室内氢气爆炸诱发泄爆口外部爆炸的动力学特征

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氢作为一种新兴能源,在工业生产过程中被广泛应用,而由于氢自身的反应活性高,使得氢在利用、储存和生产环节中存在较大燃爆风险。当制氢室、储氢间等空间内发生爆炸时,房间的轻质墙体、门窗等会首先发生破坏而形成泄爆结构,室内氢气会迅速经泄爆口泄放至室外并形成可燃气云,当爆炸火焰传播至室外时就可能点燃可燃气云而诱发强烈的外部爆炸,引发严重的次生灾害,对临近区域造成威胁。为系统认识氢气泄爆诱发的外部爆炸机制及特征,借助计算流体动力学技术,研究了多种影响因素对预混氢气/空气爆炸诱发的室外瞬态流场动力学特征及灾害分布规律的影响,主要研究发现如下。(1)研究了泄爆面开启压力(Pv)、开启时间(tv)、泄爆尺寸(Kv)对外部爆炸动力学机制及特征的影响。研究发现,Pv和tv对外部流场具有相同的影响规律,即外部未燃气云分布范围、湍流动能、射流火焰燃烧强度均随二者增加而逐渐减小。外部爆炸强度随Pv、tv的增加和Kv的减少而显著增加,外部爆炸波和破膜激波呈现明显的叠加现象。爆炸泄放高温危害范围随泄爆面参数增加而减少。爆炸风速可达飓风等级风速的8倍以上,因此泄爆面特征参数变化导致显著增大的高速气流是造成室外周围环境破坏的主要原因,也是爆炸危害的主要危险因素之一。(2)研究了点火位置对外部爆炸动力学机制及特征的影响。随点火源远离泄爆口,泄放气云范围越远,峰值湍流动能及湍流区域越大。前壁点火时未观察到外部爆炸,然而随点火源远离泄爆口,外部爆炸强度增加。后壁点火时会诱导显著的外部爆炸波与破膜激波的叠加效应,从而扩大室外泄放超压危害范围。此外,点火源距离泄爆口越远,室外超压、高温范围和气体流速产生的危害区域范围越大。在爆炸事故防治及泄爆设施设置上应考虑泄爆口与点火源的相对位置。(3)研究了氢气浓度对外部爆炸动力学机制及特征的影响。随氢气浓度增加,室外湍流动能、湍流区域及泄放火焰燃烧强度均呈先增加再减小的变化趋势。φ=40%时外部爆炸强度最大,且新的激波超压甚至超过了最大外部爆炸超压,进而对室外更远距离的建构筑物和人员造成严重威胁。此外,随氢气浓度增加,室外最大峰值温度呈先增加后减少的变化趋势,而最大峰值风速一直呈增大趋势。(4)阐明了外部爆炸特征与流场参数的关联机制。研究发现不同泄爆面特征参数下外部爆炸超压与泄放火焰速度、流场湍流动能具有正相关性。外部爆炸强度主要与外部气云燃烧强度有关,外部爆炸位置主要由未燃气云分布范围决定,而外部爆炸时间则由泄放火焰速度和未燃气云范围共同决定。流场湍流被认为是影响外部爆炸特征的间接因素,对外部爆炸强度、爆炸位置和发生时间起促进作用。
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