室内甲烷气体爆炸泄爆机理及载荷特征研究

• 作 者: 冯瑞
• 出 处: 北京理工大学
• 发表日期: 2018年01期
• 关键词: 气体爆炸 泄爆 障碍物 爆炸载荷特征

受限空间内的气体爆炸是一个受多种因素影响的复杂过程,形成的载荷特征不仅与燃爆气体性质有关,还与周边环境的约束条件密切相关。室内气体爆炸通常伴随着弱面破坏(如门、窗)形成泄爆条件,泄爆条件下室内可燃气体爆炸过程更为复杂,泄爆过程改变了流场条件,进而影响爆炸进程。有泄爆存在的气体爆炸既不同于密闭空间内的爆炸,也不同于开敞情况下的爆炸,其爆炸过程及载荷特征难以确定。大量的燃气爆炸事故表明,这种有泄爆及内置障碍物等复实际情况下的室内气体爆炸危害非常大,目前的研究很不充分。单纯依赖实验研究不能很好地阐释复杂条件下室内可燃气体爆炸及泄爆过程,以及该过程中流场与化学反应的相互作用机制,此外实验研究对爆炸过程中形成的复杂载荷尚未有很好的理论解释。本文将以此问题为研究对象,利用数值模拟的方法,对有弱面存在的室内可燃气体爆炸过程及其载荷特征进行研究,深入理解爆炸过程的物理特性和不同条件下载荷特征机理。主要工作如下。(1)通过建立有泄爆的气体爆炸物理数值模拟模型,研究了有弱面存在情况下室内甲烷气体爆炸的物理过程。研究加深对有泄爆条件下气体爆炸机理的认识。泄爆条件下室内甲烷气体爆炸化学反应过程与爆炸过程中流体运动过程的相互影响表明泄爆导致流场湍流强度升高,湍流强度的变化反作用于化学反应过程。这样流场与化学反应过程相互作用,使得爆炸过程多变,而形成爆炸载荷具有多峰值、长时程的特征,且载荷特征依赖于具体的爆炸及泄爆条件。(2)利用数值模型,研究了实验得到的复杂爆炸载荷类型,对不同泄爆压力和不同甲烷浓度下,几种室内爆炸产生的超压载荷特征及其生成原因进行了阐释。结果解释了不同气体初始条件和泄爆条件对爆炸过程及载荷特征的影响。当泄爆压力较低且初始浓度在当量浓度附近时,室内甲烷气体爆炸会产生两个以上(经典超压波峰数为4个)爆炸超压波峰。随着泄爆压力的升高,超压波峰数会减小到2个。当泄爆压力较高且甲烷浓度为富/贫燃料时,爆炸只会产生单个超压波峰。(3)利用数值模型模拟了不同条件下室内甲烷-空气预混气体爆炸过程和爆炸载荷特征。对室内障碍物对气体爆炸的影响进行了分析。室内存在障碍物时,可燃气体爆炸载荷明显增大,其中室内超压上升30%。随着阻塞比的增大,室内爆炸超压、温度及气体流动速度随阻塞比增大先增大后减小,存在极大值,而室外温度及气体流动速度随阻塞比的增大而逐渐减小。对点火位置对爆炸载荷的影响进行了分析,表明:后壁点火产生的超压、温度要高于中心点火,室内气体流动速度相差不大,后壁点火的室外气体流速度要高于中心点火的。对不同泄爆面面积下室内甲烷气体的爆炸过程及泄爆过程进行了研究。分析表明:随着弱面比的增大,爆炸超压逐渐降低。爆炸温度随着阻塞比增大而增大。室内气体流动速度相差不大,室外流场会随着弱面比的增大而逐渐减小。(4)基于数值分析结果,对爆炸灾害效应进行分析。根据超压-冲量准则对室内甲烷气体爆炸对砖墙结构建筑物的破坏程度进行了评价。结果表明,存在内置障碍物会增大破坏效应,但随着泄爆面面积的增加,爆炸冲击对砖墙结构的破坏逐渐降低。本文研究工作对不同泄爆条件下室内气体爆炸过程进行了建模分析,对其形成的复杂载荷机理进行了讨论,对爆炸过程与机理加深了认识。本文研究对气体爆炸事故研究和灾害预防具有重要的理论指导意义和应用价值。