城市燃气管道泄漏爆炸事故三维风险数值模拟

城市燃气管道在发生泄漏导致火灾爆炸事故时,在空间某点形成的风险,不仅与泄漏量、泄漏时间有关,还与空间有无障碍物、泄漏环境等因素有关。基于物理场经典的场理论,定义城市燃气管道泄漏爆炸事故的风险场,推导出多个危险源在空间某点形成的风险强度公式。利用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件模拟有无障碍物时爆炸事故形成的风险在空间传播规律。结果表明,障碍物对空气超压峰值的影响具有距离效应。在障碍物近区,空气冲击波经反射叠加作用造成超压峰值急剧升高;在障碍物远区,空气冲击波经障碍物反射后由于随距离衰减过快,对超压峰值影响微弱,甚至没有影响。同时对有障碍物存在时进行爆炸破坏效应模拟,得到爆炸破坏效应的5个分区,界定了爆炸破坏对人身伤害程度范围。首次提出了城市燃气管道泄漏爆炸事故风险场的概念,并运用风险场理论研究了空间某点多个危险源同时存在时的风险传播问题。     

不同曲率弯曲巷道爆炸冲击波传播特性数值模拟研究

为研究爆炸冲击波在不同曲率弯曲巷道内的传播规律,采用数值模拟手段建立了不同曲率弯曲巷道爆炸模型,分析了爆炸冲击波在巷道内的传播特性及其变化规律, 并结合冲击波超压对人体的伤害程度分类,研究了不同曲率弯曲巷道内爆炸破坏效应分区。模拟结果表明,弯曲角度改变了巷道内冲击波超压分布,随着巷道弯曲角度的不断增大,壁面反射对冲击波超压峰值分布起主要作用,随着传播距离的增加,冲击波超压峰值衰减显著,体现了超压峰值变化的距离效应。此外,巷道弯曲角度的增加整体减小了爆炸损伤严重程度。研究结果可实现对不同曲率弯曲巷道内冲击波超压分布的预测,并为巷道内爆炸事故预防及应急救援提供借鉴。     

瓦斯爆炸冲击波在单向分叉管道内的传播规律试验研究

为研究瓦斯爆炸冲击波在单向分叉管道内的传播规律,建立瓦斯爆炸试验管道系统,进行瓦斯爆炸试验。根据试验结果,分析单向分岔管道分岔前的超压、分岔角度对管道内冲击波传播的影响。所得研究结论是:管道分叉角度不变时,冲击波超压越大,直线管道超压衰减系数和支线管道超压衰减系数越大。冲击波超压不变时,增大单向分叉管道角度,支线管道冲击波超压衰减系数变大,直线管道衰减冲击波超压系数变小,体现了支线和直线管道内冲击波的分流作用;支线管道的分叉角度越大,对直线管道的分流作用越小。     

不同曲率弯曲巷道弯角近区爆炸冲击波传播特性研究

为研究爆炸冲击波在不同曲率弯曲巷道弯角近区的传播规律,采用有限元方法建立爆炸模型,分析爆炸冲击波传播特性及其变化过程。研究结果表明,弯曲角度改变了巷道内冲击波超压分布,巷道内爆炸冲击波是巷道壁面反射叠加增强作用与传播距离衰减效应综合作用的结果,在爆源近区反射叠加作用占主导地位,使峰值压力出现极值;随着传播距离的增加,冲击波衰减占主导地位,峰值超压随距离呈现为线性衰减。     

拐弯角度对瓦斯爆炸诱导煤尘爆炸的影响研究

为研究瓦斯爆炸诱导煤尘爆炸在不同拐弯巷道内的传播特征,首先采用不同角度拐弯管道模拟煤矿井下拐弯巷道结构;然后利用煤尘爆炸试验系统,通过试验监测管道内不同位置的冲击波压力值和火焰传播速度值;最后研究不同拐弯角度管道内瓦斯爆炸诱导煤尘爆炸冲击波和火焰在拐弯前后的变化特征。结果表明:瓦斯填充长度一定的情况下,沉积煤尘爆炸冲击波峰值超压先减小后增大,到达管道拐弯后,急剧减小;冲击波峰值超压衰减率随着管道拐弯角度的增大而增大,角度越大,峰值超压衰减越快;火焰传播速度先增大后减小,经过拐弯管道后,速度突然增加;火焰传播速度变化率随拐弯角度的增大而增大,角度越大,速度增幅越大。     

爆炸冲击作用下储油罐毁伤特性的数值模拟

大型储油罐是石油库的主要设备，研究其在爆炸载荷下的动态破坏特性意义重大。为获得拱顶油罐结构在爆炸冲击作用下的毁伤机制，采用ANSYS/LS-DYNA建立了柴油拱顶油罐的有限元数值模型，开展了不同炸药量和储油量下拱顶油罐结构的爆炸冲击破坏过程的数值模拟研究。结果表明：储罐内部爆炸后会出现两个薄弱区域，分别出现在罐壁与拱顶的环向交接处和柴油液面的分界处；储罐爆炸冲击波的分布几乎不受TNT当量变化的影响，但爆炸超压随着TNT炸药质量的增加而显著增强；储罐内部的油料液体可以减弱爆炸冲击载荷对罐体结构的破坏效应。研究可为既有罐区安全功能改进和新罐区建设提供理论支撑。     

爆炸空气冲击波在巷道转弯处的传播特性

为了探索爆炸空气冲击波在巷道内的传播规律,进行了数值计算和理论分析,讨论了爆炸冲击波通过45°弯曲巷道后的压力变化过程.研究结果表明: 爆炸空气冲击波通过45°弯曲巷道后的压力分布复杂,空气冲击波逐渐恢复为平面波需经过4倍等效巷道直径的距离传播.在该4倍等效距离内,冲击波反射叠加,在巷道外侧壁面Mach反射点取得超压最大值,恢复平面波以后超压随距离呈单调衰减.     

煤矿长壁工作面瓦斯爆炸全尺寸模拟

为丰富煤矿事故调查内容和有效应用矿井阻隔爆技术,利用气体爆炸数值模拟软件FLACS建立原型尺度的采煤工作面巷道模型进行数值模拟,并结合事故调查资料,研究瓦斯爆炸火焰、冲击波超压和动压在直巷、转角、分叉等巷道结构中的传播规律和破坏特征。结果显示:巷道分叉提供的自由空间可显著限制爆炸火焰传播;巷道分叉及转角能有效降低冲击波超压;冲击波动压气流速度衰减在巷道分叉处较为明显,但对直巷和转角不敏感;携残片和毒烟的动压高速气流是灾区远场的主要致灾因子。定量的数值仿真结果对认识矿井原型尺度下瓦斯爆炸传播规律、再现事故场景、优化阻隔爆设施布置有一定借鉴意义。     

长径比对管道油气爆炸特性与火焰传播规律影响研究*

为了探究长径比对油气爆炸传播特性与火焰传播规律的影响,为复杂管道受限空间油气爆炸防控提供理论参考,结合油气爆炸与爆炸抑制工程实际需要,构建不同长径比管道油气爆炸模拟实验系统,在此基础上开展不同初始浓度的预混油气-空气混合气爆炸实验。研究结果表明:管道内部的预混油气爆炸超压信号呈先上升后下降的趋势,由于耗散以及憋压效应导致超压下降平稳后仍大于初始压力;同时长径比增加会导致达到最大爆炸超压的油气浓度增加,油气爆炸超压峰值随着长径比的增加呈现上升→下降→上升的规律,小长径比管道的油气爆炸超压峰值高于大长径比管道,但同为小长径比管道或大长径比管道工况的实验结果对比显示爆炸超压峰值随着长径比增加而提升;而超压上升速率则会随着长径比的增加而上升;长径比的增加同时也会促进火焰的加速传播并减小火焰持续时间。     

密闭管道瓦斯爆炸冲击波冲量及压力上升速率的实验研究

针对矿井瓦斯爆炸破坏模式主要在压力破坏和冲量破坏的研究,实验分析瓦斯在密闭管道发生爆炸时瓦斯浓度对冲击波冲量及压力上升速率的影响,利用管道中距离点火源不同位置的压力传感器测试了不同浓度瓦斯的爆炸压力,对冲击波冲量及压力上升速率进行分析,为防爆抑爆提供依据。研究结果显示:在管道中距离点火源的不同位置上,当浓度为9.5%时,瓦斯爆炸冲击波冲量及压力上升速率最大;由于超压衰减和传播距离的增加,在距离点火源4m和8m时压力冲量较大;在瓦斯浓度较低的范围内瓦斯爆炸时,其压力上升速率增长较快,而随着浓度的增加在较宽的浓度范围内,能较稳定地维持在高位值。     

公共建筑结构内爆炸效应的数值模拟

大型公共建筑结构内的爆炸问题分为4个连续阶段,即炸药的爆轰、冲击波的传播、冲击波与结构壁面的反射、结构壁面在爆炸载荷作用下的动力响应。为研究大型公共建筑结构内爆炸的效应,以爆轰动力学、爆炸力学、结构动力学和爆炸力学计算方法等多个领域的理论知识为基础,选取典型长方体空间为研究对象,采用有限元计算方法,对长方体密闭空间内冲击波传播规律及壁面爆炸载荷分布特性进行了数值模拟。结果表明:在爆炸冲击波距离结构壁面较远时,计算模型中的冲击波衰减规律与无限大气中的相似,可以采用空爆理论计算模型;而在结构壁面处,由于受到反射冲击波的影响,当反射波与入射波叠加后在某些观察点会出现压力急剧升高,甚至压力超过首个峰值的现象;在结构壁面的角域,由于冲击波衰减缓慢,超压作用时间较长,破坏效果也最大。     

模具中雷管爆炸的冲击波防护距离研究

为了研究模具中雷管爆炸产生的冲击波超压对雷管生产线传输皮带周围操作人员的伤害范围,测量了模具中单发到50发雷管同时爆炸后不同距离的空气冲击波超压峰值,并拟合了超压衰减曲线;根据空气冲击波超压与人员伤害程度的最小压力关系,得到了避免传输皮带周围操作人员出现"轻微"、"中等"、"严重"、"极严重"伤害时的安全防护距离。利用空气冲击波峰值超压公式定量分析了模具对其中雷管爆炸产生冲击波的吸收,表明模具具有良好的冲击波吸收作用。     

多分支管道油气爆炸特性大涡模拟

为了研究油库常见的分支结构空间内发生油气爆炸时火焰和压力的传播特性,建立了基于WALE湍流模型及Zimont预混火焰模型的油气爆炸模型;模拟了6种不同分支管道结构空间内汽油/空气混合物爆炸发生发展过程;研究了分支管道数量及相对设置位置对爆炸超压的影响规律,以及分支管道对火焰传播形态和速度的影响规律;模拟结果与前人相关实验规律进行对比。研究结果表明:分支管道对汽油/空气混合气预混爆炸具有明显的强化激励作用;火焰锋面传播经过分支管道时,经历规则—褶皱—规则的变化过程;主管道内火焰传播速度,在分支管道对流场的突扩作用和湍流作用的共同影响下呈震荡变化的规律。     

同沟敷设条件下埋地高压长输管道爆炸危害的试验研究

为了得到埋地长输管道物理爆炸对同沟管道及周围环境的影响,通过进行埋地全尺寸管道爆破试验,研究了在役长输管道断裂爆炸对同沟敷设管道造成的破坏程度,对周围人和建筑造成的伤害范围;并对爆炸能量进行了估算。结果表明,在12 MPa管道压力下,埋深1.5 m的管道于侧面完全断裂爆炸对距离为0.96 m的管道并未造成较大程度的破坏,管道爆破冲破土层后的物理爆炸冲击波引起的伤害范围比抛射物的伤害范围小得多;估算结果表明,管道物理爆炸产生的TNT当量约为20.6 kg,但产生冲击波的能量只占30%,危害范围较小。因此,同沟敷设管道0.96 m间距在试验条件下可以满足管道物理爆炸的安全要求;对周边环境危害需要重点关注抛射物的抛射范围、抛射规律,综合考虑确定安全范围。     

基于FLACS的化工园区公共管廊事故后果模拟

针对化工园区公共管廊的特点,利用FLACS软件对上海化学工业区内的公共管廊进行三维建模,在考虑风场、建筑物等因素影响的基础上,模拟了丙烯和氢气管道的介质泄漏扩散及爆炸事故,分析了特定场景中的可燃云团扩散过程、爆炸冲击波发展规律及后果严重程度。研究结果表明,丙烯和氢气管道发生泄漏后都可能引发气云爆炸,且通风状况越差、障碍物越多,爆炸冲击波的破坏作用越强。当管内介质为丙烯时,爆炸后果影响较轻;而管内介质为氢气时,爆炸会对周围建筑物和人员造成较大的破坏,且局部区域存在较高的爆炸超压值。模拟结果为公共管廊的规划布局、事故预防、安全管理等提供了理论指导。     

气体密度和初压对炸药爆炸压力衰减的影响

为研究气体密度和初压对爆炸压力的影响,以球形装药为例,在LS-DYNA中模拟不同气体密度、环境初压和真空度条件的TNT炸药爆炸,分析空气冲击波的形成过程和衰减规律。研究结果表明：在爆炸初期冲击波的波阵面位于爆炸产物边界,产物压力与冲击波压力存在强耦合作用;随着爆炸产物自身压力下降,其膨胀速度减慢,冲击波开始与爆炸产物分离,当产物中心压力下降为环境初压时,冲击波与爆炸产物彻底分离,其后以空气冲击波的形式独立传播。降低气体密度可以通过抑制冲击波形成,大幅降低爆炸压力;减小环境初压则通过加快冲击波的衰减速度,也可以在一定程度上降低爆炸压力。相较于单独改变密度和压力,提高真空度对冲击波压力的减小效果更好;近真空环境下无法形成空气冲击波,爆炸压力衰减速度快。     

非燃烧区瓦斯爆炸冲击波在单向分岔管道内传播规律的试验研究

在空间上瓦斯爆炸可以分为瓦斯燃烧区、非瓦斯燃烧区两个区域.在瓦斯燃烧区内冲击波和火焰是相互耦合的;当瓦斯燃烧完毕后燃烧波消失,只剩非瓦斯燃烧区冲击波,冲击波失去能量支持,最终恢复至正常大气参数.为了研究非燃烧区内瓦斯爆炸冲击波在分岔管道中的传播特性,搭建了截面为80 mm× 80 mm的方形管道,分别由1 m、1.5m、2.5 m、3m、4m等5种长度不等的管道组合而成.管道由3个部分组成,前端为直管道瓦斯填充区,中间管道为空气直管道和管道末端,末端设计了30°、45°、60°、90°四种单向分岔角度.通过瓦斯填充量和管道分岔角度两个变量,采用TST6300动态数据采集储存仪,对管道内瓦斯爆炸冲击波能量及冲击波在单向分岔情况下超压分流情况进行试验研究.结果表明,管道单向分岔条件下,非燃烧区瓦斯爆炸冲击波分流系数与冲击波初始超压及管道分岔角度有关,分流系数随冲击波初始超压及分岔角度的增加而增加.     

城镇燃气管道泄漏爆炸的定量风险分析

介绍了城镇燃气管道泄漏爆炸冲击波超压的定量风险分析方法.简要介绍了城镇燃气管道,对城镇燃气管道泄漏的失效概率、泄漏源模型、爆炸冲击波超压模型、超压概率模型、个人风险和社会风险分别作了论述.     

基于超压值地铁上覆管道爆炸对隧道及人员安全影响研究

为分析地铁上覆管道爆炸对乘客安全影响,采用基于超压冲击波阀值数值模拟,通过将泄漏气体能量等效为TNT当量,分析不同泄漏模式爆炸冲击波对地铁隧道及人员安全影响.结果表明:爆炸产生的超压冲击波对隧道及人员影响小于限值,不会造成人员伤亡,研究结果可为地下工程下穿油气管线安全影响分析提供理论支撑.     

汽车爆炸的超压分布规律实验研究

测试了不同药量和不同车型的爆炸超压值,对汽车爆炸的超压分布规律进行了实验研究.结果表明,小汽车内发生炸药爆炸时,车门侧压力明显大于车尾部方向的压力,车外的冲击波超压值要大于空气中炸药爆炸的结果,前者约为后者的1.0～2.2倍.即车体对冲击波约束作用要小于车内底盘的反射作用.计算得到了实验中冲击波超压对人员的杀伤半径和最小安全距离,对汽车爆炸案件具有一定指导作用.冲击波的反射不可忽视,货车下地面炸药爆炸表现出明显的冲击波反射作用,测得超压值大于空气中爆炸的超压值.