基于auocadrags的平行环形局限空间水气云爆炸数值模拟

基于auocadrags的平行环形局限空间水气云爆炸数值模拟

0关于vces发生源的定量描述1973年英国flixboll灾难后，蒸汽云爆炸（vapar阴影）引起了工业、科学、政府和保险行业的高度关注。现代工厂内可燃物质储量的增加和操作条件的严格控制增加，导致产生ici气体的可能性增加。液体或蒸汽的所有过程都可以被认为是lces的潜在来源。研究表明,影响VCEs行为的主要参数众多,主要有:泄漏物质种类、储存方式、泄漏数量、物质蒸发百分数、气云引燃的可能性、引燃前气云运移的距离、气云引燃前的延迟时间、气云发生爆炸而不是火灾的可能性、爆炸效率、引燃源相对于泄漏源的位置等。显然,现实中的VCEs事故都是发生在一种未受控制的环境中,因而对VCEs就很难用定量描述,通常从真实事故中收集来的数据大多不可靠,事故之间也很难进行比较。目前,定量描述VCEs的方法通常有TNT当量法、TNO多能法和化学爆炸能法等,但这些方法都无法解决以下问题:1)蒸气云空间形状对爆炸效应的影响;2)确定点火源的位置及其影响;3)首尾相连扁平局限空间爆燃波传播规律及其效应。由CenturyDynamic和TNO公司共同研发的三维CFDAutoReaGas软件则是当前商业化的VCEs计算软件,在世界范围内被广泛用于工业设施安全和风险分析,可用来模拟和研究该类特殊场景下的爆炸事故及其效应。1浮顶与罐顶的配合爆炸事故发生在原油储罐浮顶舱第3环状舱内,浮顶总体呈圆盘状,内径为80m,高约0.9m,浮顶环状舱和隔舱平面图如图1所示。从圆盘中心向外被径向分隔成1个圆盘舱(半径为9.6m)和5个间距相等、完全独立的环状舱(即2,3,4,5,6),每个环状舱又被隔板分隔成个数不等的隔舱(如第3环状舱被分隔成①,②,③,④,⑤,⑥,⑦,⑧8个隔舱),隔舱之间相对独立,其隔板上部顶端留有一定缝隙(约1～2mm,隔板顶端与浮顶舱上表面钢板为点焊方式),从而实际上使得隔舱之间保持一定贯通,每个隔舱上表面开设一个直径为0.5m的人孔。浮顶为全钢材质结构,所用钢板材厚约5mm,隔舱内布设钢制三角行架为支撑龙骨,如图2所示,浮顶采用焊接方式构建。事故发生前,储罐正处于试压期间,储罐内水位高度约13m(储罐全高21.8m)。事故发生时,原油储罐浮顶隔舱内正进行第二次涂刷防腐作业。作业使用的原料是环氧云铁中间漆(含少量二甲苯)和稀释剂(主要成分为苯、甲苯)。作业过程中没有采取任何通风方式,隔舱内可燃性挥发气体只能依靠人孔和外界自然对流与扩散。爆炸当时,施工作业已进入收工阶段,据现场勘查分析认为,由于电气火花点燃受限空间中已达到爆炸极限的二甲苯、苯及甲苯挥发组分与空气组成的气体混合物,从而发生爆炸性混合气体爆炸事故。爆炸事故共造成13人死亡、6人轻伤,爆炸破坏浮船面积达到850m2,如图3所示,爆炸产生的最远碎片(面积约27.0m2)被抛掷到距离储罐外壁131m处,爆炸产生的最重碎片(面积约146.0m2)被抛掷到距离储罐外壁73.3m处。2计算结果和模型简化事故中的蒸气云爆炸空间(即第3环状舱,内、外半径约16m和23m,扁平方向高度约1m)实际上为扁平环形局限空间,空间首尾相接,第3环状舱中间实体(半径16m)和外围均为刚性体,上、下表面为钢板,下表面钢板和水体紧密接触,上表面钢板和外界空气接触。按照事故爆炸空间实际尺寸和构造模式,用AutoReaGas软件建立计算物理模型,如图4所示。鉴于软件本身的局限性,为了简化建模,第3环状舱计算中只分为4个隔舱、计算空间外围形状设定为BOX(立方体形状),计算空间实际外围形状大小46m×46m×1m,划分成47×47×3个网格。起爆点坐标为(17,17,0.5),分别在个隔舱中各设置1个测点,1#(16,16,0.5),2#(-16,16,0.5),3#(-16,-16,0.5),4#(16,-16,0.5)。假设爆炸空间(体积为1300m3)充满了甲烷的化学反应当量浓度的爆炸性气体,浓度为9.5%(V/V)。计算过程如图5所示。3人孔与能量的革命为了能够深入分析问题,分下面5种情况进行研究:1)爆炸气体空间所有与外界接触的界面都设定为刚性面Solid,各隔板扁平方向高度为0.95m,即留有0.05m的缝隙保持各隔舱间的贯通。爆炸冲击波超压计算结果如图6所示,爆炸区域温度变化曲线如图7所示。2)爆炸气体空间所有与外界接触的界面都设定为刚性面Solid,没有隔板作用的影响。爆炸冲击波超压计算结果如图8所示,爆炸区域温度变化曲线如图9所示。3)爆炸气体空间除上部空间自由开放(Open)外,其他所有与外界接触的界面都设定为刚性面Solid,没有隔板作用的影响。爆炸冲击波超压计算结果如图10所示,爆炸区域温度变化曲线如图11所示。4)爆炸气体空间所有与外界接触的界面都设定为刚性面Solid,各隔板扁平方向高度为0.95m。由于计算空间云雾体积(1300m3)大于实际事故云雾空间体积(750m3),为了模拟人孔的存在和影响,在4个隔舱的上部表面分别对称地开设2个人孔,每个人孔开口尺寸1m×1m,爆炸冲击波超压计算结果如图12所示。5)爆炸气体空间所有与外界接触的界面都设定为刚性面Solid,各隔板扁平方向高度为0.5m。人孔设置同情况4),爆炸冲击波超压计算结果如图13所示。情况1和情况2外边界都是完全刚性和封闭的,爆炸冲击波超压值将近8×105Pa,爆炸温度高达3000K,这和文献的实际测算值比较接近,根据NFPA68,Bartknecht,Senecal和Beaulieu的研究成果,例如:甲烷气体爆炸的最大压力Pmax(表压)分别为7.05bar,7.1bar和6.7bar,该压力可能足以让建筑物遭到全部破坏、重型机械工具被移走并遭到严重破坏等。爆炸点火源设定在测点1所在的隔舱中,爆炸冲击波有2个传播方向,即1-2-3和1-4-3,从图6～图9都可以证明爆炸冲击波传播的方向和时序性。情况1中爆炸空间被刚性隔板阻隔,各个隔舱之间冲击波超压值没有发生压力堆积的现象,只是测点2的响应时间比测点1延迟了2s多,但即使只有5mm的隔板缝隙,也足以让爆炸过程得到传播。作为对比研究,情况3)明显呈现出冲击波超压的压力堆积现象,按照爆炸冲击波传播的方向和时序性,1-2-3方向上超压值分别可达15Pa,70Pa和220Pa。情况4)的计算结果表明,存在2个人孔(面积为2m2)泄压的条件下,除了测点1所在隔舱发生了爆炸作用(超压达到1.4×104Pa)外,其他隔舱都没有发生爆炸,只是由于5mm高的隔板缝隙所带来的轻微压力振荡(见图12)。从浮顶舱的结构分析,其隔板、顶板、底板及环状舱竖向壁板间都是依靠焊接方式进行连接的,尤其是在顶板端仅采用了点焊的方式,在隔舱爆炸横向冲击载荷的作用下,隔板将可能瞬间失去其隔离作用,这和爆炸事故现场调查结果相一致,现场所有隔板都无一例外地被抛掷出隔舱。故在情况5)条件下,将隔板高度裁剪至0.5m,削弱其隔离作用的影响,以期和爆炸实际条件更加近似。计算结果表明,隔板从爆炸隔离作用转变成爆炸场中刚性障碍物的紊流和加速冲击波超压的作用,从图12和图13冲击波超压值的升高结果可以得到证实;图13测点冲击波超压出现压力堆积和压力叠加现象,与在事故现场调查中发现的8#隔舱凹陷程度更加严重的结果相吻合。根据前述分析可以推断,事故初始起爆点很可能就发生在与8#隔舱相对称的环形隔舱里面,该推断为初始起爆点定位、爆炸事故过程重构等提供理论参考依据,可以提高爆炸事故调查工作的科学性和工作效率。4深刻反应中的作用特性,主要有两种1)研究表明,对于单一点火源,扁平圆环局限空间蒸气云爆炸冲击波传播方向有2个,相向传播的这2个冲击波最后会发生叠加效应并使冲击波超压增大;能否发生冲击波叠加效应主要依赖于边界约束条件(刚性约束、自由空间或人孔开口尺寸等)和爆炸燃烧波传播过程中受到的阻挡作用大小(隔板的刚性特征及尺寸大小)。2)实际VCEs事故发生的环境条件千差万别,传统的研究和评估方法只能在定性和半定量等方面作出一定可信程度的结论,但往往不能够深入到事件的本质过程。3)扁平圆环局限空间爆炸现象的特殊性就在于,对于爆炸空间内任何位置的