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*

李少鹏，陈国华，赵 杰，张 强，胡 盛，董浩宇

(1.华南理工大学 安全科学与工程研究所，广东 广州 510641；2.广东省安全生产协同创新中心，广东 广州 510641)

0 引言

工业生产及生活中，可燃性气体输送、储存和使用过程中，由于设备损坏或人员误操作导致可燃气体大量泄漏并与空气混合，遇到一定能量点火源就会发生爆炸，这种现象称为开敞空间可燃蒸气云爆炸(简称UVCE)[1]。20世纪70年代以后，随着石油化工行业的蓬勃发展，蒸气云爆炸事故因可能导致更严重的次生灾害(即多米诺事故)而引起全世界的广泛关注。统计数据表明，化工行业多米诺事故的初始事故多为火灾和爆炸，其中由爆炸诱发的事故约占57%，且爆炸冲击波较火球热辐射对人员、建筑物等危害更加严重[2-3]。

开敞空间可燃气云爆炸导致大量的人员伤亡和重大经济损失，为有效防治可燃气云爆炸事故，国内外学者开展了大量研究工作。通过对可燃气云爆炸传播规律研究，掌握可燃气体爆炸传播特性，开展爆炸冲击波对周围环境影响的定性和定量分析(即动力响应研究)[4-7]，确定可燃气云爆炸的成灾模式，进而提出相应的防控策略[8-11]是该研究方向的重要工程意义所在。

本文从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2个方面介绍国内外研究现状，总结现有研究存在的不足之处，并提出有待进一步研究的关键技术问题。

1 开敞空间可燃气云爆炸研究

1.1 开敞空间可燃气云爆炸燃烧分类

根据可燃气云能量密度及点火能的不同，可将开敞空间可燃气云爆炸燃烧分为：爆燃和爆轰[1,12]。爆燃是一种带有压力波的燃烧，火焰以亚音速传播，压力波以音速在火焰阵面之前传播。因此，爆燃具有“两波三区”结构特性。爆轰是可燃气云爆炸的最高形式，火焰以超音速传播，压力波跨过波阵面，压力和密度都是突变的。

丛立新等[13]试验研究发现，当有障碍物存在时，爆炸超压常出现2次超压峰值，趋势为：一次超压阶段-负压阶段-二次超压阶段，甚至可能出现3或4次超压峰值；当没有障碍物存在时，气云爆炸超压趋势为：一次超压-负超压。无论是否有障碍物，可燃气云爆燃负压绝对值均小于正压。任新见等[14]在强点火条件下开展不同浓度的半球形液化气爆炸试验，监测不同爆心距处的冲击波超压分布发现，试验条件下爆轰负超压绝对值远小于一次超压峰值。此外，爆轰正压持续时间极短，一次超压上升阶段时程曲线比爆燃陡峭。研究表明，开敞空间可燃气云爆炸多为爆燃过程，但也存在爆轰的可能性[15]。

1.2 不同参数对可燃气云爆炸冲击波传播规律影响

UVCE的伤害效应包括3方面：冲击波超压伤害、高温热辐射伤害和爆炸产生的有毒有害气体伤害[16-19]。其中，爆炸冲击波是主要的破坏效应[19-20]。因此，现有研究多集中在可燃气云爆炸冲击波超压灾害效应。

开敞空间可燃气云爆炸冲击波传播规律理论研究方法有经验方法、自相似方法、数值模拟等[20]。其中，应用较为广泛的是经验方法中的TNT当量法、TNO多能法和Baker-Strehlow-Tang(BST)模型。

1)TNT当量法：将可燃气云爆炸总的燃烧热转化为当量TNT爆炸燃烧热，具有操作方便、计算简单的优点。但是，TNT为固体炸药爆炸，与可燃气体爆炸的爆源性质存在本质区别，爆炸能量、爆源体积、爆炸冲击波传播速度等均不相同，当距离爆源较近时，TNT当量法预测可燃气云爆炸超压偏大，而对远距离爆炸超压预测值偏小。Henrych和Mills提出不同的爆炸冲击波超压与当量距离计算的公式，但该理论计算公式低估了试验超压值，针对该问题，Wang等修正TNT当量法计算系数η为3/8，使Henrych和Mills提出的理论计算值与试验值最大相对误差为8.75%，通过与PHAST模拟对比发现，理论计算结果与模拟结果基本吻合，从而改进了TNT当量法[21]。

2)TNO多能法：考虑可燃气云爆源强度与所处空间受限程度的关系，将爆源强度划分为10个等级，并绘制无量纲距离和无量纲超压关系图，但TNO多能法并未给出不同爆源强度定量选择的原则。针对TNO多能法在蒸气云爆炸应用中选择爆炸强度主观性较强的局限，张瑞华等[22]采用TNO爆炸波当量特征参数与当量距离特征曲线拟合关系式代替爆炸波特征曲线，并对公式中误差较大的参数进行修正，可减少TNO多能法在应用中的不准确性。

3)BST模型：类似于TNO多能法，区别在于该方法利用火焰传播速度(马赫数Mw)来选取不同爆炸强度曲线。

试验研究方面，早期的试验是为研究限制物对冲击波传播的影响，Layer等提出肥皂泡技术，研究表明，肥皂膜对气云爆炸影响可以忽略，但试验气云尺寸太小；基于此，Lind等采用聚乙烯薄膜做成限制物，试验证实薄膜不会对爆燃的传播产生较大影响；鲍麒等[23]利用AutoReaGas研究聚乙烯薄膜对开敞空间可燃气体爆炸超压影响发现，随着气体体积、燃烧速度和传播距离增加，薄膜对爆燃超压的影响逐渐减弱，氢气、乙炔混合气体开敞空间爆燃试验可以使用聚乙烯薄膜，而甲烷开敞空间爆燃试验则需要选择强度更弱的薄膜或其他材料。解决了限制物对压力波传播的影响后，毕明树[1]利用聚乙烯薄膜搭建开敞空间半球形可燃气云爆炸试验平台，试验发现在聚乙烯薄膜未破裂前，火焰外表基本上呈半球形，且火焰表面较光滑，薄膜破裂后火焰表面保持半球形形状，但逐渐变得不规则。

随着计算机技术的发展，Computational Fluid Dynamics在开敞空间可燃气云爆炸二、三维研究中应用越来越广泛。其在连续性方程、动量方程、能量方程等基本方程的基础上，结合化学反应过程中组分连续性方程、Navier-Stokes Equations和爆炸过程中湍流k-ε模型等共同构成计算模型基础。

近年来，为研究可燃气云爆炸传播规律，国内外学者针对形成可燃气云气体性质、点火能、障碍物等影响因素开展研究工作。

1.2.1 可燃气云性质对爆炸冲击波传播规律影响

可燃气云因泄漏气体活性、泄漏气体与空气混合浓度比、气云形状/尺寸等对爆炸冲击波超压有显著影响。国内外学者有关可燃气云性质对爆炸冲击波传播规律影响的相关研究如表1所示。

表1 可燃气云性质对爆炸冲击波传播规律影响Table 1 Influence of properties of flammable vapor cloud on propagation laws of explosion shock wave

现有研究多针对单一可燃气体或将混合可燃气体简化为单一可燃气体开展研究，结论以定性描述为主，对爆炸冲击波等灾害效应目标参数在多影响参数下的定量研究较少。多元混合气体爆炸研究则集中于混合气体爆炸极限、火焰燃烧特性的研究[37-38]以及受限空间混合可燃气云爆炸特性研究[39-40]，对开敞空间多元混合可燃气云爆炸传播规律研究较少。

1.2.2 点火源对爆炸冲击波传播规律影响

开敞空间可燃气云爆炸要求的最小点火能很低，通常在毫焦数量级。现有点火源对可燃气云爆炸冲击波传播规律研究如表2所示。

表2 点火源对可燃气云爆炸冲击波传播规律影响Table 2 Influence of ignition sources on propagation laws of shock wave of flammable vapor cloud explosion

近年来，王超强等[41]、孙从煌等[42]研究了不同点火位置和不同点火条件对可燃气体爆炸特性的影响，研究发现，点火位置对超压时程曲线不同峰值影响不同，如：Δp2的峰值大小随着点火位置远离泄爆口而增大；点火温度越高，管道内燃烧反应更剧烈，气体温升速率越快，但却降低管道内的压力峰值；点火面积越小，预混可燃气体前期温升越快。但是，以上主要是管道和密闭空间等受限空间条件下，点火源对爆炸冲击波传播规律影响研究成果，开敞空间条件下是否有相同的研究结论有待进一步研究。此外，目前鲜有对开敞空间可燃气云爆炸目标参数(冲击波超压峰值、压力上升速率等)与点火能进行定量分析，以及不同浓度可燃气云在“最适宜”点火能条件下，爆炸目标参数的变化特性研究。

1.2.3 初始温度和压力对爆炸传播规律影响

初始温度越高，越有利于可燃气的扩散，可燃气云形成的速度快且均匀，爆炸超压也较大。Phylaktou实验证实[46]，碳氢化合物-空气混合物的火焰速度Df随初始温度T0的升高而增加，通常可用公式(1)表示，m取值在1.5～2.0之间。

(1)

高娜等[47]对不同初始温度和初始压力条件下甲烷爆炸极限、最大爆炸压力和点火延迟时间进行试验研究发现，高温高压条件使瓦斯爆炸极限范围扩大；随着初始温度升高，瓦斯爆炸最大爆炸压力逐渐减小；初始温度越高，点火延迟时间越短。

Wan等[48]基于计算绝热火焰温度方法提出了1种预测空气中燃料可燃性下限(LFL)的方法，并计算了甲醇、乙醇、甲酸甲酯和二甲醚在10 MPa压力和1 000 K温度条件下的LFL；结果表明，在高温条件下，随着压力的增加，混合物的LFL略有下降；另外，10 MPa压力和1 000 K温度条件下混合物的LFL远低于大气环境温度和压力条件下的LFL；因此，在高温和高压条件下可燃气体混合物可能会造成更大的火灾和爆炸危险。

现有研究多针对初始温度和压力对爆炸极限的影响，鲜有对爆炸冲击波超压在初始温度和压力条件下的研究。

1.2.4 障碍物对爆炸冲击波传播规律影响

当有障碍物存在时，由于障碍物诱导的湍流对燃烧过程具有正反馈作用，火焰传播速度、爆炸超压峰值将显著增加[16]，当气云内设置半球条栅形障碍物时，爆炸超压是无障碍物的8～10倍，且条栅数量越多对爆炸波的传播扰动越明显，超压值越大，峰值超压随着障碍物阻塞比的增加而增加[49]。

丛立新[50]通过试验研究乙炔-空气混合气云内部半球形圆孔和矩形孔障碍物条件下，爆炸超压Δp、冲量I与障碍物特征参数(空隙率φ、障碍物半径Rb、障碍物宽度b、障碍率θ等)和测点与气云距离r、可燃气云半径R之间的关系式。

毕明树等[51]将障碍物扰动因子(障碍物形状及尺寸、障碍物的体积占有率)引入气体动力学方程组，建立了内部有障碍物的气云爆炸压力场计算表达式，并编制程序对乙炔-空气气云爆炸压力场进行计算，计算结果与试验相比偏差小于20 %。

2 爆炸灾害动力响应研究

2.1 爆炸灾害效应评价准则

目前应用较多的爆炸灾害伤害准则有：超压准则、冲量准则、结构自振周期、超压-冲量准则和安全距离表法[52]。

当在爆点周围设有一定条件的防护土围墙时，江佩兰等[53]在大量的试验和事故资料分析基础上，经过必要的调整修正后，得到各个破坏等级所对应的安全距离公式，如式(2)所示：

rs=KWa

(2)

式中：rs为建筑物在某一破坏等级下的安全距离，m；K为安全系数，取值如表3所示；W为TNT当量，kg；a为幂指数，取值如表3所示。

表3 与破坏等级对应的安全系数和幂指数Table 3 Safety coefficients and power exponents corresponding to failure grades

2.2 爆炸冲击波作用下承载体动力响应

可燃气云爆炸冲击波作用下动力响应研究可分为2大类：

一种是解析计算法，即以TNT当量法、TNO多能法等理论模型为基础计算可燃气云爆炸冲击波强度，在此基础上研究不同距离处建筑物破坏情况及人员受伤情况，该方法因简单易行而得到广泛的应用。周成[5]将蒸气云爆炸能量用TNT当量法进行模拟计算，在此基础上对球罐泄漏蒸气云爆炸时不同距离处的爆炸冲击波随时间变化曲线进行研究，得到距爆源同一距离处储罐所受冲击波超压持续时间与储罐距离爆源中心距离呈反比的结论；缪鹏飞等[54]基于TNO多能法计算LPG储罐爆炸后果，并结合GIS对事故后果进行仿真分析，研究表明，该方法可有效评估爆炸灾害危险区域、分析资源空间、规划决策路线等，为LPG储罐火灾爆炸事故的科学处置提供定性、定量的技术支撑。但是，该方法因1.2节所述计算模型假设条件的影响而导致计算精度不高。

另外一种，将CFD软件与有限元软件结合，该方法克服了CFD软件在模拟计算气体爆炸过程中难以求解承载体动力响应的弊端。余波[52]将FLUENT与ANSYS结合，分析气云爆炸下抗爆结构的动力响应与破坏特征，研究发现，在气云爆炸过程中，钢筋混凝土2墙交界处由于负弯矩导致出现裂缝，裂缝逐渐向支座处延伸，出现层裂破坏，随着爆炸过程发展，结构上更多的位置将破坏，直至结构完全失效；Salaun N等[7]将CFD模拟软件FLACS与非线性有限元软件结合，把FLACS模拟计算得到的海上平台气体爆炸冲击波超压时程曲线作为有限元动力分析的输入条件，模拟计算防火墙概率-超压曲线，研究发现，该方法较Dimensioning Accidental Loads(DAL)方法计算结果更精确。

3 结论

1)开敞空间多元混合气体爆炸冲击波传播规律研究尚较少见。当前开敞空间可燃气体爆炸冲击波传播规律研究多针对单一可燃气体，而多元混合气体爆炸研究多集中于受限空间爆炸极限和火焰传播特性，鲜有对开敞空间多元混合气体爆炸冲击波传播规律研究。

2)多参数耦合作用下可燃气云爆炸冲击波传播规律定量分析有待深入研究。目前，国内外学者对可燃气云爆炸冲击波传播规律研究多针对单一影响参数，且现有成果中未充分考虑点火能、可燃气体混合比、初始温度和初始压力等影响参数对爆炸冲击波超压影响的定量研究。

3)基于可燃气云爆炸流场冲击波作用下承载体动力响应研究有待加强。近年来，在CFD软件模拟计算气体爆炸基础上，结合有限元软件的动力响应研究成为热点，而不同软件之间数据的相互转换及计算结果的可靠性有待深入研究。