基于CFD 的海洋平台爆炸载荷数值模拟分析

戴伟，阮伟东，刘畅

（1.浙江工业大学海洋研究院；2.浙江工业大学建工学院，浙江 杭州310014；3.南方科技大学海洋科学与工程系，广东 深圳 518000）

CFD 模型指的是数值模型。其能够对高度非线性的爆炸传播过程实现较为准确的描述，一般将其应用到可燃气体爆炸的模拟研究中。本文基于CFD 模型，应用FLACS 软件进行气体爆炸场景分析，针对典型海洋平台上部结构进行建模，研究海洋平台上结构的布置及排列情况对于爆炸超压分布的影响，并给出结构布设建议，为工程实践提供参考。

1 可燃气体爆炸的数学物理模型

1.1 物理模型

可燃气体爆炸指的是可燃气体遇到着火点后会在短时间内迅速向周围传播燃烧的现象，是一种较为强烈的化学现象。在爆炸过程中的典型物理现象是高温、火焰燃烧以及高压等。图1 中所示的即为可燃气体的爆炸模型示意图，此时可燃气体与空气混合并且达到了爆炸的条件。如果存在中心燃烧源将可燃气体进行点燃，此时将会形成一定的燃烧波并迅速将周围辐射，使得附近其他点燃后，就成为新的燃烧源并继续向周围扩散。整个过程通过球面扩散方式向外部辐射燃烧波。如果其发生在一个密闭空间内，可燃气体温度在短时间内急剧上升，压力增大就形成了爆炸现象。管道在受到纯弯载荷后会形成曲率半径为ρ 的环形线段，如图1 所示。

1.2 数学模型

FLACS 中的数学模型通过可压缩守恒方程建立，模拟了理想气体的膨胀过程。此模型总中含有的方程有动量方程、湍流动能方程、混合物组分方程等。可以将其表示为如下形式：

湍流动能耗散率(ε)，焓(h)，和可燃气体质量分数(Yfu)。其中φ、σφ和Sφ的具体含义如表1。

2 结构布置对于爆炸超压的影响

2.1 孔隙率的影响

图1 可燃气体爆炸物理模型

表1 公式5.1 中相关参数含义

一般可以通过孔隙率表示结构的阻塞程度大小，计算公式如下所示：

孔隙率=1-结构体积/总体积

在实际中爆炸超压与结构孔隙率具有直接的关系，在本实验中进行了分析和研究，并对六组孔隙率存在差异的结构进行了爆炸模拟，在实验中使用了间距不同的圆柱表示孔隙率大小，具体如下图所示，各个孔隙率对应的圆柱体布置参数即为表2 中所示。

图2 不同孔隙率下的结构空间布置

另外，各个孔隙率的最大爆炸超压即为表2 中所示，可以看到，随着孔隙率的增大，最大爆炸超压呈现出的是降低的趋势，当孔隙率达到61.16%时，其最大爆炸超压已经达到了84.21%孔隙率的2.43 倍。但是当孔隙率是73.21%时并不满足其规律，此时的最大超压比孔隙率是61.16%时高出了5.7kPa，经过分析可以发现，出现这种现象的原因主要与两者横向圆柱的布置图有关，尽管73.21%的孔隙率变大，但是其横向布置方式使得左边界位置的气体流出边界遇到了较大的限制，使得超压更多的受到了侧向限制，由此可以解释第2 种孔隙率超压明显高于第1 种的超压。其对比示意图如图3。

图3 两种孔隙率的横向圆柱布置对比

表2 不同孔隙率对应的几何尺寸与最大超压

图4 61.16%孔隙率下上甲板下表面不同时刻超压分布云图

图4 中展示的是在孔隙率达到61.16%时下、上层甲板下表面各个时间的爆炸超压分布云图。基于对上图的分析可以发现，不同孔隙率大小的结构出现气体爆炸后，所有爆炸超压的空间分布特征具有较多的相似性特征，具体即为图4 中所示：如果将中心位置点燃，首先在上层的甲板中心位置出现爆炸超压，并且其范围逐步变大，基本上已经涉及上层甲板的所有区域，在并在两个短边的中心位置达到了最大值，然后在四个角点形成峰值，接着其作用力会逐步的降低。

2.2 不同侧向限制对超压的影响

在研究侧向限制对可燃气体爆炸超压造成的影响时，实验中一共设计了6 个侧限，并对其逐个进行模拟。FLACS 使用面板来对侧向限制进行表示，面板没有厚度，其具体的示意图如图5 所示。

表3 展示了各个侧向限制结构空域的最大超压值。通过表中的数据可以明显地看到，超压值最低的是1 号侧限，超压值最高的是5 号侧限；基于对上述六个侧限的综合分析，如果面板采用了沿甲板纵向为主的方式，得到的超压值会显著大于沿着横向设置面板形成的超压值，经过分析可以发现，其原因主要如下：尽管障碍物密度沿着结构横向、纵向是都是一致的，但是横向长度更小，这也使得爆炸压力将主要在横向边界进行释放，如果此时受到限制，其对于压力释放的限制更大，并远远大于纵向释放边界的限制，所以就会形成实验中的现象。

图5 不同侧限位置示意图

表3 不同侧限的最大爆炸超压

图5 展示的是位置1 中放置侧向面板各个时间出现爆炸超压的平面分布图。通过图中可以明显看到，爆炸超压在各个位置的XZ 切平面中具有较为相似的分布特征，所以这里只是任意选择了某个XZ 切平面来进行详细的说明。在实验中发现，点燃下甲板表面中心位置的气体后，火焰将会向外传播，在达到侧向限制边界之前，爆炸超压传播与无侧限时表现出了基本相同的规律，因此，不再对此过程进行详细的描述；如果火焰达到了侧限，侧限作用使得此方向的压力难以较好的释放，其需要寻找其他的方向来进行释放，整个过程就会形成一定的压力累积效应，最终引起了此区域内的超压比较明显；另外，还可以看到上甲板与下甲板形成的高超压区范围存在一定的差异，上甲板高超压区更大，这与其中格栅梁板造成的影响有关。

经过对上述六种情况的综合分析可以发现：（1）采用纵向侧板能够有效地提升结构区域内的超压值，这主要是因为：如果横向、纵向的结构阻塞率一样，压力将会优先选择在较小方向进行释放，但是如果此时的释放口被阻塞，压力就会选择从更远的释放口进行释放，而压力在传播的过程中往往会遇到一些阻力，此时将会引起较大的超压。（2）上甲板与下甲板的超压值存在一定的差异，其中上甲板超压值更大，经过分析主要是因为：上甲板的下部梁结构含有较多格栅，这造成了火焰燃烧的紊流效应更加明显，其在燃烧过程中将会释放出更多的热量，使得超压变得更大。（3）如果某个轴线中的两个压力释放口在阻塞率方面存在较大的差异，则会形成一定的超压梯度分布，阻塞率越大，则会形成更大的超压。

2.3 结构布置建议

经过上述分析可以总结出，结构爆炸超压的影响因素较多，尤其是结构孔隙率、防爆墙位置等因素都会造成较大的影响。因此，对于海洋平台结构的设置需要考虑到多个方面的因素，并对可燃气体爆炸引起的后果进行合理的控制，因此，可以从如下几个方面对结构布置进行分析：

图6 位置1 不同时刻爆炸超压分布云图

（1）对于海洋平台来说，其结构布置应该较为宽松，特别是存储可燃气体的重要区域，否则容易造成较大的安全威胁。

（2）海洋平台空间设计需要保证较高的宽阔性，尤其是重要结构位置需要避免放置大尺寸构件，另外，还需要注意不能在主要压力释放口设置侧向限制。

（3）如果出现了可燃气体的爆炸现象，将导致上层甲板出现明显的受压现象，因此需要考虑到此方面的因素并针对性进行设计。

3 结语

本文基于FLACS 对海洋平台上部结构在的气体爆炸场景进行研究，主要得到以下结论。

（1）海洋平台的爆炸超压与多个因素有关，如果海洋平台结构布置比较拥挤，孔隙率也较低，则容易造成更大的超压。

（2）如果结构沿横、纵向的阻塞率完全一致，压力将主要通过长度较短方向进行释放，如果当前主释放口受到阻塞，则会选择从更远的释放口释放压力，受到一些阻碍的影响将会引起更大的超压。

（3）如果是两层甲板结构，上甲板的爆炸超压显著高于下甲板。

（4）如果轴线的两个压力释放口在阻塞率方面具有较大的差异，则会沿着此方向形成一定的超压梯度分布，并且阻塞率越大的释放口的超压也较大。