李廷 梁婷 李江存 蔣志剛 龔皓

摘 ?????要：近年來(lái)與含毒危化品相關(guān)的爆炸事件頻頻發(fā)生，給國(guó)家和人民生命、財(cái)產(chǎn)安全都帶來(lái)了嚴(yán)重危害。爆炸作用下擴(kuò)散過(guò)程復(fù)雜，不易掌握和控制。分析對(duì)比了爆炸分散在化學(xué)武器、燃料空氣炸藥、滅火彈藥中等應(yīng)用，從理論和數(shù)值模擬等方面對(duì)爆炸分散過(guò)程的相關(guān)研究進(jìn)行了綜述，總結(jié)了整個(gè)拋撒過(guò)程中被分散介質(zhì)的顆粒速度、濃度、形成氣溶膠云團(tuán)的范圍等主要參數(shù)的研究進(jìn)展，得出啟示并提出了今后對(duì)含毒?；返难芯糠较?。

關(guān) ?鍵 ?詞：危化品;爆炸分散;數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ086.52 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）08-1846-04

Abstract： In recent years， explosions related to hazardous chemicals have occurred frequently， bringing serious harm to the lives and property of people. The diffusion process under explosion is complicated and difficult to master and control. In this paper， application of explosions in chemical weapons， fuel-air explosives， and fire-fighting ammunition was analyzed and contrasted. The related research on the explosion dispersion process was reviewed from the aspects of theory and numerical simulation. The research progress of the main parameters such as cloud range， particle velocity， particle size and concentration during the explosion dispersion process was summarized， and the research direction of hazardous chemicals in the future was put forward.

Key words： Hazardous chemical; Explosive dispersion; Numerical simulation

近年來(lái)，恐怖勢(shì)力日益猖獗，恐怖手段多種多樣，爆炸暴亂事件時(shí)有發(fā)生，給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大危害和惡劣影響。隨著石油、化工等產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，人們對(duì)?；返纳a(chǎn)、使用、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等需求日益增多，突發(fā)性含毒?；繁ㄊ鹿室差l頻發(fā)生，具有突發(fā)性強(qiáng)、風(fēng)險(xiǎn)性大、危害范圍廣、處置難度高等特點(diǎn)，指揮決策、應(yīng)急救援和危害預(yù)測(cè)與評(píng)估十分困難[1]。

2015年天津港“8.12”特大火災(zāi)爆炸事故，堪稱(chēng)建國(guó)以來(lái)消防官兵傷亡最慘重的事件，造成165人遇難，8人失蹤（其中遇難消防公安人員110人，失蹤消防人員5人），798人受傷住院醫(yī)治，直接經(jīng)濟(jì)損失68.66億元[2]。事故中，大量含毒?；繁粧伻龇稚⒅琳麄€(gè)事故區(qū)域，毒物濃度未知，現(xiàn)場(chǎng)救援難度極大。1993年深圳市清水河村危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)爆炸、2004年重慶天元化工總廠氯氫分廠液氯瞬間外泄、2010年本溪市萬(wàn)昌小區(qū)冰棍廠冷凍車(chē)間氨氣泄漏和2010年杭州城北祥符鎮(zhèn)新文社區(qū)化工倉(cāng)庫(kù)有毒原料泄漏4起事故處理中，突然發(fā)生爆炸或二次爆炸致使15名官兵犧牲，29名官兵中毒、局部受傷、缺氧窒息[3]。

從上述幾起事故可見(jiàn)，雖然事故的現(xiàn)場(chǎng)處置工作均有力有序，但救援過(guò)程中，對(duì)爆炸作用下含毒危化品擴(kuò)散機(jī)理不清楚，對(duì)毒物濃度隨時(shí)空分布情況和規(guī)律沒(méi)有掌握，只能在短時(shí)間內(nèi)粗略判斷化學(xué)危害種類(lèi)和危害程度，致使救援工作進(jìn)展緩慢，并可能引發(fā)?；愤M(jìn)一步泄漏擴(kuò)散或爆炸等次生危害的發(fā)生，造成事故后果極其嚴(yán)重。鑒于目前部隊(duì)對(duì)于爆炸等重大危險(xiǎn)源事故中?；返臄U(kuò)散規(guī)律及危害情況急需掌握，對(duì)爆炸作用下含毒?；窋U(kuò)散研究已刻不容緩，對(duì)實(shí)現(xiàn)平時(shí)突發(fā)性化學(xué)事故的有效處置和戰(zhàn)時(shí)軍隊(duì)防護(hù)洗消的指揮決策具有重大意義。

1爆炸分散過(guò)程分析

爆炸伴隨著巨大的能量釋放，沖擊波是其最直接和最主要的破壞形式。根據(jù)爆炸驅(qū)動(dòng)力和空氣阻力的大小，爆炸作用下含毒?；窋U(kuò)散過(guò)程大致可分為兩個(gè)階段：第一階段爆炸分散段和第二階段云團(tuán)擴(kuò)散段。爆炸分散段是指含毒危化品在沖擊波作用下，被強(qiáng)力拋撒，并在空氣阻力的沖擊下，進(jìn)行亂流分散，形成毒物云團(tuán)[4]。云團(tuán)擴(kuò)散段是指毒物云團(tuán)在浮力的作用下，克服重力與上升阻力，相對(duì)于大氣進(jìn)行熱抬升運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行大氣擴(kuò)散[5]。爆炸分散段完成后的各項(xiàng)參數(shù)是云團(tuán)擴(kuò)散段的初始條件，直接影響云團(tuán)的直徑、范圍、氣溶膠粒徑及云團(tuán)內(nèi)部毒物的濃度分布。研究云團(tuán)擴(kuò)散的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)于預(yù)測(cè)含毒?；返臄U(kuò)散現(xiàn)象、探明氣溶膠沉降規(guī)律、評(píng)估武器彈藥效能等具有重要價(jià)值[5]，可為下一步化學(xué)爆炸事故模型源項(xiàng)建立和爆炸擴(kuò)散全過(guò)程危害評(píng)估提供依據(jù)，輔助現(xiàn)場(chǎng)指揮決策和應(yīng)急救援。爆炸分散驅(qū)動(dòng)方式已在化學(xué)武器、燃料空氣炸藥、滅火彈藥、粉塵爆炸預(yù)防等軍事和民用工程中獲得廣泛應(yīng)用[6]，但在含毒危化品分散方面研究的較少，在燃料空氣炸藥（FAE）和煙火藥方面研究較為深入，主要基于爆炸力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)等原理，通過(guò)運(yùn)用動(dòng)力學(xué)分析軟件、二次開(kāi)發(fā)的流體力學(xué)軟件與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行數(shù)值模擬研究，其方法可以借鑒。

2 ?爆炸分散的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

數(shù)值模擬[7]是運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行擴(kuò)散研究的一種重要方法，指的是將實(shí)際研究的問(wèn)題，通過(guò)能體現(xiàn)相應(yīng)過(guò)程的物理、化學(xué)機(jī)理轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行建模計(jì)算。求解過(guò)程中主要在于設(shè)定模型的初始和邊界條件，以及對(duì)方程組進(jìn)行離散化，最終求解出所研究的實(shí)際問(wèn)題。

研究爆炸分散起源于一戰(zhàn)中化學(xué)武器，而后到裝填CS、CR等刺激劑的催淚彈藥的出現(xiàn)，深入研究要?dú)w于燃料空氣炸藥的迅速發(fā)展。尤其是燃料空氣炸彈出現(xiàn)后，美國(guó)、歐洲和俄羅斯開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。國(guó)內(nèi)多家單位也開(kāi)展了相關(guān)研究，目前已在液體破碎機(jī)制和分散模式、氣溶膠云團(tuán)膨脹生長(zhǎng)機(jī)制等方面獲得了較多成果。

2.1 ?數(shù)值模擬研究

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值求解和有限元模擬無(wú)論是在計(jì)算規(guī)模方面還是計(jì)算精度方面都取得了重大進(jìn)展，且具有經(jīng)濟(jì)、高效、安全等優(yōu)點(diǎn)，在研究湍流流動(dòng)和多相流動(dòng)等領(lǐng)域前景可觀，對(duì)爆炸作用下燃料或毒物分散特性參數(shù)的研究主要集中在分布范圍和云霧濃度變化。

Los Alamos美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，成功開(kāi)發(fā)了一系列KIVA程序[8]，是一種以FOR-TRAN語(yǔ)言編譯的反應(yīng)流體動(dòng)力學(xué)程序，其最初被應(yīng)用于氟化氫化學(xué)激光系統(tǒng)中，在遵循相關(guān)守恒方程和氣體狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上，建立湍流模型，采用任意拉格朗日—?dú)W拉法進(jìn)行有限差分計(jì)算。因源代碼被公開(kāi)而廣泛運(yùn)用，學(xué)術(shù)界許多有關(guān)爆炸拋撒過(guò)程的數(shù)值模擬都基于該程序。

D.R.Gardner和M.W.Glass[9]基于爆炸過(guò)程中作用于燃料上的爆炸作用力與氣動(dòng)阻力大小的比較，爆炸拋撒全過(guò)程被劃分為近場(chǎng)階段和遠(yuǎn)場(chǎng)階段，對(duì)兩個(gè)階段分別進(jìn)行了建模和計(jì)算，聯(lián)合將近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的建模仿真相耦合獲得了對(duì)整個(gè)爆炸分散過(guò)程的數(shù)值模擬研究。

Y.H.li[10]采用ADM方法模擬了液體燃料的分散過(guò)程，應(yīng)用泰勒斷裂準(zhǔn)則分析了殼體的破碎情況，計(jì)算結(jié)果與商用數(shù)值模擬軟件計(jì)算結(jié)果基本一致。S.K.Singh等[11]根據(jù)液體燃料空氣炸藥爆炸初期階段爆殼的特點(diǎn)，預(yù)測(cè)了初始粒徑對(duì)燃料分散范圍的影響，并對(duì)爆炸后形成氣溶膠云團(tuán)的大小進(jìn)行了估算。

北京理工大學(xué)陳嘉琛[12]在論文中采用流體力學(xué)FLUENT軟件， 利用自定義函數(shù)的引入，再次開(kāi)發(fā)液體燃料入口壓力邊界條件和蒸發(fā)過(guò)程，對(duì)固液混合燃料拋撒過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。通過(guò)改變爆炸驅(qū)動(dòng)載荷、固液比和液體燃料組分，研究了云團(tuán)燃料分散范圍和燃料分散邊緣速度，并分析了云霧濃度和湍流強(qiáng)度。運(yùn)用高速攝影系統(tǒng)對(duì)不同爆炸驅(qū)動(dòng)載荷作用下的燃料拋撒過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)觀測(cè)，圖1為2 kg云爆裝置燃料的分散過(guò)程圖，燃料拋撒過(guò)程的早期以快速?gòu)较驍U(kuò)散運(yùn)動(dòng)為主，后期以慢速縱向擴(kuò)散為主;圖2為2 kg云爆裝置數(shù)值模擬得到的燃料分散密度云圖，通過(guò)對(duì)比分析，燃料爆炸分散過(guò)程和基本形態(tài)同實(shí)驗(yàn)結(jié)果是吻合的。其實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果證明，文中所建立的數(shù)值計(jì)算模型及經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)后的FLUENT，可以模擬爆炸分散過(guò)程。其主要研究燃料在爆炸作用下殼體破碎后的分散過(guò)程，關(guān)注燃料經(jīng)爆炸分散后的二次點(diǎn)火。

防化研究院李磊、陸曉霞等[13，14]利用AUTODYN軟件進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了在不同比藥量和不同殼體材料約束條件下的液體爆炸拋撒過(guò)程，爆炸拋撒早期液體破碎分散過(guò)程的重要形態(tài)特征得到了進(jìn)一步揭示。

對(duì)液體爆炸拋撒過(guò)程的模型建立，特別是在不同殼體約束下，指導(dǎo)對(duì)拋撒云團(tuán)初始粒徑分布的估算具有一定意義。其主要研究起爆后1 ms內(nèi)破殼過(guò)程的規(guī)律，對(duì)破殼后的爆炸分散過(guò)程未進(jìn)行研究。

陸軍防化學(xué)院陳海平、王玄玉等[4]在《化學(xué)武器效應(yīng)及銷(xiāo)毀》教材中將毒劑炮彈的爆炸認(rèn)為是瞬時(shí)體源的一種形式。對(duì)瞬時(shí)體源與初生毒劑云團(tuán)研究時(shí)，把瞬時(shí)體源視為“擴(kuò)大的瞬時(shí)點(diǎn)源”，從而根據(jù)拉赫特曼湍流擴(kuò)散方程推出了濃度表達(dá)式，得到染毒濃度水平分布為正態(tài)分布的結(jié)論。實(shí)際測(cè)定結(jié)果，染毒濃度在水平方向的分布并不完全是正態(tài)分布，與實(shí)際情況還有一段差距。

陳玉昆等[15]利用AUTODYN爆炸動(dòng)力學(xué)軟件，對(duì)滅火彈爆炸及滅火劑的拋撒過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，研究不同滅火彈中心裝藥結(jié)構(gòu)及彈體形狀對(duì)滅火劑拋撒作用的影響。結(jié)果表明：產(chǎn)生的云霧形狀明顯受到彈體形狀和裝藥結(jié)構(gòu)的影響，水粒的速度在經(jīng)歷極短時(shí)間的變化后大致為一固定值，進(jìn)行類(lèi)勻速運(yùn)動(dòng)，位移曲線(xiàn)也呈直線(xiàn)狀增加。

賈飛等[16]采用LS-DYNA軟件模擬云爆劑的近場(chǎng)拋撒過(guò)程，得出了在2種不同拋撒方式下不同位置觀測(cè)點(diǎn)的最大速度和最大壓力，還得到了速度在100微秒內(nèi)不同時(shí)刻的變化情況。石藝娜等[17]從理論和數(shù)值模擬上研究了爆炸拋撒形成氣溶膠云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，獲得了氣溶膠云團(tuán)直徑的變化情況，以及氣溶膠介質(zhì)的濃度分布規(guī)律。

丁玨[18，19]進(jìn)一步深入研究了燃料分散的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)，將近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的燃料分散分別簡(jiǎn)化為一維氣液兩相流動(dòng)和多相流模型，同時(shí)將近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行程序耦合，進(jìn)而得出液體燃料拋撒半徑隨時(shí)間的變化規(guī)律，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致。之后模擬了以爆炸拋撒為原理的抑爆裝置，利用FLUENT軟件對(duì)水早期的拋撒和水霧形成到后期的擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了兩相流簡(jiǎn)化，采用歐拉法分析受限空間內(nèi)的水霧運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

鞠偉等[20]采用任意拉格朗日-歐拉方法對(duì)FAE拋撒初期進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究不同量級(jí)燃料空氣炸藥裝置殼體破碎的沖擊波傳播特性，在云爆裝置質(zhì)量不同的情況下，比藥量為1.524 5%時(shí)，最大加速度值接近。表明殼體加速到最大速度的時(shí)間相近，殼體達(dá)到最大速度所需時(shí)間與裝置質(zhì)量的立方根的比值為常數(shù)。

2.2 ?軟件運(yùn)用對(duì)比分析

對(duì)大量文獻(xiàn)的收集整理和分析研究表明，目前對(duì)爆炸分散段的數(shù)值模擬主要采用AUTODYN和LS-DYNA等動(dòng)力學(xué)軟件、二次開(kāi)發(fā)后FLUENT等流體力學(xué)軟件。兩類(lèi)軟件在數(shù)值模擬運(yùn)用中表現(xiàn)出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。特別是對(duì)燃料空氣炸藥研究時(shí)，動(dòng)力學(xué)分析軟件只能把FAE燃料當(dāng)成單相物質(zhì)，而且無(wú)法模擬燃料或毒物遠(yuǎn)場(chǎng)的擴(kuò)散過(guò)程和多相之間的相互作用以及液相不斷蒸發(fā)為氣相的過(guò)程，只能單純模擬爆炸沖擊過(guò)程。流體力學(xué)軟件FLUENT中自帶的湍流模型、離散相模型、多相流模型和自定義函數(shù)的導(dǎo)入可以有效研究燃料分散過(guò)程，但對(duì)殼體破碎前期的爆炸無(wú)法進(jìn)行模擬，只能將模型建立在殼體已破碎的情況下進(jìn)行研究。因此，充分利用兩類(lèi)軟件優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)探索連續(xù)的爆炸分散過(guò)程研究是一種全新的思路。