不规则可燃气云爆炸威力预测方法研究
＊
喻健良
报考二级建造师的条件
闫兴清
王健
（大连理工大学化工机械学院
辽宁大连116024）
finish什么意思摘
要
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。
关键词
可燃气云
爆炸威力
超压
预测方法
Predictive Methods for Explosion Power of Irregular Flammable Gas Cloud
YU Jianliang
YAN Xingqing
WANG Jian
（School of Chemical Machinery ，Dalian University of Technology
Dalian ，Liaoning 116024）
Abstract
The numerical method for explosion power of the irregular flammable gas cloud is discusd using the com-
putational fluid dynamics in the situation of leakage and dispersion of methane in real spherical tank．The explosion o-verpressures are obtained and compared among the five kinds of flammable gas clouds （FGC for short ），including the actual geometrical FGC ，maximum diameter spherical FGC ，centre of gravity spherical FGC ，equal volume spherical FGC and the TNT equivalent FGC．The results indicate that the TNT equivalence method is too conrvative．The er-rors of the equal volume spherical FGC ，the centre of gravity spherical FGC and the maximum diameter spherical FGC with the actual geometry FGC are －13．9%，－17．2%and 52．3%respectively．The predictive method of equal volume spherical FGC is simple and has a good accuracy．Key Words
flammable gas cloud
explosion power
overpressure
predictive method
0引言
在石油、化工行业中，因意外导致的可燃气体泄
漏至大气会形成可燃气云，遇点火源即发生爆炸事故。爆炸压力波的冲击破坏是引起事故灾害的主要原因之一。准确的评估可燃气云的爆炸强度，是有效防治事故灾害的前提［1］
。随着计算技术的发展，采用计算流体动力学（CFD ）模拟真实工况下可燃气云的爆炸超压越来越引起研究人员的关注。通过对
开敞空间气云［2］、密闭空间气云［3］、半球形气云［4］
、
圆柱形气云［5］
、非均匀浓度气云［6］
以及其它工况气
云［7］
爆炸强度的模拟及实验验证发现，
CFD 方法准确、有效。
hall
工业上几乎所有可燃气云的形状均不规则。虽
然CFD 方法能够解决不规则气云燃爆强度的问题，但从应用的角度，建立一个便捷的用以预测不规则形状可燃气云燃爆强度的方法仍有很大的应用价值［8］
。基于此，本文采用CFD 方法，以高压存储可
燃气体的球罐内介质泄漏作为不规则可燃气云的形
成途径，模拟不规则气云燃爆的强度，并采用不同的简化方法计算燃爆强度，对比确定不规则气云强度的简化计算方法。1不规则可燃气云的形成途径1．1
泄漏工况
采用大连某罐区实际球罐尺寸建立模型。模型尺寸为76m ˑ26m ˑ30m （长ˑ宽ˑ高）。泄漏储罐为Ｒ1，考虑到相邻罐对扩散的影响，选取两个相
邻球罐Ｒ2、Ｒ3。球罐直径均为15．7m ，间距24m （见图1）。考虑到球罐的支柱高度，罐底距离地面
1．75m 。存储介质为CH 4，存储压力为1MPa 。设定泄漏口为圆形，位于球罐Ｒ1赤道上且正对相邻球罐Ｒ2，泄漏孔径150mm 。模拟在Fluent 平台上开展。因本文仅关注扩散后形成的可燃气云，故与气体扩散数值模拟有关的模型建立、物性参数、网格划分及独立性分析、离散格式、模型验证等内容在
*基金项目：辽宁省科技计划项目（2012231008）。
surpri的用法
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44·工业安全与环保Industrial Safety and Environmental Protection
2014年第40卷第10期October 2014
图1模拟几何模型nt
本文均不做叙述。
1．2可燃气云形状
根据甲烷的爆炸极限（体积分数5% 14%），上述工况下泄漏甲烷在不同时刻形成的可燃气云形状如图2所示。
由图2知，甲烷泄漏后，由于压力较高，扩散动量较大，可燃气云在0．4s即到达相连Ｒ2罐。对比1s和2s的可燃气云形状发现，这两个时刻几乎完全相同，说明在1s时可燃气云即达到稳定状态，水平和高度方向最大尺度L max=11m、D max=9m。球罐Ｒ3对可燃气云没有影响。虽然气云形状与时间
（a）0．2s
（b）0．4s
（c）1．0s
（d）2．0s
图2不同时刻甲烷可燃气云变化
有关，但由于高压储存气体的球罐介质泄漏达到稳定的时间极短（通常为数秒），因此仅关注稳定后的可燃气云的爆炸威力，即图2中（c）、（d）所示的可燃气云形状。
2爆炸强度模拟及结果分析
2．1不规则气云爆炸强度模拟方法
近似认为可燃气云呈轴对称特性，采用2D替代3D开展燃爆强度模拟。虽然可燃气云的浓度并不均匀，但由于甲烷爆炸极限较窄（体积分数5% 14%），故近似认为可燃气云内甲烷浓度均一，为化学计量比浓度。这样得到的燃爆强度数值虽然稍高，但应用时偏于安全。
模拟区域如图3所示，为76mˑ30m。由于Ｒ大连新东方
1
、Ｒ
check it out
2
、Ｒ
3
对可燃气云形状没有影响，故区域内不考虑球罐模型，仅建立真实的不规则可燃气云模型，模拟气云爆炸超压P1。图3中气云的形状轮廓由Fluent扩散模拟结果提取得到。
图3实际可燃气云形状
可燃气体燃爆过程遵循质量、动量、能量、组分守恒方程，采用ＲNG k－ε模拟湍流，采用EBU－Arrhenius方程模拟燃烧，采用patch点火。对数值模型进行了网格独立性分析及结果验证，由于燃爆模拟工作文献已见较多工作［2－7］，在此略掉这部分内容。
2．2可燃气云爆炸强度简化评估方法
除了模拟真实气云形状的爆炸超压外，另外采用3种简化方法评估图3所示的不规则可燃气云的强度。一是最大直径球法，如图4，采用水平方向上可燃气云最大尺度L max（如图2（d）、图3所示）作为等效的球体（2D时为圆，下同）直径，模拟此球形气云的爆炸超压P2。
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54
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图4最大直径球法可燃气云
二是重心高度球法，如图5，以实际可燃气云重心位置的高度尺度作为等效的球体直径，模拟此球形气云的爆炸超压P3。
图5重心高度球法可燃气云
三是等体积球法，如图6，计算实际气云形状的体积VＲ，等效球体体积与VＲ相等。模拟此球的爆炸超压P4。
图6等体积球法可燃气云
2．3结果分析及讨论
模拟得到不同方法的最大爆炸超压如表1所示。
表1不同模型计算结果比较
简化方法最大爆炸超压/kPa偏差实际气云形状法1510
最大直径球法23052．3%
重心高度球法125－17．2%
等体积球法130－13．9% TNT当量法［9－10］*1945（距爆源1m处）1188．1%
4467（距爆源1m处）2858．3%
*TNT当量的计算与有效系数η的取值有关，一般取0．02 0．05，见文献［9］第15页。本文给出两个区间值。由TNT 当量计算最大爆炸超压的方法见文献［10］。
由表1知，依据实际气云形状模拟得到的最大爆炸超压为151kPa，最大直径球法的爆炸超压比实际值高52．3%，达到230kPa。重心高度球和等体积球两种方法得到的爆炸超压与实际值相差不多，分别低于实际值17．2%、13．9%。而采用TNT当量法得到过于保守的结果。从精度上看，等体积球法的精度较高，且计算方法也比采用实际气云形状法要简单。
但是，必须注意，由于重心高度球法和等体积球法得到的结果比实际气云法的爆炸强度稍低，因此它们的计算结果在应用中将偏于危险。可以采用稍微修正的方法解决这一问题。例如，将采用等体积球法得到的结果乘以系数1．2即可。
3结论
（1）采用TNT当量法计算可燃气云的爆炸威力时将产生较大偏差。
（2）与实际可燃气云形状爆炸威力相比，采用等体积球简化方法预测的爆炸威力精度最高，其次是重心高度球法，最大直径球法的精度最低。宾语从句引导词
（3）采用等体积球法计算不规则可燃气云爆炸威力较为简单且具有足够精度。但在工程应用时，要进行修正。
参考文献
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作者简介喻健良，博士，教授，主要研究方向为可燃介质燃爆机理及防治。
（收稿日期：2013－12－30）suck什么意思
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