2018S-92-多舱室内气云爆炸爆轰产物运动二维数值模拟

要： ［目的］为了研究多舱室空间内气云爆炸后爆轰产物的运动规律， ［方法］采用五阶 WENO 有限差分格
算程序。利用平面激波绕射矩形台阶试验验证本文数值程序的可靠性与正确性。采用验证的程序开展不同爆 炸工况气云爆炸过程数值计算， 探讨多舱室内爆炸过程中泄压、 后燃烧能量加入对爆轰产物运动过程的影响规 律。 ［结果］结果表明： 增大泄压口尺寸， 可加剧爆轰产物泄出过程； 增大反应速率常数， 可加速爆轰产物向相邻 舱室的扩张过程。 ［结论］研究成果可为进一步考虑多组分复杂燃烧效应后爆轰产物扩张过程及毁伤评估提供 一定的参考和指导。 中图分类号 ： U674.7 关键词 ： 多舱室内气云爆炸； 爆炸波； 五阶 WENO 格式； 数值计算； 爆轰产物
第 13 卷 增刊 1 2018 年 12 月
中 国 舰 船 研 究 Chinese Journal Ship Research 中 国 舰 of 船 研 究
Vol.13 Supp 1 Dec. 2018 第 13 卷
引用格式： 徐维铮， 吴卫国 . 多舱室内气云爆炸爆轰产物运动二维数值模拟 ［J］ . 中国舰船研究， 2018， 13 （增刊 1） ： 92-99. XU W Z， WU W G. A two-dimensional numerical simulation on dynamic motion of detonation products generated by gas cloud explosion inside the multi-cabin ［J］ . Chinese Journal of Ship Research， 2018， 13 （Supp 1） ： 92-99.
æ ρu ö æ ρv ö æ ρö ç ρu 2 + p ÷ ç ρvu ÷ ç ÷ ç ρu ÷ ç ÷ ç 2 ÷ ç ρv ÷ ÷ ç ρuv ÷ ρv + p ÷ ç ç U=ç çE÷ ÷ E x = ç u( E + p) ÷ F = ç v ( E + p) ÷ ç ç ρλ ÷ ÷ ç ρuλ ÷ ç ρvλ ÷ ç ç ÷ ÷ ç ÷ ç ÷ è ρα ø è ρuα ø è ρvα ø 0 æ ö ç ÷ 0 ç ÷ ç ÷ 0 ç ÷ 1 1 ç ÷ ç S = ρaα 2 p 6 Q ÷ ç af ÷ ç ÷ ç ÷ 0 ç ÷ 1 ÷ 1 ç ç ÷ 2 6 è ρaα p ø E = ρe + 1 ρu 2 + 1 ρv 2 2 2 p = ( γ - 1) ρe
2 2 XU Weizheng1， ， WU Weiguo1， 1 Key Laboratory of High Performance Ship Technology of Ministry of Education， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China 2 School of Transportation， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China
（2）
（3） （4）
舱焊补过程中， 电火花点然了舱室内部的可燃蒸 汽， 引起强烈爆炸， 并殃及泵舱和货油舱发生连续
式中：ρ 为密度； u v 为 x y 方向上的速度分量；
p 为流体压力；E 为单位体积流体的总能量； e为
比内能；λ 为爆轰产物的质量分数； α 为可燃气云
a 为反 的反应率 （初始 α = 1 ， 反应完成后 α = 0 ） ；
增刊 1
徐维铮等： 多舱室内气云爆炸爆轰产物运动二维数ຫໍສະໝຸດ Baidu模拟
0
引
言
工业可燃性气云爆炸事故大多由弱点火点燃 可燃气体引起， 以亚音速传播的爆燃波为主。爆 燃波的传播过程复杂， 受环境条件和物理因素 （爆 燃转爆轰物理机制） 的影响极大。在传播过程中， 气体由于障碍物阻碍发生湍流加强效应或是在初 始时刻直接起爆， 其爆炸模式将由爆燃转为爆轰 或直接以爆轰模式发生爆炸。发生爆轰以后， 气 体将在空气中形成强度较大的带有负压区的空气 冲击波， 对工作人员和周边结构设施将造成较大 的危害。针对空中可燃气云和云雾爆炸模拟， 近 年来一些学者进行了相应的数值研究［1-4］， 他们将 可燃气云、 云雾简化为高压气体， 通过数值模拟， 研究了近地面气云爆炸波反射和气云相互作用的 过程。针对管道和单一舱室内部气云爆炸过程， 文献 ［5-10］ 进行了一系列的试验和数值仿真研 爆炸冲击波载荷及传播过程， 较少关注爆炸后爆 轰产物的运动规律。在实际爆炸过程中， 由于爆 轰产物处于高温、 高压状态， 且具有易燃性， 极易 与周围空气中的氧气发生剧烈的化学反应并释放 能量， 进一步增加冲击波的强度或形成高温场和 极强的热辐射。对于多舱室空间， 爆轰产物还将 扩展到其他舱室内部， 进一步扩大毁伤范围。尤 其是在船舶这种典型多域连通空间内非常容易发 生火灾， 而且一旦发生气云爆炸， 轻者货损， 重者 伤人， 甚至导致船舶全损。例如， 1967 年 7 月， 美 国“福莱斯特” 号航母发生火灾爆炸， 造成 134 人 死亡、 62 人受伤、 26 架飞机烧毁， 舰体的 10 层甲 板有 6 层损坏； 1982 年 5 月， “ 大庆 53” 号油轮在机 爆炸， 造成全船沉没， 造成 20 人死亡， 直接经济损 失 达 1 400 万 元 ， 并导致严重的海洋污染。鉴于 爆轰产物的运动规律及后燃烧能量加入的影响。 爆炸属于强间断问题， 其数值模拟对激波捕 捉格式提出了较高的要求。 1994 年， Liu 等［11］提出 了加权本质无振荡 （Weighted Essentially Non-os⁃ NO 格式作为一种典型的高精度激波捕捉格式， 对 此， 有必要探讨和研究多舱室空间内气云爆炸后 究。然而， 这些研究主要集中在气云爆轰形成的
应速率常数 （影响反应速率） ； Q af = 1.73 ´ 106 J/kg ， 为气云后燃烧过程中单位质量释放的能量；γ 为 气体的绝热指数， 本文中 γ =1.4。 恒律方程： 式 （1） 在每个方向上均可以看作一个双曲守
势， 基 于 Fortran 平 台 ， 采 用 五 阶 WENO 有 限 差 分
鉴于 WENO 格式具有精度高、 稳定性好的优
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格式， 本文拟自主开发多舱室内气云爆炸过程的 二维数值计算程序， 开展几种典型爆炸工况下爆 轰产物的运动规律研究。
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控制方程
为了计算气云爆轰产物的运动规律， 对爆轰
产物质量分数输运方程与无黏性可压缩欧拉方程 进行耦合求解。考虑到爆轰产物与周围空气燃烧 过程的复杂性， 本文不考虑多组分的复杂燃烧化 学反应以及热传导、 热辐射等效应。针对后燃烧 增强效应， 提出采用简化的反应率模型［14］进行近 似， 初步探讨后燃烧效应对爆轰产物在周围空气 中扩张过程的影响。方程的具体形式如下： ¶U + ¶E x + ¶F = S （1） ¶t ¶x ¶y 其中，
文献标志码： A DOI： 10.19693/j.issn.1673-3185. 01186
A two-dimensional numerical simulation on dynamic motion of detonation products generated by gas cloud explosion inside the multi-cabin
多舱室内气云爆炸爆轰产物运动二维数值模拟
2 2 徐维铮 1， ， 吴卫国 1，
1 武汉理工大学 高性能舰船技术教育部重点实验室， 湖北 武汉 430063 2 武汉理工大学 交通学院， 湖北 武汉 430063
摘
式， 通过耦合求解爆轰产物质量分数输运方程与可压缩欧拉方程， 自主编写多舱室内气云爆炸过程二维数值计
Abstract： ［Objectives］In order to study on the dynamic motion of detonation products generated by gas cloud explosion inside the multi-cabin， ［Methods］ the fifth-order WENO finite difference scheme is adopted to solve the coupling of mass fraction transport equation and compressible Euler equation for the detonation products，and then a two-dimensional numerical simulation program for the gas cloud explosion in the multi-cabin is developed successfully. The reliability and correctness of this numerical simulation program is verified by virtue of the plane shock diffraction rectangular step test，after which the verified program is used to carry out the numerical simulation of the gas cloud explosion under different explosion conditions， so as to explore the influence of venting hole and afterburning energy on the dynamic motion process of the detonation products during the explosion inside the multi-cabin.［Results］The results show that increasing the size of the venting hole can accelerate the emission process of the detonation products； increasing the reaction rate constant can accelerate the expansion of the detonation products to the adjacent cabin.［Conclusions］This study can provide a reference and guidance for further exploring the expansion process of the detonation products generated by the complex multi-component combustion and the evaluation of the explosion fireball damage. Key words：gas cloud explosion in multi-cabin；blast wave；fifth-order WENO scheme；numerical simulation； detonation products
基 金 项 目 ：国 家 部 委 基 金 资 助 项 目 ； 国家自然科学基金资助项目 （51409202） ； 中央高校基本科研业务费专项资金资助 作者简介： 徐维铮 （通信作者） ， 男， 1991 年生， 博士生。研究方向： 爆炸波数值计算方法及程序开发研究。 吴卫国， 男， 1960 年生， 教授， 博士生导师。研究方向： 结构动力学， 舰艇抗爆抗冲击。 （2016-YB-016） 收稿日期： 2018 - 01 - 29 网络首发时间： 2018-11-28 16:10