戴偉，阮偉東，劉暢

（1.浙江工業(yè)大學(xué)海洋研究院；2.浙江工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院，浙江 杭州310014；3.南方科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程系，廣東 深圳 518000）

CFD 模型指的是數(shù)值模型。其能夠?qū)Ω叨确蔷€性的爆炸傳播過(guò)程實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的描述，一般將其應(yīng)用到可燃?xì)怏w爆炸的模擬研究中。本文基于CFD 模型，應(yīng)用FLACS 軟件進(jìn)行氣體爆炸場(chǎng)景分析，針對(duì)典型海洋平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，研究海洋平臺(tái)上結(jié)構(gòu)的布置及排列情況對(duì)于爆炸超壓分布的影響，并給出結(jié)構(gòu)布設(shè)建議，為工程實(shí)踐提供參考。

1 可燃?xì)怏w爆炸的數(shù)學(xué)物理模型

1.1 物理模型

可燃?xì)怏w爆炸指的是可燃?xì)怏w遇到著火點(diǎn)后會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速向周圍傳播燃燒的現(xiàn)象，是一種較為強(qiáng)烈的化學(xué)現(xiàn)象。在爆炸過(guò)程中的典型物理現(xiàn)象是高溫、火焰燃燒以及高壓等。圖1 中所示的即為可燃?xì)怏w的爆炸模型示意圖，此時(shí)可燃?xì)怏w與空氣混合并且達(dá)到了爆炸的條件。如果存在中心燃燒源將可燃?xì)怏w進(jìn)行點(diǎn)燃，此時(shí)將會(huì)形成一定的燃燒波并迅速將周圍輻射，使得附近其他點(diǎn)燃后，就成為新的燃燒源并繼續(xù)向周圍擴(kuò)散。整個(gè)過(guò)程通過(guò)球面擴(kuò)散方式向外部輻射燃燒波。如果其發(fā)生在一個(gè)密閉空間內(nèi)，可燃?xì)怏w溫度在短時(shí)間內(nèi)急劇上升，壓力增大就形成了爆炸現(xiàn)象。管道在受到純彎載荷后會(huì)形成曲率半徑為ρ 的環(huán)形線段，如圖1 所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型

FLACS 中的數(shù)學(xué)模型通過(guò)可壓縮守恒方程建立，模擬了理想氣體的膨脹過(guò)程。此模型總中含有的方程有動(dòng)量方程、湍流動(dòng)能方程、混合物組分方程等?？梢詫⑵浔硎緸槿缦滦问剑?/p>

湍流動(dòng)能耗散率(ε)，焓(h)，和可燃?xì)怏w質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Yfu)。其中φ、σφ和Sφ的具體含義如表1。

2 結(jié)構(gòu)布置對(duì)于爆炸超壓的影響

2.1 孔隙率的影響

圖1 可燃?xì)怏w爆炸物理模型

表1 公式5.1 中相關(guān)參數(shù)含義

一般可以通過(guò)孔隙率表示結(jié)構(gòu)的阻塞程度大小，計(jì)算公式如下所示：

孔隙率=1-結(jié)構(gòu)體積/總體積

在實(shí)際中爆炸超壓與結(jié)構(gòu)孔隙率具有直接的關(guān)系，在本實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了分析和研究，并對(duì)六組孔隙率存在差異的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了爆炸模擬，在實(shí)驗(yàn)中使用了間距不同的圓柱表示孔隙率大小，具體如下圖所示，各個(gè)孔隙率對(duì)應(yīng)的圓柱體布置參數(shù)即為表2 中所示。

圖2 不同孔隙率下的結(jié)構(gòu)空間布置

另外，各個(gè)孔隙率的最大爆炸超壓即為表2 中所示，可以看到，隨著孔隙率的增大，最大爆炸超壓呈現(xiàn)出的是降低的趨勢(shì)，當(dāng)孔隙率達(dá)到61.16%時(shí)，其最大爆炸超壓已經(jīng)達(dá)到了84.21%孔隙率的2.43 倍。但是當(dāng)孔隙率是73.21%時(shí)并不滿足其規(guī)律，此時(shí)的最大超壓比孔隙率是61.16%時(shí)高出了5.7kPa，經(jīng)過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要與兩者橫向圓柱的布置圖有關(guān)，盡管73.21%的孔隙率變大，但是其橫向布置方式使得左邊界位置的氣體流出邊界遇到了較大的限制，使得超壓更多的受到了側(cè)向限制，由此可以解釋第2 種孔隙率超壓明顯高于第1 種的超壓。其對(duì)比示意圖如圖3。

圖3 兩種孔隙率的橫向圓柱布置對(duì)比

表2 不同孔隙率對(duì)應(yīng)的幾何尺寸與最大超壓

圖4 61.16%孔隙率下上甲板下表面不同時(shí)刻超壓分布云圖

圖4 中展示的是在孔隙率達(dá)到61.16%時(shí)下、上層甲板下表面各個(gè)時(shí)間的爆炸超壓分布云圖?；趯?duì)上圖的分析可以發(fā)現(xiàn)，不同孔隙率大小的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)氣體爆炸后，所有爆炸超壓的空間分布特征具有較多的相似性特征，具體即為圖4 中所示：如果將中心位置點(diǎn)燃，首先在上層的甲板中心位置出現(xiàn)爆炸超壓，并且其范圍逐步變大，基本上已經(jīng)涉及上層甲板的所有區(qū)域，在并在兩個(gè)短邊的中心位置達(dá)到了最大值，然后在四個(gè)角點(diǎn)形成峰值，接著其作用力會(huì)逐步的降低。

2.2 不同側(cè)向限制對(duì)超壓的影響

在研究側(cè)向限制對(duì)可燃?xì)怏w爆炸超壓造成的影響時(shí)，實(shí)驗(yàn)中一共設(shè)計(jì)了6 個(gè)側(cè)限，并對(duì)其逐個(gè)進(jìn)行模擬。FLACS 使用面板來(lái)對(duì)側(cè)向限制進(jìn)行表示，面板沒有厚度，其具體的示意圖如圖5 所示。

表3 展示了各個(gè)側(cè)向限制結(jié)構(gòu)空域的最大超壓值。通過(guò)表中的數(shù)據(jù)可以明顯地看到，超壓值最低的是1 號(hào)側(cè)限，超壓值最高的是5 號(hào)側(cè)限；基于對(duì)上述六個(gè)側(cè)限的綜合分析，如果面板采用了沿甲板縱向?yàn)橹鞯姆绞剑玫降某瑝褐禃?huì)顯著大于沿著橫向設(shè)置面板形成的超壓值，經(jīng)過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，其原因主要如下：盡管障礙物密度沿著結(jié)構(gòu)橫向、縱向是都是一致的，但是橫向長(zhǎng)度更小，這也使得爆炸壓力將主要在橫向邊界進(jìn)行釋放，如果此時(shí)受到限制，其對(duì)于壓力釋放的限制更大，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縱向釋放邊界的限制，所以就會(huì)形成實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象。

圖5 不同側(cè)限位置示意圖

表3 不同側(cè)限的最大爆炸超壓

圖5 展示的是位置1 中放置側(cè)向面板各個(gè)時(shí)間出現(xiàn)爆炸超壓的平面分布圖。通過(guò)圖中可以明顯看到，爆炸超壓在各個(gè)位置的XZ 切平面中具有較為相似的分布特征，所以這里只是任意選擇了某個(gè)XZ 切平面來(lái)進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)燃下甲板表面中心位置的氣體后，火焰將會(huì)向外傳播，在達(dá)到側(cè)向限制邊界之前，爆炸超壓傳播與無(wú)側(cè)限時(shí)表現(xiàn)出了基本相同的規(guī)律，因此，不再對(duì)此過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的描述；如果火焰達(dá)到了側(cè)限，側(cè)限作用使得此方向的壓力難以較好的釋放，其需要尋找其他的方向來(lái)進(jìn)行釋放，整個(gè)過(guò)程就會(huì)形成一定的壓力累積效應(yīng)，最終引起了此區(qū)域內(nèi)的超壓比較明顯；另外，還可以看到上甲板與下甲板形成的高超壓區(qū)范圍存在一定的差異，上甲板高超壓區(qū)更大，這與其中格柵梁板造成的影響有關(guān)。

經(jīng)過(guò)對(duì)上述六種情況的綜合分析可以發(fā)現(xiàn)：（1）采用縱向側(cè)板能夠有效地提升結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)的超壓值，這主要是因?yàn)椋喝绻麢M向、縱向的結(jié)構(gòu)阻塞率一樣，壓力將會(huì)優(yōu)先選擇在較小方向進(jìn)行釋放，但是如果此時(shí)的釋放口被阻塞，壓力就會(huì)選擇從更遠(yuǎn)的釋放口進(jìn)行釋放，而壓力在傳播的過(guò)程中往往會(huì)遇到一些阻力，此時(shí)將會(huì)引起較大的超壓。（2）上甲板與下甲板的超壓值存在一定的差異，其中上甲板超壓值更大，經(jīng)過(guò)分析主要是因?yàn)椋荷霞装宓南虏苛航Y(jié)構(gòu)含有較多格柵，這造成了火焰燃燒的紊流效應(yīng)更加明顯，其在燃燒過(guò)程中將會(huì)釋放出更多的熱量，使得超壓變得更大。（3）如果某個(gè)軸線中的兩個(gè)壓力釋放口在阻塞率方面存在較大的差異，則會(huì)形成一定的超壓梯度分布，阻塞率越大，則會(huì)形成更大的超壓。

2.3 結(jié)構(gòu)布置建議

經(jīng)過(guò)上述分析可以總結(jié)出，結(jié)構(gòu)爆炸超壓的影響因素較多，尤其是結(jié)構(gòu)孔隙率、防爆墻位置等因素都會(huì)造成較大的影響。因此，對(duì)于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)置需要考慮到多個(gè)方面的因素，并對(duì)可燃?xì)怏w爆炸引起的后果進(jìn)行合理的控制，因此，可以從如下幾個(gè)方面對(duì)結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行分析：

圖6 位置1 不同時(shí)刻爆炸超壓分布云圖

（1）對(duì)于海洋平臺(tái)來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)布置應(yīng)該較為寬松，特別是存儲(chǔ)可燃?xì)怏w的重要區(qū)域，否則容易造成較大的安全威脅。

（2）海洋平臺(tái)空間設(shè)計(jì)需要保證較高的寬闊性，尤其是重要結(jié)構(gòu)位置需要避免放置大尺寸構(gòu)件，另外，還需要注意不能在主要壓力釋放口設(shè)置側(cè)向限制。

（3）如果出現(xiàn)了可燃?xì)怏w的爆炸現(xiàn)象，將導(dǎo)致上層甲板出現(xiàn)明顯的受壓現(xiàn)象，因此需要考慮到此方面的因素并針對(duì)性進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于FLACS 對(duì)海洋平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)在的氣體爆炸場(chǎng)景進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)論。

（1）海洋平臺(tái)的爆炸超壓與多個(gè)因素有關(guān)，如果海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)布置比較擁擠，孔隙率也較低，則容易造成更大的超壓。

（2）如果結(jié)構(gòu)沿橫、縱向的阻塞率完全一致，壓力將主要通過(guò)長(zhǎng)度較短方向進(jìn)行釋放，如果當(dāng)前主釋放口受到阻塞，則會(huì)選擇從更遠(yuǎn)的釋放口釋放壓力，受到一些阻礙的影響將會(huì)引起更大的超壓。

（3）如果是兩層甲板結(jié)構(gòu)，上甲板的爆炸超壓顯著高于下甲板。

（4）如果軸線的兩個(gè)壓力釋放口在阻塞率方面具有較大的差異，則會(huì)沿著此方向形成一定的超壓梯度分布，并且阻塞率越大的釋放口的超壓也較大。