LPG蒸气云爆炸数值模拟研究

摘要:本文分析了TNT当量法和TNO多能法模拟预测蒸气云爆炸的优缺点，提出利用ANSYS/LS-DYNA软件模拟lpg蒸气云爆炸方法。利用1stOpt软件拟合出TNT炸药爆轰产物JWL状态方程参数，建立了LPG蒸气云空气中爆炸数值模拟仿真模型，求出了不同单元压力时程曲线，拟合出了超压峰值公式。通过TNT当量法与数值模拟法计算对比，结果表明，当超压值相同，TNT当量法半径计算值都大于数值模拟值；且随着超压值减小，两者差值有增大的趋势。

关键词:液化石油气；TNT当量法；数值模拟；蒸气云；超压峰值；拟合

Abstract: this paper analyzes the TNT equivalent method and TNO simulation and forecast the multi-energy method and the advantages and disadvantages of the steam cloud explosions, put forward the application of ANSYS/ls-dyna software simulation LPG steam cloud explosion method. Use 1 stOpt software fitting out TNT detonation product JWL state equation parameters, establishes the steam cloud explosion in the air LPG numerical simulation model, and from the different units pressure process curve fitting out overpressure peak formula. Through the TNT equivalent method and numerical simulation method computation compared, the results show that, when the pressure values are the same, TNT equivalent method radius are greater than the calculated value of numerical simulation value; And with overpressure value decreases, and both increase with the rising of difference.

Keywords: liquefied petroleum gas (LPG); TNT equivalent method; Numerical simulation; Steam cloud; Overpressure peak; fitting

中图分类号：P744.4文献标识码：A 文章编号：

本文主要采用ANSYS/LS-DYNA数值模拟法模拟蒸气云爆炸。首先利用TNT当量法将爆炸的可燃气体释放的能量折合为能释放相同能量的TNT炸药的量，接着运用商业成熟的大型ANSYS/LS-DYNA三维软件模拟TNT炸药在空气中爆炸，最后利用lsprepostd后处理器参看模拟结果。LS-DYNA数值模拟法结合了TNT当量法和TNO多能法的优势。对可燃蒸气云的伤害范围进行有效模拟计算，预知距离爆炸源不同位置的危险程度，划分出安全距离，对液化石油气生产、使用、储存等具有重要意义[10]。

2蒸气云爆炸TNT模型

2.1 TNT当量计算

。冲击波超压可通过传统的TNT当量系数法进行计算，将事故爆炸产生的爆炸能量等同于一定当量的TNT，也可根据爆炸能量直接计算。

2.1.1 确定燃料的闪蒸部分，用下式计算

（1）

式中：F为闪蒸系数，无量纲；为液体的定压比热，；T为泄漏前液体的温度，K；为常压下液体的沸点，K；H为汽化潜热，。

2.1.2计算可燃云团的质量，若只考虑单孔泄漏，对爆炸有实际贡献的燃料质量，用下式来计算：

（2）

式中：W为可燃云团质量，kg。

2.1.3 TNT当量可用下式计算

（3）

式中：为TNT当量，kg；W为可燃云团质量，kg；为燃料的燃烧热，为TNT当量系数，一般取；为TNT的爆热，。

若为地面或近地面爆炸，爆炸总能量为实际的1.8倍，即上式变为

（4）

2.2 人员伤害半径计算

LPG蒸气云爆炸在日常生活中是一种发生频率较高、而且后果十分严重的事故，其事故严重度一般通过下列参数进行估算：

2.2.1死亡区

死亡区内的人员如缺少防护则被认为将无例外地蒙受严重伤害或死亡，其内径为零，外径为。其与爆炸物量间的关系为：

（5）

2.2.2重伤区

重伤区表示人员因冲击波作用耳膜破裂的概率为0.5，冲击波峰值超压为44Kpa。冲击波峰值超压为其内径就是死亡半径，外径为，其计算公式为：

（6）

（7）

（8）

式中：为TNT的爆热，kJ/kg，取=4400kJ／kg，E为爆源总能量，J，为环境压力，Pa。为引起重伤冲击波超压峰值，Pa。

2.2.3轻伤区

该区内的人员如缺少防护，则绝大多数人员将受轻微伤害，少数人将受重伤或平安无事，死亡的可能性极小。冲击波峰值超压为17Kpa。内径为，其外径为，其计算同上式，其中P为引起轻伤冲击波超压峰值，Pa。

2.2.4安全区

该区内人员即使无防护，绝大多数人员也不会受伤，死亡的概率几乎为零。该区的内径为R3，外径无穷大。

3 应用实例

家庭用液化气瓶标准充装量国家强制性标准GB17267-98中规定YSP-15型钢瓶充装量为14.5±0.5kg。环境压力为，每个YSP-15型钢瓶储有14kgLPG，燃烧热为。

3.1 TNT当量法计算

按照事故最严重的情况计算，假设14kgLPG全部泄漏，形成蒸气云爆炸。泄漏后属于地面爆炸，按（4）式计算TNT当量为，死亡区半径按（5）式计算为，冲击波超压值对人伤害作用参照《爆破安全规程》如表1所示[11]。根据表中给出的超压值范围按照公式（6）（7）（8）便可求出冲击波对人造成重伤、轻伤、安全区域的半径分别为、1和。

表1冲击波超压对人体的伤害作用

3.2 蒸气云爆炸事故数值模型

3.2.1炸药模型及爆轰产物状态方程

LS-DYNA程序描述高能炸药爆轰产物压力—体积关系采用JWL状态方程[12-15]。

（9）

式中 为材料常数；为压力；为相对体积；为初始比内能。