開敞空間可燃氣云爆炸沖擊波超壓及災害動力響應研究評述*

李少鵬，陳國華，趙 杰，張 強，胡 盛，董浩宇

(1.華南理工大學 安全科學與工程研究所，廣東 廣州 510641；2.廣東省安全生產協同創新中心，廣東 廣州 510641)

0 引言

工業生產及生活中，可燃性氣體輸送、儲存和使用過程中，由于設備損壞或人員誤操作導致可燃氣體大量泄漏并與空氣混合，遇到一定能量點火源就會發生爆炸，這種現象稱為開敞空間可燃蒸氣云爆炸(簡稱UVCE)[1]。20世紀70年代以后，隨著石油化工行業的蓬勃發展，蒸氣云爆炸事故因可能導致更嚴重的次生災害(即多米諾事故)而引起全世界的廣泛關注。統計數據表明，化工行業多米諾事故的初始事故多為火災和爆炸，其中由爆炸誘發的事故約占57%，且爆炸沖擊波較火球熱輻射對人員、建筑物等危害更加嚴重[2-3]。

開敞空間可燃氣云爆炸導致大量的人員傷亡和重大經濟損失，為有效防治可燃氣云爆炸事故，國內外學者開展了大量研究工作。通過對可燃氣云爆炸傳播規律研究，掌握可燃氣體爆炸傳播特性，開展爆炸沖擊波對周圍環境影響的定性和定量分析(即動力響應研究)[4-7]，確定可燃氣云爆炸的成災模式，進而提出相應的防控策略[8-11]是該研究方向的重要工程意義所在。

本文從開敞空間可燃氣云爆炸沖擊波超壓傳播規律及災害動力響應2個方面介紹國內外研究現狀，總結現有研究存在的不足之處，并提出有待進一步研究的關鍵技術問題。

1 開敞空間可燃氣云爆炸研究

1.1 開敞空間可燃氣云爆炸燃燒分類

根據可燃氣云能量密度及點火能的不同，可將開敞空間可燃氣云爆炸燃燒分為：爆燃和爆轟[1,12]。爆燃是一種帶有壓力波的燃燒，火焰以亞音速傳播，壓力波以音速在火焰陣面之前傳播。因此，爆燃具有“兩波三區”結構特性。爆轟是可燃氣云爆炸的最高形式，火焰以超音速傳播，壓力波跨過波陣面，壓力和密度都是突變的。

叢立新等[13]試驗研究發現，當有障礙物存在時，爆炸超壓常出現2次超壓峰值，趨勢為：一次超壓階段-負壓階段-二次超壓階段，甚至可能出現3或4次超壓峰值；當沒有障礙物存在時，氣云爆炸超壓趨勢為：一次超壓-負超壓。無論是否有障礙物，可燃氣云爆燃負壓絕對值均小于正壓。任新見等[14]在強點火條件下開展不同濃度的半球形液化氣爆炸試驗，監測不同爆心距處的沖擊波超壓分布發現，試驗條件下爆轟負超壓絕對值遠小于一次超壓峰值。此外，爆轟正壓持續時間極短，一次超壓上升階段時程曲線比爆燃陡峭。研究表明，開敞空間可燃氣云爆炸多為爆燃過程，但也存在爆轟的可能性[15]。

1.2 不同參數對可燃氣云爆炸沖擊波傳播規律影響

UVCE的傷害效應包括3方面：沖擊波超壓傷害、高溫熱輻射傷害和爆炸產生的有毒有害氣體傷害[16-19]。其中，爆炸沖擊波是主要的破壞效應[19-20]。因此，現有研究多集中在可燃氣云爆炸沖擊波超壓災害效應。

開敞空間可燃氣云爆炸沖擊波傳播規律理論研究方法有經驗方法、自相似方法、數值模擬等[20]。其中，應用較為廣泛的是經驗方法中的TNT當量法、TNO多能法和Baker-Strehlow-Tang(BST)模型。

1)TNT當量法：將可燃氣云爆炸總的燃燒熱轉化為當量TNT爆炸燃燒熱，具有操作方便、計算簡單的優點。但是，TNT為固體炸藥爆炸，與可燃氣體爆炸的爆源性質存在本質區別，爆炸能量、爆源體積、爆炸沖擊波傳播速度等均不相同，當距離爆源較近時，TNT當量法預測可燃氣云爆炸超壓偏大，而對遠距離爆炸超壓預測值偏小。Henrych和Mills提出不同的爆炸沖擊波超壓與當量距離計算的公式，但該理論計算公式低估了試驗超壓值，針對該問題，Wang等修正TNT當量法計算系數η為3/8，使Henrych和Mills提出的理論計算值與試驗值最大相對誤差為8.75%，通過與PHAST模擬對比發現，理論計算結果與模擬結果基本吻合，從而改進了TNT當量法[21]。

2)TNO多能法：考慮可燃氣云爆源強度與所處空間受限程度的關系，將爆源強度劃分為10個等級，并繪制無量綱距離和無量綱超壓關系圖，但TNO多能法并未給出不同爆源強度定量選擇的原則。針對TNO多能法在蒸氣云爆炸應用中選擇爆炸強度主觀性較強的局限，張瑞華等[22]采用TNO爆炸波當量特征參數與當量距離特征曲線擬合關系式代替爆炸波特征曲線，并對公式中誤差較大的參數進行修正，可減少TNO多能法在應用中的不準確性。

3)BST模型：類似于TNO多能法，區別在于該方法利用火焰傳播速度(馬赫數Mw)來選取不同爆炸強度曲線。

試驗研究方面，早期的試驗是為研究限制物對沖擊波傳播的影響，Layer等提出肥皂泡技術，研究表明，肥皂膜對氣云爆炸影響可以忽略，但試驗氣云尺寸太小；基于此，Lind等采用聚乙烯薄膜做成限制物，試驗證實薄膜不會對爆燃的傳播產生較大影響；鮑麒等[23]利用AutoReaGas研究聚乙烯薄膜對開敞空間可燃氣體爆炸超壓影響發現，隨著氣體體積、燃燒速度和傳播距離增加，薄膜對爆燃超壓的影響逐漸減弱，氫氣、乙炔混合氣體開敞空間爆燃試驗可以使用聚乙烯薄膜，而甲烷開敞空間爆燃試驗則需要選擇強度更弱的薄膜或其他材料。解決了限制物對壓力波傳播的影響后，畢明樹[1]利用聚乙烯薄膜搭建開敞空間半球形可燃氣云爆炸試驗平臺，試驗發現在聚乙烯薄膜未破裂前，火焰外表基本上呈半球形，且火焰表面較光滑，薄膜破裂后火焰表面保持半球形形狀，但逐漸變得不規則。

隨著計算機技術的發展，Computational Fluid Dynamics在開敞空間可燃氣云爆炸二、三維研究中應用越來越廣泛。其在連續性方程、動量方程、能量方程等基本方程的基礎上，結合化學反應過程中組分連續性方程、Navier-Stokes Equations和爆炸過程中湍流k-ε模型等共同構成計算模型基礎。

近年來，為研究可燃氣云爆炸傳播規律，國內外學者針對形成可燃氣云氣體性質、點火能、障礙物等影響因素開展研究工作。

1.2.1 可燃氣云性質對爆炸沖擊波傳播規律影響

可燃氣云因泄漏氣體活性、泄漏氣體與空氣混合濃度比、氣云形狀/尺寸等對爆炸沖擊波超壓有顯著影響。國內外學者有關可燃氣云性質對爆炸沖擊波傳播規律影響的相關研究如表1所示。

表1 可燃氣云性質對爆炸沖擊波傳播規律影響Table 1 Influence of properties of flammable vapor cloud on propagation laws of explosion shock wave

現有研究多針對單一可燃氣體或將混合可燃氣體簡化為單一可燃氣體開展研究，結論以定性描述為主，對爆炸沖擊波等災害效應目標參數在多影響參數下的定量研究較少。多元混合氣體爆炸研究則集中于混合氣體爆炸極限、火焰燃燒特性的研究[37-38]以及受限空間混合可燃氣云爆炸特性研究[39-40]，對開敞空間多元混合可燃氣云爆炸傳播規律研究較少。

1.2.2 點火源對爆炸沖擊波傳播規律影響

開敞空間可燃氣云爆炸要求的最小點火能很低，通常在毫焦數量級。現有點火源對可燃氣云爆炸沖擊波傳播規律研究如表2所示。

表2 點火源對可燃氣云爆炸沖擊波傳播規律影響Table 2 Influence of ignition sources on propagation laws of shock wave of flammable vapor cloud explosion

近年來，王超強等[41]、孫從煌等[42]研究了不同點火位置和不同點火條件對可燃氣體爆炸特性的影響，研究發現，點火位置對超壓時程曲線不同峰值影響不同，如：Δp2的峰值大小隨著點火位置遠離泄爆口而增大；點火溫度越高，管道內燃燒反應更劇烈，氣體溫升速率越快，但卻降低管道內的壓力峰值；點火面積越小，預混可燃氣體前期溫升越快。但是，以上主要是管道和密閉空間等受限空間條件下，點火源對爆炸沖擊波傳播規律影響研究成果，開敞空間條件下是否有相同的研究結論有待進一步研究。此外，目前鮮有對開敞空間可燃氣云爆炸目標參數(沖擊波超壓峰值、壓力上升速率等)與點火能進行定量分析，以及不同濃度可燃氣云在“最適宜”點火能條件下，爆炸目標參數的變化特性研究。

1.2.3 初始溫度和壓力對爆炸傳播規律影響

初始溫度越高，越有利于可燃氣的擴散，可燃氣云形成的速度快且均勻，爆炸超壓也較大。Phylaktou實驗證實[46]，碳氫化合物-空氣混合物的火焰速度Df隨初始溫度T0的升高而增加，通常可用公式(1)表示，m取值在1.5～2.0之間。

(1)

高娜等[47]對不同初始溫度和初始壓力條件下甲烷爆炸極限、最大爆炸壓力和點火延遲時間進行試驗研究發現，高溫高壓條件使瓦斯爆炸極限范圍擴大；隨著初始溫度升高，瓦斯爆炸最大爆炸壓力逐漸減小；初始溫度越高，點火延遲時間越短。

Wan等[48]基于計算絕熱火焰溫度方法提出了1種預測空氣中燃料可燃性下限(LFL)的方法，并計算了甲醇、乙醇、甲酸甲酯和二甲醚在10 MPa壓力和1 000 K溫度條件下的LFL；結果表明，在高溫條件下，隨著壓力的增加，混合物的LFL略有下降；另外，10 MPa壓力和1 000 K溫度條件下混合物的LFL遠低于大氣環境溫度和壓力條件下的LFL；因此，在高溫和高壓條件下可燃氣體混合物可能會造成更大的火災和爆炸危險。

現有研究多針對初始溫度和壓力對爆炸極限的影響，鮮有對爆炸沖擊波超壓在初始溫度和壓力條件下的研究。

1.2.4 障礙物對爆炸沖擊波傳播規律影響

當有障礙物存在時，由于障礙物誘導的湍流對燃燒過程具有正反饋作用，火焰傳播速度、爆炸超壓峰值將顯著增加[16]，當氣云內設置半球條柵形障礙物時，爆炸超壓是無障礙物的8～10倍，且條柵數量越多對爆炸波的傳播擾動越明顯，超壓值越大，峰值超壓隨著障礙物阻塞比的增加而增加[49]。

叢立新[50]通過試驗研究乙炔-空氣混合氣云內部半球形圓孔和矩形孔障礙物條件下，爆炸超壓Δp、沖量I與障礙物特征參數(空隙率φ、障礙物半徑Rb、障礙物寬度b、障礙率θ等)和測點與氣云距離r、可燃氣云半徑R之間的關系式。

畢明樹等[51]將障礙物擾動因子(障礙物形狀及尺寸、障礙物的體積占有率)引入氣體動力學方程組，建立了內部有障礙物的氣云爆炸壓力場計算表達式，并編制程序對乙炔-空氣氣云爆炸壓力場進行計算，計算結果與試驗相比偏差小于20 %。

2 爆炸災害動力響應研究

2.1 爆炸災害效應評價準則

目前應用較多的爆炸災害傷害準則有：超壓準則、沖量準則、結構自振周期、超壓-沖量準則和安全距離表法[52]。

當在爆點周圍設有一定條件的防護土圍墻時，江佩蘭等[53]在大量的試驗和事故資料分析基礎上，經過必要的調整修正后，得到各個破壞等級所對應的安全距離公式，如式(2)所示：

rs=KWa

(2)

式中：rs為建筑物在某一破壞等級下的安全距離，m；K為安全系數，取值如表3所示；W為TNT當量，kg；a為冪指數，取值如表3所示。

表3 與破壞等級對應的安全系數和冪指數Table 3 Safety coefficients and power exponents corresponding to failure grades

2.2 爆炸沖擊波作用下承載體動力響應

可燃氣云爆炸沖擊波作用下動力響應研究可分為2大類：

一種是解析計算法，即以TNT當量法、TNO多能法等理論模型為基礎計算可燃氣云爆炸沖擊波強度，在此基礎上研究不同距離處建筑物破壞情況及人員受傷情況，該方法因簡單易行而得到廣泛的應用。周成[5]將蒸氣云爆炸能量用TNT當量法進行模擬計算，在此基礎上對球罐泄漏蒸氣云爆炸時不同距離處的爆炸沖擊波隨時間變化曲線進行研究，得到距爆源同一距離處儲罐所受沖擊波超壓持續時間與儲罐距離爆源中心距離呈反比的結論；繆鵬飛等[54]基于TNO多能法計算LPG儲罐爆炸后果，并結合GIS對事故后果進行仿真分析，研究表明，該方法可有效評估爆炸災害危險區域、分析資源空間、規劃決策路線等，為LPG儲罐火災爆炸事故的科學處置提供定性、定量的技術支撐。但是，該方法因1.2節所述計算模型假設條件的影響而導致計算精度不高。

另外一種，將CFD軟件與有限元軟件結合，該方法克服了CFD軟件在模擬計算氣體爆炸過程中難以求解承載體動力響應的弊端。余波[52]將FLUENT與ANSYS結合，分析氣云爆炸下抗爆結構的動力響應與破壞特征，研究發現，在氣云爆炸過程中，鋼筋混凝土2墻交界處由于負彎矩導致出現裂縫，裂縫逐漸向支座處延伸，出現層裂破壞，隨著爆炸過程發展，結構上更多的位置將破壞，直至結構完全失效；Salaun N等[7]將CFD模擬軟件FLACS與非線性有限元軟件結合，把FLACS模擬計算得到的海上平臺氣體爆炸沖擊波超壓時程曲線作為有限元動力分析的輸入條件，模擬計算防火墻概率-超壓曲線，研究發現，該方法較Dimensioning Accidental Loads(DAL)方法計算結果更精確。

3 結論

1)開敞空間多元混合氣體爆炸沖擊波傳播規律研究尚較少見。當前開敞空間可燃氣體爆炸沖擊波傳播規律研究多針對單一可燃氣體，而多元混合氣體爆炸研究多集中于受限空間爆炸極限和火焰傳播特性，鮮有對開敞空間多元混合氣體爆炸沖擊波傳播規律研究。

2)多參數耦合作用下可燃氣云爆炸沖擊波傳播規律定量分析有待深入研究。目前，國內外學者對可燃氣云爆炸沖擊波傳播規律研究多針對單一影響參數，且現有成果中未充分考慮點火能、可燃氣體混合比、初始溫度和初始壓力等影響參數對爆炸沖擊波超壓影響的定量研究。

3)基于可燃氣云爆炸流場沖擊波作用下承載體動力響應研究有待加強。近年來，在CFD軟件模擬計算氣體爆炸基礎上，結合有限元軟件的動力響應研究成為熱點，而不同軟件之間數據的相互轉換及計算結果的可靠性有待深入研究。