特殊工况下可燃蒸气云爆炸的动力学过程模拟及其事故后果分析

摘要

工业过程中，特别是化工和石油化工生产中，可燃气体得到了广泛应用。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。因此研究因事故泄漏所引发的可燃蒸气云爆炸的传播规律，有着十分重要的应用价值。尤其是在工业生产条件下，由于工业装置的连接化、管道化和复杂化使得蒸气云爆炸较开敞空间的爆炸更具危险性。 目前，在蒸气云爆炸事故后果评价中TNT当量法与TNO多能法应用范围最广，然而前者属于经验型模型，仅适用于对远场的粗略估计；后者虽然比较合理，但应用时带确带有很强的主观性；数值模拟方法主要对流体力学方程进行求解，化学反应动力学和障碍物附近的湍流方程的理论研究还有待完善。 本文对国内外发生的典型蒸气云爆炸事故原因进行了分类和统计，根据统计分析结果确定了可燃蒸气云的爆炸模式以及工况条件作为研究对象。 研究了蒸气云爆炸在特殊工况下的爆炸火焰传播规律以及冲击波传播规律。主要内容包括： (1)单元内蒸气云爆炸传播规律的研究就障碍物本身特点而言，在蒸气云爆炸火焰传播中不同阻塞率、不同结构的障碍物所体现的激励效果也不相同。对于阻塞率高的障碍物其爆炸火焰传播的速度就越大，产生的超压也就越高。同等阻塞率下，结构越复杂的障碍物所产生超压也就越高。可燃气体火焰速度与气体活性成正向关系。 (2)单元间蒸气云爆炸传播规律的研究模拟了混合蒸气云超压一时间曲线在不同间隔距离下的变化关系。从中可以看到随着间隔距离的增大，爆炸超压一时间曲线由一个大的爆炸源向两个独立的爆炸源发展的特征。结合乙烯蒸气云爆炸情况，确定了其临界间隔距离为0.25D(提供区尺寸)。在单元间存在连接关系的情况下，由于间隔距离内火焰速度的提升，使得比无连接情况下，临界间隔距离被缩短。 (3)冲击波与障碍物相互作用规律的研究蒸气云爆炸冲击波数值模拟及其防护墙设计：冲击波在与阻碍物相互作用的过程中，除了反射还发生了类似于“爬山”的衍射(绕射)现象；阻碍物表面的超压分布正面与背面存在着差异，其中最大的差异是背面超压的分布是边角处大、中心处小；根据冲击波衍射的现象，得出“T”字型墙体减缓冲击波超压的效果最为明显。 探讨了多种工程评价方法相结合分析蒸气云爆炸危险性的途径，主要结论为： (1)利用TNT当量法与TNO多能法相结合的方法进行事故后果危险性的定量计算；得出了TNO法(计算灾害距离值)与TNT法(计算爆炸总当量值)相结合的评价方法。 (2)以CFD法为基础对事故案例进行模拟并计算爆炸超压。同时结合TNO法进行分析得到了CFD模拟法(确定参与爆炸气体质量)与TNO(计算爆炸超压值)相结合的评价思路。

目录

文摘

英文文摘

声明

1引言

1.1研究的目的和意义

1.1.1蒸气云爆炸事故的危害性

1.1.2蒸气云爆炸研究的发展趋势

1.2工况下可燃蒸气云爆炸实验及CFD数值模拟研究的国内外进展

1.2.1工况下实验研究的进展

1.2.2工况下CFD数值模拟的研究进展

1.2.3小结

1.3事故后果分析及方法的研究进展

1.3.1以实验为基础的事故后果分析及方法

1.3.2以CFD数值模拟为基础的事故后果分析及方法

1.3.3小结

1.4研究目标与研究内容

1.4.1研究目标

1.4.2研究内容

2可燃蒸气云爆炸的相关理论研究

2.1蒸气云爆炸事故统计分析

2.2蒸气云爆炸的相关基本理论

2.3影响蒸气云爆炸的因素

2.4链式反应机理

2.5火焰加速机理

2.6小结

3工况下可燃蒸气云爆炸火焰传播的数值模拟

3.1概述

3.2理论模型的建立

3.2.1物理几何模型的建立

3.2.2数学模型的建立

3.3单元内可燃蒸气云爆炸的数值模拟及结论分析

3.3.1数值模拟的模型概述

3.3.2障碍物对爆炸速度场的影响

3.3.3障碍物对爆炸压力场的影响

3.3.4燃料活性对爆炸火焰速度的影响

3.4单元间可燃蒸气云爆炸的数值模拟及结论分析

3.4.1数值模型的建立

3.4.2单元间不同间隔距离与爆源性质的相互关系

3.4.3单元间存在连接关系的间隔距离的规律研究

3.5小结

4蒸气云爆炸场下冲击波传播与防护的数值模拟研究

4.1冲击波传播规律的数值模拟研究

4.1.1数学模型的建立

4.1.2冲击波模拟模型介绍

4.2模拟结果分析与结论

4.3不同类型档波墙在冲击波传播过程中的减缓效果比较

4.3.1墙体模型及分布介绍

4.3.2减缓效果分析

4.4小结

5蒸气云爆炸事故后果评价方法的结合分析研究

5.1引言

5.2某工厂过程单元概况

5.3 TNT当量法与TNO多能法的建模方法

5.3.1 TNT当量法的建模方法

5.3.2 TNO多能法的建模方法

5.3.3 TNT与TNO相结合的爆炸事故模型分析

5.3.4 TNO多能法与CFD数值模拟评价的结合

5.3.5针对案例中蒸气云爆炸灾害防范措施的制定

5.4小结

6结论与展望

6.1结论

6.1.1结论1

6.1.2结论2

6.2展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文情况

致谢