氢气爆炸超压冲击波的工程估算方法简述

超压冲击波是氢气爆炸时产生的主要危害之一,也是导致建筑与人员伤亡的主要因素。文章介绍使用TNT当量估算爆源能量后,计算氢气爆炸产生的超压冲击波几种常用方法,主要包括比例定律法、经验公式法与软件模拟。     

炸高对爆炸超压的影响规律

对炸高影响爆炸超压的规律进行了理论分析和实验研究。提出了描述超压与对比炸高和对比距离两个变量的拟合公式。得到了最有利的起爆高度(对比炸高)与对比距离的关系。得出最佳炸高条件下冲击波超压随对比距离的衰减曲线,可近似为一条直线,该曲线上的冲击波超压高于其他条件的超压值。     

高压氢气泄漏射流研究进展

叙述了高压氢气泄漏射流研究进展,重点对氢气状态方程、欠膨胀射流结构及模型、射流区域氢气浓度预测、基于计算流体动力学的泄漏射流模拟等方面进行了归纳、总结和评述,并对未来研究方向进行了展望。文中总结：现有研究表明已有多种适用于高压氢气的实际状态方程,Peng-Robinson、Abel-Noble等方程兼具便捷性及精度;高压氢气泄漏时在泄漏口呈现高度欠膨胀射流结构,Molkov模型可用于预测欠膨胀射流特性参数;高压氢气泄漏射流区为动量控制或动量与浮力联合控制,区域内氢气浓度与泄漏口径、泄漏口距离、介质密度组成的量纲为1参数有量化关系;主流计算流体动力学软件如ANSYS-Fluent、FLACS等在模拟高压氢气泄漏时均被证实具有较好精度。未来研究方向包括大尺度实验、不规则泄漏口、成果工程化应用以及高效数值模拟方法等。     

炸药空中与水中爆炸冲击波超压的换算关系

通过经验公式分析及模拟实验研究,对炸药装药空中与水中爆炸产生的冲击波超压换算关系进行了研究.结果表明,当比例距离r=R/W1/3的取值范围在1.5～2.5时,炸药装药空中与水中爆炸冲击波超压有定量的换算关系,并拟合出确定的换算公式.通过理论和经验数据分析,得出其他装药水中冲击波超压TNT当量的换算方法,冲击波参数TNT当量应根据炸药水中爆炸的冲击波能进行换算.通过对比证明,根据冲击波参数TNT当量修正后的经验公式计算结果精度可以满足工程设计使用.     

点火源位置对甲烷-空气爆燃超压特征的影响

开展了化学恰当比φ = 1甲烷-空气预混气在透明方形管道内的爆燃实验研究,改变点火源位置,分析在管道一端闭口一端开口条件下,点火源位置对甲烷-空气预混气爆燃超压特征的影响。实验结果表明:当点火源与闭口端之间距离较小时,时间-超压曲线不发生振荡,随着点火源相对于闭口端距离的增加,超压分别呈微弱等幅振荡、振幅指数增长的振荡,且最大超压峰值随之增加;超压波形与火焰瞬态结构存在密切关联,振荡波形超压峰值的极值点总是位于火焰位置的极值点;当超压发生振荡时,振幅指数增长阶段的振荡周期随时间线性减小,振荡周期与未燃气气柱长度呈现较好相关性;超压振荡的原因在于,泄爆口侧的火焰前沿触发了超压振荡,闭口侧火焰前沿与声波(压力波)在未燃气气柱中相互作用放大了超压振荡。     

高压氢气泄漏相关安全问题研究与进展

氢能作为新能源领域的“明日之星”,已经逐步在全球范围内发展与推广。然而,安全性依然是氢能全生命周期的关键瓶颈问题,高压又是其中最为突出的风险要素,容易引发氢气泄漏、扩散,甚至燃烧、爆炸等重大安全事故。基于此,重点总结了高压氢气泄漏扩散、泄漏自燃、喷射火和气云爆炸等典型事故演化过程及内在机理的研究现状并归纳了当前的不足之处,提出了未来发展方向,对氢能安全科学研究及事故防控具有指导意义。     

开口率和点火源类型对汽油蒸气泄压爆炸内场超压荷载的影响

构建了汽油蒸气泄压爆炸实验系统,研究了开口率和点火源类型对汽油蒸气泄压爆炸过程中内场超压荷载的影响规律,研究结果表明：汽油蒸气泄压爆炸会导致内场形成多个超压峰值,其中最大峰值由泄压爆炸膜破坏所形成;随开口率的增大,P₁数值近似呈线性下降,P₂的数值近似呈指数下降,外场火焰的Rayleigh-Taylor不稳定强度增加,Helmholtz振荡的持续时间延长;点火源类型对最大超压峰值和平均升压速率大小均有影响,不同点火源类型下超压峰值和平均升压速率的数值从大到小排列分布依次为高温灯丝 > 火药点火杆 > 高能电火花 > 明火点火杆;火焰结构为“火焰外锋面+内部火焰核心”,二者所占的比例受点火源类型的影响。     

预测管道中气体爆炸超压的改进ME法

分析了管道中可燃气体爆炸超压的特点,提出了利用ME模型预测管道中气体爆炸超压的新方法,在能量守恒定律和爆炸能量相似律分析的基础上结合爆炸反射压力理论修正了ME模型并用于封闭管道中气体爆炸超压的预测,利用修正的ME模型计算了甲烷在管道中的爆炸超压,对计算值与实验值同ME模型、TNT当量模型的计算值以及数值模拟计算结果进行了比较分析.实验的管道分别是直径为2m、长29m的大型圆管和边长为80mm、长24m的小型方管.数值模拟的独头巷道横截面是方形,边长为1.77m,巷道全长30m,瓦斯填充长度为6m.比较分析结果表明：修正的ME模型计算值与实验值以及数值模拟计算结果吻合较好.该方法可用于管道中气体爆炸灾害事故危险性分析与评估,给管道防爆泄压设计和爆炸防护提供重要参考.     

聚乙烯薄膜对可燃气云爆炸影响的实验研究与数值模拟

聚乙烯薄膜作为约束物，对可燃气云爆炸有着重要的影响.采用7.8%的乙炔/空气混合气进行了实验研究，薄膜厚度分别为0.02、0.04 mm和0.06 mm，层数为1～4层.结果显示，当采用单层厚度0.02 mm的薄膜时，半径0.5 m的半球形气云爆炸可产生2.410 kPa的最大超压;厚度0.06 mm时，最大超压达到3.642 kPa;薄膜层数为4层时，最大超压上升到13.125 kPa.建立了描述气云爆炸的理论模型，模型考虑了薄膜强度、层数对爆炸的影响，采用SIMPLE算法进行了数值求解.计算结果与实验值相比较，最大相对偏差14.8%，平均相对偏差4.73%.提出的方法对有弱约束物存在时，气云爆炸的灾害预测具有重要的指导意义.     

负压环境对炸药爆炸冲击波影响的实验研究

为了研究负压环境对炸药爆炸冲击波的影响,在自制可调真空度爆炸容器中进行负压爆炸实验,采用PCB压力传感器测量罐体轴线固定位置点的冲击波超压,分析了在0、-20、-40、-60、-80、-90、-99kPa等不同负压环境下罐体内测点爆炸冲击波反射超压时程曲线。结果表明,爆炸环境负压降低,测点一次、二次冲击波峰值超压随之降低,在-40kPa和-99kPa负压环境下超压降低显著;爆炸冲击波速度大小与传播介质密度相关,即环境负压越低,气体越稀薄,冲击波传播速度越快;爆炸冲击波速度随环境负压降低而升高,与超压降低强度无相关性;负压环境不改变容器内实验雷管爆炸的气体产物生成量;在近似真空环境中,爆炸冲击波主要以爆轰产物为传播介质,冲击波速度提高受限于爆轰产物运动速度,强度弱,衰减迅速。     

含双侧分支结构受限空间油气泄压爆炸超压特性与火焰行为

为研究含有双侧分支结构受限空间内油气泄压爆炸超压和火焰演变特性,进行了不同初始油气体积分数工况下含有双侧分支结构受限空间和长直受限空间内的对比实验。研究结果表明： ①爆炸超压曲线会出现3个典型的超压峰值p₁、p₂、p_max,其中p₁的形成与管道开口端密封材料瞬时破裂有关,p₂与分支结构泄压有关,而p_max受管道内部爆炸强度与火焰加速协同效应影响。②分支结构对爆炸超压有强化作用,当油气体积分数在1%～2%区间,爆炸超压强化程度先增强后减小,且在1.4%～1.8%之间最为强烈。③火焰在分支结构处发生显著的弯曲、褶皱变形,这增大了火焰面积,提高了燃烧速率,加速了流场的传热传质效率,诱导爆炸强度的急剧增大,同时提高了火焰传播速度并增大了最大火焰锋面位置。④火焰在含有双侧分支结构的管道内呈现“半球形火焰--指尖形火焰--平面状火焰--浪花状火焰”形态变化。     

点火方式对受限空间油气爆燃规律的影响

通过可视化和数据分析方法,针对电火花、突遇高温热壁、直接加热热源和持续加热热壁4种常见的点火方式,对油气在受限空间的整个爆燃过程进行了对比分析。不同点火方式下油气爆燃的起燃条件、起燃速度、火焰结构、火焰颜色存在很大的区别,并进行了细节分析。尽管油气在受限空间的爆燃过程都呈现出4个阶段,但火焰颜色、持续时间对不同的点火方式是不同的。通过对最大爆炸超压和超压典型曲线的分析,最大爆炸超压由大到小的点火方式依次是突遇高温热壁、电火花、直接加热热源和持续加热热壁,并分析了受限空间中超压曲线的典型特征。     

瓦斯爆炸冲击波在不同类型巷道中传播规律研究

本文利用流体力学软件AutoReaGas定量地研究了瓦斯爆炸冲击波在直管、900单向分岔和拐弯等不同类型管道中的传播特性。研究结果表明:由于瓦斯爆炸冲击波在管道壁面上发生反射、绕射等情况、导致冲击波在管道分岔和拐弯处超压峰值大大增强,且拐弯管道的冲击波超压大于900单向分岔管道,并明显高于直管道中的超压峰值。因此,在矿井开拓中,应当减少巷道的分岔,在巷道分岔和拐角处应加强保护措施,减少爆炸造成的损失。研究结果对指导减轻瓦斯爆炸的破坏作用具有重要意义。     

超压测试方法对炸药TNT当量计算结果的影响

用地面和空中冲击波超压测试系统测定了TNT和B炸药爆炸的马赫反射波超压和入射冲击波超压,计算得到不同测试条件下TNT爆炸冲击波超压的经验公式和B炸药的TNT当量。结果表明,马赫反射波超压大于入射冲击波超压,马赫反射波超压与入射冲击波超压比值随实验中对比距离的增加而增加。由马赫反射波超压和入射冲击波超压计算得到的B炸药TNT当量比分别为1.40和1.32。认为以空中入射冲击波超压测试结果计算得到的TNT当量更真实。     

点火位置对氢气/甲烷/空气预混气体爆燃特性的影响

为研究不同点火位置下氢气/甲烷/空气预混气体的爆燃特性,改变点火位置IP和氢气添加比例φ,在100 mm×100 mm×1000 mm方形透明管道实验平台上开展爆燃实验。实验结果表明：火焰结构向泄爆端和封闭端传播时受点火位置和氢气添加比例的控制,当火焰向泄爆端传播时,郁金香火焰的形成因素由IP主导,当火焰向封闭端传播时,IP及φ共同作用于郁金香火焰的形成;IP和φ对火焰前锋演化的作用模式可以分为3类;当混合气体中φ小于0.25时,氢气添加对火焰传播速度的影响不明显;当φ不超过0.75时,仅当IP位于管道中后部时,超压出现周期性振荡,且点火位置距泄爆端越近,振荡时间越长;当为纯氢爆炸时,不同点火位置下压力振荡消失且到达最大压力峰值的时间基本一致;当φ不同时,最大压力峰值随点火位置的变化规律不同。     

爆炸冲击波对人体损伤与防护分析

为研究爆炸冲击波对人的损伤与防护问题,分析了爆炸防护人员损伤的阈值问题,并以"Jose Henrych"经验式为计算模型,探讨了标准TNT炸药在不同当量条件下、在空气自由场中点爆炸时冲击波的变化规律.在此基础上得出了不同装药量时的鼓膜损伤和不同死亡率下的安全距离,经验证,所得结果是准确、可行的.     

平板障碍物通道形状对油气爆炸传播特性影响

为研究平板障碍物通道形状对油气爆炸特性的影响,进行了1.3%（低）、1.7%（中）、2.1%（高）三种初始油气浓度工况下对比实验。研究表明：障碍物通道形状对油气爆炸超压随时间变化规律的影响较小;障碍物通道形状对最大爆炸超压峰值、最大升压速率、平均升压速率的影响程度分别按照通道形状为“梯形—圆形—三角形—正方形—矩形”、“梯形—圆形—三角形—正方形—矩形”、“梯形—圆形—正方形—三角形—矩形”的顺序递增;障碍物通道形状对障碍物上游火焰形态基本没影响,但矩形通道障碍物对障碍物下游火焰的湍流特性影响最显著,其次为正方形、梯形、三角形和圆形;初始油气浓度接近当量比时（约为1.7%）,障碍物通道形状对最大火焰传播距离和平均火焰传播速度的影响要小于低浓度(1.3%)和高浓度(2.1%)工况,且圆形通道平板障碍物的影响程度最小,矩形和正方形通道的影响程度相对较大。     

障碍物位置和油气浓度对油气泄压爆炸特性影响

为研究障碍物位置和油气浓度对油气爆炸特性影响,选取1.3%（低）、1.7%（危险浓度）和2.1%（高）三种初始浓度,进行了多工况油气泄压爆炸对比实验,主要结果为：（1）泄压爆炸超压曲线存在三个典型峰值,其中,泄压峰值p_v大小与障碍物位置无关,负压峰值p_neg的最大绝对值在障碍物与点火头的无量纲距离L_i/L=0.4取得;最大超压峰值p_max最大值在L_i/L=0.4取得（1.7%和2.1%工况）,而1.3%工况在L_i/L=0.6取得;（2）平均升压速率（dp/dt）_ave、爆炸威力指数E_max、最大升压速率（dp/dt）_max和最大爆炸指数K_max的最大值均在L_i/L=0.4取得;（3）在传播初期,火焰呈现较规则的“指尖形”形状,受障碍物扰动后,火焰锋面产生不规则变形,并在管道外部形成“蘑菇状”火焰,当L_i/L=0.2时,“蘑菇状”火焰最明显;（4）最大火焰传播速度S_fmax在L_i/L=0.2取得,并随着L_i/L从0.2升至0.8时,单调递减。上述观测结果表明,障碍物位置和油气浓度对内置障碍物管道中油气爆炸特征参数均具有影响。     

瓦斯爆炸火焰结构与压力波的耦合规律

基于火焰动态传播和超压信号的高速同步采集,实验研究了不同湍流激励条件下瓦斯爆炸火焰结构与压力波的耦合关系。实验结果表明:在无障碍物条件下,火焰阵面较为光滑,由初始的半球状逐渐演变为手指状,最大超压为3.9 kPa。在中间连续障碍物条件下,火焰发展为舌状,最后呈现波浪状,最大超压为12.5 kPa。在两侧连续障碍物条件下,火焰转变为蘑菇状,最终发展为树状,最大超压为11.4 kPa。当火焰结构发生褶皱或卷曲时,火焰表面积增大,已燃气体与未燃气体快速掺混,导致燃烧反应速率和超压上升。进一步的理论分析阐明了火焰结构与瞬态超压的相互作用。