的影响很小。（5）气云尺寸及其位置气云尺寸对爆炸压力的影响比较复杂。“由于对气云爆炸压力的研究始于与TNT炸药的比拟，所以早期结果均认为气云尺寸对气云最大爆炸压力无影响，只是影响范围更大”,但已有实验表明，气云尺寸越大，相同对比距离处的爆炸超压值也越大。若气云是在有障碍物或者有外部约束的区域形成的，则它爆炸产生的超压值要增大，它潜在的危害就要大得多。（6）初始压力与温度初始压力与温度对气云爆炸压力也会产生很大影响。初始温度越高，越有利于可燃气与大气之间的扩散，同时也加速了可燃气云的形成，并且形

45、成的可燃气云也越均匀，爆炸超压也较大。碳氢化合物-空气混合物的火焰速度Su随初始温度T0的升高而增加，随初始压力的增加而减小，通常可表示为SuT02p0-0.5而燃烧速度越大，爆炸超压与初始压力的比值也越大，因此爆炸威力也越强。3 苯蒸气云爆炸的数值模拟研究本课题的主要研究手段是数值模拟，运用的主要软件是ANSYS AutoReaGas软件。31 计算流体动力学软件20世纪90年代，英国Century Dynamics公司和荷兰TNO联合开发了模拟气体爆炸的专用软件包AutoReaGas，该软件包括气体爆炸和爆炸波两个计算部分，主要用来模拟气体爆炸与由此引发的冲击波效应23。专门针对非常拥塞（

46、如工程管道和设备）和限制（如建筑结 构和通风口等）的场所设计，这些场所对燃烧加速有着很重要的影响，从而引起超压。重要的是：AutoReaGas的可靠性已经得到了验证，在著名的BFETS测试中，仿真预测与试验结果吻合得很好。气体爆燃在数学上模拟为有黏性完全气体的受热膨胀。气体动力学可用质量、动量和能量守恒方程表示。以下是AutoReaGas对模拟结果计算处理的主要数学模型，在笛卡尔坐标系下分别为：质量守恒方程 （1）动量守恒方程 （2）能量守恒方程 （3）燃料组分守恒方程 （4）湍流用模型来描述。 （5） （6）上述公式中， （7）湍流燃烧模型 （8）式中，Rc燃烧反应率，（kg/m3）/s;S

47、t湍流燃烧速度，由Bray（1990）实验的经验关系式得出；Dfu燃料组分的湍流扩散系数；Ct湍流模拟常数；密度，kg/m3；ui坐标轴方向上的湍流速度，m/s；P静压，Pa；E能量，J；k湍流动能，J；湍流动能的耗散率；mfu燃料质量分数；湍流黏性系数，m3/s；Rfu体积燃烧速率，m3/s；输运特性的湍流耗散率数；T温度，K；输运特性的湍流普朗特数；克罗内克算子；t时间，s；i，j坐标方向；C1，C2常数。湍流强度u、特征长度Lt与k和关系式为 （9）求解以上方程应用有限体积法进行计算。3.1.1 模型概述及初始条件设定巷道设计为矩形截面，尺寸设置为2m2m40m，主要依据煤矿安全规程20

48、10版24中巷道尺寸设计部分，其中宽、高皆选用2m，理由是2m几乎是巷道宽高尺寸的最小值，选取一段连续巷道的长度为40m的原因在于，规程规定“必须在巷道的一侧设置躲避硐，2个躲避硐之间的距离不得超过40m”，根据先前学过的知识，空间的狭小和较长的发展管道都能促进蒸气云爆炸的发展，此时蒸气云爆炸的破坏力必然更大，因此据此得到的结果也更有实际参考价值。模拟的可燃气云是苯空气混合物，苯的浓度都为1.75%，充入气云体积都为2m2m10m（从封闭端开始充入），基于实际情况中巷道通常不可能完全封闭，因此在考虑时，将巷道模型设置为一端开口。数值模拟的假设条件：冲击波区域内的介质均为完全理想的气体；如果冲击

49、波源的燃烧能量和强度是已知的，那么在网格中的冲击波源就能定义为与冲击波源的能量匹配的爆炸压力空间的维数；如果冲击波的超压，持续时间、形状已知，那么在计算区域左边界处(Z=0)整个气体动力学过程就能描述为时间的函数；AutoReaGas 中，如果冲击波源是由气体爆炸模式模拟而得出的结果，那么在爆炸模拟的结尾，则每个单元的流体动力学特性能够被重新的写入到冲击波处理单元中以形成初始冲击波源。本次模拟共有四组模型，分别为：（1）无障碍物，一端开口；（2）有3个障碍物（小，每个尺寸为1m1m1m），一端开口；（3）有3个障碍物（大，每个尺寸为1.5m1.5m2m），一端开口；（4）开敞空间（尺寸设定为2

50、0m20m40m，足够大），无开口、无障碍物。前三组的模拟环境是巷道，点火源均设置在坐标（1m，1m，1m）处，球形起爆；开敞空间的点火位置也设置在相同的云团位置处，点火方式与前三者保持一致。32 苯蒸气云爆炸的物理模型和参数曲线3.2.1 无障碍物、一端开口模型该模型为一端开口无障碍物模型，网格化分为4480，共有1280个网格。每个网格对应实际大小为0.125m，气云从与开口相对的封闭端充入，充入体积为2m2m10m，点火位置在气云的一边，观测点设为沿Z轴方向（从1米开始到39米结束）在模型正中，即贯穿模拟巷道X-Y平面的中心位置，以2m为间隔的20个观测点，通过精细的网格划分和多观测点设

51、置，以此来探究一般情况下苯蒸气云在类管道内燃烧爆炸其超压、爆速和温度的变化以及对坏境可能造成的损坏。模型和观测点如图3.1。图3.1 无障碍物、一端开口模型及观测点3.2.2 有障碍物（VBR=0.075）、一端开口模型该模型为一端开口，有三个尺寸相同（每个障碍物的模拟尺寸为1m1m1m），间距9m依次延Z轴排布，网格化分为4480，共有1280个网格。每个网格对应实际大小为0.125m，气云从与开口相对的封闭端充入，充入体积为2m2m10m，点火位置在气云的一边，观测点设为沿Z轴方向（从1米开始到39米结束）在模型正中，即贯穿模拟巷道X-Y平面的中心位置，以2m为间隔的20个观测点，以此来探

52、究障碍物对苯蒸气云爆炸发展过程的影响，苯蒸气云在巷道内燃烧爆炸其超压、爆速和温度的变化以及对坏境可能造成的损坏。模型和观测点如图3.2。图3.2 有障碍物（VBR=0.075）、一端开口模型3.2.3 有障碍物（VBR=0.3375）、一端开口模型该模型为一端开口，有三个尺寸相同（每个障碍物的模拟尺寸为1.5m1.5m2m），间距8m依次延Z轴排布，网格化分为4480，共有1280个网格。每个网格对应实际大小为0.125m，气云从与开口相对的封闭端充入，充入体积为2m2m10m，点火位置在气云的一边，观测点设为沿Z轴方向（从1米开始到39米结束）在模型正中，即贯穿模拟巷道X-Y平面的中心位置，

53、以2m为间隔的20个观测点，以此来探究增加阻塞率对苯蒸气云爆炸发展过程的影响，苯蒸气云在巷道内燃烧爆炸其超压、爆速和温度的变化以及对坏境可能造成的损坏，模型和观测点如图3.3。图3.3有障碍物（VBR=0.3375）、一端开口模型3.2.4 开敞空间无障碍物模型该模型为全封闭（空间相对来说足够大）无障碍物模型，属开敞模型，网格化分为404080，共有128000个网格。每个网格对应实际大小为0.125m，为保证与受限空间各组数据的可比性，依然从该模型一端正中位置，充入体积依然为2m2m10m，点火位置保持与上述模型一致，观测点依然设为沿Z轴方向（从1米开始到39米结束）在模型正中，即贯穿模拟巷

54、道X-Y平面的中心位置，以2m为间隔的20个观测点，以此来探究开敞空间苯蒸气云爆炸其超压、爆速和温度的变化以及对坏境可能造成的影响，模型和观测点如图3.4。图3.4 开敞空间无障碍物模型33 数值模拟结果及分析本课题的预设环境为巷道，模拟情形近似类似于以往的可燃气体-空气混合气在管道中的燃烧爆炸。由于在模拟中，苯蒸气与空气的混合气燃烧爆炸后，其冲击波与火焰皆主要是沿着坐标系中的Z轴，从点火端向另一端传播，通过多次的模拟及结果观察分析，沿X、Y轴传播的超压值范围在几百帕到几千帕之间，相对来说产生的破坏影响很小，几乎可忽略。而沿Z轴传播的火焰速度及超压变化、温度等都有很大的峰值及变化，这也是实际中

55、最能对环境和人员造成破坏和损伤的因素，对这一部分的研究也最具意义。所以本文主要对Z轴方向的蒸气云爆炸产生的超压值、温度和爆速等一系列参数变化进行研究分析。3.3.1 数值模拟结果通过综合考量和对比，最终选取了第18观测点，作为各方数据的采集点。以下是该点处各数据的综合对比。（1）四种情形下，18观测点处的超压值情况，如图3.5所示。图3.5 超压值对比（2）四种情形下，18观测点处的温度对比，如图3.6所示。图3.6 温度对比（3）四种情形下，18观测点处沿Z轴火焰传播速度，如图3.7所示。图3.7 火焰沿Z轴传播速度3.3.2 障碍物对爆燃超压的影响图3.5为苯浓度为1.75时，在无障碍物、

56、有障碍物（VBR=0.075）、有障碍物（VBR=0.3375）和开敞空间下18测点的超压时间曲线。由图像从时间顺序上看4种情况下首次出现最大峰值，可以看出有障碍物（VBR=0.3375）的情形，第一个出现爆燃波正超压最大值，发生在0.18s时，最大值约为5.8105Pa，之后在025s时，首次出现负超压，在0.25s0.78s之间正负超压交替出现，但正超压峰值始终大于负超压峰值；第二达到正超压峰值的情形是有障碍物（VBR=0.075），其最大正超压发生在0.19s时，最大值约为5.1105Pa，以后的发展情形与前者基本相同，都是正负超压交替出现，总体正超压峰值均大于负超压峰值；无障碍物情形是第三个出现正超压最大值的，发生在0.2s时，最大值约为4.5105Pa，但是该情形下的曲线在后续发展中正负超压交替出现的频次增加且整体呈现规律的衰减，