基于VR技术的大型储罐火灾爆炸仿真软件设计*

刘婉莹，侯 磊，伍星光，刘莹莹

(中国石油大学(北京) 油气管道输送安全国家工程实验室，北京 102249)

0 引言

目前，我国已建设约7 000座大型储罐，石油储罐单罐容量最大可达20万m3。随着储存危险品容积的增大，其安全风险更加突出。2013年6月，大连某石化公司发生1起储油罐爆炸事故，结果造成2人失踪，2人重伤；2013年11月，青岛某石化企业发生爆炸事故，事故造成62人死亡、136人不同程度受伤，直接经济损失达7.5亿元[1]。因此，大型储罐火灾和爆炸事故的防控是储油罐区安全工作的重要内容。

目前，虚拟现实技术在我国石油化工安全方面的应用已经取得了一些进展。王俊杰等[2]利用GIS、AJAX和VRML等技术绘制电子地图，模拟工厂内部实际场景，开发了某化工厂的安全培训演练仿真系统；周德闯[3]、韩冬[4]和张俊杰等[5]均采用MultiGen Creator/3Ds Max建模软件构建虚拟现实场景，在Vega Prime仿真环境中分别研究了大空间火灾的实时仿真，库区火灾的消防救援和有毒气体扩散泄漏仿真工作；刘永立等[6]、侯建明等[7]基于Unity 3D虚拟仿真平台设计出煤矿火灾应急救援系统；玄令岐[8]结合UE4和Visual Studio平台对矿井火灾蔓延进行了研究。但上述研究中，应用粒子系统时未考虑危险源特性和事故发生原因，导致火焰形态与真实情况相差较大；另外，对于事故预防、发生和后果分析等问题主要侧重于单一方面进行研究，鲜有结合事故发生的全过程进行研究。

针对以上问题，本文在研究火焰动态变化时，修正粒子系统参数，添加黑烟动态模型，使火灾形态更加接近储罐火灾爆炸真实情况；选用适合于大型储罐的火灾爆炸模型进行模拟计算，使事故后果预测更加准确；将事故发生原因、演变过程、事故后果等研究工作进行结合，集成于仿真软件中；通过软件对大型储罐火灾爆炸事故后果进行分析，判断火灾爆炸事故对周围人员生命和环境安全的影响程度。可为制定应急方案提供科学依据。

1 大型储罐典型事故数学模型

1.1 火灾理论后果模型

大型储罐一般在防火堤内或密封圈处发生池火灾，并对邻近人员及设备产生热辐射危害，根据池火灾伤害半径来确定火灾热辐射对人员和周围环境的损害影响情况。池火灾火焰的特征参数通常包括火焰直径、火焰最大高度和平均燃烧速率等。

1.1.1 火焰高度模型

火焰高度是池火灾关键特征参数，也是事故三维演变过程模拟的重要依据，池火灾火焰高度可由Thomas建立的湍流扩散火焰平均可见高度模型求得[9]。

无风时：

(1)

有风时：

(2)

式中：ω10*是无量纲风速，计算公式为：

(3)

式中：h为火焰高度，m；D为液池半径，m；ρ0为空气密度，kg/m3；g为重力加速度，9.8 m/s2；m′为单位表面积燃料燃烧速度，kg/(m2·s)；ω10*为无量纲风速；ωw为10米高处风速，m/s；ρv为原油蒸发密度，kg/m3。

1.1.2 池火灾辐射模型比选

目标热辐射通量是评判池火严重程度的关键指标，经典点源模型、Shokri-Beyler模型以及Mudan模型为3种常见的池火灾辐射模型[10]。经典点源模型适用于火灾初始危害评估，预测值误差较大，Shokri-Beyler模型以及Mudan模型较为复杂，但预测结果相对更加准确。

以原油为研究对象，其理化参数见表1，为了优选出适用于大型储罐的池火辐射模型，选取直径分别为10，30，50和80 m的液池直径，在无风条件下通过计算对比3种模型的热辐射通量、设备损坏情况和人员伤亡情况。

表1 原油理化性质Table 1 Physical and chemical properties of crude oil

利用3种辐射模型，分别计算4种不同液池直径发生池火灾后的目标热辐射通量随目标到液池中心距离的变化关系。图1为目标热辐射通量随目标与液池中心间的距离变化趋势。由图1可见，在不同液池直径下，目标热通量均随目标到液池中心距离的增大而减小；在D=10 m的情况下，3种模型计算结果相近，均可适用；随着液池直径增大，计算结果相差明显，与点源模型相比，Mudan模型和Shokri-Beyler模型目标热辐射通量更大；当目标距液池中心较小时，Shokri-Beyler模型的热通量值最为保守，宜采用Shokri-Beyler模型作为池火热辐射模型；当目标距液池中心较大时，Mudan模型计算的热通量值超过Shokri-Beyler模型，采用Mudan模型最为合适。

根据热辐射伤害准则[11]，分别计算3种模型池火灾伤害范围，分析对设备损坏和人员伤亡情况。计算结果表明，当液池直径较小时，3种模型死亡半径、轻伤半径和轻微伤半径接近；随着液池直径增大，3种模型伤害半径差值逐渐扩大，与点源模型相比，Shokri-Beyler模型和Mudan模型伤害半径较大；随着伤害程度减小，Mudan模型伤害半径逐渐超过Shokri-Beyler模型，但相对于点源模型，Shokri-Beyler模型与Mudan模型伤害半径计算结果相差较小。

图1 不同液池直径下的目标热辐射通量趋势Fig.1 Trend of target heat flux at different diameters

综合考虑液池直径和池火灾热辐射伤害范围，对于大型储罐的危险工况，液池直径较大，Shokri-Beyler模型和Mudan模型较为适用。根据池火灾影响范围进一步分析，Mudan模型可以计算出确保人员安全撤离的最大保守距离，与Shokri-Beyler模型相比，该模型的优点在于有风和无风条件下均适用，最终确定，采用Mudan模型作为池火辐射模型。

1.2 爆炸理论后果模型

大型储罐的爆炸事故分为罐内爆炸和罐外爆炸。当大型储罐发生泄漏，若不及时发现，泄漏出来的油品在空气中不断蒸发，当油蒸气浓度达到爆炸极限时，暴露在明火中就会发生蒸气云爆炸，这称为罐外爆炸；当清洗油罐时储罐内残留高浓度的油蒸气，空气进入储罐并混合，达到爆炸极限并用明火点燃便会发生蒸气云爆炸，这种情况称为罐内爆炸。

对于蒸气云爆炸，事故模型主要包括TNT等效模型[12]、TNO多能法[13-14]、Baker-Strehlow模型[15]等。TNT等效模型原理是利用TNT质量计算燃料质量，该模型简单易懂，广泛应用于蒸气云爆炸事故后果的计算，事故后果预测效果更为准确。因此，确定选用TNT等效模型作为蒸气云爆炸事故后果模型。

2 应用VR技术的大型储罐事故仿真软件设计

基于VR技术的大型储罐火灾爆炸事故仿真软件设计流程如图2所示。使用3Ds Max软件对真实场景进行建模，应用Qt软件编写软件界面控件，将库区虚拟现实场景和Qt界面嵌入VS 2010软件中，编入火灾爆炸事故后果模型，应用OSG粒子系统编写火灾爆炸效果，最终跨平台整合形成一套软件。

图2 仿真软件设计流程Fig.2 Simulation software design flow chart

2.1 软件功能设计

基于VR技术的大型储罐火灾爆炸事故三维仿真模拟软件的功能主要包括3D场景模拟与管理模块、火灾计算模拟评估模块和爆炸计算模拟评估模块。

2.1.1 软件功能模块

软件各功能模块间的关系如图3所示，通过分析软件系统的功能需求，将本仿真软件分解为3大模块分别进行应用程序界面设计。

2.1.2 数据处理

软件系统中主要功能、系统与外部环境间的输入输出、系统内部处理和数据存储等情况可通过数据流程图体现。在三维场景管理模块中，通过读取道路、建筑物、绿地、大型储罐区的地理坐标以及属性数据，在后台对数据进行处理，利用平移、放大/缩小和旋转等三维场景操作管理机制，将三维虚拟场景以人机交互的方式显示在软件界面上。在池火灾和爆炸模拟模块中，在单元界面上设置参数后，通过自动进行三维可视化计算，对池火和蒸气云爆炸演变过程进行仿真模拟，计算结果存储于文件中，以便于数据处理与分析。

图3 软件功能模块之间的关系Fig.3 Relationship between software function modules

2.2 3Ds Max软件和Qt软件在三维仿真软件中的应用

利用3Ds Max建模软件对石油储备库区的真实场景进行建模、纹理贴图和渲染，3Ds Max建模的优势在于能够增强库区场景的质感，使三维场景更加接近真实环境；通过Qt软件编写界面实现人机交互，完成大型储罐事故后果的三维动态展示的前期工作。

2.2.1 3Ds Max建模软件的应用

以某原油商业储备库布置图为依据对真实场景建模，应用3Ds Max软件进行精简建模，利用材质贴图表现库区中模型对象的细节，例如通过草坪、水泥和水波等图片对材质进行贴图，使简单平面模型对象呈现出绿地、水泥地或水池等不同场景效果。制作完毕后利用3Ds Max默认的渲染器进行渲染，图4为库区全局渲染效果。

图4 库区全局渲染效果Fig.4 Tank rendering area rendering effect

2.2.2 Qt软件的应用

为了编制软件中火灾爆炸各单元模块界面，需要采用支持2D/3D图形渲染的用户界面软件，Qt作为1个支持2D/3D图形渲染的跨平台图形用户界面软件，易扩展，界面简洁大方。全面积火灾模块单元用户界面如图5所示。在该单元界面中，能够实现数据存储和界面切换等功能。

图5 全面积火灾界面Fig.5 Full area fire interface

2.3 OSG粒子系统在三维仿真软件中的应用

OSG粒子系统是整个软件的关键部分，主要用于模拟火灾爆炸动态效应。利用无限个带有生命属性的微小颗粒来描述火焰的不规则形状[16]。每个火焰粒子具有形状，大小，颜色，Alpha透明度，运动速度，加速度，运动方位和生命周期等8个基本特征属性，均为随时间进行变化。

粒子位置的变化取决于其自身受力的作用[17]，在火灾爆炸中，主要受重力和风力作用。假设粒子位置是匀速变化的，利用质量燃烧速率代表火焰粒子速度，随着时间步长的增加，粒子在三维空间中位置变化由式(4)计算。

(4)

式中：P为粒子的空间位置；P0为粒子的初始空间

位置；V为粒子的运动速度，m/s；t为时间，s。

火焰动态模拟过程如下：产生并初始化火焰粒子，然后确定火焰粒子的寿命，如果寿命值为0，火焰粒子消亡；如果寿命值不为0，则利用质量燃烧速率、火焰直径、火焰最大高度和燃烧持续时间，在下一时间步长中进行迭代更新属性参数，如火焰粒子的速度、位置、颜色和生命周期等。火焰高度决定粒子高度的上限值，燃烧时间决定粒子生命周期，火焰颜色由生命周期控制。对于爆炸场景，冲击波超压的持续时间即是虚拟现实中爆炸持续时间，以显示爆炸瞬时的演变过程。将更新程序与粒子系统关联后添加到场景中呈现出火焰动态效果。随燃烧时间的推移，火焰颜色由明转暗，若火焰粒子生命值为0，粒子颜色变为透明，在场景中删除消失的粒子，直到全部粒子均消失，火焰动态模拟过程结束。烟雾的模拟过程与火焰模拟基本相同，区别在于烟雾的颜色是由淡转浓，且位置坐标高于火焰位置。

3 基于交互式的真实场景中火灾爆炸事故三维模拟展示

3.1 全面积火灾案例

某原油商业储备库区内，大型储罐单罐容积为10万m3，直径为80 m，高度为21.8 m；原油的密度为840 kg/m3，燃烧热值为43 890 kg/kJ，质量燃烧速率为0.078 1 kg/(m2·s)，利用Mudan模型对单罐进行求解，经过计算得到池火灾演变过程如图6所示，火焰从小到大，由于油品的不完全燃烧，火焰外部有大量黑烟生成。

利用Mudan模型求得目标热辐射通量与目标到液池距离之间的关系，求得火焰高度为79.5 m，大气透过率为0.78，火焰高度和液池直径2个参数将作为虚拟现实中池火灾火焰形态的最大上限值，用来控制事故演变过程，根据热辐射伤害准则，通过目标热辐射通量判断生命财产损失程度。

通过事故后果计算得，当目标热辐射通量大于25 kW/m2，即人员设备距液池39.5 m时，人员死亡率达到100%，储罐失效；当目标热辐射通量小于1.6 kW/m2，人员设备均处于安全状态，因此最大人员安全撤离距离为338 m，下一步即可制定应急消防和救援方案。

图6 全面积火灾的演化过程Fig.6 Evolution of a full-area fire

3.2 爆炸案例

对于单罐，原油理化参数同上，假设有5 m3体积的原油泄漏蒸发引发爆炸事故，利用TNT等效模型进行求解，经过计算得到罐外爆炸演变过程如图7所示，由于爆炸时间极短，因此爆炸效果是瞬时过程。

利用TNT等效模型爆炸求得目标位置在1 m时，最大冲击波超压为3 770 kPa，到达最大冲击波的时间为0.361 ms，冲击波的持续时间为0.209 ms，随着目标距离的增加，冲击波超压峰值呈指数型下降。目标距离与冲击波超压、冲击波持续时间和冲击波到达目标时间的关系如图8所示。由图8(a)可见，目标距离与冲击波到达目标位置的时间为正相关关系，随着目标距离的增大，冲击波到达目标位置的时间也不断增加，但目标距离并不影响冲击波自身持续时间，如图8(b)所示，冲击波持续时间基本保持在3～4 ms之间。

图7 蒸气云爆炸演变过程Fig.7 Evolution of the vapor cloud explosion

图8 冲击波超压、冲击波到达时间和冲击波持续时间随目标距离的变化Fig.8 Shock wave overpressure, shock wave arrival time and shock wave duration as a function of target distance

根据冲击波伤害准则，通过冲击波超压值判断生命财产损失程度，表2为人员设备损坏情况，当目标距离爆炸源2.68 m时，冲击波超压大于500 kPa，人员死亡率100%；当目标距离爆炸源5.5 m时，冲击波超压大于100 kPa，大部分人员死亡；当目标距离爆炸源7.8 m时，冲击波超压大于50 kPa，人员内脏严重损伤或死亡；只有当目标距离爆炸源大于13.8 m时，冲击波超压小于20 kPa，人员才处于安全状态。

表2 人员设备损坏情况Table 2 Personnel and equipment damage

4 结论

1)以人员保守安全撤退距离为依据，对多种池火灾辐射模型和蒸气云爆炸模型进行比选，确定采用Mudan模型进行大型储罐池火灾的热辐射通量计算，采用TNT当量模型进行蒸气云爆炸冲击波计算。

2)采用3Ds Max+OSG+QT的开发模式，在Visual Studio 2010平台上开发了基于VR技术的大型储罐火灾爆炸仿真软件，通过添加黑烟效果提高了火焰的逼真度。该仿真软件能够实时地对大型储罐火灾爆炸事故进行三维可视化动态仿真模拟。

3)利用该软件对某火灾和爆炸工程案例进行后果模拟分析，判断池火灾热辐射和爆炸冲击波对人员和周围建筑设施的伤害损坏程度，验证了该软件实时模拟的功能。