火场条件下相邻汽油罐油蒸汽泄漏及爆炸规律

油库发生火灾时,临近的油罐内汽油受热形成油蒸汽从呼吸阀泄出,泄漏的油蒸汽与空气混合易点燃,易引起燃烧爆炸事故。本文中以容积为5 000 m^3(22 m×13 m)的汽油罐泄漏油蒸汽为研究对象,以数值模拟为研究方法,研究了汽油蒸汽泄漏及爆炸规律。研究发现:在距地面高1 m的平面上,当无风且呼吸阀泄漏油蒸汽速率为0.25 m/s时,距该罐中心50 m以外就可视作安全区域;当呼吸阀泄漏的油蒸汽速率为0.25 m/s时,风速达到5.0 m/s及以上,不易积聚成爆炸油蒸汽;当无风时,呼吸阀泄漏油蒸汽的速率增大1个量级,油蒸汽积聚达到爆炸下限1/2所需时间缩短2个量级;当风速为3.0 m/s、呼吸阀泄漏油蒸汽速率为0.25 m/s、泄漏时间为200 s、着火点距罐壁1 m时,距点火源距离增大1个量级,超压峰值下降1~2个量级。     

井喷失控气云爆炸的3维数值模拟

基于K- 模型和改进的EBU 模型,考虑甲烷-空气混合气云形成过程,建立了井喷失控甲烷喷射 流扩散及混合气云爆炸的理论模型,选用SIMPLE方法求解差分方程,模拟甲烷-空气混合气云形成过程,分 析了不同点火点对混合气云爆炸影响程度。结果表明,点火点方位及点火点所在气体体积分数对气云爆炸都 有明显的影响,点火点越靠近气云中心和所在甲烷体积分数越高爆炸效果越强,最后为井喷失控人工点火提 出了合适的点火方位。     

具有体积分数梯度的连通装置甲烷-空气爆炸特性数值模拟

为了研究具有体积分数梯度的连通装置内甲烷-空气爆炸特性,以60 L圆柱体容器和20 L圆柱体容器通过3 m长,截面为0.035 m×0.035 m的方形管道而连接形成的容器管道连通装置作为研究对象,利用Fluidyn软件对均一体积分数的连通装置以及具有体积分数梯度的连通装置中甲烷-空气爆炸的特性进行了数值模拟。结果表明:连通装置中甲烷的均一体积分数为6.517%～8.067%时,并由大容器中心点火工况时,最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最高温度和最大速度,以及这些爆炸参数达到最大值时的时刻值随体积分数的变化约呈线性关系;连通装置大容器甲烷体积分数6.0%体积分数梯度为2.0%～8.0%且大容器中心点火时,最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最高温度和最大速度随体积分数梯度总体上呈现先增大后减小趋势;大容器中心点火时,最大爆炸压力位于小容器,最大压力上升速率位于管道1或管道2,最大速度位于管道3,速度值可达400～600m/s。本研究可为连通装置内可燃气体爆炸事故防控提供理论指导。     

密闭空间油页岩粉尘爆炸特性研究

为探究油页岩粉尘的爆炸特性,以龙口（Longkou, LK）、茂名（Maoming, MM）、桦甸（Huadian, HD）和抚顺（Fushun, FS）4种油页岩粉尘为研究对象,采用20 L球形爆炸装置,对这4种油页岩粉尘样品开展系统的爆炸实验,探讨油页岩粉尘的粉尘云质量浓度、粒径、挥发分、灰分、氧含量等对其爆炸特性的影响。结果表明:挥发分含量越高,油页岩粉尘的最大爆炸压力p_max、最大压力上升速率(dp/dt)_max越高,爆炸下限越低;挥发分和灰分对油页岩粉尘云爆炸分别有显著的促进和抑制作用。在37.52～106.43 μm粒径范围内,这4种油页岩粉尘样品的p_max和(dp/dt)_max均随其粉尘粒径的增大而降低,且到达最大爆炸压力的时间逐步缩短,说明小粒径油页岩粉尘较高的脱挥发速率能提高爆炸的反应程度。当粉尘质量浓度在400～2 500 g/m3范围内时,p_max和(dp/dt)_max均随粉尘云质量浓度的升高呈现先升高后降低的变化趋势,高于最佳粉尘云质量浓度（1 000 g/m3）时略有下降,但维持在较高水平,表明超过最佳质量浓度的粉尘云引燃后仍有较强的破坏力;LK样品的p_max和(dp/dt)_max均最高,分别为0.61 MPa和29.32 MPa/s,与挥发分含量相当的褐煤在同一水平,其爆炸下限为200 g/m3,在4种样品中最低,高于挥发分含量相当的褐煤;在N₂惰化条件下,LK样品的p_max和(dp/dt)_max均随环境氧含量的降低而降低,当氧含量降至15%时,系统不再发生爆炸,极限氧含量为16%。     

柱形罐爆炸碎片抛射的Monte-Carlo分析

在动力学分析的基础上,将二维体系内的碎片轨迹方程扩展到三维体系内,将风这一影响因素考 虑在内。以墨西哥事故中水平圆柱储罐发生沸腾液体扩展为蒸气云爆炸(BLEVE)为例,利用Monte-Carlo法 模拟出碎片的轨迹曲线,计算得到有风和无风情况下碎片抛射距离的概率分布,得到一般情况下风对碎片危 害的影响较小。计算了无风情况下碎片碰撞目标容器的概率,得到碰撞概率随罐间距的增大而呈现严格的指 数衰减趋势,通过此关系式可以计算出符合安全要求的罐间距。研究结果对于提高储罐的安全性、缓解和控 制碎片产生的风险具有一定的指导意义。     

多孔材料下气体爆炸转扩散燃烧的特性研究

为分析多孔材料对预混气体爆炸特性参数的影响效果,采用自主搭建的爆炸实验平台,探究不同孔隙度和厚度的多孔材料对当量比为1的甲烷/空气预混气体爆炸的作用行为。实验研究表明,不同孔隙度的多孔材料对爆炸火焰和超压具有促进或抑制两种不同的影响。孔隙度较小时,爆燃火焰传播速度随着材料厚度的增大而降低,并在厚度较大时,火焰有短暂的传播延时现象。孔隙度较大时,预混火焰冲击多孔材料时发生淬熄,但随后一段时间内,由于负压抽吸作用,在已爆区域一侧的材料表面产生扩散燃烧现象,且扩散燃烧程度与材料厚度成反比关系。多孔材料的固相结构能降低压力的泄放效率,同时可吸收能量,进而提高爆炸超压的上升速率,降低超压峰值。当每英寸长度孔数δ=10的多孔材料促进火焰传播时,与当量比为1的预混气体爆炸相比,超压峰值最大可提高约2倍,造成更严重的后果。火焰冲击δ=20的多孔材料时发生淬熄,最大超压衰减可达47.17%,δ=30时最大超压衰减了24.62%。     

开敞空间液化天然气泄漏低温扩散及爆炸传播规律

低温可导致人员冻伤及物品脆裂,气体爆炸传播规律是爆炸演化过程和事故分析的基础。采用数值模拟方法,研究液化天然气大面积泄漏汽化过程、甲烷与空气混合过程及爆炸传播过程。结果表明:随着扩散距离的增大,低温区域的温度谷值升高,且升高趋势变缓;在距泄漏源中心110 m范围内,温度低于273 K;随着风速的增加,温度谷值呈线性下降;随着泄漏时间的延长,温度谷值降低,且下降趋势变缓;随着距泄漏中心距离的增加,爆炸后超压峰值先升高后降低;在距泄漏源中心200 m范围内,爆炸产生的高温会对人员造成伤害。     

环境温度对瓦斯爆炸压力及压力上升速率的影响

针对不同环境温度对瓦斯爆炸压力及最大压力上升速率的影响进行实验。研究表明,在其他条件不变的情况下,随着环境温度的增加最大爆炸压力逐渐减小,且最大爆炸压力与环境温度的倒数呈现线性衰减规律;随着环境温度的升高,化学反应速率增加,爆炸压力达到峰值所需的时间减少;瓦斯气体的最大压力上升速率随环境温度的升高呈非线性变化规律,在环境温度为298~473 K的范围内,最大压力上升速率基本不变。这些规律性的结论可为防治矿井瓦斯爆炸事故和煤层气的安全利用提供理论基础。     

催化重整单元氢气气团爆炸超压分析

基于计算流体力学分析软件(FLACS),以催化重整反应单元为例建立事故模型,研究不同形状障碍物、泄漏位置,对不同泄漏时间和泄漏监测点的氢气爆炸超压的影响情况。通过研究,建立了与气体燃烧热与爆炸监测点距气团中心距离相关的最大爆炸超压模型。研究结果表明,在研究设计的遮挡物条件下,气体爆炸最大超压与折合距离在对数坐标系中均呈近似线性关系;对于不同的遮挡物,爆炸超压模型需进行修正;在反应器中部发生的事故场景,泄漏5min后最大爆炸超压明显增大。     

地下爆炸气体输运的一种双孔隙度数学模型

考虑气体在压力驱动下的渗透、气体和岩体的热传导以及气体的扩散,建立了用于模拟地下爆炸气体输运的二维轴对称双孔隙度双渗透率数学模型,并编制了数值模拟程序;研究了参数在取值范围内变化对计算结果的影响。结果显示：泄漏到地表的气体随着裂隙区域圆心角的增大而先增大后减小,随裂隙渗透率的增大而增大,随介质孔隙度和孔隙渗透率的增大而减小。用该模型对一次砂砾岩中地下爆炸实验气体的泄漏行为进行了数值模拟。将数值模拟结果与气体泄漏实测结果进行对比,反推出当地介质的裂隙渗透率在4×10^-11 m2～5×10^-11 m2之间。利用反推得到的介质参数,可以对同类介质中地下爆炸气体泄漏行为进行预测。     

浮顶式储油罐的爆炸冲击失效

通过模型实验与数值模拟结果对比,探讨了浮顶油罐在可燃蒸气云爆炸冲击作用下的变形过程和破坏机理。研究发现,罐体失稳破坏的主要原因与爆炸冲击波和油罐内液体的复合冲量作用有关,在爆炸冲击作用下浮顶油罐模型产生剧烈振动,迎爆面上部罐壁形成动应力集中现象,最终导致罐体失稳并产生内凹动力屈曲破坏。     

城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的灾害效应(Ⅱ):影响因素分析及后果评估

为系统地评估城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的灾害后果,利用FLACS软件模拟得到了可燃气体的爆炸荷载,并分析了该灾害对建筑物破坏和人员伤害的危险距离及影响因素。结果表明:当点火位置靠近管沟中间位置时,超压峰值和危险距离较大;泄爆口的大小对危险距离的影响不大,而对离泄爆口较近处的超压峰值影响较大;气云长度越长,超压峰值和危险距离也越大,但增幅逐渐减小直至不变;管沟的横截面面积越大,超压峰值和危险距离也越大;为避免造成严重的灾害后果,高耸建筑物和密集人群应远离泄爆口。     

模拟立式拱顶油罐内油气爆炸实验研究

为探究立式拱顶油罐内油气体积分数、点火位置和液位对爆炸超压特性参数与火焰发展的影响规律,开展了一系列的实验研究,得到以下结果:（1）1.7%是任一工况下的最危险油气体积分数,内场超压发展都可以分为超压上升、超压泄放和振荡衰减3个阶段。爆炸过程中CH、C₂、OH等自由基的生成和空间分布,使得不同初始油气体积分数下或不同爆炸阶段的火焰呈现不同的颜色变化。（2）点火位置对油气爆炸超压特性参数的影响较大,位置越靠下,爆炸威力越大。罐底中心点火时,内外场平均升压速率取得最大值,分别为0.46和0.05 MPa/s。（3）液位变化对油气爆炸内外场超压的影响较大,油罐侧壁上部位置点火时,50%液位是最危险的液位。任意液位下外场超压随比例距离的增大都呈现幂指数衰减规律,不同液位下油气爆炸外场冲击波超压峰值与距离和油气混合物体积的关系可以用一个公式统一表示。相比于气相空间,液相空间的超压变化具有延后性、负压增强和振荡衰减更快的特点。     

油箱明火烤燃燃爆特性实验研究

车辆在遭遇事故或高温天气时容易起火自燃,车辆油箱可能发生爆燃,威胁人员的生命安全。为研究装有油料的油箱在明火烤燃下的燃爆特性,采用摄像机、红外热成像仪和热电偶对油箱在烤燃过程中喷射火焰的表面温度和尺寸以及油箱内部温度进行测试,以76L油箱为研究对象,对比不同密闭条件和填充情况下油箱的燃爆特性。实验结果表明:油箱在出油口关闭、未填充抑爆材料时,易发生爆炸,烤燃产生的爆燃火球表面最高温度在1800K以上,火球体积约为油箱体积的1600多倍;油箱内填充抑爆球可使喷射火焰的最高表面温度和尺寸显著降低;在相同条件下,油箱内柴油蒸气的平均升温速率比汽油蒸气低36.0%,最高温度低16.2%。     

高瓦斯矿发火区封闭时对瓦斯爆炸界限因素的影响

针对高瓦斯矿发火区封闭时常发生瓦斯爆炸事故,对影响瓦斯爆炸界限的因素进行实验,探索温度、压力、可燃气体(CO)、惰性气体(N2和CO2)等条件对瓦斯爆炸界限的影响规律。得出常温常压下瓦斯爆炸的体积分数下限为5%,瓦斯爆炸上限为13.5%,以及CO2的惰化效果比N2更好的结论。根据实验数据绘制混合气体的爆炸三角形,并进行新的惰化分区划分,不仅为火区封闭时防治瓦斯爆炸提供新的技术途径,而且能计算出使火区惰化时,所需惰性气体量,可对这些因素进行合理控制,有效地降低瓦斯爆炸危险性。     

氮气喷出对管道瓦斯爆炸的阻爆研究

为探究喷出氮气对瓦斯爆炸火焰传播的抑制能力，设置三种氮气喷头布置方式来进行阻爆实验，采用的氮气喷出压力有0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 MPa，爆炸开始后喷射氮气，爆炸结束后氮气立刻关闭。结果表明，单喷头距泄压口20 cm时，各压力下喷出的氮气都未能阻爆，但火焰在整个管道内的平均传播速度随氮气压力增大而减小；单喷头距泄压口35 cm时，喷气压力0.5 MPa下成功阻爆，其他喷气压力下未能阻爆；双喷头喷气时，喷气压力0.3、0.4、0.5 MPa情况下都能够阻爆，且喷气压力越大，火焰被阻止的位置越靠前。阻爆的实现，需要氮气在阻爆位置将管道截面上的预混气稀释到可燃极限以下，因而氮气量是影响稀释的重要参数。单喷头时，喷头距离泄压口远更易于实现阻爆。采用双喷头时，氮气区扩大，阻爆所需氮气压力、氮气总量比单喷头时都大为降低。     

Experimental investigation on the detonability of non-uniform gaseous mixtures

An experimental investigation is performed to characterize the detonability of small gaseous clouds with a concentration gradient. Two types of gaseous mixtures are used: (i) a heavy gas (equivalence ratio : ); (ii) a light gas . The mixtures are initially confined in a hemispherical volume which is characterized by an initial radius m. When the confining is ruptured, the gaseous mixture diffuses into the surrounding air. The concentration distribution is a result of molecular diffusion, gravity and turbulence. Schlieren chronophotographies enable the illustration of the dispersion of the cloud. By means of pressure profiles of blast waves generated by the explosion, the limit between the two explosion phenomena (total and partial explosive charge) is defined. The limit time delay, which leads to a given concentration distribution and for which detonations cannot be observed, is investigated with respect to initial gaseous composition and initial volume of confining. The critical nominal initiation energies in uniform and non-uniform media are characterized. Received 19 October 1998 / Accepted 15 July 1999