宋晓婷 徐景德 李 鑫 陈昊驰

(华北科技学院 北京 101601)

球状空间可燃气体爆炸规律研究的进展

宋晓婷 徐景德 李 鑫 陈昊驰

(华北科技学院 北京 101601)

球状空间可燃气体爆炸规律的研究对企业安全生产和社会稳定具有重要的意义，研究爆炸规律过程通常以理论研究、数值模拟研究和实验研究三种方法展开，通过总结球形空间可燃气体爆炸的研究方法和内容，对于设计更为合理的球形爆炸实验装置和收集实验数据具有重要意义，同时也为探讨更科学有效的防爆抑爆技术提供理论支持。

球状空间；可燃气体；爆炸

引言

球状空间由于不存在应力集中点，相比方形空间发生大面积罐体破裂的可能性较小的优势，许多企业选择用球罐进行储存和运输可燃气体。同时，由于存在点火源和适合燃烧爆炸的外部条件，可燃气体球罐的爆炸事故时有发生，对化工企业的安全生产造成了重大的威胁。

研究爆炸事故通常采用三种方法：(1)理论研究：即采用一些经验公式，建立物理和数学模型对球状空间爆炸过程进行模型描述，对后续的研究提供了宝贵的经验公式；(2)数值模拟研究：现代数值模拟研究多采用商用CFD软件，如：Fluent、FLACS、Phoenics、Dytran等，对爆炸传播过程进行数值模拟，通过模拟结果图来描述爆炸过程，具有成本低，可行性高，真实性强的优点；(3)实验研究：即设计球形爆炸装置，对爆炸过程进行真实实验以获得具体的爆炸相关数据，具有真实性高，数据可靠的优点。通过三种方法之间相互补充，能够得到球状空间爆炸传播的特性，并为防爆抑爆技术的提出提供坚实的理论和实验依据。

一、球状空间可燃气体爆炸的理论研究

在以往的对球状空间可燃气体爆炸的理论研究过程中，通常以经验方法为主，即通过大量的爆炸事故所得到的数据总结出经验公式，但由于爆炸受到多种外界因素影响，所以每个经验公式都有各自严格的使用条件。常用的理论研究方法有：TNT当量法、TNO多能模型、球型和半球型火焰模型等理论模型。

(一)TNT当量法和TNO多能模型

TNT当量法是以爆炸相当于多少TNT炸药爆炸所产生的能量来衡量爆炸强度的方法，将爆炸看成点源起爆并且能量瞬间全部释放的过程，并且将冲击波视为理想冲击波。因爆炸波传播过程受气体浓度分布、障碍物的影响，与理想冲击波差异较大。TNO多能法则克服了这一缺点，它根据不同的约束条件，避免使用单一爆炸波，对各个爆炸波单独建模，按不同火焰速度给出了10条标志着不同爆炸级别的爆炸曲线，从弱到强，更为合理，但依旧存在使用的主观性。

(二)球型模型和半球型模型

球型模型由Strehlow等人研究建立，通过球型模型便于找到由球形爆炸蒸汽云产生的冲击波超压和冲量，缺点是必须知道火焰速度和没有考虑火焰加速过程。半球型火焰模型则是以半球型蒸汽云爆燃产生的爆炸强度建立模型，缺点是火焰形状局限性太大，对于普遍的球型火焰爆炸不具有普遍研究意义[1]。

二、球状空间可燃气体爆炸的数值模拟研究

伴随对计算流体力学的深入研究，越来越多研究者选择采用数值模拟方法对球状空间可燃气体爆炸的过程进行研究。在数值模拟的方法中，商用CFD软件以其高度适用性受到研究者们的欢迎，总结前人经验，适用于球罐爆炸模拟的CFD软件有Fluent、FLACS等。

利用Fluent软件直接模拟可燃气体球罐的爆炸过程较少，多数是利用软件模拟球罐泄漏过程，以可燃气云的范围和浓度表征爆炸的可能性和强度。如闫兴清等人利用Fluent为平台，建立甲烷球罐区真实尺寸模型，得知相同泄漏扩散条件下，氢气泄漏引起的可燃气云范围最大，爆炸波及程度最广，甲烷次之[2]。同样是研究泄漏浓度对爆炸的影响，刘春秀等人利用Fluent对LPG球罐区不同风速下的泄漏规律进行研究，得出了LPG气体泄漏过程中沿地面区域具有高浓度气云，具有爆炸危险[3]。同时，Fluent对于球罐泄漏爆炸的数值模拟技术还运用到了海上石油储存和运输中，刘欣等利用Fluent软件对某气田群海上平台可燃气体泄漏爆炸的范围进行了数值模拟，从而确定了概率最大的泄漏和爆炸区域，为应急程序的细化提供了可靠的理论依据。

相比于Fluent在模拟球罐泄漏方面的优势，FLACS软件在模拟球罐爆炸传播的具体过程中具有更大的便捷性。罗振敏等人运用FLACS软件对于近20L甲烷球罐进行了数值模拟研究，结果说明辐射换热是瓦斯爆炸过程中除热传导和热对流外主要的热量传递方式，并且经过实验验证，FLACS软件进行的爆炸数值模拟结果仅与实验结果相差1.88%，具有非常高的可行性[4]。同样针对液化气球罐区的泄漏爆炸问题，罗艾民等人运用FLACS软件对某液化气工厂进行三维建模，得到真实泄漏气云的浓度三维分布图并转化为化学当量比模拟出不同区域火焰锋面及爆炸超压关系图，得出罐区越密，阻塞程度越大，发生爆炸危险越大的重要结论。

借助Fluent、FLACS软件在球状空间可燃气体泄漏和爆炸过程的模拟具有精度高、能够模拟极端环境的优势，因此越来越多的企业采用此种方式对球罐进行风险评估。

三、球状空间可燃气体爆炸的实验研究

因球状空间无应力集中点，难以控制爆炸过程，故实验研究发展较慢。1952年美国发表的《气体与蒸汽燃烧范围》中第一次尝试了球状空间测定气体火焰的装置。日本、加拿大等国家随后设计出了可燃气体的球型密闭爆炸容器。国内研究起步较晚，王华等人通过一个容积为19900cm3的球形容器，进行了预混无湍流、湍流气体爆炸实验，得出了球型容器链式反应平均速率和发生爆炸的充要条件，总结了对于球罐而言，随着容器的扩展性增大，爆炸极限将变宽，爆炸较容易发生的特性[5]。罗振敏等人运用XKWB-1型近球型密闭式气体爆炸特性测试装置进行甲烷爆炸实验，实验测定了该装置甲烷的最佳爆炸浓度、最大爆炸压力和上升速率，与数值模拟结果吻合度高。中北大学胡立双等人同样设计了20L的球型爆炸容器，进行实验时可见橘红色火焰闪过视窗，没有局部爆炸点出现，通过实验测得甲烷的爆炸上下限，并对甲烷煤尘混合爆炸规律进行研究，通过实验得知，甲烷的加入能够明显提高煤尘的最大爆炸压力值[6]。

球型爆炸容器爆炸实验数据的取得，对于球型爆炸物理、数学模型，数值模拟结果均有很强的验证性。

四、结论

总结球型容器爆炸的研究现状，分析三种研究方法的优缺点，对于促进可燃气体球罐防爆抑爆的深入研究有着重要的科学意义，并能够对今后的球罐爆炸特性研究提供较为系统的思路。

[1]胡双启，张景林.燃烧与爆炸[M].北京：兵器工业出版社，1992：24-126.

[2]闫兴清，喻健良.球罐内甲烷气体泄漏形成的可燃气云规律研究[J].安全与环境学报，2015,15(1):83-86.

[3]刘春秀，易丽军.某石化企业LPG球罐区泄漏扩散的数值模拟[J].广州化工，2016,44(10)：182-184.

[4]罗振敏，张群，等.基于FLACS的受限空间瓦斯爆炸数值模拟[J].煤炭学报，2013，38(8)：1381-1387.

[5]王华，葛玲梅.受限空间可燃气体爆炸特性的对比[J].煤炭学报，2009，34(2)：218-223.

[6]胡立双，胡双启.多功能球形爆炸容器研究[J].中国安全生产科学技术，2011，7(11)：151-154.

华北科技学院基金项目：甲烷储罐泄漏引发爆炸燃烧过程的数值模拟研究(3142017027)

宋晓婷(1991—)，女，汉族，福建人，硕士研究生，华北科技学院，研究方向：危险化学品安全技术。