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。     

乙烯储罐气体泄漏诱发蒸气云爆炸的数值模拟

储罐会因腐蚀或人为误操作等原因引发泄漏,造成泄漏气体扩散或气云爆炸事故。为了揭示此种事故的发展过程及影响规律,应用计算流体力学软件FLACS,研究了泄漏和环境风两个主要影响因素对乙烯气体扩散及爆炸的影响。结果表明:气云扩散距离和体积随泄漏速率增加而增大;当泄漏速率低于6 kg/s时,不同泄漏方向上的气云扩散距离及体积相近;当泄漏速率高于6 kg/s时,气体泄漏扩散和气云形成过程因受到障碍物影响,随阻塞率增大,气云扩散距离减小,气云体积增加。当泄漏方向垂直于储罐组中轴线,泄漏速率为18 kg/s时,气云扩散距离最大为81.5 m;当泄漏方向平行于储罐组中轴线,泄漏速率为24 kg/s时,气云体积最大达到9 604 m³。爆炸波的冲击压力随泄漏速率升高而升高;环境风会加快可燃气体稀释,有效降低气云爆炸发生的概率,降低爆炸强度,达到爆炸压力峰值的时间更早,可使高温在更短的时间内下降。泄漏速率为24 kg/s时,与泄漏储罐紧邻的储罐表面上被冲击到的爆炸超压仅为6.88 kPa,但温度高达2 384 K,因此,为避免事故发生时的二次灾害,救援中对储罐组的冷却降温尤为重要。     

近场近地爆炸下建筑柱爆炸荷载分布规律及简化模型

为了快速评估近场近地爆炸荷载下建筑柱的动力响应和破坏模式,通过数值仿真方法,探究了近场近地爆炸工况下冲击波在建筑柱迎爆面的分布规律,并提供了该工况下的爆炸荷载简化模型。为此,首先利用已有实验数据验证数值模型,并建立典型近地近场爆炸工况的数值模型,然后研究比例爆距和比例爆高对建筑柱冲击波特征参数的影响规律,最后拟合出柱迎爆面反射冲量和正相超压持续时间的计算公式,将柱迎爆面各点爆炸荷载转化为等效三角形荷载模型,为工程实践中建筑柱遭受近场近地爆炸作用下的抗爆设计提供荷载输入。研究结果表明：当比例爆高小于0.3 m/kg^1/3、比例爆距在0.4～0.6 m/kg^1/3范围时,最大反射冲量沿柱高可简化为三折线分布;当比例爆距在0.6～1.4 m/kg^1/3范围时,最大反射冲量沿柱高可近似简化为双折线分布;在同一比例爆距和比例爆高工况下,随着炸药当量的增加,柱迎爆面相同比例高度处反射超压峰值保持不变而反射冲量正比于当量的立方根。     

方管内汽油-空气混合气体密闭爆炸和泄爆特性研究

为研究汽油-空气混合气体密闭爆炸和泄爆特性,采用可视化方管进行了两种爆炸模式实验研究,并基于壁面自适应局部涡黏(wall-adapting local eddy-viscosity,WALE)模型和Zimont预混火焰模型进行了数值模拟研究。结果表明：（1）泄爆工况超压-时序曲线峰值数量多于密闭爆炸工况,且泄爆工况超压-时序曲线存在剧烈的类似简谐振动的振荡,而密闭爆炸工况的爆炸超压特征参数显著高于泄爆工况;（2）密闭爆炸工况最大火焰传播速度明显小于泄爆工况,但前者在火焰传播初期即达到最大值,而后者在火焰传播末期才达到最大值;（3）密闭爆炸工况出现郁金香形火焰,而泄爆工况出现蘑菇形火焰,郁金香火焰的形成与管道内火焰锋面、流场和流场动压三者之间耦合效应相关,蘑菇形火焰由外部流场湍流和斜压效应的共同作用引起。

     

瓦斯煤尘共存条件下的煤尘云爆炸下限

近年来瓦斯煤尘共存条件下的爆炸事故呈多发趋势。运用20 L爆炸特性测试系统,对瓦斯煤尘共存复合体系的爆炸特性进行实验研究,得到了瓦斯在不同点火能量、静止及湍流状态下的爆炸下限,以及不同条件下煤尘的爆炸下限。结果表明:随着瓦斯浓度的增加,煤尘的爆炸下限呈指数衰减;瓦斯浓度存在某临界点,高于此临界点,复合体系爆炸过程中瓦斯起主导作用,表现为"强瓦斯"性,反之,煤尘起主导作用,表现为"强煤尘"性。研究结论为有效预防煤矿井下瓦斯煤尘共存爆炸事故提供重要的理论依据。     

变压器油爆炸作用下的消防设备抗爆实验研究

为了研究变压器油爆燃特性和消防设备抗爆性能,开展了不同起爆药量和不同变压器油量下的消防设备抗爆实验,实验采用高速相机拍摄爆炸火球演变图像,利用3只压力传感器测量爆炸超压。实验结果表明,变压器油的爆炸超压时程曲线上可明显观察到4个超压峰值,分别为药包爆炸超压峰值、起爆药包爆炸后气体和油雾过膨胀诱导的负压峰值、反射波经过油雾衰减后的超压峰值及油雾爆炸超压峰值。随着变压器油量增加,变压器油雾爆炸火球的最大扩展半径增加,爆炸火球扩展速率则快速减小,消防水炮、消防水管和CAFS喷淋管位置的冲击波超压明显减小。由于起爆药量和变压器油量的限制,最大爆炸超压仅约30kPa,未导致消防设备明显损伤。     

内爆炸加载条件下圆筒的膨胀、破裂规律研究

以经典热粘塑性本构关系 (John Cook本构关系和Powerlaw本构关系 )为基础 ,建立了更适当表征材料特征的新的、解耦的本构关系。采用SHPB(分离式霍普金森杆 )技术测定了常用弹箭材料 35CrMnSiA的不同应变率下的应力、应变关系 ,并采用拟合的方法确定了本构方程中的材料常数。与高速摄影技术测得的径向位移函数及圆筒材料的损伤演化方程相结合 ,建立了控制内爆炸加载圆筒膨胀 ,直至破裂的完备方程组 ,完成了内爆炸加载圆筒问题的数值模拟 ,计算结果与以往有关箭弹材料圆筒膨胀的实验结果符合较好。     

柱状装药爆炸条件下厚壁圆筒爆室内流场及结构动力响应分析

借助非线性动力有限元程序ANSYS/LS-DYNA,采用基于罚函数的流固耦合算法,对厚壁圆筒爆室在柱状装药爆炸作用下的动态响应过程进行了数值模拟研究。分析了厚壁圆筒爆室内柱状装药爆炸非定常流场的演化过程以及筒体的动力响应特征。给出了爆炸流场的压力云图、筒壁受到的爆炸压力峰值及冲量的分布规律、筒体的等效应力云图以及等效应力的分布规律等。流场压力及筒体应变的计算结果与实测结果吻合较好,并将动力响应的有限元计算结果与理论解进行了比较,证明轴对称平面应变假设下的理论解可以给出问题的保守估算。分析表明,该厚壁圆筒爆室在柱状装药爆炸作用下在弹性范围内工作,爆室的强度设计是安全的。     

稳定大气条件下爆炸烟云的数值模拟研究

为了研究爆炸及燃烧产生的“蘑菇状”烟云,采用中尺度气象模式RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)模拟计算了冲击波过后的爆炸烟云运动过程。对于稳定层结大气条件,模拟结果显示爆炸烟云造成的流动是一个多层次涡-波运动的过程。爆炸烟云在浮力作用下会形成浮力涡环结构,在到达最大高度以后,其烟云外侧边缘部分涡度变号,形成了环套环的多涡结构。随时间增加,涡能量的逐步衰减,涡运动转变为重力内波运动。通过模拟不同爆炸当量和不同稳定度烟云的上升最大高度,得到了与目前常用的爆炸烟云上升公式一致的形式。     

接触爆炸荷载作用下带孔防护结构内冲击波的传播规律

采用有限元分析软件ATUODYN,对接触爆炸荷载作用下带孔防护结构内冲击波的传播进行了数值模拟,得到了防护结构孔口和内部中心处冲击波超压－时间曲线;分析了炸药量和爆心距孔口距离对防护结构内部超压、正压冲量的影响;以数值计算结果为基础,结合量纲分析,拟合得到了结构内部中心处爆炸冲击波特征参数的预估公式。     

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。     

高压氢气泄漏自燃形成喷射火的实验研究

为了探究高压氢气泄漏发生自燃时所需的临界初始释放压力随管道长度的变化规律,了解管内自燃火焰向管外喷射火焰转变的发展过程,本文利用压力、光电以及高速摄像等测试系统展开实验研究。实验结果表明：当管道长度相同,初始释放压力较低时,氢气泄漏不容易发生自燃;随着管道长度的增加,氢气发生自燃时的临界初始释放压力先缓慢减小后迅速增大;当管道长度一定时,初始释放压力越大,激波传播速度越快,氢气管内自燃的位置距离爆破片越近;气流通过激波马赫盘后,火焰燃烧加剧;随着时间的增加,火焰长度呈现先增大后逐渐减小的变化趋势,喷射火焰尖端的平均传播速度逐渐减小;火焰宽度呈现先增大后迅速减小至稳定值的变化规律。

     

多级穿廊结构坑道口部内爆炸冲击波传播规律的实验研究

对坑道口部的内爆炸效应进行了系统的实验研究,探讨了端部不同开闭工况下多级穿廊结构内的冲击波传播规律、作用在防护门上的荷载规律及门后次生冲击波的发展与变化规律,给出了多级穿廊结构坑道内各分段之间冲击波超压衰减变化的量值关系.实验结果表明,多级穿廊结构不仅能显著衰减冲击波峰值压力,而且与单一的直坑道相比,在同样的冲击波衰减...     

接触爆炸荷载作用下溢流坝的抗爆性能

以黄登重力坝的溢流坝为研究背景,考虑混凝土的高应变率效应,运用Lagrange-Euler耦合算法建立大坝-库水-空气-炸药全耦合数值模型,研究溢流坝在接触爆炸荷载作用下的抗爆性能。分析满库与空库时溢流坝在爆炸冲击波作用下的动力响应及损伤程度,并进一步研究满库时大坝在不同炸点的水下接触爆炸荷载作用下的动力响应及损伤分布。研究结果表明,满库时水下爆炸比空库时爆炸的动力响应及损伤程度大得多;溢流坝的抗爆薄弱部位主要集中在溢流道顶部及坝体上游折坡处。研究溢流坝的抗爆性能时应重点研究满库时水下爆炸对大坝的破坏特性。     

水平刚性面下方水下爆炸气泡垂向运动的理论研究

为了研究边界面对水下爆炸气泡脉动的影响,根据势流理论建立了水平刚性面下方在浮力作用下作垂向运动的水下爆炸气泡的理论模型,编制计算程序进行求解。对水下爆炸气泡脉动运动的特点、流场的速度和压力的分布、气泡引起的载荷形式进行了分析。结果表明此模型能够反映水下爆炸气泡和周围流体介质的运动规律,并能进行定量的计算。     

爆炸容器内冲击波系演化及壳体响应的数值研究

对中心装药爆炸后冲击波的产生、传播和壳体动态响应全过程进行了数值研究。认为RDX瞬时爆炸 ,爆炸近场采用自相似解 ;冲击波传播和波系演化采用PPM (the Piecewise Parabolic Method)格式求解Eu ler方程 ;壳体响应采用有限元方法求解拉氏坐标系下由虚功原理得到的动力学方程。壳体内壁面边界条件分别采用强耦合和弱耦合方法处理。结果表明 :(1)当装药量相同时 ,薄壁壳体振型比厚壁壳体复杂得多 ,振幅也大 ;(2 )当装药量不同 ,壳体厚度相同时 ,爆炸场冲击波的演化过程不同 ;(3)对少量装药 ,产生的冲击波强度低 ,壳体变形小 ,是否考虑内边界运动 ,对计算结果的影响不大 ;(4 )在本文条件下 ,爆炸容器封头顶点所受的载荷最大 ,是最易发生破坏的地方 ,侧壁与爆点所在横截面的交线 ,也易破坏。     

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。

     

装药量及水深对水下爆炸气泡动态特性的影响

以气泡体积加速度模型为基础研究水下爆炸气泡运动的初始条件,采用MSC.DYTRAN 非线性 有限元软件,结合开发的定义流场初始条件与边界条件的子程序,研究水下爆炸气泡运动特性,包括气泡的脉 动、坍塌以及射流等运动特性,并将气泡脉动体积计算结果与实验及边界积分方法计算结果进行对比,验证了 有限元模型的正确性与有效性。以此为基础,得到初始水深、装药量与气泡的脉动体积、最大半径、周期以及 射流速度之间的关系,计算结果与经验公式具有较好的一致性。得到一些有规律性的曲线,可为相关水下爆 炸气泡动态特性研究提供参考。     

冲击波和气泡作用下舰船结构动态响应的数值模拟

针对水下爆炸载荷、瞬态流固耦合效应在舰船水下爆炸数值模拟中的困难,在现有水下爆炸载荷计算模型(Geers and Hunter)的基础上,结合边界元法,修正水下爆炸气泡载荷计算方法.针对用二阶双渐近法(the second-order doubly-asymptotic approximation,DAA2)在处理低频...     

建筑玻璃的爆炸动力响应及防爆距离

玻璃作为一种透明或半透明材料,广泛应用于现代建筑工程中,但其在爆炸冲击荷载作用下易于破碎,产生飞片伤人。文章应用弹性薄板振动理论,研究框支承玻璃在爆炸冲击荷载下的动力响应,得到玻璃的最大挠度与最大应力计算公式。基于爆炸冲击波传播特性和玻璃强度理论,提出了建筑玻璃爆炸冲击破坏准则,对不同类型和厚度的框支承玻璃在爆炸冲击波...