爆炸模型的研究进展

爆炸模型的研究进展

爆炸是一种极为迅速的物理或化学的能量释放过程。在此过程中，体系内的物质以极快的速度把其内部所含有的能量释放出来，转变成机械功、光和热等能量形态。所以一旦失控，发生爆炸事故，就会产生巨大的破坏作用，爆炸发生破坏作用的根本原因是构成爆炸的体系内存有高压气体或在爆炸瞬间生成的高温高压气体或蒸汽的骤然膨胀。爆炸体系和它周围的介质之间发生急剧的压力突变是爆炸的最重要特征，这种压力突跃变化也是产生爆炸破坏作用的直接原因。

按照爆炸的性质不同，爆炸可分为物理性爆炸、化学性爆炸和核爆炸，下面列举了几种常见的爆炸模型。

1蒸气云爆炸后果预测模型

蒸气云爆炸后果的预测模型主要有树枝模型、物理模型和关系模型,其中关系模型比较方便应用从而得以广泛使用。关系模型主要有TNT当量模型、多能法、Baker - Strehlow模型等。

1. 1 TNT当量模型

蒸气云爆炸的能量用TNT当量描述,即将参与爆炸的可燃气体释

放的能量折合为能释放相同能量的TNT炸药的量,这样就可以利用有

关TNT 爆炸效应的实验数据预测蒸气云爆炸效应。对于蒸气云,TNT

当量模型的计算通常有以下几个步骤:

(1) 确定蒸气云中可燃气体的质量。比如,可以通过爆炸上、下

限的等浓度线来确定可燃蒸气云的边界。

(2) 将可燃气体的质量与气体单位质量的燃烧热相乘,可得到蒸气云爆炸总的燃烧热。

(3) 总的燃烧热乘以一个当量系数得到实际的燃烧热,然后将这个实际的燃烧热除以TNT的燃烧热,就得到了TNT当量:

式中,W TNT为可燃气体的TNT当量,kg; W f为蒸气云中可燃气体的质量,kg; a 为可燃气云的当量系数(一般取值为0. 01～0. 1 ,统计平均值为0. 04); Q f为可燃气体的燃烧热,MJ/ kg; Q TNT为TNT的爆炸热,一般取值为4.52 MJ / kg。

对于超压引起的伤害半径的计算可根据下式进行:

式中, R 为伤害半径,m; Z 为比例距离,m/kg1/3；W TNT为可燃气体的TNT 当量,kg。对于任意给定的超压, 都有一个比例距离Z 与其相对应。

1. 2 多能法

荷兰应用科学研究院在大量实验研究和数值研究的基础上,提出了多能法。它的基本思想是:只有在存在约束的条件下,蒸气云爆炸才能产生强的爆炸波,而其他地方的蒸气云只是单纯的燃烧,不会对爆炸波的产生作出显著贡献。多能法中将爆源强度分为10个等级,爆源强度的大小与蒸气云所处空间的受限程度有关。

对于蒸气云爆炸,多能法根据无量纲距离和无量纲超压的关系图得出伤害半径。

无量纲距离的计算公式如下:

式中, 为无量纲距离; R 为距离爆炸中心的距离,m; P0为当地大气压力,Pa ,一般可取101 325 Pa; E 为总的爆炸能量,J ,可通过将可

燃蒸气云的体积同化学计量浓度下的烃-空气混合物的典型燃烧热(3. 5MJ/m3) 相乘得出。

无量纲峰值侧向超压的计算如下:

式中, P s 为侧向超压的峰值,Pa。

1. 3 Baker - Strehlow 模型

Baker - Strehlow 模型与多能法有些相似,其基本思想也是由于

部分约束才能产生较强的爆炸波。对于无量纲距离、无量纲峰值侧向超压的计算与多能法相同。该方法与多能法的主要区别在于无量纲峰值侧向超压与无量纲距离变化曲线图有所不同,该方法根据最大火焰传播速度(马赫数M W) 来选取不同的爆炸波强度曲线,见图。

对于燃料活性,甲烷和一氧化碳的反应程度为低,氢气、乙炔、乙烯、环氧乙烷、环氧丙烷的活性为高,其他物质的活性为中。

对于障碍物的密度,低密度指的是在火焰传播方向上障碍物很少,或障碍物的阻塞比率低于10 %且只有1层或2层障碍物。高密度指的是有至少3层障碍物,并且每层障碍物的阻塞比率大于40 %。中密度指的是高密度和低密度之间的障碍物密度。

2 沸腾液体扩展蒸气爆炸

在化工或石油化工过程及相关行业中, 当装有液化气的容器处

于火焰环境下、受到撞击或机械失效时, 就有可能发生沸腾液体扩展蒸气爆炸( BLEVE) , 其导致的灾害损失和后果极为严重。沸腾液体扩展蒸气爆炸( BLEVE) 是指由于装有液化气( LPG) 的容器发生灾难性的失效而导致的沸腾液体和扩展蒸气的爆炸性的泄放, 如果液化

气是易燃易爆的, 通常会有巨大的火球产生。BLEVE 在其发生的机理、条件及所导致的灾害后果形式等方面不同于其它类型的爆炸灾害,

有其发生机理的特殊性和灾害后果的严重性。

2.1 BLEVE 的火球热辐射模型

当大量的过热气化的LPG 瞬间泄放到空中形成球形的蒸气云,

当达到燃烧极限的蒸气云遇到点火源就会产生剧烈湍动燃烧的火球, 火球产生的热辐射是BLEVE 的主要危害之一。火球模型包括火球最大直径、持续时间、抬升高度、火球表面热辐射通量、目标接受热剂量等。根据火球尺寸, 火球模型分为近地面火球模型和抬升火球模型。对于慢速BLEVE 来说, 由于有一定时间的初始喷射, 火球有一个产生、燃烧扩大、抬升和消失的过程, 且火球有一定的抬升高度。近地面火球模型和抬升火球模型主要区别在于目标接受的火球热辐射剂

量模型不同, 而火球最大直径和持续时间一样。根据火球热辐射通量模型不同分为固体火焰模型( 火球表面热辐射通量假设与可燃物质

量无关, 为某一常数, 由实验来测定) 和点源模型( 火球表面热辐

射通量依赖于火球中的LPG 质量、持续时间及火球直径大小) , 点源模型的模拟结果误差较大。

由于在火球的发展期间, 火球的直径和中心高度都在不断增大, 因而为计算火球表面热辐射通量和目标接受的热辐射剂量, 需假设

火球有一个最大直径及持续时间。近地面火球模型是假设火球中心在地面水平,此模型适合于快速BLEVE。发生时, 初始LPG 喷射对火球中