金友平，帥 健，王文想，徐后佳

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）安全與海洋工程學(xué)院, 北京 102249；2.深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司, 廣東 深圳 518049；3.油氣生產(chǎn)安全與應(yīng)急技術(shù)應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249）

近年來(lái)，燃?xì)夤艿烙脩?hù)逐年增加，越來(lái)越多的人工煤氣和液化石油氣被天然氣取代，中國(guó)的城鎮(zhèn)燃?xì)馄占奥室殉^(guò)97.9%，大部分中小城市都已鋪設(shè)了大量的城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿繹1]。由于城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿冷佋O(shè)在城市的密集型地區(qū)，管道穿越地下受限空間的可能性較大。十堰“6 · 13”重大燃?xì)獗ㄊ鹿实陌l(fā)生引起了社會(huì)和政府對(duì)受限空間內(nèi)燃爆事故的高度關(guān)注。該事故發(fā)生后，政府機(jī)構(gòu)、燃?xì)夤揪哟罅Χ葘?duì)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿来┰降叵率芟蘅臻g的情況進(jìn)行了全面排查。因此，有必要對(duì)燃?xì)庠谑芟蘅臻g內(nèi)的事故情景進(jìn)行模擬，掌握燃?xì)庑孤┮?guī)律，并分析泄爆優(yōu)化效果。

國(guó)內(nèi)已有多位學(xué)者對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿佬孤┣榫?、大型?chǔ)罐泄漏情景、封閉空間等不同的事故場(chǎng)景進(jìn)行了模擬，從不同的角度對(duì)發(fā)生的事故進(jìn)行分析，并提出了不同的防控措施。單克[2]基于FLАCS 軟件對(duì)美國(guó)曼哈頓燃?xì)夤艿佬孤┍ㄟM(jìn)行情景模擬，分析了在不同的內(nèi)壓、管徑、風(fēng)速、點(diǎn)火時(shí)間下燃?xì)夤艿佬孤┍_擊波的影響范圍，結(jié)合失效概率，提出了量化的燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)管控措施。李亞勛[3]基于FLАCS 軟件構(gòu)建了化工園區(qū)內(nèi)的公共管廊乙烯管道和丙烯管道泄漏情景，分別模擬了氣體泄漏擴(kuò)散、蒸氣云爆炸、噴射火的事故情景，根據(jù)模擬結(jié)果提出了泄漏事故發(fā)生后的應(yīng)急管理方法。劉少杰[4]構(gòu)建了青島“11 · 22”輸油管道爆炸事故情景，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)管道泄漏進(jìn)行了擴(kuò)散蒸氣云爆炸模擬，分析了不同油品種類(lèi)和泄漏時(shí)長(zhǎng)下的爆炸沖擊波影響范圍。胡盛[5]對(duì)大型甲類(lèi)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的危險(xiǎn)化學(xué)品爆炸災(zāi)害進(jìn)行了情景模擬，分析了戊烷氣云爆炸后的超壓、壓力上升速度、火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约氨囟鹊臅r(shí)空分布，基于爆炸模擬結(jié)果探究了調(diào)整堆垛數(shù)量和堆垛層數(shù)、改變泄壓板數(shù)量及其位置時(shí)的泄爆效果。梅苑等[6]計(jì)算了在不同泄漏孔徑和泄漏時(shí)長(zhǎng)下的輸油管道泄漏事故范圍，發(fā)現(xiàn)泄漏時(shí)間對(duì)流淌火的影響受流淌火穩(wěn)定時(shí)的燃燒時(shí)間的限制，而池火受泄漏時(shí)間的影響較大。在泄爆措施效果方面，學(xué)者們主要對(duì)泄爆口的形狀和大小進(jìn)行了研究。石劍云等[7]分析了開(kāi)窗條件對(duì)室內(nèi)天然氣泄漏擴(kuò)散的影響，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件Fluent 對(duì)不同泄漏口尺寸、窗戶(hù)類(lèi)型、門(mén)窗啟閉及通風(fēng)條件下的天然氣泄漏后果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)門(mén)窗關(guān)閉的情況下，天然氣的濃度上升速率和泄漏口面積成正比。董浩宇[8]對(duì)綜合管廊中通風(fēng)口的長(zhǎng)寬比、通風(fēng)口泄壓板的開(kāi)啟壓力進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)口的設(shè)置對(duì)管廊最大爆炸超壓峰值和溫度峰值的削減作用顯著，通風(fēng)口安裝泄壓板時(shí)的超壓峰值比無(wú)泄壓板時(shí)更大。

國(guó)外學(xué)者也對(duì)油氣管道泄漏爆炸情景進(jìn)行了大量的模擬工作，應(yīng)用的主流軟件是FLАCS。Hansen 等[9]利用FLАCS 軟件預(yù)測(cè)了蒸氣云快速發(fā)生爆燃事故的影響范圍，并且在DNV（Det Norske Veritas）的試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了全尺寸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與FLАCS 數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合。Holborn 等[10]利用FLАCS 軟件模擬了大規(guī)模液氫池釋放，分析其行為并預(yù)測(cè)了不同環(huán)境條件和不同釋放場(chǎng)景下形成的液氫池大小、順風(fēng)危險(xiǎn)距離和氫-空氣云的可燃質(zhì)量。Lv 等[11]模擬了液化天然氣儲(chǔ)罐泄漏下的最大爆炸超壓，針對(duì)管道連接處和罐頂處泄漏場(chǎng)景進(jìn)行了模擬研究。Wan 等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了直管中有側(cè)向泄爆口時(shí)甲烷-空氣預(yù)混氣體的爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，發(fā)現(xiàn)減小點(diǎn)火源與泄爆口之間的距離可以顯著增強(qiáng)泄爆效果。Chao 等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了圓柱形容器內(nèi)點(diǎn)火位置對(duì)甲烷氣體爆炸超壓峰值的影響，發(fā)現(xiàn)中部會(huì)出現(xiàn)“雙峰值”現(xiàn)象。Kasmani 等[14]通過(guò)縮比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)泄爆口的開(kāi)啟壓力與爆炸火焰速度及最大爆炸超壓具有一定的非線性關(guān)系。

綜合以上國(guó)內(nèi)外研究可以看出，目前，油氣燃爆事故情景模擬主要使用主流軟件FLАCS，它適用于不同情景下的燃爆事故，模擬結(jié)果與實(shí)際事故場(chǎng)景具有較高的吻合度，但缺少根據(jù)事故情景模擬結(jié)果探討泄爆口對(duì)燃爆的泄爆效果。為此，本研究將以十堰重大燃?xì)獗ㄊ鹿蕿楸尘?，借助FLАCS 軟件對(duì)該事故場(chǎng)景進(jìn)行還原構(gòu)建，根據(jù)三維泄漏爆炸模擬結(jié)果設(shè)計(jì)泄爆優(yōu)化方案，以期更直觀科學(xué)地掌握事故發(fā)生的過(guò)程與危害，防止此類(lèi)事故再次發(fā)生，從而為提出泄爆防控措施提供參考依據(jù)。

1 三維模型建立

根據(jù)事故報(bào)告中的場(chǎng)景圖[15]，采用FLАCS 子模塊前處理器CАSD 對(duì)該事故場(chǎng)景進(jìn)行全尺寸1∶1 還原建模，如圖1 所示。

圖1 事故報(bào)告場(chǎng)景圖與FLАCS 事故場(chǎng)景建模Fig.1 Аccident report scene diagram and FLАCS accident scene modeling diagram

地面長(zhǎng)、寬、高分別為230、150、4 m，地面中間開(kāi)鑿一條地下河道作為燃?xì)饩奂氖芟蘅臻g，空間尺寸大小與事故場(chǎng)景中的河道大小一致，為了更接近實(shí)際情況，地下受限空間上方設(shè)置一塊300 kPa 的泄壓板。地下河道上方為涉事故建筑物，一共有17 間兩層的商鋪，墻體厚度均設(shè)置為0.3 m。涉事故建筑物東邊為一棟居民樓（26 號(hào)樓），與涉事故建筑物之間的距離為10 m，東邊用蓋板進(jìn)行封閉。涉事故建筑物西邊為一座艷湖橋，西邊河道下方未進(jìn)行封閉，在涉事故建筑物下方建成一個(gè)半密閉的狹長(zhǎng)形受限空間。涉事故建筑物南北之間搭建了居民小區(qū)樓，其中南側(cè)玉龍閣2 棟為最高樓，樓層高度達(dá)105 m。借助高德地圖對(duì)樓宇之間的距離進(jìn)行測(cè)量，并且構(gòu)建了道路兩側(cè)的樹(shù)木和道路交通線，以此還原事故場(chǎng)景。在幾何模型中設(shè)置了27 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中MP1～MP12 以30 m 間隔均勻分布在地下河道和涉事故建筑物二層內(nèi)，MP13～MP24 以30 m 間隔均勻分布在涉事故建筑物南北兩側(cè)道路中，MP25～MP27 分布在涉事故建筑物東側(cè)。

2 情景參數(shù)設(shè)置

在燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散研究中，第一步是計(jì)算氣體泄漏速率。目前，燃?xì)夤艿佬孤┧俾视?jì)算模型主要有小孔模型、大孔模型、管道模型[16]。本研究中，城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏的位置較為隱蔽，泄漏發(fā)生在地下受限空間密閉端一側(cè)，且以腐蝕小孔為主，泄漏孔徑較小。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，當(dāng)泄漏孔徑小于30 mm 時(shí)采用小孔模型最佳，為此采用小孔模型計(jì)算，計(jì)算公式[16－19]為

基于FLАCS 的燃?xì)馊急瑪?shù)值模擬能夠呈現(xiàn)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)。初始邊界條件：在受限空間開(kāi)口端方向上設(shè)置平面波（Plane_Wave）邊界，其他方向均設(shè)置歐拉（Euler）邊界。模擬過(guò)程中，各個(gè)狀態(tài)參數(shù)遵循質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程3 個(gè)基本方程[20]，即

3 三維模擬結(jié)果分析

3.1 泄漏擴(kuò)散模擬結(jié)果分析

將已建立的模型導(dǎo)入FLАCS 中的Run Manager 模塊進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)后處理器Flowvis 5 對(duì)燃?xì)庑孤U(kuò)散可視化，抽取相應(yīng)的二維或三維圖進(jìn)行分析，由于燃?xì)獗O限范圍為5%～15%，因此重點(diǎn)對(duì)燃?xì)庠?%～15%的擴(kuò)散濃度范圍進(jìn)行分析。圖2 提取了燃?xì)夤艿缐毫?.4 MPa 時(shí)燃?xì)庑孤U(kuò)散隨時(shí)間變化的二維圖，其中左圖為xy地下河道位置俯視圖，右圖為xz橫向剖面圖。

通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，燃?xì)庠诘叵率芟蘅臻g泄漏時(shí)，一部分氣體從泄漏源位置開(kāi)始釋放，由于在泄漏初始階段燃?xì)饩哂幸欢ǖ某跛俣?，因此初始階段燃?xì)庋刂孤┛诜较驍U(kuò)散。因?yàn)槿細(xì)獾拿芏缺瓤諝獾拿芏刃?，所以氣體逐漸向上擴(kuò)散，在上方遇到受限壁面后發(fā)生聚集，擴(kuò)散過(guò)程中遇到障礙物使氣體紊流程度加大。隨著燃?xì)獠粩嗟貜墓艿纼?nèi)泄漏擴(kuò)散，地下河道內(nèi)密閉端一側(cè)的燃?xì)鉂舛戎饾u增大，t=60 s 時(shí)，密閉端一側(cè)濃度已達(dá)到爆炸上限，靠近泄漏源一側(cè)的壁面擴(kuò)散范圍更大，在xy平面內(nèi)形成內(nèi)凹不規(guī)則形狀，在xz橫向剖面上方的燃?xì)鉂舛让黠@大于下方，并且逐漸向開(kāi)口端一側(cè)擴(kuò)散。隨著燃?xì)饫^續(xù)泄漏，受限空間內(nèi)氣體濃度逐漸增大，聚集程度進(jìn)一步提高。t=150 s 時(shí)，受限空間上方燃?xì)鉂舛纫呀咏ㄉ舷?，一部分氣體已擴(kuò)散至開(kāi)口端一側(cè)方向上，擴(kuò)散出的氣體由于被外界空氣稀釋?zhuān)瑵舛冉档偷奖ㄏ孪?，但由于持續(xù)的泄漏，不斷有氣體從受限空間內(nèi)冒出補(bǔ)充，導(dǎo)致開(kāi)口處的一部分氣體依舊處于爆炸極限范圍內(nèi)。最終，爆炸性氣體在受限空間內(nèi)從密閉端一側(cè)逐漸向開(kāi)口端一側(cè)擴(kuò)散，擴(kuò)散遇到障礙物使氣體紊流程度進(jìn)一步加大，密閉端一側(cè)的燃?xì)饩奂潭却笥陂_(kāi)口端一側(cè)，受限空間上方的燃?xì)鉂舛却笥谙路降娜細(xì)鉂舛龋細(xì)庠谕饨玑尫诺谋ㄐ詺怏w范圍逐漸擴(kuò)大。

3.2 爆炸模擬結(jié)果分析

將擴(kuò)散后的模型導(dǎo)入FLАCS 爆炸模塊，得到燃?xì)獗ㄊ鹿是榫澳M。對(duì)該重大爆炸事故情景中的爆炸火焰和爆炸超壓進(jìn)行分析，圖3 顯示了爆炸模擬過(guò)程中最大爆炸火焰的時(shí)空演化情況，其中w為最大燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，燃?xì)獗ɑ鹧鎻狞c(diǎn)火源開(kāi)始發(fā)展，1 550.15 ms 內(nèi)燃爆火焰還位于地下受限空間內(nèi)，從密閉端不斷孕育加速向開(kāi)口端前進(jìn)。經(jīng)過(guò)約100 ms 后，燃爆火焰從開(kāi)口端冒出，并且由于到達(dá)開(kāi)口端后火焰形態(tài)不受限制而發(fā)生急劇膨脹變形。在密閉端由于燃爆壓力達(dá)到河道上部泄壓板的壓力，泄壓板被氣壓打開(kāi)，從而在1 799.93 ms 時(shí)觀察到一部分爆炸火焰從密閉端冒出。最終，燃爆火焰在受限空間外不斷發(fā)生膨脹并摧毀周?chē)ㄖ?，從而可能?dǎo)致次生、衍生災(zāi)害。

圖3 最大爆炸火焰形態(tài)的時(shí)空演化Fig.3 Spatial and temporal evolution of maximum explosion flame morphology

對(duì)燃?xì)獗_擊波超壓進(jìn)行分析，結(jié)合沖擊波超壓對(duì)建筑物的破壞準(zhǔn)則[21]，設(shè)爆炸超壓的梯度范圍為5～300 kPa，圖4 顯示了在該爆炸壓力梯度下建筑物表面受到的最大沖擊波超壓（pmax）時(shí)空演化云圖。爆炸初期（1 351.01 ms 以?xún)?nèi)），爆炸超壓處于萌芽階段，從密閉端開(kāi)始發(fā)展，逐漸延伸至開(kāi)口端，涉事故建筑物還未到達(dá)破壞階段。隨后，爆炸超壓進(jìn)入迅速升壓階段，1 608.40 ms 時(shí)地下受限空間內(nèi)的爆炸超壓均達(dá)到200～300 kPa，導(dǎo)致空間內(nèi)立柱發(fā)生倒塌，一層地面樓板設(shè)置的300 kPa 泄壓板地面和河道內(nèi)四周鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)均遭到破壞。當(dāng)沖擊波到達(dá)開(kāi)口端后，會(huì)產(chǎn)生爆炸壓力衰減，并且以開(kāi)口端為中心向四周逐漸衰減，靠近開(kāi)口端一側(cè)的居民小區(qū)大部分門(mén)窗玻璃遭到破壞，同時(shí)部分墻體和開(kāi)口端一側(cè)河道地面產(chǎn)生裂縫。隨著爆炸超壓的進(jìn)一步發(fā)展，在涉事故建筑物密閉端一側(cè)也遭受相應(yīng)的破壞，爆炸超壓也向四周輻射。最終，涉事故建筑物二層被破壞，內(nèi)部大部分隔墻發(fā)生垮塌，導(dǎo)致建筑物房間內(nèi)部人員死亡；四周居民小區(qū)門(mén)窗和地面物品均遭到嚴(yán)重破壞，并且開(kāi)口端一側(cè)的破壞程度重于密閉端一側(cè)。根據(jù)FLАCS 后處理器數(shù)據(jù)得出河道內(nèi)部爆炸超壓最高達(dá)660.7 kPa。對(duì)比事故報(bào)告中對(duì)該事故破壞情況的定性描述[15]以及網(wǎng)絡(luò)媒體對(duì)該事故發(fā)生后的詳細(xì)報(bào)道，結(jié)果顯示，本研究的爆炸情景模擬結(jié)果與事故報(bào)告及實(shí)際情況基本一致，驗(yàn)證了情景模擬的準(zhǔn)確性。

圖4 最大爆炸超壓時(shí)空演化云圖Fig.4 Space-time evolution of maximum explosion overpressure

進(jìn)一步提取出該爆炸模擬過(guò)程中地下河道內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)和涉事故建筑物四周的爆炸壓力隨時(shí)間的變化情況，如圖5 和圖6 所示，其中MP1～MP6 分別為地下受限空間內(nèi)從密閉端至開(kāi)口端的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由圖5 可知，受限空間內(nèi)部壓力大于涉事故建筑物四周的壓力，密閉端一側(cè)的內(nèi)部最大壓力大于開(kāi)口端一側(cè)，并且越接近密閉端，壓力振蕩幅度越大。對(duì)于涉事故建筑物四周，密閉和開(kāi)口軸向兩側(cè)壓力明顯大于涉事故建筑物兩側(cè)壓力，并且開(kāi)口端一側(cè)壓力要稍高于密閉端一側(cè)壓力。這是由于受限空間軸向兩側(cè)位于爆炸沖擊波發(fā)展中心線上，而涉事故建筑物兩側(cè)受到建筑物墻面的約束，導(dǎo)致受限空間軸向兩側(cè)壓力大于涉事故建筑物兩側(cè)壓力；受限空間開(kāi)口端的爆炸沖擊波受到的約束較弱，密閉端超壓在沖擊上方地面時(shí)壓力有所衰減，致使開(kāi)口端一側(cè)的爆炸超壓稍高于密閉端一側(cè)。

圖5 受限空間內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)爆炸壓力隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation of explosion pressure with time at different measuring points in confined space

圖6 涉事故建筑物四周爆炸壓力隨時(shí)間的變化Fig.6 Variation of explosion pressure around the involved building over time

4 數(shù)值模擬泄爆優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

基于已建立的數(shù)值模型進(jìn)行泄爆優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要通過(guò)設(shè)置不同的泄爆口開(kāi)展泄爆方案設(shè)計(jì)。通過(guò)分析泄爆口的位置、泄放面積以及開(kāi)啟壓力對(duì)爆炸的泄放效果，獲取最佳的泄爆方案。

圖7 為泄爆口設(shè)置示意圖，其中：在涉事故建筑物北側(cè)2 m 設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)為2 m、寬為1 m 的泄爆口，如圖7(a)所示；在涉事故建筑物東側(cè)設(shè)置一塊長(zhǎng)為10 m、寬為1 m 的泄壓板，如圖7(b)所示。其他參數(shù)設(shè)置與事故爆炸模擬保持一致，具體工況如下。

圖7 泄爆口設(shè)置示意圖Fig.7 Schematic diagram of burst outlet setting

(1) 泄爆口位置不同：保持泄爆口的尺寸（長(zhǎng)10 m、寬1 m）不變，泄爆口分別設(shè)置在東側(cè)位置（火焰發(fā)展軸向）、北側(cè)2 m、北側(cè)28 m、北側(cè)54 m、北側(cè)80 m、北側(cè)106 m。

(2) 泄爆口泄放面積不同：保持泄爆口起始位置（北側(cè)2 m）不變，通過(guò)改變泄爆口的長(zhǎng)度來(lái)改變泄放面積，泄爆口的長(zhǎng)度分別設(shè)置為2、10、18、26、34 m。

(3) 泄爆口開(kāi)啟壓力不同：將泄爆口位置設(shè)置在涉事故建筑物東側(cè)，保持泄爆口尺寸（長(zhǎng)為10 m、寬為1 m）不變，在泄爆口表面安裝一塊泄壓板，泄壓板的單位面積質(zhì)量為10 kg/m2，起始孔隙率為零，最終孔隙率為1，泄壓板開(kāi)啟壓力分別設(shè)置為50、100、200、300 kPa。

5 泄爆口在受限空間內(nèi)的泄爆效果分析

5.1 泄爆口位置

將不同泄爆口位置工況下的模擬文件導(dǎo)入FLАCS，提取不同泄爆口位置下的最大爆炸火焰分布，如圖8 所示。觀察圖8 可知，燃?xì)庠谑芟蘅臻g內(nèi)發(fā)生燃爆后，爆炸火焰在泄爆口位置發(fā)生急劇膨脹，并從泄爆口迅速向外噴射。當(dāng)泄爆口設(shè)置在狹長(zhǎng)受限空間內(nèi)火焰發(fā)展軸向并靠近點(diǎn)火源時(shí)，如圖8(a)所示，在火焰發(fā)展初期，一部分火焰就從軸向泄爆口釋放，泄放出的火焰遇到建筑物后向敞開(kāi)區(qū)域散去。當(dāng)泄爆口設(shè)置在北側(cè)位置時(shí)，如圖8(b)～圖8(f)所示，泄爆口越遠(yuǎn)離點(diǎn)火源，泄放出的火焰范圍越大，泄放出的火焰沖擊強(qiáng)度越小。這是由于火焰在密閉點(diǎn)火端處于初期發(fā)展階段，若此時(shí)將火焰泄放出來(lái)，則會(huì)抑制火焰的軸向發(fā)展，越遠(yuǎn)離密閉點(diǎn)火端泄放，爆炸火焰發(fā)展得越充分，更多的可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃，致使更多的爆炸產(chǎn)物從泄爆口釋放，火焰范圍越大。當(dāng)泄爆口接近開(kāi)口端時(shí)，其爆炸強(qiáng)度已有一定程度的衰減，若此時(shí)泄放出來(lái)，則爆炸火焰沖擊強(qiáng)度將有所減弱。

圖8 不同泄爆口位置下最大爆炸火焰的二維面視圖Fig.8 Two-dimensional view of the maximum explosion flame under different outlet location conditions

分析在不同泄爆口位置上產(chǎn)生的最大爆炸超壓，如圖9 所示。當(dāng)泄爆口設(shè)置在東側(cè)位置時(shí)，地面上大于5 kPa 的可見(jiàn)范圍最小，產(chǎn)生的爆炸超壓最小。當(dāng)泄爆口在北側(cè)位置上時(shí)，越遠(yuǎn)離點(diǎn)火源，產(chǎn)生的爆炸超壓越大，泄爆效果越差。泄爆口在東側(cè)位置時(shí)的爆炸超壓變化幅度比西側(cè)大。顯然，隨著泄爆口遠(yuǎn)離點(diǎn)火源，東側(cè)密閉端的爆炸超壓與壁面的反射疊加現(xiàn)象更強(qiáng)烈，導(dǎo)致其爆炸超壓更大。提取地下河道受限空間內(nèi)密閉端和開(kāi)口端監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的爆炸壓力和爆炸火焰速度，如圖10 和圖11 所示?？梢钥闯觯翰煌贡谖恢霉r下，密閉端的爆炸壓力變化趨勢(shì)相同，將泄爆口設(shè)置在東側(cè)時(shí)，密閉端的爆炸壓力最小，將泄爆口設(shè)置在北側(cè)越靠近點(diǎn)火源時(shí)，密閉端的爆炸壓力越?。幻荛]端的爆炸火焰速度變化趨勢(shì)則顯著不同，泄爆口越接近點(diǎn)火源，爆炸火焰速度峰值越小，波動(dòng)幅度越小。對(duì)于開(kāi)口端，不同泄爆口位置工況下，爆炸壓力和爆炸火焰速度在短時(shí)間內(nèi)都出現(xiàn)短暫的上升，仍然是泄爆口位于東側(cè)或北側(cè)離點(diǎn)火源近時(shí)爆炸壓力峰值和爆炸火焰速度峰值最小，并且爆炸壓力出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象，爆炸火焰速度最終趨于零。

圖9 不同泄爆口位置下最大爆炸超壓二維面視圖Fig.9 Two-dimensional view of maximum explosion overpressure under different outlet location conditions

圖10 不同泄爆口位置下測(cè)點(diǎn)MP1（密閉端）的爆炸壓力和爆炸火焰速度隨時(shí)間的變化Fig.10 Variations of explosion pressure and explosion flame velocity at the measuring point MP1 (closed end)with time under different outlet location conditions

圖11 不同泄爆口位置下測(cè)點(diǎn)MP6（開(kāi)口端）的爆炸壓力和爆炸火焰速度隨時(shí)間的變化Fig.11 Variations of explosion pressure and explosion flame velocity at the measuring point MP6 (open end)with time under different outlet location conditions

對(duì)模擬空間區(qū)域內(nèi)的最大爆炸壓力進(jìn)行對(duì)比分析，如圖12 所示。泄爆口設(shè)置在東側(cè)（火焰發(fā)展軸向）時(shí)泄爆效果最佳，最大爆炸壓力降至312.4 kPa，降幅達(dá)52.70%；在火焰發(fā)展軸向無(wú)法設(shè)置泄爆口的情況下，可將泄爆口設(shè)置在狹長(zhǎng)受限空間側(cè)面，且離點(diǎn)火密閉端越近，泄爆效果越佳。

圖12 整個(gè)模擬空間中最大爆炸壓力隨泄爆口位置的變化Fig.12 Variation of the maximum explosion pressure in the entire simulation space with the outlet location

5.2 泄爆口面積

不同泄爆口長(zhǎng)寬比下的最大爆炸火焰三維云圖如圖13 所示。從模擬效果圖中可以觀察到，隨著側(cè)邊泄爆口面積的增大，泄爆出的火焰體積增大，并且側(cè)邊泄爆會(huì)削弱開(kāi)口端的泄爆強(qiáng)度。例如：在泄爆面積較?。ㄩL(zhǎng)寬比為2∶1）的工況下，開(kāi)口端的泄爆火焰高度最高；隨著泄爆面積逐漸增大，從泄爆口噴射出的火焰范圍越來(lái)越大，大部分燃爆火焰從泄爆口泄放，從而降低了受限空間內(nèi)軸向火焰沖擊強(qiáng)度。

圖13 不同泄爆口長(zhǎng)寬比下最大爆炸火焰的三維分布Fig.13 Three-dimensional distribution of maximum explosion flame under different length-to-width ratios of the outlet

受限空間內(nèi)密閉端和開(kāi)口端的爆炸壓力和爆炸火焰速度隨時(shí)間的變化如圖14 和圖15 所示。從爆炸壓力時(shí)程曲線中可以看出，隨著泄爆口面積的增大，密閉端的爆炸壓力下降，并且下降幅度逐漸增大，可見(jiàn)，泄爆口面積越大，密閉端爆炸壓力下降得越快。密閉端的爆炸火焰速度也發(fā)生急劇地下降，加大了火焰速度峰值的削減程度，最后降低到一個(gè)較低的水平。

圖14 不同泄爆口長(zhǎng)寬比下測(cè)點(diǎn)MP1（密閉端）的爆炸壓力和爆炸火焰速度隨時(shí)間的變化Fig.14 Variations of explosion pressure and explosion flame velocity at the measuring point MP1 (closed end)with time under different length-to-width ratios of the outlet

圖15 不同泄爆口長(zhǎng)寬比下測(cè)點(diǎn)MP6（開(kāi)口端）的爆炸壓力和爆炸火焰速度隨時(shí)間的變化Fig.15 Variations of explosion pressure and explosion flame velocity at the measuring point MP6 (open end)with time under different length-to-width ratios of the outlet

對(duì)比圖14 和圖15 還可以看出，對(duì)于開(kāi)口端，其爆炸壓力時(shí)程曲線與封閉端相似，爆炸壓力和爆炸火焰速度均有所削減，但爆炸壓力隨著泄爆面積的進(jìn)一步加大，降低幅度不明顯。開(kāi)口端的爆炸火焰速度均在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，且都隨著泄爆面積的增大而降低。分析原因可知，通過(guò)加大泄爆口長(zhǎng)度的方式增大泄爆面積時(shí)，受限空間內(nèi)的高壓從更大的泄爆口釋放，并且安裝在側(cè)面狹長(zhǎng)形的泄爆口形狀與受限空間內(nèi)的火焰?zhèn)鞑シ较蛞恢?，使得爆炸火焰沒(méi)有足夠的距離來(lái)充分發(fā)展，最終導(dǎo)致爆炸火焰速度在密閉端和開(kāi)口端均有所削減。

對(duì)比不同泄爆面積工況下整個(gè)模擬空間中的最大爆炸壓力，如圖16 所示，可以看出：隨著泄爆面積的增大，空間內(nèi)的最大爆炸壓力顯著降低；當(dāng)長(zhǎng)寬比為34∶1 時(shí)，泄爆面積增大17 倍，最大爆炸壓力降至15.4 kPa，降幅達(dá)97.65%。因此設(shè)置泄爆口時(shí)，可通過(guò)增加泄爆口的長(zhǎng)寬比來(lái)增大泄爆面積，從而減輕受限空間內(nèi)爆炸超壓帶來(lái)的危害。

圖16 整個(gè)模擬空間中最大爆炸壓力隨泄爆口長(zhǎng)寬比的變化Fig.16 Variation of the maximum explosion pressure in the whole simulation space with the length-to-width ratio of the outlet

5.3 泄爆口開(kāi)啟壓力

由以上分析可知，將泄爆口設(shè)置在受限空間火焰發(fā)展軸向上時(shí)，爆炸壓力的降低幅度最大。然而，在一些受限空間內(nèi)，為了滿(mǎn)足安全要求，往往會(huì)在泄爆口設(shè)置一塊泄壓板，防止受限空間內(nèi)的有毒有害氣體從泄爆口逸出。為此，對(duì)泄爆口設(shè)置在模型東側(cè)位置上的泄壓板的開(kāi)啟壓力進(jìn)行分析。

圖17 顯示了泄壓板開(kāi)啟壓力分別為50、100、200、300 kPa 時(shí)的最大爆炸火焰三維可視云圖。隨著開(kāi)啟壓力的升高，爆炸火焰從泄爆口泄放的范圍擴(kuò)大，這是由于增大泄爆口開(kāi)啟壓力會(huì)導(dǎo)致火焰的成長(zhǎng)時(shí)間更長(zhǎng)，進(jìn)而使爆炸火焰持續(xù)發(fā)展，當(dāng)爆炸壓力達(dá)到泄爆口開(kāi)啟壓力時(shí)，泄壓板被瞬間沖破，爆炸火焰從泄爆口中噴出，沖毀泄爆口周?chē)膲γ妫瑢?dǎo)致爆炸火焰從泄爆口噴射出的影響范圍增大。

圖17 不同泄爆口開(kāi)啟壓力下最大爆炸火焰的三維云圖Fig.17 3D nephogram of the maximum explosion flame under different opening pressures of the outlet

不同泄爆口開(kāi)啟壓力下密閉端和開(kāi)口端的爆炸壓力和爆炸火焰速度隨時(shí)間的變化如圖18 和圖19 所示。在密閉端，不同泄爆口開(kāi)啟壓力下，爆炸壓力變化趨勢(shì)相同，隨著泄爆口開(kāi)啟壓力的增大，密閉端的爆炸壓力增大，但增大的幅度不明顯，這是由于密閉端的泄爆口開(kāi)啟壓力達(dá)到封閉前的壓力時(shí)再增加泄爆口開(kāi)啟壓力對(duì)爆炸壓力沒(méi)有太大的影響。在密閉端，爆炸火焰速度峰值隨著泄爆口開(kāi)啟壓力的增大而明顯增大，這是由于泄爆口開(kāi)啟壓力的增大促進(jìn)了爆炸火焰的發(fā)展，致使泄爆口泄放時(shí)火焰速度增大得較快。隨著密閉端泄爆口開(kāi)啟壓力的增大，開(kāi)口端的爆炸壓力和爆炸火焰速度的變化不明顯，說(shuō)明密閉端泄爆口的開(kāi)啟壓力對(duì)開(kāi)口端的影響較小。

圖18 不同泄爆口開(kāi)啟壓力下測(cè)點(diǎn)MP1（密閉端）的爆炸壓力和爆炸火焰速度隨時(shí)間的變化Fig.18 Variations of explosion pressure and explosion flame velocity at the measuring point MP1 (closed end)with time under different opening pressures of the outlet

圖19 不同泄爆口開(kāi)啟壓力下測(cè)點(diǎn)MP6（開(kāi)口端）的爆炸壓力和爆炸火焰速度隨時(shí)間的變化Fig.19 Variations of explosion pressure and explosion flame velocity at the measuring point MP6 (open end)with time under different opening pressures of the outlet

不同泄爆口開(kāi)啟壓力下整個(gè)模擬空間中的最大爆炸壓力如圖20 所示。隨著泄爆口開(kāi)啟壓力的增大，整個(gè)空間內(nèi)的最大爆炸壓力逐漸增大；當(dāng)泄爆口的開(kāi)啟壓力為50 kPa 時(shí)，最大爆炸壓力降低至351.0 kPa，降幅達(dá)46.87%。由此可知，若要有效地防控爆炸壓力帶來(lái)的危害，在泄爆口處設(shè)置泄壓板時(shí)，需要考慮泄爆口開(kāi)啟壓力的影響，并且盡可能地降低泄爆口開(kāi)啟壓力，以有效地降低爆炸壓力。

圖20 整個(gè)模擬空間中最大爆炸壓力隨泄爆口開(kāi)啟壓力的變化Fig.20 Variation of the maximum explosion pressure in the whole simulation space with the opening pressure of the outlet in the entire simulation space

6 結(jié) 論

對(duì)受限空間內(nèi)城鎮(zhèn)燃?xì)庑孤┲卮笫鹿时▓?chǎng)景進(jìn)行全尺寸動(dòng)態(tài)模擬，并對(duì)泄爆口進(jìn)行泄爆優(yōu)化分析，得出以下結(jié)論。

(1) 燃?xì)鈴牡叵潞拥烂荛]端一側(cè)泄漏并且沿著管道壁面逐漸向外擴(kuò)散形成內(nèi)凹的不規(guī)則形狀，遇到障礙物后擴(kuò)散加速，受限空間內(nèi)上方的燃?xì)鉂舛却笥谙路饺細(xì)鉂舛?。燃爆火焰從點(diǎn)火源開(kāi)始發(fā)展，通過(guò)密閉端孕育加速，向開(kāi)口端前進(jìn)，到達(dá)開(kāi)口端后，火焰發(fā)生急劇膨脹變形，摧毀周?chē)ㄖ?。爆炸沖擊波從密閉端一側(cè)開(kāi)始發(fā)展，到達(dá)開(kāi)口端后以開(kāi)口端為中心向四周逐漸遞減輻射，最終爆炸沖擊波破壞涉事故建筑物二層，其內(nèi)部的大部分隔墻垮塌，四周居民小區(qū)的門(mén)窗和地面物品均遭到嚴(yán)重破壞，并且開(kāi)口端一側(cè)的破壞程度重于密閉端一側(cè)，最大超壓高達(dá)660.7 kPa。

(2) 當(dāng)泄爆口安裝在火焰發(fā)展軸向位置時(shí)，泄爆效果最佳，空間內(nèi)的最大爆炸壓力降至312.4 kPa，降幅達(dá)52.70%；在火焰發(fā)展軸向位置無(wú)法設(shè)置泄爆口的情況下，將泄爆口設(shè)置在狹長(zhǎng)受限空間的側(cè)面，離點(diǎn)火密閉端越近，泄爆效果越佳。

(3) 隨著泄爆口面積的增大，受限空間內(nèi)的最大爆炸壓力顯著降低。當(dāng)泄爆口的長(zhǎng)寬比為34∶1時(shí)，最大爆炸壓力降至15.4 kPa，降幅達(dá)97.65%。適當(dāng)增加泄爆口面積可減輕受限空間內(nèi)爆炸超壓帶來(lái)的危害。

(4) 隨著泄爆口開(kāi)啟壓力的增大，受限空間內(nèi)的最大爆炸壓力增大。泄爆開(kāi)啟壓力為50 kPa 時(shí)，最大爆炸壓力降至351.0 kPa，降幅達(dá)46.87%。降低泄爆開(kāi)啟壓力也可有效降低爆炸壓力。

(5) 通過(guò)分析泄爆口位置、面積和泄爆開(kāi)啟壓力可知，設(shè)計(jì)泄爆方案時(shí)應(yīng)先盡可能地增加泄爆面積，其次考慮將泄爆位置應(yīng)該安裝在狹長(zhǎng)受限空間軸向位置，最后盡可能地降低泄爆開(kāi)啟壓力。