孫文盛 楊石剛 蔡炯煒,2 楊亞

(1.陸軍工程大學爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室 南京 210007； 2.73021部隊 杭州 310012)

*基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)(2015CB058001)；江蘇省自然科學基金(BK20180081)。

0 引言

近年來，中國交通事業(yè)發(fā)展速度十分迅猛，公路、鐵路建設里程不斷取得新的突破。隧道作為一項大型基礎設施在此中扮演了重要的角色，其在節(jié)省運輸成本、提高運輸效率方面有著巨大的優(yōu)越性，為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展做出了很大貢獻。公路建設方面，截至2018年底建設總里程達484.65萬km，其中隧道有1.77萬處，總里程1.72萬km，已經(jīng)連續(xù)10年保持年增長率超過8%，建設規(guī)模、數(shù)量以及增長速度方面高居世界榜首。鐵路建設方面，截至2019年底建設總里程達13.9萬km，其中投入運營的鐵路隧道有1.61萬處，總長1.8萬km，近5年年增長率均超過6%[1]。

隧道建造難度大、使用周期長、造價高昂，是一項重要的生命線工程。除了本身具有的通行功能外，很多隧道現(xiàn)在還兼具了人防功能，因此保證隧道的安全暢通運營十分必要。由于隧道通常只有兩個進出口與外界聯(lián)系，一旦發(fā)生事故，人員的逃生以及組織救援難度很大，整條線路的交通運輸系統(tǒng)也會因此癱瘓，影響范圍非常廣泛。而且，由于其空間相對密閉，發(fā)生火災爆炸事故時較開敞空間會產(chǎn)生更加嚴重的后果，爆炸沖擊波、煙霧和火焰迅速貫通整個隧道。其中，爆炸沖擊波荷載傳播速度快、范圍廣，極易造成人體耳膜和肺部的傷害[2]，同時爆炸沖擊波也會對隧道結構產(chǎn)生明顯的損害，導致防火層的脫落，對火災起到一定的激勵作用。表1列舉了國內(nèi)一些典型的隧道內(nèi)爆炸事故。

表1 國內(nèi)隧道爆炸事故概覽

續(xù)表1

從表1可以看出，隧道內(nèi)爆炸主要發(fā)生在?；愤\輸過程中。與地上環(huán)境相比，隧道內(nèi)部環(huán)境是一個相對封閉的系統(tǒng)。爆炸沖擊波在隧道內(nèi)地面、壁面不斷反射傳播，致使結構內(nèi)壁承受的超壓峰值明顯提高，其作用持續(xù)時間也大為延長，進而給結構及其內(nèi)部人員及設施造成更為嚴重的破壞和殺傷后果[3]。所以，研究隧道燃氣爆炸災害破壞機理，必然首先要從爆炸沖擊波傳播規(guī)律著手。長直的泄爆空間內(nèi)發(fā)生的火災爆炸事故具有特殊之處，現(xiàn)有研究也表明長徑比對于泄爆空間中燃氣爆炸沖擊波傳播規(guī)律影響非常大，因此，關于民用建筑和壓力容器等泄爆空間中的權威研究較難在隧道中直接應用。本文首先對槽罐車的事故模式進行了分析，介紹了國內(nèi)外對于槽罐車等壓力容器泄漏、擴散、爆炸的研究進展。隨后分別從理論研究、模型試驗和數(shù)值模擬三個角度對隧道等長直空間內(nèi)燃氣爆炸的研究進展進行綜述。

1 槽罐車事故模式及后果分析

1.1 槽罐車事故模式

經(jīng)過對一系列具有詳細報道的槽罐車火災爆炸事故的統(tǒng)計，得到了槽罐車的事故模式，進而分析得到了隧道爆炸事故的主要爆炸危險源。如圖1所示。

圖1 槽罐車爆炸事故模式

易燃液體在運輸過程中發(fā)生事故時通常不會發(fā)生劇烈的爆炸，主要災害形式為火災產(chǎn)生的熱輻射以及直接接觸火焰，極端情況下會在火災過程中形成蒸氣云進而引發(fā)蒸氣云爆炸事故。而可燃氣體主要采用高壓或者低溫液化的運輸方式，在遇到外部不利因素影響時會導致罐體泄漏，泄漏出來的液化氣體會迅速汽化并在短時間內(nèi)積聚形成蒸氣云，在極小的點火能量下就會發(fā)生爆炸；如果立即點燃會首先形成噴射火，火災產(chǎn)生的熱輻射對槽罐產(chǎn)生熱反饋使得槽罐內(nèi)汽化速度加快，從而形成了正激勵循環(huán)導致罐體炸裂，引發(fā)災害后果更為嚴重的蒸氣云爆炸事故。由此可見，?；愤\輸環(huán)節(jié)中發(fā)生的爆炸事故一般是氣體爆炸。

1.2 槽罐車事故后果研究現(xiàn)狀

多位學者對于槽罐以及壓力容器內(nèi)物質的泄漏、擴散、爆炸的真實過程進行了數(shù)值計算。項莉[4]以液化天然氣槽罐車泄漏后燃燒為事故背景進行了研究，提出了“泄漏—燃燒—熱反饋—槽罐內(nèi)升溫升壓—強化泄漏”的事故鏈演化過程，并建立了“泄漏-燃燒”耦合發(fā)展模型，過程中還研究了不同的相態(tài)、充裝率以及泄漏孔徑對于事故的影響。余爽[5]運用Aloha及MATLAB軟件針對液化石油氣泄漏后的不同事故類型進行數(shù)值計算，研究結果表明沸騰液體擴展蒸氣云爆炸的災害范圍最廣。曹艷丹等[6]利用Fluent軟件研究了泄漏孔徑為50 mm的天然氣槽罐車在泄漏后的氣云濃度分布并記錄了下風向爆炸濃度極限范圍距離，研究結果表明初始的天然氣動量對于氣云的分布占主導作用，而風可以顯著減小可燃氣體的寬度。陳長坤等[7-8]采用Fluent軟件模擬了化學計量比濃度下的甲醇、氫氣、丙烷在隧道內(nèi)發(fā)生爆炸的情況，研究甲醇運輸車數(shù)量以及相對點火源位置對于爆炸壓力場的影響規(guī)律，并對氫氣和丙烷的爆炸過程進行了定量對比分析，結果表明爆炸的危害程度隨著槽罐車數(shù)量的增多而顯著增強。徐大用等[9]采用FLACS軟件對汽油槽罐車泄漏后燃燒以及蒸氣云爆炸的情況進行了數(shù)值模擬，得到了火球以及超壓的傷害范圍。

國外VAN DEN BERG A C等[10]計算了50 m3液化石油氣壓力容器在開口隧道系統(tǒng)中破裂時的爆炸效應，指出在爆炸沖擊波從隧道泄放到自由空間的過程中分為一個主要為靜態(tài)的超壓波以及一個定向的動態(tài)壓力波；計算了50 m、100 m、150 m開口長度下的超壓峰值，結果表明經(jīng)過泄爆后的沖擊波仍會對人體產(chǎn)生很大的損傷；VENETSANOS A G等[11]計算了不同標準工作壓力(20 MPa、35 MPa、70 MPa)的大型氫能源汽車在隧道內(nèi)不同事故場景下隨時間變化的泄漏速率，分別利用ADREA-HF、REACFLOW軟件分析了氫氣擴散、爆燃過程的特點，對比了天然氣燃料汽車事故過程，得出了二者不同時刻的氣體釋放速率、可燃物能量以及不同位置的超壓-時程曲線。BIE H Y等[12]分別利用不同的計算流體力學軟件模擬了隧道內(nèi)氫燃料車儲罐泄漏、擴散以及爆燃的過程，在此基礎上對風速、點火延遲的影響作了定性分析。

2 長直空間燃氣爆炸荷載研究現(xiàn)狀

2.1 長直空間燃氣爆炸荷載理論分析

燃氣爆炸是一種典型的非理想爆炸，由于燃氣爆炸發(fā)展過程復雜、影響因素繁多，建立準確的計算模型比較困難，尤其是針對隧道這一特殊環(huán)境建立理論計算模型則更加有挑戰(zhàn)性。

對于大型可燃氣體爆炸，可以采用TNT當量法、多能(Multi-Energy)法、Baker-Strehlow模型、阻塞評估(CAM)模型等經(jīng)驗方法來初步預測爆炸荷載并進行簡單的安全評價。TNT當量法和多能法是依據(jù)凝聚相炸藥相關理論知識，對于氣體爆燃過程中燃燒和火焰不穩(wěn)定性考慮較少，TNT當量法只能用來預測遠場的爆炸荷載，而多能法的計算方法默認混合氣體只在受限或者阻塞的區(qū)域發(fā)生爆炸，在預測氣體爆炸近(遠)場超壓峰值時會偏高(低)。CAM在復雜環(huán)境下的應用有一定局限性。VAN DEN BERG A C等[13]經(jīng)過實例計算指出多能法相較于TNT當量法可以更好地預測氣體爆炸荷載。TANG M J等[14]對于包括Baker-Strehlow模型在內(nèi)的多種模型進行計算并與試驗數(shù)據(jù)(MERGE，EMERGE等)進行了比較，結果表明Baker-Strehlow模型對于遠場預測超壓過高，在此基礎上提出了Baker-Strehlow-Tang模型并驗證了其準確性。

CATLIN C A等[15]提出了一個能夠預測氣體爆炸產(chǎn)生的超壓的數(shù)學模型，該模型基于流體流動方程組的解，該方程組采用二階精確的有限體積積分法和自適應網(wǎng)格算法相結合。用k-ε方法模擬了在火焰?zhèn)鞑デ爱a(chǎn)生的湍流，而用半經(jīng)驗方法描述了預混燃燒過程，該方法同時考慮了化學動力學和流場對火焰燃燒速度的影響，在整個火焰?zhèn)鞑ミ^程中保持真實的火焰厚度，最后在大型圓柱形容器中驗證了模型的準確性。

ZHU Y F等[16]利用FLACS軟件建立了4組數(shù)值模型，研究了空氣中甲烷的體積分數(shù)、堵塞率、隧道長度和斷面形狀對大型直線隧道瓦斯爆炸超壓的影響。利用GaussAmp數(shù)學模型對數(shù)據(jù)擬合，給出了隧道中超壓峰值隨著甲烷濃度變化的預測公式，同時在文中創(chuàng)新地提出截面系數(shù)Dv，擬合出了不同Dv值下超壓峰值計算公式。

ZHANG Q等[17]提出了一種估算封閉隧道內(nèi)氣體爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波超壓衰減的方法。在考慮了隧道壁面粗糙度的情況下研究了甲烷-空氣混合氣爆炸及其沖擊波在空氣中的后續(xù)傳播，得到了甲烷-空氣混合物外隧道不同軸向位置的壓力時程。研究結果表明該方法能夠準確地估計甲烷/空氣混合爆炸產(chǎn)生的沖擊波隨距離的超壓變化。

畢明樹等[18-19]在等溫絕熱爆炸模型的基礎上，引入了流體動力學方程以及化學反應動力學守恒方程，在此基礎上模擬了可燃氣體在管道中的爆燃，計算了不同時刻的壓力場。同時采用均勻能量釋放模型，通過數(shù)值模擬的方法對管道內(nèi)可燃氣體爆炸進行了計算，得到了可燃氣體、管道長度等因素對管道內(nèi)氣體爆炸壓力和壓力上升速率的影響。

王振成等[20]指出長徑比對于容器內(nèi)爆炸過程影響較大，并針對長徑比為12的爆炸管中進行了丙烷泄爆實驗，通過回歸分析法對實驗數(shù)據(jù)進行歸納，得到了最大爆炸壓力與開口比的關系、壓力時程曲線以及不同體積容器的開口比計算公式。

2.2 長直空間燃氣爆炸試驗研究2.2.1 小比例管道模型試驗

針對小比例管道模型中的爆炸特性，現(xiàn)有研究多集中于可燃氣體爆炸發(fā)展過程以及各種環(huán)境因素對結果的影響。KUNDU S K等[21]用20 L的球形容器連接2 813 mm長的管道，以此模擬巷道中燃氣爆炸特性，在點燃之前給管道內(nèi)氣體引入湍流，試驗結果表明強點火能量以及湍流均會增強爆炸程度。IBRAHIM S S等[22]通過自主研發(fā)的一種試驗裝置，研究了障礙物幾何形狀和阻塞比對氣體爆炸超壓峰值的影響。結果表明，超壓峰值以及壓力上升速率會隨著阻塞比的增大而增大，相同情況下板形障礙物會導致更大超壓，這與ZHOU Y H等[23]指出的帶尖角的障礙物能引起更劇烈的爆炸相符合，ZHOU Y H還發(fā)現(xiàn)障礙物間距近似等于管道直徑時爆炸程度最劇烈。NA′INNA A M等[24-25]指出爆炸過程中未燃氣體會在障礙物下游產(chǎn)生湍流，導致燃燒速率增大，從而產(chǎn)生更大的超壓峰值，在此理論基礎上建立了長4.5 m，直徑為162 mm的管道裝置開展一系列相應試驗，得到了最不利情況下的障礙物間距并進一步探究了阻塞率對于最不利間距的影響，指出最不利間距為障礙物下游產(chǎn)生最大湍流時的間距。

2.2.2 大比例模型試驗

小比例管道模型中的試驗可以為隧道內(nèi)燃氣爆炸荷載影響因素提供一定的借鑒，但是小尺度模型不可避免地會產(chǎn)生一定偏差。GROETHE M等[26]用1/5比例尺制作了長78.5 m、橫截面積為3.74 m2的隧道模型，首先在隧道中心設置了10 m體積分數(shù)9.5%～30%的均勻氫氣-空氣混合物并測量了爆炸過程超壓/沖量-時程曲線，隨后在端口以及隧道中心兩個位置進行了不同量氫氣泄漏試驗，測得了隧道縱向不同位置的氫氣濃度。ZIPF R K等[27]建立了長73 m，內(nèi)徑105 cm的試驗管道研究甲烷-空氣混合物的爆轟過程，試驗測得爆轟過程中沖擊波以1 512～1 863 m/s的平均速度傳播,在第一次沖擊壓力峰值后平均超壓在1.2～1.7 MPa之間變化。

徐景德[28]在煤炭科學研究總院重慶研究院大型試驗巷道中進行一系列試驗，試驗結果表明：障礙物在火焰區(qū)以及非火焰區(qū)的激勵作用有物理上的區(qū)別，同時發(fā)現(xiàn)瓦斯爆炸傳播過程存在明顯的尺寸效應。王東武等[29]在煤科院大型試驗巷道(見圖2)進行了不同質量、濃度的瓦斯-空氣混合氣體爆炸試驗，并對爆炸過程中的超壓峰值以及火焰速度等數(shù)據(jù)進行了測量分析，結果表明瓦斯量的增加會使得最大壓力峰值的位置靠近點火點，火焰長度是瓦斯積聚區(qū)的3～6倍。ZHAI C等[30]對煤礦內(nèi)瓦斯爆炸進行了試驗研究并通過數(shù)值模擬進行驗證，結果表明隨著通道彎曲曲率的改變會不同程度加劇湍流過程，進而使火焰速率以及超壓峰值增大。SAPKO M J等[31]在改造的廢棄石灰礦(LLEM)D通道(長520 m，橫截面積11.2～13.0 m2)中封閉端填充12 m長的體積分數(shù)為10%的甲烷空氣預混氣體當作點火端，研究真實巷道中爆炸后粉塵的影響，試驗結果給出了不同粉塵的上下限濃度并提出了兩種爆炸模型，試驗中給出的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约俺瑝簲?shù)據(jù)在提供大規(guī)模甲烷-空氣爆炸的數(shù)據(jù)方面極有價值。然而，綜合考慮到安全性以及經(jīng)濟性的因素，學者們在大型巷道中使用的氣體體積以及傳感器數(shù)量規(guī)模較小。因此，這些試驗還不足以充分反映大型隧道中荷載分布規(guī)律。

圖2 煤科院大型試驗巷道(單位：mm)

2.3 長直空間燃氣爆炸數(shù)值模擬

近年來伴隨著氣體爆炸原理、計算流體力學等理論的持續(xù)完善以及計算機技術的不斷成熟，數(shù)值模擬的準確度也越來越高，已經(jīng)成為了研究氣體爆炸的一種重要手段。尤其是近十多年來，國外已經(jīng)開發(fā)出多個可用于模擬氣體爆炸的數(shù)值計算軟件，如CAST3M、COM3D、FLACS、REACFLOW、AutoReaGas、Fluent、b0b、PHOENICS、BLAST、EXSIM等。預測蒸氣云爆炸強度的CFD模型有:Baker-Strehlow-Tang、Multi-Energy等一維模型，以及Raju的薄餅和半橢球模型[32]。

很多學者以及機構針對GROETHE M的試驗進行了數(shù)值模擬，在過程中對不同軟件的參數(shù)以及數(shù)值模型的準確性進行了驗證。歐盟委員會組織了5個科研機構FZK(COM3D)、Gexcon(FLACS)、KI(b0b)、JRC(REACEFLOW)、UU(Fluent)分別用5個不同軟件對此試驗進行了計算，對不同軟件的物理以及理論模型的準確性作了驗證，討論了不同軟件的局限性(幾家單位均在知道計算結果的情況下進行計算)[33]。TOLIAS I C等[34]采用修正的Yakhot方程來考慮湍流模型以及火焰結構的影響，利用ADREA-HF軟件模擬了GROETHE M[26]試驗中隧道中部10 m長化學計量濃度的氫氣爆炸過程，研究了不同湍流模型(LES/k-ε)、燃燒模型參數(shù)Ψ以及網(wǎng)格分辨率的影響。MOLKOV V等[35]采用大漩渦氣體爆燃模型(LES)模擬了78.5 m長隧道中不同濃度氫氣爆炸，給出了無障礙和有障礙通道中不同縱向距離的超壓峰值以及超壓時呈曲線，試驗結果證實了LES模型的適用性。

SALZANO E等[36]將管道內(nèi)設置圓環(huán)狀障礙物的氣體爆炸試驗結果與AutoReaGas模擬結果進行對比，指出其在比較慢的湍流爆燃區(qū)適用性較好，但對于氣體爆轟模擬的適用性有待提高。JANOVSKY B等[37]用房間內(nèi)以及礦井內(nèi)爆炸試驗數(shù)據(jù)對AutoReaGas軟件進行了校準，證實了此軟件對結構內(nèi)任何點的荷載的計算精確性。PANG L等[38]首先利用鋼管內(nèi)甲烷的爆炸試驗驗證了AutoReaGas數(shù)值模擬方法的有效性，然后對不同支護間距的巷道內(nèi)發(fā)生瓦斯爆炸的情況進行數(shù)值研究，結果表明巷道內(nèi)同一斷面上的峰值超壓分布不均勻，最大超壓出現(xiàn)在巷道壁附近。JIANG B Y等[39]利用AutoReaGas軟件模擬了長100 m，0.08 m×0.08 m的管道模型中不同燃料體積的爆炸過程，結果表明各測點的壓力、密度、溫度、速度都是燃料體積的線性函數(shù)。SUN L等[40]利用AutoReaGas建立了長度為100 m，截面面積不同的管道模型，研究表明管道截面面積的增大對瓦斯爆炸的超壓、密度、溫度、瓦斯速度和燃燒速率有明顯的降低作用，同時會使安全距離變小。

HANSEN O R等[41]指出了FLACS會嚴重低估強烈氣體爆炸情況下遠場爆炸荷載并分析了其中的原因。同時他在幾次大型試驗以及爆炸事故中找到可燃氣體爆轟的證據(jù)，指出出現(xiàn)爆轟的可能性比現(xiàn)有認知要大并利用實驗數(shù)據(jù)對FLACS軟件參數(shù)進行了調(diào)整，使其對于爆轟以及遠場爆炸荷載預測更加精確。WILLIAM G H等[42]研究了隧道中氫燃料汽車熱減壓裝置開啟的情況，指出延遲點火發(fā)生爆炸的情況是存在的，隨后利用FUEGO軟件模擬出了氫氣擴散不同時間內(nèi)的氫氣云分布并導入FLACS軟件進行不同點火位置爆炸過程的計算，測得最大超壓峰值為300 kPa，模擬中采用的幾何模型及擴散2 s后爆炸超壓分布見圖3，最后在試驗中驗證了模擬過程中計算模型的準確性。PRANKUL M等[43]運用FLACS軟件分別建立了馬蹄形以及矩形的隧道幾何模型，考慮各種事故場景下釋放率的差異，對不同縱向通風方式下的場景進行模擬，研究結果表明氫氣的釋放受自身浮力以及動量主導，爆燃危害程度與縱向通風水平關系不大。張群[44]利用20 L近球形爆炸試驗裝置測試了不同氣體的爆炸極限，并用此數(shù)據(jù)驗證了FLACS軟件模擬多元氣體在受限空間爆炸的可行性，最后仿照實際礦井建立了相應的巷道模型，系統(tǒng)地研究了點火位置、可燃性氣體填充長度、氣體成分濃度、巷道內(nèi)障礙物及不同密閉情況對爆炸過程的影響。

(a)隧道及車輛幾何模型

(b)爆炸超壓分布

3 已有研究存在不足

氣體爆炸發(fā)展過程十分復雜，對于初始的環(huán)境條件非常敏感，很難建立相應的解析解模型。目前對于大型氣體爆炸多采用經(jīng)驗/半經(jīng)驗方法進行計算，而現(xiàn)有的理論如TNT當量法、多能(Multi-Energy)法、Baker-Strehlow模型、阻塞評估(CAM)模型都有各自的缺點，其適用范圍還未得到大量有效的驗證，在隧道這種特殊的環(huán)境中進行應用有一定的主觀性和盲目性。

目前關于隧道內(nèi)燃氣爆炸荷載的試驗研究多借鑒管道或者巷道的經(jīng)驗，二者與隧道相比在斷面形狀、結構形式、通風方式等方面有明顯的不同之處。而關于隧道內(nèi)燃氣爆炸的試驗都是規(guī)模較小的模型試驗，現(xiàn)研究表明隧道內(nèi)發(fā)生燃氣爆炸時會存在明顯的尺寸效應，原有的模型試驗難以對真實隧道內(nèi)爆炸荷載進行全面的概括，目前亟需對隧道內(nèi)燃氣爆炸尺寸效應進行理論研究。

現(xiàn)有對于管道以及巷道的研究，多集中在對于爆炸特性影響因素的分析，比如氣體濃度、氣體體積、管壁條件、障礙物形式等，而忽略了對于隧道內(nèi)真實爆炸情況的過程分析。而近年來隧道內(nèi)?；愤\輸爆炸事故頻發(fā)，對于此類事故后果損傷評估對于隧道修建時的防護設計以及發(fā)生事故時的救援工作、避險范圍參考意義重大。

4 結論

本文搜集了近些年來典型的隧道內(nèi)燃氣爆炸事故，并對爆炸起因和槽罐車爆炸模式進行了分析，然后從理論分析、模型試驗、數(shù)值模擬三個方面對隧道等長直泄爆空間內(nèi)燃氣爆炸荷載的國內(nèi)外現(xiàn)狀研究進行了綜述。具體結論如下：

(1)槽罐車發(fā)生事故時的災害形式和其運載的物質類型有關，運輸易燃液體時多發(fā)生火災事故，運輸高壓液化氣體時容易產(chǎn)生比較劇烈的爆炸，二者的災害后果評估方式不同。

(2)從理論上獲得燃氣爆炸的解析解比較困難，隨著計算機技術的成熟以及燃氣爆炸相關理論的不斷完善，大量的數(shù)值模擬軟件已經(jīng)在試驗中得到驗證，數(shù)值模擬方法將成為解決這類問題的有力途徑。

(3)關于大型的長直空間中燃氣爆炸的試驗研究多見諸于國外，國內(nèi)相關的大尺度試驗還較少，這也造成了可參考數(shù)據(jù)的匱乏。

(4)系統(tǒng)總結國內(nèi)外大長徑比的長直泄爆空間燃氣爆炸荷載研究現(xiàn)狀，指出隧道內(nèi)槽罐車泄漏爆炸過程的研究對于救援工作、避險范圍參考意義重大。