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。     

Dynamics of a vapor shell around a heated particle in a liquid

The dynamics and heat and mass exchange of a vapor bubble containing a heated particle is studied in relation to the problem of vapor explosions. It is shown that the process involves two stages: dynamic stage and thermal stage. The dynamic stage is characterized by pressure fluctuations and a rapid increase in the thickness of the vapor layer. It is shown that the simplifying assumptions of the constancy of assumptions of constant heat conductivity of the vapor and linear temperature profile in the vapor layer lead to qualitatively incorrect results. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 48, No. 4, pp. 69–78, July–August, 2007     

岩石中化学爆炸气体渗漏行为的实验研究

通过小药量化爆模拟实验,研究了岩石中满足缩比关系的不同药量化学爆炸一氧化碳渗漏时间、渗漏份额与药量的关系。研究结果表明：相同介质中缩比爆炸实验气体渗漏时间大致与药量的三分之二次方成正比,渗漏停止时间也大致与药量的三分之二次方成正比;封闭空间内化学爆炸在爆室内产生的高温能够使爆室内一些物质分解产生非冷凝气体;对于不同药量的缩比实验,小药量实验的气体渗漏份额不小于大药量实验的气体渗漏份额。根据此研究结果,可以用小药量地下爆炸气体渗漏行为的监测结果预估大药量实验的气体渗漏行为。     

柴油爆炸性能外场实验研究

通过Ø30 mm杀爆燃弹外场炮击实验,模拟车辆、装备油箱被炮火击中后二次爆炸场景,采用高速照相机、红外热成像仪分别记录引爆柴油过程和爆炸火球的温度场,对比评估普通柴油、含水型柴油和抑爆型柴油的爆炸特性。实验结果显示：炮弹射击油箱瞬间,柴油液滴被抛撒出油箱,与空气快速混合形成气溶胶,并在炸药能量作用下引发爆炸,形成爆炸火球;不同类型柴油的爆炸火球均经历3个发展阶段,但其尺寸、扩展速率和表面温度等有较大差别,普通柴油和含水型柴油的火球这3个参数比较接近,都大于抑爆型柴油;含水型柴油的油箱毁伤容积为108.00 dm³,远高于普通柴油的57.65 dm³和抑爆型柴油的38.15 dm³。研究表明,抑爆柴油中的高分子聚合物能起到较好的抑爆作用。

     

可燃液体爆燃特性及其抑制实验

设计了一套可燃液体爆炸特性实验装置,利用该装置和立式爆轰管对RP-5油料、RP-3油料及工业酒精的爆炸特性、1301惰性气体对这3种燃料的抑制进行了研究。结果表明：RP-5油料、RP-3油料及工业酒精爆炸的体积分数范围分别为1.53%～7.73%、0.82%～7.17%及 3.38%～18.25%;酒精云雾爆轰的临界起爆能为2.11 MJ/m2、爆速和爆压分别为1 609 m/s 、1 480 kPa,爆轰波传播的胞格宽度为14.5 mm,长度为16.2 mm。1301惰性气体对RP-5油料、RP-3油料及工业酒精的最小惰化体积分数分别为6.75%、6.8%及 5.56%;二氧化碳和氮气对RP-3油料的最小惰化体积分数分别为45%和49%;1301惰性气体对油料爆炸抑制效果明显好于二氧化碳与氮气。     

一个端部开口短管气体爆燃外场火焰传播模型

针对端部开口短管气体爆燃火焰传播问题,通过借鉴Clanet等和Bychkov等提出的火焰传播模型,在假设绝热、不可压缩的条件下,得到了可燃气体分布与火焰锋面传播的数学模型。以汽油蒸气为实验工质,在全透明实验管道上进行了爆燃实验。通过高速摄影及纹影图像,对所提出的模型进行了验证。结果表明,该模型能够较准确地预测长径比4：1至10：1的端部开口短管气体爆燃外场可燃气体界面与火焰锋面位置。上述成果在可燃气防爆安全领域具有一定应用价值。

     

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。     

Explosive thermal interactions between molten lava and water

The most effective volcanic eruptions are the phreatomagmatic explosions. In such eruptions, magma and groundwater come into contact with each other, leading to explosions. A reproduction of such explosive interactions between lava (produced by remelting of volcanic rocks) and water in the laboratory was carried out, in which water was injected into molten lava. The amount of lava that was involved in the interactions, the so-called interactive lava mass, was determined. The influences of chemical composition and temperature of the melt and the injection velocity of water were also investigated.

Experiments show that an enhancement of the injection velocity of the water leads to more violent explosions. This is obviously due to an enlargement of the mixing region between water and molten lava in the crucible. Raising the temperature of the lava melt leads also to a greater impulse but not to an increase in the interactive masses as is found in connection with the water injection velocity. That means that the conversion ratio will be larger for higher lava temperatures than for lower ones.

By a fitting calculation with the measured curve of the force history of an explosive thermal interaction, the mass of water that was evaporated by the thermal interaction was estimated. In the same calculation the superheating temperature of this evaporated water can be determined. Furthermore, the amount of energy released by the explosive thermal interactions was calculated by using the measured impulse and determined fragment mass in fragmentation analysis.     

汽油蒸气/空气预混火焰的无拉伸层流燃烧速率

为了研究汽油蒸气/空气的爆炸特性,介绍了汽油蒸气/空气预混火焰的无拉伸层流燃烧速率。通过实验研究了无拉伸层流燃烧速率,与汽油的主要组分异辛烷和正庚烷与空气的预混火焰层流燃烧速率做了对比,发现汽油蒸气/空气的无拉伸层流燃烧速率小于异辛烷和正庚烷与空气的预混火焰无拉伸层流燃烧速率,但无拉伸层流燃烧速率随当量比的变化规律相同,随着当量比增大,无拉伸层流燃烧速率呈先增大、再减小的变化趋势,最大值在当量比为1处取得。     

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%。