开敞空间可燃气云爆炸研究进展

就国内、外有关开敞空间可燃气云爆炸的文献 ,对其模拟方法及实验研究进行了较为全面的综述。其中所介绍的研究方法主要有纯理论计算、半理论半实验、实验研究

开敞空间可燃气云爆炸的数值模拟与实验研究

基于改进的Bakke -Hjertager燃烧模型与相应的控制方程 ,建立了描述可燃气云爆炸的理论模型。采用SIMPLE算法 ,对气云爆炸场进行了数值模拟。以 0 .0 2mm厚度的聚乙烯薄膜为约束物 ,进行了半球形乙炔 /空气预混气云爆炸实验。实验分别在 0 .5、0 .75、1、1.2 5m 4个气云半径下进行 ,数据采集系统记录了超压分布。计算超压与实验值相比较 ,最大偏差为 11.9% ,平均偏差为 4 .14 %。结果表明 ,本文方法可以用来预测可燃气云爆炸强度。

开敞空间可燃气云爆炸冲击波超压及灾害动力响应研究评述

为了进一步梳理和分析开敞空间可燃云爆炸冲击波超压传播规律及灾害动力响应方面的各项研究成果,推进可燃气体爆炸安全防控,减少人员伤亡和经济损失。在分析现有研究的基础上,总结开敞空间可燃气云爆炸冲击波超压传播规律及灾害动力响应研究等方面存在的不足,提出开敞空间多元混合气体爆炸冲击波超压传播规律研究、多影响参数下可燃气云爆炸冲击波超压传播规律定量分析、基于可燃气云爆炸冲击波超压作用下的承载体动力响应等未来研究的关键技术问题。

开敞空间可燃气云爆炸数值模拟研究

基于流体力学控制方程组、Realizable湍流方程和Eddy-Dissipation燃烧模型,建立了可燃气云爆燃的理论模型,对半径为0.5 m的半球形乙炔-空气预混爆炸进行了三维数值模拟,并采用了密度基耦合求解器进行了数值求解.选取了乙炔质量分数分别为5.3%、10.4%、13.3%和15.4%的预混气体,并得到不同质量分数的混合气云爆炸超压沿时间与空间的分布,模拟得到最大爆炸压力与实验结果吻合良好,最大相对偏差为13.79%;在气云爆炸初期,爆炸压力急剧增加,达到最大爆炸压力,在短期内有周期性的超压波不断向外扩散,且当气体浓度处于最危险质量分数时,产生的爆炸压力最大.在工业生产中,应尽量避免气体浓度达到其最危险质量分数,从而预防事故的发生.

基于小扰动波理论的开敞空间可燃气云爆燃研究

针对开敞空间可燃气云爆燃 (简称为UVCES)过程所产生的爆燃波为亚音速传播特点 ,对开敞空间可燃气云爆燃场进行数学求解。其中求解建立在小扰动波理论基础上 ,即从理想可压缩流体介质的基本运动规律出发 ,导出弱扰动情况下的波动方程并对球形坐标系下的波动方程进行积分求解 ,得到了具有普适意义的UVCES定性解。最后用中、小气量可燃气云 (乙炔 空气混合形成的非理想爆源 )进行爆燃实验 ,结果表明理论与实验吻合得很好。

开敞空间可燃气云爆燃场数值模拟

通过在Euler能量守恒方程中加入一表示能量释放速率物理意义的“开关函数”得到了Euler坐标系中描述有限能量释放速率的二维可燃气云爆燃场的数学模型 ,给出了初值及边界条件的取法 ,并做了相关的模拟算例 .模拟计算得出的爆燃时间 压力曲线与实验结果吻合很好 .

浓度梯度对工业可燃气云爆炸特性影响

工业管道泄漏形成的可燃气云浓度分布往往是不均匀的,为了模拟工业可燃气体泄漏爆炸,并提高计算的准确性,以平行梯度浓度气云爆炸为研究对象模拟工业可燃气云爆炸过程,分别以均匀气云、多层具有平行梯度浓度的不均匀半球形气云为研究对象,模拟了工业可燃气体泄漏导致气云爆炸特性。还以3层平行浓度气云为例,研究了点火位置、浓度分布对氢气气云爆炸的影响。结果表明:与均匀分布气云相比,具有梯度浓度的气云产生的爆炸冲击波明显减弱,且氢气浓度分布越不均匀、点火位置处氢气浓度越低,产生的爆炸超压越小。研究结果为氢气气云爆炸后果预测及事故预防提供数据参考。

圆柱形可燃气云爆炸实验研究与数值模拟

与半球形可燃气云模型相比,圆柱形模型更接近于气云爆炸事故的实际情况。进行了乙炔浓度7.75%、气云体积0.26m3的圆柱形可燃气云爆炸实验,记录了距气云中心1.2 m与1.6 m两点的爆炸超压。建立了描述气云爆炸的理论模型,采用SIMPLE算法编制了计算程序。计算结果经实验数据考核,最大与平均相对偏差分别为18.3%与5.4%,证实程序满足气云爆炸模拟与预测的要求。研究结果显示:爆炸流场不具备球形对称的性质,爆炸超压与火焰传播方向有关,当气云高径比0.2时,沿地面方向的最大超压可达垂直方向的3.3倍;气云体积不变而形状变化时,爆炸强度随着高径比的增大而增大,高径比1.0时的最大超压可达高径比0.1时的3.1倍;气云高径比降低时,火焰传播距离增大,燃烧时间增长,气云释能速率下降,因此爆炸超压降低。研究结果对可燃气云爆炸灾害的预测具有一定的指导意义。

燃料浓度对可燃气云爆炸影响的实验研究与数值模拟

以0.02mm厚度的聚乙烯薄膜为约束物,进行了半径0.5m的半球形乙炔/空气气云爆炸实验。结果表明,在100mJ弱点火条件下,乙炔的爆炸界限(乙炔的质量分数)由1.5%～82.2%缩小到5.3%～17.8%,乙炔的最危险质量分数为13.3%。建立了描述可燃气云爆炸的数学模型,并采用SIMPLE算法对模型进行求解,得到了不同燃料质量分数的爆炸超压分布。计算结果与实验值相比较,最大相对偏差为10.11%。对甲烷/空气、乙烯/空气、乙炔/空气等气云爆炸威力进行了预测,当处于最危险质量分数时,大体积的3种气云爆炸均可造成建筑物的损坏,而随着质量分数偏离最危险质量分数,破坏能力随之降低。

聚乙烯薄膜对可燃气云爆炸影响的实验研究与数值模拟

聚乙烯薄膜作为约束物 ,对可燃气云爆炸有着重要的影响 .采用 7 8%的乙炔 /空气混合气进行了实验研究 ,薄膜厚度分别为 0 0 2、 0 0 4mm和 0 0 6mm ,层数为 1～ 4层 .结果显示 ,当采用单层厚度 0 0 2mm的薄膜时 ,半径 0 5m的半球形气云爆炸可产生 2 4 10kPa的最大超压 ;厚度 0 0 6mm时 ,最大超压达到 3 6 4 2kPa ;薄膜层数为 4层时 ,最大超压上升到 13 12 5kPa .建立了描述气云爆炸的理论模型 ,模型考虑了薄膜强度、层数对爆炸的影响 ,采用SIMPLE算法进行了数值求解 .计算结果与实验值相比较 ,最大相对偏差 14 8% ,平均相对偏差 4 73% .提出的方法对有弱约束物存在时 ,气云爆炸的灾害预测具有重要的指导意义 .

有限释能速率可燃气云爆炸场的研究

本文研究自由场中有限释能速率的可燃气云爆炸问题。并分别用能量均匀释放模型、能量波模型和ＴＶＤ格式对可燃气云爆炸场进行了数值模拟，得到了两种能量释放模型中显著影响爆炸场的控制参数。本文还对Ｍｆ＝１０的能量波模型和ｔｆ＝０．１的能量均匀释放模型的计算结果进行了对比分析。文中所用的方法可为实际气云爆炸场提供参数预测。

环栅条形障碍物对可燃气云爆炸影响的数值模拟与实验研究

可燃气体或低沸点可燃液体的事故性泄漏 ,会引发可燃气云爆炸事故。气体爆炸概率成为厂站、陆地及海上油气钻采平台设计中需要考虑的要素之一。为确保生产安全及对相关人员的有效保护 ,必须确定现场障碍物对爆炸的加强作用。为此 ,实验研究了内置半球栅条形障碍物半径、栅条宽度与空隙宽度 3个参数对可燃气云爆炸场的影响。基于流体力学控制方程组、PDR模型和Bakke Hjertager燃烧模型 ,通过修改方程源项 ,考虑障碍物对流动的附加作用及对燃烧速度的影响 ,建立了可燃气云爆炸的理论模型 ,并采用SIMPLE算法进行了数值求解。实验结果表明 ,该类型障碍物对可燃气云爆炸威力有较大的增强作用 ,最大超压可达无障碍物时的 10倍以上。计算结果与实验值相比较 ,最大相对偏差 17.9% ,平均相对偏差 6 .34%。

障碍物诱导的可燃气云爆炸压力场的实验模拟

开敞空间可燃气云爆炸 ,尤其是在障碍物诱导下具有极大破坏力的爆炸 ,会造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此 ,研究约束条件对气云爆炸场的影响 ,对进一步提出可行的防爆、抑爆方案提供理论依据具有重要意义。为此 ,建立了开敞空间可燃气云爆炸的实验系统 ,对半球形乙炔—空气预混气云内半球条栅形障碍物对爆炸威力的影响进行了实验研究。障碍物半径为 0 .1～ 0 .3m ,条栅宽度为 15～ 6 0mm ,空隙率为 2 0 %～ 75 % ,气云半径为 0 .2 5～ 1.2 5m。通过对实验数据进行曲线拟合回归 ,并经方差检验 。

可燃气云内置障碍物对爆炸冲量场影响的实验研究

设计了内置半球条栅形障碍物的气云爆燃实验系统,爆燃过程的压力 时间曲线由动态响应时间小于1ms的数据采集系统通过计算机记录、储存与输出,数据采集系统由压力传感器、A/D采集卡和计算机组成。通过编制冲量计算程序,由压力 时间曲线算得各测点的冲量值。对气云爆炸冲量场与可燃气云浓度、障碍物特性参数之间的关系进行了实验研究,结果表明,乙炔 空气混合物的最危险的混合物体积分数为13.3%;障碍物空隙率、半径、空隙宽度及条栅宽度对冲量场的影响非常显著,而它们之间的交互作用几乎没有什么影响。通过曲线拟合和方差分析得到了半球形气云爆炸冲量场的近似余弦衰减规律。

可燃气云爆炸火焰加速机制的探讨

综述了可燃气云爆炸过程中火焰加速机制的研究现状 。

非均匀分布可燃气云爆炸威力分析

以高斯分布气云为例,研究了非均匀分布可燃气云爆炸的威力与机理,并与相同泄漏量的均匀分布可燃气云爆炸进行了对比分析。结果表明,当高斯分布可燃气云爆炸时,由于其可燃气体浓度偏离最危险浓度,燃烧速率降低,火焰维持不了自加速运动,对火焰阵面前的气体扰动较小,不会产生较强的冲击波。泄漏量为2228.2 m3的乙炔形成的2种高斯分布气云爆炸时,最高超压分别为4.31、.8 kPa,最多具有使玻璃窗破碎的破坏能力。当同样泄漏量的乙炔形成半径20 m、乙炔体积分数为13.3%的均匀分布气云爆炸时,可产生42.3 kPa的最大超压,具有使砖墙倒塌的破坏能力。因此,在工业现场发生可燃气体泄漏时,首要任务是避免泄漏气体形成混合良好的均匀可燃气云。

内设半球条栅形障碍物的可燃气云爆炸实验研究

以混合比为13.3%的乙炔 空气混合物为介质进行了内设半球条栅形障碍物的可燃气云爆燃实验研究。通过对实验数据进行曲线回归,并经方差分析检验,得到了描述可燃气云爆燃压力场的拟合关系式。应用多能模型构想对半球形可燃气云内设半球条栅形障碍物的爆燃实验结果进行分析,得到综合考虑边界条件、混合物活性和尺度比例因子的爆燃超压关系式,为其它可燃气云在其它形式障碍物约束下的爆燃超压提出估算方法。

可燃气云爆炸作用下防爆墙抗爆效应数值模拟分析

对天然气管道附近人流量多、社会影响大、价值高的重点目标,需要采取相应的防护措施,以减少发生天然气泄露爆炸,或爆燃及热辐射等极端情况下的人员及财产损失。基于AUTODYN软件,建立了天然气泄漏爆炸对一定距离的防爆墙破坏分析的物理模型,采用TNT当量等效法计算炸药爆炸、冲击波产生、传播及与防爆墙相互作用的三维数值模型。计算结果表明,防爆墙在爆炸载荷作用下发生前后振动,处于弹性振动状态,整体结构没有发生塑性变形。分析表明采用在管道附近6 m处建立防爆墙的措施是一种切实可行的方法。

不规则可燃气云爆炸威力预测方法研究

采用计算流体动力学(CFD)方法,以实际球罐区甲烷泄漏扩散形成的不规则可燃气云为研究工况,探讨了不规则气云爆炸威力的模拟方法,并对比了实际形状可燃气云、最大直径球可燃气云、重心高度球可燃气云、等体积球可燃气云以及采用TNT当量法计算得到的气云爆炸超压值。结果表明,TNT当量法计算结果过于保守。等体积球、重心高度球、最大直径球与实际形状气云爆炸超压偏差分别为-13.9%、-17.2%、52.3%。采用等体积球法估算不规则可燃气云爆炸威力较为便捷,且精度较高。

开敞空间氢气爆炸特性数值模拟研究

为研究开敞空间氢气爆炸危害,基于Fluent流体力学计算软件建立开敞氢气-空气爆炸的三维数值模型,在此基础上,模拟和分析了边长为0.5、1.0、2.0、3.0 m的立方体预混氢气-空气爆炸,并将数值模拟结果与TNO多能法和BST法的爆炸强度等级进行对比。结果表明,火焰传播距离约为初始氢气半径的2倍。爆炸最大压力出现位置的无量纲距离与气云初始半径近似成线性关系。TNO多能法和BST法爆炸强度等级的选择应根据气云初始尺寸的增大而增加。