大尺度障礙物與泄爆面對(duì)天然氣內(nèi)爆炸的協(xié)同作用規(guī)律研究*

楊 凱，呂鵬飛，胡倩然，龐 磊

(1.北京石油化工學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 102617；2.北京市安全生產(chǎn)工程技術(shù)研究院，北京 102617)

0 引言

作為一種高效、清潔能源，天然氣在城市居民生活中得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，由于設(shè)備設(shè)施老化、違規(guī)使用等問(wèn)題誘發(fā)的天然氣爆炸事故已然成為城市居民生活中的典型事故類(lèi)型之一。一般而言，民用建筑內(nèi)天然氣爆炸多始發(fā)在廚房，而廚房的門(mén)窗在爆炸過(guò)程中往往會(huì)成為具有一定開(kāi)啟壓力的泄爆結(jié)構(gòu)。同時(shí)，廚房?jī)?nèi)的櫥柜、吊柜等物品很可能加劇爆炸瞬態(tài)流場(chǎng)的復(fù)雜性。氣體爆炸屬于非點(diǎn)源爆炸形式，爆炸過(guò)程受約束條件的影響極為顯著。在典型的室內(nèi)天然氣爆炸事故中，具有一定開(kāi)啟壓力的泄爆面與內(nèi)置大尺度障礙物將共同作用于室內(nèi)的爆炸流場(chǎng)[1]。

目前，關(guān)于泄爆結(jié)構(gòu)對(duì)氣體爆炸的影響規(guī)律方面已經(jīng)取得了較多的研究成果。Bao，Qi，F(xiàn)akandu，Guo等[2-5]分別借助不同形狀、不同尺度的實(shí)驗(yàn)裝置研究了開(kāi)啟壓力、泄爆面積、相對(duì)位置等泄爆面屬性對(duì)氣體爆炸及泄爆的影響，但由于事故過(guò)程、工藝特點(diǎn)等方面的差異，并沒(méi)有進(jìn)一步考查內(nèi)置障礙物的爆炸效應(yīng)。

近年來(lái)，部分學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)手段或數(shù)值方法對(duì)內(nèi)置障礙物作用下氣體爆炸及泄爆效應(yīng)開(kāi)展了大量研究，但民用建筑內(nèi)的家具、電氣設(shè)備等障礙物都是以大尺度為主，有關(guān)大尺度障礙物與泄爆面對(duì)受限空間內(nèi)氣體爆炸協(xié)同的研究還比較缺乏。由于天然氣和液化石油氣是2種主要的居民生活用氣，因此很多文獻(xiàn)[6-15]中主要利用這2種氣體的主要成分甲烷或丙烷氣體作為爆源開(kāi)展研究。這些文獻(xiàn)中泄爆面和障礙物特征是主要考察的2個(gè)參數(shù)。由于研究中爆炸腔室體積尺寸的分布范圍較廣，如Hall等[9]和Tomlin等[14]分別采用體積為0.000 625 m3和182.25 m3的爆炸腔室，研究了液化石油氣和天然氣的約束爆炸過(guò)程，使得各文獻(xiàn)中泄爆面積和障礙物體積的差別較大，而約束泄爆過(guò)程具有尺度效應(yīng)，小尺度泄爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能直接用于指導(dǎo)民用建筑研究[1]?；跓o(wú)量綱分析發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)[6-15]中泄壓比和障礙物面積阻塞率的分布范圍較寬，分別為0.1～1和0%～70%。雖然這些文獻(xiàn)考察了各種泄壓比對(duì)泄爆過(guò)程的影響，但泄爆面的開(kāi)啟壓力相對(duì)較低，均在數(shù)kPa范圍內(nèi)，而民用建筑房間玻璃的開(kāi)啟壓力通常在數(shù)kPa到幾十kPa之間。當(dāng)房間泄壓比在特定范圍時(shí)，泄爆面開(kāi)啟壓力增加將加劇室內(nèi)爆炸超壓強(qiáng)度。盡管Bao等[2]借助大尺度實(shí)驗(yàn)裝置研究了泄爆面靜開(kāi)啟壓力對(duì)室內(nèi)爆炸超壓的影響，但并沒(méi)有考慮室內(nèi)障礙物的協(xié)同作用。障礙物的存在會(huì)增加室內(nèi)湍流源，從而促進(jìn)火焰速度和爆炸超壓。雖然文獻(xiàn) [6-15]考察了圓柱、立方體、長(zhǎng)方體等不同形狀障礙物對(duì)約束泄爆過(guò)程的影響，但這些障礙物通常以小尺度細(xì)長(zhǎng)形為主，并采用連續(xù)均勻方式布置，而民用建筑內(nèi)的家具、電氣設(shè)備等典型物品，特別是廚房?jī)?nèi)的障礙物的幾何尺度通常較大[14]，障礙物布置較為緊湊。由此可見(jiàn)，目前同時(shí)涉及障礙物與泄爆面的有關(guān)研究主要針對(duì)小尺度連續(xù)障礙物，且泄爆面開(kāi)啟壓力相對(duì)較低的情況，尚未關(guān)注房間內(nèi)的大尺度障礙物與約束泄爆面之間的協(xié)同作用，而針對(duì)小尺度障礙物的研究對(duì)民用建筑天然氣爆炸災(zāi)害研究的參考意義較為有限。

基于此，以典型民用廚房?jī)?nèi)天然氣爆炸為例，研究了約束泄爆面與內(nèi)置大尺度障礙物對(duì)爆炸動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程的協(xié)同作用機(jī)制，分析了泄爆面靜開(kāi)啟壓力和大尺度障礙物體積阻塞率對(duì)約束泄爆效應(yīng)的影響，力求為此類(lèi)事故的致因機(jī)理及事故防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)值方法

1.1 數(shù)值模型

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)的氣體爆炸動(dòng)力學(xué)仿真軟件AutoReaGas適用于氣體爆炸及沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，且該軟件的PRESSURFS邊界條件可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)特定面結(jié)構(gòu)設(shè)置特定的靜開(kāi)啟壓力，從而實(shí)現(xiàn)受限空間約束泄爆瞬態(tài)流場(chǎng)的求解，且該軟件在求解氣體爆炸泄壓流場(chǎng)的可靠性已經(jīng)在文獻(xiàn)[16-17]中得到了驗(yàn)證。因此，本文采用該軟件開(kāi)展受限空間內(nèi)預(yù)混氣體約束爆炸研究。軟件中假設(shè)可燃?xì)怏w爆炸為單步不可逆化學(xué)反應(yīng)，并采用有限體積法數(shù)值對(duì)包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程等一系列方程組進(jìn)行求解來(lái)解決氣體爆炸過(guò)程中的氣體動(dòng)力學(xué)行為[18]；通過(guò)k-ε模型來(lái)模擬氣體爆炸中的湍流行為。

層流燃燒時(shí)的氣體燃燒率Rfu=C1ρRmin，其中，C1為層流燃燒率模型常數(shù)，取系統(tǒng)默認(rèn)值；ρ為密度，kg/m3；Rmin為燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最小值。

層流燃燒速度Sb可表示為：

Sb=Sl(1+FSRf)

(1)

式中：Sl為特定層流燃燒速度，m/s；Rf為球形火焰半徑，m；FS為層流火焰加速系數(shù)，取值為0.15。

湍流燃燒時(shí)的氣體燃燒率Rfu=Ctρ(St2/Γfu)Rmin；Ct為火焰速度常數(shù)，取值為40；ρ為密度，kg/m3；Γfu為湍流耗散系數(shù)；Rmin為燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最小值。

湍流燃燒速度St可以表示為：

St=1.8ut0.412·Lt0.196·Sl0.784·ν-0.196

(2)

式中：ut為湍流強(qiáng)度；Lt為特征長(zhǎng)度尺寸，m；Sl為特定層流燃燒速度，m/s；v為未燃混合物的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

1.2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

AutoReaGas采用8節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)空間離散，采用子網(wǎng)格技術(shù)描述小尺度實(shí)體對(duì)流場(chǎng)的作用[19]。為了考察網(wǎng)格尺寸對(duì)爆炸流場(chǎng)的精確捕捉的影響。選取尺寸為5 m×2 m×2.5 m房間作為研究對(duì)象。房間內(nèi)無(wú)障礙物。在房間較小的一面豎直墻體上設(shè)有1個(gè)尺寸為0.5 m×0.5 m的泄爆面，其開(kāi)啟壓力為60 kPa。在房間內(nèi)充滿濃度為9.5%且處于靜止?fàn)顟B(tài)的甲烷/空氣預(yù)混氣體。點(diǎn)火源位于房間后壁中心處。針對(duì)該物理模型，分別采用0.1 m×0.1 m×0.1 m(M1)和0.05 m×0.05 m×0.05 m(M2)的2套尺寸對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)比分析了各算例的峰值超壓。表1給出了2套網(wǎng)格的峰值超壓對(duì)比數(shù)據(jù)。從表1中可以看出峰值超壓的相對(duì)誤差在10%以?xún)?nèi)，表明2種網(wǎng)格尺寸對(duì)本計(jì)算的影響較小，均可應(yīng)用本計(jì)算，為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，采用尺寸為0.1 m的網(wǎng)格開(kāi)展研究。

表1 峰值超壓對(duì)比Table 1 Comparison of peak overpressure

1.3 數(shù)值模型的有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文中數(shù)值模型的有效性，借助該數(shù)值模型對(duì)與本研究工況相類(lèi)似的Bao等[2]開(kāi)展的大尺度天然氣爆炸實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬和對(duì)比分析。Bao等[2]采用2 m×2 m×3 m的大尺度實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)展了天然氣爆炸與泄爆實(shí)驗(yàn)，并分析了6組不同靜開(kāi)啟壓力的泄爆面以及9組不同體積濃度的甲烷氣體的泄爆效應(yīng)，泄爆面面積為0.64 m2，點(diǎn)火源位于爆室中心位置，超壓曲線取自爆室后壁幾何中心位置的測(cè)點(diǎn)，爆室簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)中[2]爆炸室簡(jiǎn)化模型Fig.1 Simplified model of explosion chamber in contrastive experiment[2]

在對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬中，參照實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置泄爆結(jié)構(gòu)的開(kāi)啟壓力和泄爆面積，其他墻壁均設(shè)置為剛性固壁邊界。采用甲烷/空氣預(yù)混氣體作為爆源，其中甲烷體積濃度為9.5%。參照實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試布置，將數(shù)值模擬中的測(cè)點(diǎn)布置在房間后壁幾何中心，距離后壁0.1 m。點(diǎn)火源位于房間中心位置，點(diǎn)火時(shí)環(huán)境初始?jí)毫统跏紲囟确謩e設(shè)定為1.013 25×105Pa和300 K?；趯?shí)驗(yàn)工況，對(duì)泄爆面開(kāi)啟壓力為1.5 ,12.1, 20.6, 31.4和62.7 kPa的5組泄爆工況分別進(jìn)行了數(shù)值模擬。不同開(kāi)啟壓力下數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)所得的室內(nèi)峰值超壓如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果中爆炸超壓的對(duì)比Fig.2 Comparison of peak overpressure between numerical and experimental results

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的最大絕對(duì)誤差為3.4 kPa，最大相對(duì)誤差為4.2%。由于實(shí)驗(yàn)裝置自身、傳感器精度以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程存在一定程度的不確定性，因此，其中的誤差可能由實(shí)驗(yàn)測(cè)試誤差與計(jì)算域離散等多方面原因綜合所致。實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的對(duì)比證實(shí)，借助以上數(shù)值方法求解室內(nèi)天然氣爆炸與泄爆瞬態(tài)流場(chǎng)是可行的。

2 研究方案

由于民用建筑內(nèi)天然氣爆炸通常始發(fā)于廚房?jī)?nèi)，因此基于中國(guó)民用建筑廚房典型幾何尺寸以及內(nèi)部裝修布置特征，選擇房間模型尺寸為5 m(長(zhǎng))×2 m(寬)×2.5 m(高)。模型四周及屋頂和地板均為剛性壁面，其中較小面積的一面墻體上設(shè)置1個(gè)尺寸為0.5 m×0.5 m的具有一定開(kāi)啟壓力的泄爆面。為準(zhǔn)確描述泄爆口外部二次爆炸對(duì)室內(nèi)爆炸災(zāi)害的影響，將計(jì)算域延泄爆口方向向外延伸1倍房間長(zhǎng)度，并將延伸的該部分計(jì)算域設(shè)置為自由出流邊界。采用尺寸為0.1 m的正方體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散。點(diǎn)火源位于房間后壁墻體的幾何中心位置。由于天然氣的主要成分為甲烷，在房間內(nèi)均勻填充9.5%濃度且靜止?fàn)顟B(tài)的甲烷/空氣預(yù)混氣體，計(jì)算域內(nèi)的環(huán)境初始?jí)毫统跏紲囟确謩e設(shè)定為1.013 25×105Pa和300 K。

根據(jù)民用建筑窗體玻璃類(lèi)型的不同，其靜開(kāi)啟壓力在7～60 kPa[2]，為研究房間內(nèi)窗體不同靜開(kāi)啟壓力對(duì)室內(nèi)天然氣約束泄爆效應(yīng)的影響，在研究中改變泄爆面的靜開(kāi)啟壓力，分別設(shè)為20，40和60 kPa。同時(shí)為研究房間內(nèi)大尺度障礙物對(duì)天然氣約束泄爆的影響，在房間內(nèi)分別設(shè)置了體積阻塞率為0，0.15和0.30的障礙物。民用建筑廚房?jī)?nèi)的障礙物通常布置在房間四周，根據(jù)中國(guó)民用廚房結(jié)構(gòu)特征，可以分為“I型”、“Ⅱ型”、“U型”、“L型”4類(lèi)，本文采用“Ⅱ型”的廚房布置形式，即沿著房間底部和頂部?jī)蓚?cè)長(zhǎng)度方向設(shè)置障礙物。房間內(nèi)障礙物尺寸參照中國(guó)典型廚房中的櫥柜、吊柜的尺寸和形式，位于下部的櫥柜和位于上部的吊柜橫截面尺寸分別為0.85 m(高)×0.5 m(寬)和0.65 m(高)×0.5 m(寬)，櫥柜和吊柜的長(zhǎng)度均與房間長(zhǎng)度一致，此時(shí)房間體積阻塞率為0.3，而采用將櫥柜和吊柜的高度降低一半的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)阻塞率為0.15的實(shí)驗(yàn)條件。根據(jù)房間長(zhǎng)度，在模型中設(shè)置了8個(gè)測(cè)點(diǎn)，所有測(cè)點(diǎn)均位于房間中心軸線上，除了點(diǎn)火源附近和泄爆面兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)外，其余測(cè)點(diǎn)均按照1 m等間距布置。廚房結(jié)構(gòu)以及測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 典型廚房及內(nèi)置大尺度障礙物的物理模型Fig.3 Physical model oftypical kitchen with built-in large scale obstacles

3 結(jié)果與討論

3.1 無(wú)障礙物時(shí)不同開(kāi)啟壓力對(duì)應(yīng)的室內(nèi)爆炸過(guò)程分析

圖4給出了空房間內(nèi)不同開(kāi)啟壓力對(duì)應(yīng)的室內(nèi)軸線上的火焰速度。顯然，各組火焰速度整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但火焰速度增長(zhǎng)相對(duì)較慢，且漲幅較小。同時(shí)，最大火焰速度隨著泄爆面開(kāi)啟壓力的增加而不斷增大，表明開(kāi)啟壓力對(duì)火焰速度存在影響。這是由于開(kāi)啟壓力越大，泄爆時(shí)刻房間內(nèi)和房間外的壓差也越大，泄爆引發(fā)的氣體出流速度更快，進(jìn)而沿泄爆口的火焰速度增加最為顯著。

圖4 無(wú)障礙物房間內(nèi)不同開(kāi)啟壓力對(duì)應(yīng)的火焰速度-距離Fig.4 Flame speed-distance in unobstructed rooms with different activation overpressures

圖5給出了空房間內(nèi)不同開(kāi)啟壓力對(duì)應(yīng)的房間中心位置的爆炸超壓隨時(shí)間的分布，可見(jiàn)，每條曲線均呈現(xiàn)2個(gè)明顯的超壓峰值，超壓峰值p1是由房間泄爆面開(kāi)啟造成的，而超壓峰值p2則是由室內(nèi)外壓力平衡以及外泄氣體二次爆炸等綜合作用所致。2個(gè)峰值均隨開(kāi)啟壓力的增加而顯著增大。隨著泄爆面開(kāi)啟壓力增加，室內(nèi)氣體的出流速度和湍流強(qiáng)度進(jìn)一步增加，火焰速度進(jìn)一步加快，進(jìn)而氣體燃燒速度和燃燒產(chǎn)物也隨之增加，泄爆面開(kāi)啟后房間內(nèi)外壓力平衡需求和外部二次爆炸對(duì)室內(nèi)流場(chǎng)的作用也更為強(qiáng)烈，最終導(dǎo)致室內(nèi)更大的超壓峰值p2。

圖5 無(wú)障礙物房間內(nèi)不同開(kāi)啟壓力對(duì)應(yīng)的超壓-時(shí)間Fig.5 Overpressure-time at centric position in unobstructed rooms with different activation overpressures

3.2 有障礙物時(shí)不同開(kāi)啟壓力對(duì)應(yīng)的室內(nèi)爆炸過(guò)程分析

圖6(a)和圖6(b)分別為體積阻塞率為0.15和0.3對(duì)應(yīng)的室內(nèi)火焰速度分布。顯然，各組火焰速度總體上呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且沿傳播距離均可以分為3個(gè)類(lèi)似階段。第1階段是火焰緩慢增長(zhǎng)階段，出現(xiàn)在距房間后壁2 m范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)火焰速度小于10 m/s。第2階段是火焰快速增長(zhǎng)階段，出現(xiàn)在距房間后壁2 m至4 m范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)火焰速度介于10 m/s與70 m/s之間。第3階段是火焰波動(dòng)階段，該范圍內(nèi)火焰速度產(chǎn)生波動(dòng)，但總體上處于較大的速度值。出現(xiàn)波動(dòng)是由于該區(qū)域靠近泄爆口，泄爆面開(kāi)啟作用于氣體流動(dòng)，造成了火焰速度的不穩(wěn)定性。

對(duì)比圖4和圖6發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于開(kāi)啟壓力，障礙物對(duì)促進(jìn)火焰速度增長(zhǎng)的影響更為顯著。由于障礙物是普通房間內(nèi)的主要湍流源，對(duì)爆炸災(zāi)害的傳播過(guò)程主要表現(xiàn)為剪切作用，誘發(fā)火焰鋒面前端的未燃?xì)怏w形成湍流，從而進(jìn)入火焰速度增加的正反饋機(jī)制。當(dāng)廚房?jī)?nèi)的大尺度障礙物采用“Ⅱ型”布置時(shí)，由于障礙物沿房間長(zhǎng)度方向布置，并沒(méi)有改變火焰?zhèn)鞑サ目傞L(zhǎng)度。因此，障礙物體積阻塞率的增加雖然導(dǎo)致房間內(nèi)可燃?xì)怏w的體積減小，但同時(shí)也促使實(shí)際爆炸有效空間的長(zhǎng)徑比增加，造成氣體流速相對(duì)增加，最終導(dǎo)致火焰速度更早地進(jìn)入快速增長(zhǎng)階段。

圖6 有障礙物時(shí)不同開(kāi)啟壓力對(duì)應(yīng)的火焰速度-距離Fig.6 Flame speed-distance in obstructed rooms with different activation overpressures

圖7(a)和圖7(b)分別為體積阻塞率0.15和0.3時(shí)不同開(kāi)啟壓力對(duì)應(yīng)的超壓時(shí)間曲線。當(dāng)阻塞率為0.15時(shí)，超壓峰值p1和p2均隨開(kāi)啟壓力的增加而增大，峰值到達(dá)時(shí)間也隨之增加。當(dāng)阻塞率為0.3時(shí)，峰值p1越發(fā)不明顯。阻塞率的增加導(dǎo)致火焰速度增加更為迅速，促使氣體生成速率明顯大于氣體泄放速率，房間內(nèi)壓力在極短時(shí)間內(nèi)到達(dá)峰值，而泄爆面開(kāi)啟對(duì)室內(nèi)超壓的影響隨著測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離泄爆口而發(fā)生延遲，進(jìn)而p1還未及時(shí)形成便進(jìn)入火焰快速增長(zhǎng)階段?？傮w而言，隨著體積阻塞率增加，泄爆面開(kāi)啟壓力對(duì)峰值超壓p1的影響逐漸降低。

圖7 有障礙物時(shí)不同開(kāi)啟壓力對(duì)應(yīng)的超壓-時(shí)間Fig.7 Overpressure-time at centric position in obstructed rooms with different activation overpressures

3.3 泄爆面與大尺度障礙物的協(xié)同效應(yīng)分析

圖8為房間內(nèi)不同阻塞率時(shí)最大火焰速度隨泄爆面開(kāi)啟壓力的變化。顯然，最大火焰速度出現(xiàn)于最大開(kāi)啟壓力和最大體積阻塞率同時(shí)存在時(shí)，但相比于泄爆面開(kāi)啟壓力，障礙物體積阻塞率對(duì)火焰速度的影響更為顯著。從圖中可見(jiàn)，當(dāng)室內(nèi)阻塞率為0.15時(shí)最大火焰速度增長(zhǎng)最快。可能是由于當(dāng)房間內(nèi)阻塞率為0時(shí)，室內(nèi)湍流源較少，火焰速度相對(duì)較低，隨開(kāi)啟壓力的增長(zhǎng)也較緩慢；而當(dāng)阻塞率超過(guò)0.3時(shí)，大體積障礙物的存在一方面會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)可燃?xì)怏w量減少，另一方面也會(huì)對(duì)火焰加速傳播產(chǎn)生一定的阻礙作用。

圖8 不同體積阻塞率對(duì)應(yīng)的最大火焰速度-開(kāi)啟壓力曲線Fig.8 Peak flame speed-activation overpressure with different volume blockages

圖9 不同體積阻塞率對(duì)應(yīng)的峰值超壓-開(kāi)啟壓力曲線Fig.9 Peak overpressure-activation overpressure with different volume blockages

圖9為房間內(nèi)不同阻塞率時(shí)峰值超壓隨泄爆面開(kāi)啟壓力的變化趨勢(shì)?？梢?jiàn)，峰值超壓出現(xiàn)于最大開(kāi)啟壓力和最大體積阻塞率同時(shí)存在時(shí)，即阻塞率與開(kāi)啟壓力對(duì)室內(nèi)峰值超壓的增長(zhǎng)產(chǎn)生了協(xié)同作用，共同促進(jìn)其增長(zhǎng)，但相比于泄爆面開(kāi)啟壓力，障礙物體積阻塞率對(duì)超壓發(fā)展的影響更為顯著。

圖10為不同體積阻塞率時(shí)室內(nèi)峰值超壓到達(dá)時(shí)間隨開(kāi)啟壓力的變化曲線。

圖10 不同體積阻塞率對(duì)應(yīng)的峰值超壓到達(dá)時(shí)間-開(kāi)啟壓力曲線Fig.10 Arrival time of peak overpressure-activation overpressure with different volume blockages

由圖10可見(jiàn)，峰值超壓到達(dá)時(shí)間現(xiàn)于最大開(kāi)啟壓力和最大體積阻塞率同時(shí)存在時(shí)，這表明大尺度障礙物與開(kāi)啟壓力對(duì)峰值超壓到達(dá)時(shí)間也具有協(xié)同作用，共同促進(jìn)超壓快速發(fā)展，縮短峰值超壓到達(dá)時(shí)間，最短的峰值超壓到達(dá)時(shí)間出現(xiàn)于最大開(kāi)啟壓力和最大體積阻塞率同時(shí)存在時(shí)。同時(shí)，相比開(kāi)啟壓力，障礙物體積阻塞率對(duì)峰值超壓到達(dá)時(shí)間的影響也更顯著。

4 結(jié)論

1)大尺度障礙物與泄爆面對(duì)室內(nèi)天然氣爆炸過(guò)程具有顯著的協(xié)同作用，共同促進(jìn)火焰速度與爆炸超壓的顯著增長(zhǎng)，并縮短峰值超壓到達(dá)時(shí)間。在室內(nèi)天然氣爆炸事故調(diào)查分析過(guò)程中，應(yīng)對(duì)這一協(xié)同作用給予足夠重視，孤立分析單一因素容易低估爆炸強(qiáng)度。

2)相比泄爆面開(kāi)啟壓力，大尺度障礙物體積阻塞率對(duì)泄爆效應(yīng)的影響更為明顯。盡管障礙物的存在顯著減少了參與爆炸的天然氣量，但從增加房間內(nèi)湍流源和房間相對(duì)長(zhǎng)徑比的角度來(lái)衡量，大尺度障礙物對(duì)爆炸過(guò)程具有加劇作用。而隨著開(kāi)啟壓力的增加，障礙物對(duì)泄爆效應(yīng)的影響更為強(qiáng)烈。在民用住宅天然氣爆炸事故調(diào)查時(shí)，應(yīng)對(duì)室內(nèi)家具、電器等大尺度物品所形成的體積阻塞給予更多關(guān)注。

3)火焰峰面是天然氣爆炸事故的主要致災(zāi)因素之一。大尺度障礙物與泄爆面協(xié)同作用下，室內(nèi)火焰速度沿泄爆方向呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)、快速增長(zhǎng)、波動(dòng)3個(gè)階段。這一特征加劇了室內(nèi)人員燒傷的復(fù)雜性和嚴(yán)重性，在災(zāi)害后果評(píng)估中應(yīng)予以考慮。