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可燃气体在运输、储存、加工和使用过程中，因可燃气体泄漏而形成的气云爆炸事故，常常会造成巨大的人员伤亡和财产损失。研究气云爆炸的特性和威力，可防范事故，减小损失。中采用有限差分方法编制了求解可燃气云爆炸过程的定解方程的数值模拟程序。方程组中的源项由能量均匀加入法处理，爆炸场中的间断问题通过人工黏性模型处理。经开敞空间乙炔——空气气云爆炸实验结果检验，数值计算结果的偏差在13％以内。计算结果表明，气云半径越大，爆炸最大压力和压力增加速率越大；气云爆热越大，爆炸最大压力和压力增加速率越大。     

内部平板对半球形气云爆炸超压的影响

以乙炔 空气为介质,进行了平板障碍物对开敞空间气云爆炸威力影响的试验研究,比较测得的超压与时间曲线发现,有障碍物的气体爆燃超压呈多峰值形式,超压值随着障碍物几何尺寸的增加而增大,障碍物开孔率和位置的变化也对爆炸超压产生影响。障碍物的存在是开敞空间可燃气云爆炸产生巨大破坏力的主要原因之一。     

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可燃气体或低沸点可燃液体的事故性泄漏，会引发可燃气云爆炸事故。气体爆炸概率成为厂站、陆地及海上油气钻采平台设计中需要考虑的要素之一。为确保生产安全及对相关人员的有效保护，必须确定现场障碍物对爆炸的加强作用。为此，实验研究了内置半球栅条形障碍物半径、栅条宽度与空隙宽度3个参数对可燃气云爆炸场的影响。基于流体力学控制方程组、PDR模型和Bakke Hjertager燃烧模型，通过修改方程源项，考虑障碍物对流动的附加作用及对燃烧速度的影响，建立了可燃气云爆炸的理论模型，并采用SIMPLE算法进行了数值求解。实验结果表明，该类型障碍物对可燃气云爆炸威力有较大的增强作用，最大超压可达无障碍物时的10倍以上。计算结果与实验值相比较，最大相对偏差17.9%，平均相对偏差6.34%。     

燃料浓度对可燃气云爆炸影响的实验研究与数值模拟

以0．02mm厚度的聚乙烯薄膜为约束物，进行了半径0．5m的半球形乙炔／空气气云爆炸实验。结果表明，在100mJ弱点火条件下，乙炔的爆炸界限(乙炔的质量分数)由1．5％～82．2％缩小到5．3％～17．8％，乙炔的最危险质量分数为13．3％。建立了描述可燃气云爆炸的数学模型，并采用SIMPLE算法对模型进行求解，得到了不同燃料质量分数的爆炸超压分布。计算结果与实验值相比较，最大相对偏差为10．11％。对甲烷／空气、乙烯／空气、乙炔／空气等气云爆炸威力进行了预测，当处于最危险质量分数时，大体积的3种气云爆炸均可造成建筑物的损坏，而随着质量分数偏离最危险质量分数，破坏能力随之降低。     

沼气制油橇装装置的燃爆风险分析与优化设计

基于经济和技术可行性方面的考虑,沼气制油通常都采用小型模块式橇装化装置,但目前对于该类橇装装置的燃爆风险与优化设计方面的研究极少。为此,以某沼气制油橇装化装置为研究对象,采用HYSYS软件模拟沼气制油生产中可燃气体的动态泄漏过程,计算在过程控制系统干预下的动态气体泄漏速率,进而结合计算流体力学软件(FLACS)预测不同橇装模块(以下简称橇块)的安全间距、不同保护隔板排布方式下的爆炸强度和影响范围。研究结果表明:①增大橇块间的安全间距可以明显降低气云爆炸火焰传播造成的湍流扰动,其中爆炸远端压力监测板的爆炸超压最大值(p_(max))在安全间距为3 m时为721.1 Pa,在安全间距为9 m时则降低为83.68 Pa;②其他变量一致时,点火源位于橇块内部产生的p_(max)值大于两橇块之间;③在橇块两侧加保护隔板会加剧可燃气体爆炸后的超压,在装置实际工况下50 mm大孔动态泄漏导致的p_(max)值为5.784 kPa。结论认为,在橇块单侧增加保护隔板,可以在起到泄压作用的同时降低爆炸伤害(该排布方式不会产生过高爆炸超压);橇块间安全间距设置为6 m或者更大,可以在降低爆炸伤害的前提下尽可能节省装置的空间占位。     

内河LNG船舶气体扩散、火灾和爆炸后果模拟

为了验证LNG作为内河船舶燃料的安全性,利用基于N-S方程的CFD计算软件对内河LNG船舶LNG泄漏后的扩散、火灾和爆炸后果进行了数值模拟。计算了不同工况下气体云团的扩散行为,得到了不同工况下最大液池面积、最大液池质量、平均蒸发率、气云最大扩散距离、最大气云体积等结果。比较了风速、风向、大气稳定度等不同环境因素对气体扩散行为的影响,并定量分析了池火灾和气体云团爆炸后对周边的影响。结果表明:①在LNG泄漏阶段,气体扩散表现为重气扩散的特征;②风速对可燃气体云团的扩散有明显影响;③通过设置围堰,能够在一定程度上减轻LNG泄漏对周边造成的不利影响;④若LNG泄漏后发生池火灾,船上大部分结构都会处于37.5 kW/m~2热辐射强度影响范围下,周边船舶和人员应迅速撤离至着火船舶35 m范围外以确保安全;⑤一旦可燃气体云团发生爆炸,爆炸产生的超压为1.4 kPa,主要后果为玻璃破碎,不足以对岸上设施造成严重破坏。     

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液化石油气是一种成分复杂的混合物，这就大大增加了对其爆炸进行数值计算的难度。采用CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体力学)方法，对石油气的混合成分进行了简化处理，进而对石油气爆炸进行了数值模拟，建立了描述液化石油气爆燃的理论模型，采用SIMPLE算法对模型进行了求解。计算的超压与实验值相比较，球形容器内最大偏差为9.09%，平均偏差为4.58%；开敞空间情况下，最大偏差9.02%，平均偏差3.92%。还对工业上可能产生的液化石油气可燃气云爆燃威力进行了预测，当气云半径为100 m时，最大超压可达48.432 kPa。研究表明，大尺寸气云可以产生具有破坏力的超压。     

大型石油储罐主动安全防护系统应用与评价

大型浮顶储油罐的一二次密封空间属于相对密闭的环形油气聚集空间,储油罐在收发油作业中随着浮盘的升降会产生大量可燃气体,其浓度超过爆炸下限时,如遇雷击、静电产生的火花就可能引起可燃气体发生燃烧甚至爆炸。为消除隐患,在浮顶储罐的一二次密封间内安装一套可燃气体泄漏探测及保护系统,当可燃气体浓度超过了爆炸下限值时,系统主动向密封空间内注入氮气,置换出可燃气体,有效冲淡了密闭空间内的可燃气体浓度,阻止火灾或爆炸发生。经试用,效果良好。     

有障碍物空间可燃气体扩散规律的数值模拟

有限空间内可燃气体泄漏扩散容易引发危险事故,而对于有限空间障碍物存在时气体泄漏扩散规律的研究较少。为此,针对有限空间障碍物对可燃气体泄漏扩散的影响,采用雷诺平均的N-S方程,湍流模型以及无反应多组分输运方程,对障碍物影响下可燃气体泄漏扩散进行了数值模拟,并进一步分析了泄漏位置和障碍物高度对可燃气体泄漏扩散的影响。结果表明:障碍物对可燃气体扩散过程有阻碍作用;障碍物影响下不同位置泄漏扩散形成的浓度场不同,泄漏口与出口异侧,距离障碍物越近,房间内形成的爆炸区域越大;障碍物高度越高,有限空间内形成的爆炸区域越大,增大了危险事故发生的可能性。该模拟结果有助于室内燃气管道安全设计,可为制订室内可燃气体爆炸事故的预防措施提供参考。     

南海深水半潜式钻井平台井喷时可燃气体扩散规律

以南海某半潜式钻井平台为例,通过建立平台简化模型及气体扩散模型,模拟了南海环境下井喷天然气扩散行为,分析了可燃气云分布及发展规律。结果表明,风速5 m/s环境下产能200万m3/d气井井喷天然气在短时间内形成稳定的大范围可燃气云,垂直方向上扩散至井架中部区域,来风作用下钻台下风向区域处于危险状态。风速较小时,可燃气云主要向上部空间发展,发生燃爆后将直接造成井架顶部设备失效;随着风速增大,可燃气云达到稳定状态时间缩短,稳定状态下其空间分布范围减小,向下风向的偏斜角度增大,发生燃烧易导致井架坍塌而引发连锁破坏。由于建筑物阻挡作用,船首和右舷来风强度减弱,气流不稳定,可燃气云达到稳定状态所用时间长,稳定状态下其分布范围最大;船尾来风时,可燃气云主要分布在生活区,燃爆产生的超压、高温和强热辐射会对生活区设备和人员产生较大伤害;左舷来风时,天然气随来风迅速飘离平台,可燃气云分布范围最小,右舷固井泵室、应急发电机室和振动筛房等易受到气云燃爆风险的危害。这些研究结论可以为我国南海深水油气钻采作业应急救援提供科学指导,对深水钻井平台防火灾、爆炸具有一定的参考价值。     

浮式生产系统泄漏天然气爆燃特性与安全区域

针对浮式生产系统（FPSO）生产运行过程中潜在的油气泄漏及火灾、爆炸等连锁风险,基于CFD方法建立油气处理系统泄漏天然气爆燃事故后果预测与评估模型,对特定事故场景条件下的天然气爆燃特性进行模拟和分析,研究爆炸超压、火焰温度及热辐射的发展规律,确定各危害指标影响区域及人员安全区域。研究表明,爆燃超压总变化趋势为一次超压阶段→负压阶段→二次超压阶段→基本稳定;原油热处理器泄漏端区域受超压影响最严重,最高达到12.5 kPa;爆燃超压对人体伤害的最小安全半径为R=16.3 m;30 s后天然气爆燃发展成为稳定的池火燃烧状态;火焰温度和热辐射的主要影响区域均集中在原油热处理器下部壁面、其对应的生产甲板以及电脱盐器、电脱水器喂给泵、海水冷却器等邻近设备表面,持续作用下将对船体和设备结构造成严重损坏;火焰温度和热辐射对人体伤害的最小安全半径分别为R=32.8 m和R=57.1 m,结合研究结果从工程应用角度提出适当建议。     

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大型密闭容器内可燃气体爆燃的火焰速度存在着一个加速过程，压力也不是均匀分布的。根据密闭容器内可燃气体爆燃的实际情况，从流体力学和化学反应动力学出发，利用一步不可逆化学反应模型处理能量的加入过程，通过高精度的差分格式和时间分裂方法，对弱点火条件下密闭容器内可燃气体爆燃的压力场、温度场和浓度场进行了数值模拟，并进行了圆筒形容器内可燃气体爆炸实验。结果表明，最大爆炸压力和最大压力上升速率均与初始压力呈正比。最大压力及其上升速率在燃料组分化学计量浓度的1.1倍左右达到最大值。数值模拟计算结果与实验结果比较，其偏差不超过10%。     

大型LNG接收站泄漏事故灾害效应分析与预测

LNG接收站的储运介质主要是液化天然气,由于其具有易泄漏、易挥发扩散等特性,泄漏形成的可燃蒸气云团有可能引发火灾爆炸等严重后果,分析并预测接收站LNG泄漏事故产生的灾害效应,可以为LNG接收站选址、布局设计和事故灾害预防提供参考。为此,利用FLACS软件,根据国内某大型LNG接收站的现场布局建立LNG泄漏扩散三维预测模型,采用相对偏差率对不同风速、风向和围堰高度条件下的LNG泄漏扩散行为进行分析与评价,预测了接收站LNG泄漏事故产生的灾害效应。研究结果表明:①在300 s的扩散时间内,LNG泄漏扩散呈现重力沉降特点;②定量分析了泄漏点位置对国内某拥有5个储罐的大型接收站LNG泄漏与扩散效应的影响,确定3号储罐泄漏造成的灾害效应影响最大;③围堰高度对LNG气云爆炸灾害效应的影响最大,其次为风速和风向,而风向对LNG气云窒息灾害效应的影响最大,其次为围堰高度和风速;④发生泄漏事故意外点火爆炸,热辐射死亡最大半径为170.1 m,三度烧伤最大半径为213.7 m,二度烧伤最大半径为261.7 m,一度烧伤最大半径为370.1 m,其气云团覆盖的范围基本是死亡区,人员重伤死亡。     

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开敞空间可燃气云爆炸，尤其是在障碍物诱导下具有极大破坏力的爆炸，会造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此，研究约束条件对气云爆炸场的影响，对进一步提出可行的防爆、抑爆方案提供理论依据具有重要意义。为此，建立了开敞空间可燃气云爆炸的实验系统，对半球形乙炔—空气预混气云内半球条栅形障碍物对爆炸威力的影响进行了实验研究。障碍物半径为0.1～0.3 m，条栅宽度为15～60 mm，空隙率为20%～75%，气云半径为0.25～1.25 m。通过对实验数据进行曲线拟合回归，并经方差检验，得到了对实际应用具有指导作用的拟合关系式。     

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在石油、化工、矿业等行业中，密闭容器内可燃气体爆炸的事故屡屡发生，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。有效地预测爆炸超压，研究可燃气体爆炸成灾模式及其防治技术具有重要的社会意义和经济意义。为此，从流体力学和化学反应动力学方程出发，建立了数学模型，采用SIMPLE算法，对大型球形密闭容器内可燃气体爆炸过程进行了数值模拟，获得了不同时刻爆燃的速度场、密度场、浓度场、温度场，为工程上防爆、抑爆、泄爆提供了理论基础和数据。