建筑物内部爆炸的研究概述

建筑物内部爆炸的研究概述摘要：屋室内部爆炸已成为如今建筑物面临的爆炸灾害的主要形式之一。本文指出内部爆炸与开放空间爆炸的区别，分析了有限空间内部爆炸的能量释放特点、损坏方式以及气体爆炸的形式与原因，分析了爆燃与爆轰两种燃烧模式。关键词：有限空间内爆炸；爆燃；爆轰；可燃气体混合物TheresearchofinternalexplosioninlimitedspaceAbstract：Internalexplosionhasbecomeoneofthemainformsofexplosiondisastersfacedbybuildings.Thispaperpointoutthedifferencebetweeninternalexplosionandexternalexplosion,theenergyreleasecharacteristicsandthereasonandformofgasexplosionanddamagemode.Meanwhile,twomodesofcombustion-deflagrationanddetonation-wereanalyzed.Keyword：internalexplosioninlimitedspace；deflagration；detonation；combusiblegasmixture0.引言随着经济、社会的飞速发展，工业生产与居民生活中对能源的需求量逐渐增加，可燃性气体在人们生产、生活中得到大规模的使用。在实际生活中，机器老化，操作失误，未按流程生产操作等原因均可能导致可燃性气体的泄漏，由此造成的燃气粉尘爆炸问题已经引起社会各界的高度关注。随着可燃气体在人们的日常生活中广泛应用，建筑物内部爆炸已成为建筑物爆炸灾害的主要形式之一。与开放空间中发生爆炸不同，气体在结构内部发生爆炸时，爆炸产生的波会与约束墙壁发生耦合作用，墙体反射的爆炸波之间也会发生相互作用，之后再次反射，一般来说，前三次反射后的相互作用作用到结构上均不可忽略。因此，内爆炸时的荷载表现更加复杂[1]，建筑物内部爆炸所受的影响因素更多，与开放空间中的爆炸相比表现的更为无规律，对于内部爆炸荷载的研究与计算也更具有重要的现实意义。1.内部爆炸与无约束空间爆炸的区别炸药在有限空间的内部爆炸与在开放无约束空间中爆炸的作用规律相比区别巨大。在无约束条件下发生的气体或粉尘爆炸，其爆炸方式一般为可燃气体与空气混合达到极限浓度时由点火源引爆发生爆炸，产生火球向四周较为均匀的膨胀拓展，有时会因局部约束条件引起局部湍流和漩涡形成局部破坏性的波。气体泄漏可能引发以下几种后果：(1)泄漏气体不足，未达可燃浓度，消散到周围环境中不发生着火；（2）可燃气体在泄放口高速喷出，此时一般只着火不喷射；（3）泄漏气体运动至宽广区域后被点火源点燃，发生火灾；（4）火焰经长距离传播加速，层流变湍流，完成爆燃向爆轰的转化，产生爆炸冲击波。[2]粉尘或可燃性气体在密闭空间内燃烧爆炸时，密闭空间的约束环境对爆炸作用有着明显的影响。气体粉尘燃烧爆炸一般划分成以下四种形式：定压燃烧、定容燃烧、爆燃与爆轰。密闭空间属于定容燃烧，由于压力在燃烧过程中不断升高，会产生伴有压力波的燃烧，既爆燃，甚至会因障碍物的扰动等原因产生爆轰。因此约束空间中的内爆炸特征主要体现在：爆炸冲击波效应明显增强、爆炸产生的热效应因约束而更加明显、爆轰产物导致准静态压力上升使作功的有效作用时间延长等。2.气体内爆炸能量转变方式2．1气体内爆炸能量释放规律与军事上所使用的炸药爆轰不同，气体爆炸需要经历从燃烧到爆轰整个过程，生产生活中的爆炸基本上都已爆燃的形式出现。由于爆燃已亚声速流动，因此它的传播受环境影响很大。对于建筑物内部爆炸而言，爆炸产生的作用力主要由两个阶段构成：爆炸初期是由爆炸冲击的一次波直接与结构作用，形成荷载；之后的荷载是由结构约束对高温高压爆炸产物产生的附加压力构成，即由超压引起的准静态压力荷载，此种荷载峰值较低，衰减缓慢[3]。由于在气体燃烧爆炸过程中能量转化为动能与热能等形式，因此火焰速度与火焰温度是非常重要的两个物理量。火焰温度可根据燃烧产物组分推算出反应热。但由于火焰传播具有不稳定性，火焰传播速度易受各种条件影响。例如：管壁摩擦、障碍物扰动、气体流动耗散性等。2．2气体内爆炸的压力变化以气体爆炸过程中压力的变化为依据，可以将爆炸过程分为三个阶段：（1）当爆炸产生的能量大于向周围热传导失去的能量时，能量不断累积，压力持续上升；（2）当爆炸产生的能量和放热散失的能量相当时，压力出现峰值；（3）随着反应进行反应释放的能量小于热耗散损失的能量时，压力逐渐下降。对于长细比较大的容器，混合气体可能会发生爆炸时火焰阵面赶上前驱波阵面，已声速传播，激发爆轰的现象。此时对于容器约束产生的压力，直接作用的爆炸冲击波远远大于准静态压力，对约束产生巨大的破坏作用。3气体内部爆炸的作用规律3．1有限空间内气体爆燃与爆轰特点爆燃是有限空间内部气体爆炸的主要出现形式。当燃烧过程中火焰因扰动产生湍流时，火焰阵面加速，与前方的波阵面重合，爆燃有可能转变为爆轰。爆燃时压力升高，可以达到初始值的6~8倍，虽然其爆炸波峰值压力与爆轰波相比较低，但作用时间较长，由冲量公式可知冲量很大，也具有很大的破坏作用。当火焰传播由爆燃转爆轰（DDT）时，火焰阵面以声速或超声速传播，爆轰阵面的压力很高。爆燃和爆轰是两种截然不同的燃烧模式，爆燃波是膨胀波，跨过阵面压力下降，速度为每秒几米量级；爆轰相对于未响应物其传播速度是超音速传播，跨过阵面压力与密度均增加，燃烧速度可达每秒几千米量级。3．2气体内爆炸的准静态压力的特点爆炸产生的一次波和后续燃烧这两部分能量共同组成密闭空间内部爆炸产生的能量，即能量转变为冲击波动压和爆轰产物产生的准静态压力。爆轰产物产生的准静态压力是燃气在结构内部爆炸时，冲击波与约束发生耦合作用，在约束或障碍物之间多次反射，压力幅值和波动随时间增加而减弱，爆轰产生的压力在约束空间内均态分布，产生一个幅值小但长时间作用的压力。尽管准静态压力幅值较小，但其分布均匀，因而有较长的衰减时间。衰减速率与泄压面积、结构容积与形状、爆炸能量释放特性有关。通常来说，压力衰减速率随泄压面积减小而减慢。4气体内爆炸的实质与影响因素工业民用建筑物中发生的气体内爆炸事故可分为以下几种形式：气体或蒸汽爆炸；粉尘爆炸；化学试剂引起的失控反应爆炸。生产生活中建筑物内的气体爆炸大部分属于爆燃情况，其多发于工业厂房和民用居所，如建筑房屋、破裂管道的燃料飞溅、密闭不良引起的燃气泄漏，易燃液体的挥发渗漏等。这些情况均有可能导致爆燃发生[4]。建筑物中发生气体爆燃时，门、窗或预先设定的泄爆结构会随空间压力增大而破裂，增加泄压面积，此时定容燃烧变为有约束泄压受限空间内爆燃泄放问题。4．1生产中建筑物内爆炸的爆炸实质可燃气体或蒸汽的爆炸实质是反应物本身与空气的快速氧化还原反应，属于化学爆炸。其主要特征是快速燃烧产生的高温产物膨胀从而产生爆炸冲击波，导致被作用物体产生大变形乃至破坏。可燃气体爆炸可以分为爆炸性混合气体爆炸，分解性气体的分解爆炸与沸腾液体蒸汽膨胀爆炸三种形式。粉尘爆炸是指可燃粉尘达到爆炸浓度，触及明火等点火源时发生的爆炸；爆炸冲击波在传播过程中，还会扰动原来处于静止沉积状态的粉尘引起二次爆炸，加重爆炸破坏。2015年6月27日在台湾省发生的新北粉尘爆炸事件就是因为现场喷洒大量“彩虹”粉尘遇火源发生爆炸所致。化学工程中很多化合、分解及聚合反应需要在高温高压下进行。当反应容器内温度异常升高时，反应速度可能迅速按指数规律增长，造成反应失控，导致压力迅速升高，引起爆炸事故。4．2障碍物对火焰传播的加速作用由于使用的原因，建筑物内部存在着各种障碍物如住宅中的家具、楼梯，厂房中的工具设施等均会影响火焰的传播。当屋室内存在障碍物时，障碍物会增强流场中流体微团的扰动，产生涡团，改变火焰阵面形状，导致这种流场进一步变形，使波阵面与火焰阵面绕障碍物表面形成一定的速度梯度。在火焰到达障碍物之前，火焰前端波阵面流动过程中遇到障碍物会形成高速梯度场和伴随绕流场，使传播过程中涡团增加，提高了火焰传播中的湍流现象。当火焰阵面传播至这一障碍物时，火焰会沿梯度场扭曲汇聚，火焰表面因变形而被拉伸拓展，增加了火焰与可燃气体的接触面积，火焰传播速度因此提高。由于障碍物与壁面的多次反射使预混气体得到充分的预压缩，火焰越过障碍物前可近似认为火焰阵面传播是层流状态，越过障碍物后变为湍流状态[5]，而提高的火焰速度又会使湍流程度加剧，正是这种正反馈现象使得障碍物对火焰产生巨大影响。由于障碍物对火焰阵面的扰动使得火焰湍流度增强，反应加剧，速度与压力均有所提高，导致流场局部出现高温高压强。当火焰阵面速度增加赶上前方冲击波，即火焰阵面与波阵面重合时，会形成一个带化学反应的激波，其传播机理由扩散、输运形式转变成带化学反应的冲击形式，形成爆轰波，即在多个障碍物作用下发生爆燃转爆轰现象[6]。5.结语（1）建筑物内炸药爆炸与气体粉尘爆炸与开放空间爆炸相比因其爆炸波的多次反射与相互作用而更为复杂。（2）气体内部爆炸常以爆燃的形式出现，由于其产物的准静态压力作用时间长，因此冲量巨大，具有不可忽略的破坏作用。（3）当建筑物内部存在障碍物时，障碍物会对火焰阵面产生扰动，使火焰层流传播变为带涡团的湍流传播，可能引起爆燃转爆轰，产生巨大的破坏。参考文献：[1]张舵，吴克刚，卢芳云.建筑物内爆炸波的动压载荷研究[J].采矿技术，2009，9（5）：69-73.[2]赵衡阳.气体和粉尘爆炸原理[M].北京：北京理工大学出版社..[3]高康华，金丰年，王德荣.建筑物内爆炸研究荷载综述[J]中国工程科学，2013，15（5）：59-64.[4]毕明树，杨国刚.气体和粉尘爆炸防治工程学[M].北京：化学工业出版社,2012[5]丁以斌，郭子如，汪泉.置障条件下可燃气火焰传播的研究现状[J]．工业安全与环保，2006，32(11)：30～33.[6]I0Moen，MDonato，RKnystautas，eta1.Flameaccelerationduetoturbulenceproducedbyobstacles[J]．CombustionandFlame，1980，39(1)：21～32．