一种多潜在气体爆炸源耦合的气云爆炸评估方法及系统

1.本公开属于气云爆炸评估技术领域，尤其涉及一种多潜在气体爆炸源耦合的气云爆炸评估方法及系统。


背景技术：

2.气体爆炸源：指受阻塞、封闭的空间或区域，且该区域可能产生处于爆炸极限范围内的可燃气体，该可燃气体遇到延迟点火源后，产生气体爆燃或爆轰现象。气体爆炸源也称为气体爆炸阻塞区。
3.目前对可燃气体形成气云爆炸的分析，大多体现在对单一气体爆炸源的分析方面。针对单一气体爆炸源的爆炸效应分析目前主要采用的方法有tnt(三硝基甲苯炸药)当量法、tno(荷兰科学研究院)多能法、实验研究和数值模拟方法。
4.tnt当量法将所有的爆炸源等效为tnt炸药进行过分析，不考虑气体受约束或受阻碍的程度，跟气云爆炸有较大差异，在用于解决蒸气云爆炸方面具有较大的局限性。tno多能法主要用于分析部分受限或受阻碍的气云爆炸，并考虑爆炸区域内的气体受阻碍或部分受约束的程度，但该方法在确定气体爆炸源燃烧能时需要人为进行估算，具有较强的人为主观性，从而导致在计算远场爆炸冲击波时计算结果精度不高。实验研究需要大量的时间进行准备工作，从实验方案的设计到实验装置的搭建和实施，往往需要很长的时间来准备几小时就可以完成的实验，且受限于实验规模，单纯的实验数据没有很好的普适性；数值模拟方法特别是cfd(计算流体力学)技术对研究爆炸波相关问题提供了极大的便利。但计算流体力学方法需要大量时间计算每个单元在每个时间步内的控制方程，这种时间上的消耗与单元数量、网格尺寸、时间步长大小等设置条件有密切关联，且这些条件对计算精度也有重要影响。为了得到较高的精度，往往需要更多的计算时间，即使是相对简单的工况，计算过程也可能持续几个小时甚至几天的时间。因此cfd方法虽然具有较好的分析准确性，但在无法解决工程应用过程中所需要的快速计算的问题。
5.本公开发明人发现，根据实际工程情况，在泄漏形成蒸气云范围内，往往会存在多个拥塞区域(构成爆源的基本条件)，当多个拥塞区域被引爆会形成爆炸冲击波的叠加效应，会对周边造成复杂的影响。但目前对爆炸蒸气云的分析，通常仅考虑一个爆源的情况，会导致计算记过偏于保守，容易造成对风险的低估，单个爆源分析和简单累加分析造成的计算结果存在不准确问题。


技术实现要素：

6.本公开为了解决上述问题，提出了一种多潜在气体爆炸源耦合的气云爆炸评估方法及系统，本公开主要解决危险性气体扩散形成蒸气云过程中，气云扩散范围内构成多个拥塞区域，进而形成多潜在气体爆炸源的爆炸冲击波超压分析问题。
7.第一方面，本公开提供了一种多潜在气体爆炸源耦合的气云爆炸评估方法，包括：
8.根据气体泄漏时间和气体泄漏高度，得到气云浓度；
9.根据气云浓度和积分法，得到气云质量，
10.根据所述的气云质量和bst方法，分别得到多个气体爆炸源的爆炸超压；
11.根据得到的多个气体爆炸源的超压和多爆炸源冲击波非线性叠加法则，得到多个气体爆炸源叠加的爆炸超压分布。
12.进一步的，根据气体泄漏时间和气体泄漏高度，得到气云浓度时，采用高斯烟团模型得到述瞬时泄漏时任意时刻的气云浓度分布，采用高斯烟羽模型得到连续泄漏源泄漏稳定状态时的气云浓度分布。
13.进一步的，根据爆炸下限和爆炸上限范围内的气云浓度和积分法，得到气云质量。
14.进一步的，得到单个气体爆炸源的爆炸超压的内容包括：
15.根据所述气云质量，得到爆炸能量，根据爆炸能量得到无量纲距离；
16.根据所述无量纲距离和无量纲超压
‑
距离曲线，得到单个气体爆炸源的爆炸超压。
17.进一步的，根据所述气云质量，得到爆炸能量内容包括：
18.根据蒸气云质量，假定泄露气体与空气混合物的浓度为化学计量浓度，得到气云体积；
19.根据气云体积的得到爆炸源半径；
20.根据所述爆炸源半径和碳氢化合物在化学计量浓度下的燃烧热，得到爆炸源能量。
21.进一步的，通过距气体爆炸源中心的距离、爆炸能量和环境大气压之间的关系确定无量纲距离。
22.进一步的，所述多爆炸源冲击波非线性叠加法则为：根据某时刻单个爆炸源所引起的目标点处密度、冲击波速度和压力在该时刻的增量，基于质量、动量和能量守恒原理，分别获得目标点处气体的密度、冲击波速度和压力；其中，冲击波速度为矢量。
23.第二方面，本公开还提供了一种多潜在气体爆炸源耦合的气云爆炸评估系统，包括气云浓度获取模块、气云质量获取模块、爆炸超压获取模块和爆炸评估模块；
24.所述气云浓度获取模块，被配置为：根据气体泄漏时间和气体泄漏高度，得到气云浓度；
25.所述气云质量获取模块，被配置为：根据气云浓度和积分法，得到气云质量，
26.所述爆炸超压获取模块，被配置为：根据所述的气云质量和baker
‑
strehlow
‑
tang方法，分别得到多个气体爆炸源的爆炸超压；
27.所述爆炸评估模块，被配置为：根据得到的多个气体爆炸源的超压和多爆炸源冲击波非线性叠加法则，得到多个气体爆炸源叠加的爆炸超压分布。
28.第三方面，本公开还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了第一方面中所述的多潜在气体爆炸源耦合的气云爆炸评估方法中的步骤。
29.第四方面，本公开还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了第一方面中所述的多潜在气体爆炸源耦合的气云爆炸评估中的步骤。
30.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
31.1.本公开通过对实际爆炸气云的分布情况、气云参与爆炸情况和多气体爆炸源叠
加效应分析几个方面进行系统改进，使其能更好地反映气云爆炸的实际情况，在尽量提升计算精度的同时，达到提高分析计算效率的目的，改进方法的工程普适性；
32.2.本公开在气云质量确定的过程中摒弃传统的认为泄漏的全部气体都构成爆炸性气云的观点，而是仅考虑爆炸上下限范围内的气云，并采用积分的方法得到实际会参与爆炸的气云质量，避免了对爆炸效应的过高估计；
33.3.本公开在计算单个气体爆炸源产生形成的蒸气云爆炸超压时选用bst(baker
‑
strehlow
‑
tang)方法，摒弃了前述方法存在的不足；
34.4.本公开结合多源爆炸冲击波的传播及叠加规律，运用lamb准则进行叠加分析，摒弃了传统简单累加，忽视爆炸波耦合规律的弊端；
35.该方法能够在充分提高计算准确性的同时，进一步提升分析计算效率，更符合工程应用过程中的准确性和计算效率兼顾的实际需求。
附图说明
36.构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
37.图1为本公开实施例1的技术路线图；
38.图2为本公开实施例1的无量纲超压
‑
距离曲线；
39.图3为本公开实施例1的阻塞程度示意图。
具体实施方式：
40.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
41.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
42.正如背景技术中记载的，单个爆源分析和简单累加分析，会造成的计算结果不准确问题，基于单个爆源形成爆炸冲击波超压的分析及多个爆源形成爆炸冲击波超压能量叠加的基本规律，提出本公开的技术方法，具体实施方式如下：
43.实施例1：
44.如图1所示，本公开提供了一种多潜在气体爆炸源耦合的气云爆炸评估方法；主要包括以下步骤：
45.可燃气体扩散计算，得到区域内气云浓度的空间分布；
46.积分法(积分上下限为燃烧极限)计算每一个潜在气体爆炸源(即拥塞空间)内参与爆炸的可燃蒸气云质量(或体积)和爆炸能量；
47.bst方法计算单个气体爆炸源产生的蒸气云爆炸超压；
48.同一目标位置处、多个潜在气体爆炸源的叠加效应分析，得到多个潜在爆源条件下的爆炸超压分布。
49.气云扩散分析：
50.可燃蒸气云爆炸评估首先需要对可燃气云的浓度分布情况分析分析，需要采用相关的的扩散模型来预测释放到环境中的危险物质浓度随时间和空间的变化。影响物质扩散
的因素包括：(1)释放条件，包括物质类型、相态和物理性质；源模型
‑
(出口速度、泄漏质量速率、释放量等)；泄漏源的位置；(2)气象条件，包括风向、风速、大气稳定度等；(3)地形条件，主要为地面粗糙度。扩散模型使用高斯模型。高斯模型根据释放类型主要分为模拟气体瞬时释放的烟团模型和气体连续释放的烟羽模型两种。
51.高斯烟羽模型适用于连续泄漏源，其结果可以描述泄漏稳定状态时中性气云浓度分布情况。具体计算公式如下：
[0052][0053]
式中，c(x,y,z,h)为给定地点x,y,z的浓度，单位为kg/m3；q为泄漏速率，单位为kg/s；u为风速，单位为m/s；σ
y
,σ
z
为侧风向和垂直风向的扩散系数，是下风向距离x的函数，单位为m；h为泄漏有效高度，单位为m；x为下风向距离，单位为m；y为侧风向距离，单位为m；z为垂直风向距离，即高度，单位为m。
[0054]
高斯烟团模型适用于描述瞬时泄漏，模型能计算出任意时刻t的气云浓度分布。计算公式如下：
[0055][0056]
式中，c(x,y,z,h,t)为给定位置x,y,z在t时刻的浓度，单位为kg/m3；q为泄漏质量，单位为kg；σ
x
,σ
y
,σ
z
为下风向、侧风向和垂直风向的扩散系数，单位为m；h为释放高度，单位为m；x为下风向距离，单位为m；y为侧风向距离，单位为m；z为垂直风向距离，即高度，单位为m；t为时间，单位为s。
[0057]
积分法确定可燃气体的质量和爆炸能量：
[0058]
由于气象条件的影响，可燃气体形成的气云形状不规则，其内部浓度也不均匀，因此需要通过积分法进行过连续空间内气云的质量分析，提高气云质量计算结果的准确性，这里对爆炸下限(lel)和爆炸上限(uel)范围内的气云的质量进行分析，积分公式如下：
[0059][0060]
式中：dv＝dx
×
dy
×
dz。
[0061]
然后根据蒸气云质量，假定燃料与空气混合物的浓度为化学计量浓度，可得蒸气云体积：
[0062][0063]
式中，v
c
为蒸气云体积，单位为m3；w
f
为蒸气云中的燃料质量，单位为
㎏
；ρ为物质(气体)在环境温度下的密度，单位为
㎏
/m3；c
s
为燃料与空气混合物的化学计量浓度，单位为％。
[0064]
爆源半径与蒸气云体积有关，计算爆源半径从而可以得到气体爆炸源总能量，爆源半径计算如下：
[0065][0066]
式中，r0为爆源半径，单位为m。
[0067]
爆源总能量计算如下
[0068][0069]
式中，e0为爆源总能量，单位为mj；e
c
为碳氢化合物在化学计量浓度下的燃烧热，3.5mj/m3。
[0070]
计算每一个潜在气体爆炸源产生的蒸气云爆炸超压：
[0071]
确定爆炸的相关条件，包括火焰传播方式，阻塞程度和燃料活性；选择依据分别见表1、图3(阻塞程度)和表2。
[0072]
表1火焰传播方式：
[0073][0074][0075]
表2燃料活性：
[0076]
燃料活性层流火焰速度lfs物质高lfs>75cm s
‑1乙炔，环氧乙烷，氢气，1
‑
3环氧丙烷，乙烯中45cm s
‑1≤lfs≤75cm s
‑1丙酮，1
‑
3丁二烯，丙烷低lfs<45cm s
‑1甲烷，一氧化碳
[0077]
火焰速度根据约束程度、燃料活性和阻塞程度来确定，并用马赫数对火焰上的进行表征。马赫数的确定据表3。
[0078]
表3火焰速度马赫数的确定：
[0079][0080]
计算无量纲距离：
[0081][0082]
式中，为无量纲距离；r为目标位置距气体爆炸源中心的距离，单位为m；e为爆炸能量，单位为j；p
a
为环境大气压，单位为pa。
[0083]
根据马赫数选择对应曲线，查图2得到无量纲爆炸超压
[0084]
多个潜在气体爆炸源爆炸效应叠加分析：
[0085]
结合(3)中计算得到的单一爆源的爆炸冲击波超压的结果，引入多爆源冲击波非线性叠加法则—lamb叠加法则，该法则基于近似的质量、动量和能量守恒原理，计算法则如下：
[0086][0087][0088][0089]
其中，和p分别表示某时刻目标点处的密度、冲击波速度和压力，ρ0和p0分别表示目标点处的初始密度和压力，δρ
i
、和δp
i
分别表示第i个爆炸源所引起的目标点处密度、冲击波速度和压力在该时刻的增量，冲击波速度为矢量。
[0090]
实施例2：
[0091]
本实施例提供了一种多潜在气体爆炸源耦合的气云爆炸评估系统,包括气云浓度获取模块、气云质量获取模块、爆炸超压获取模块和爆炸评估模块；
[0092]
所述气云浓度获取模块，被配置为：根据气体泄漏时间和气体泄漏高度，得到气云浓度；
[0093]
所述气云质量获取模块，被配置为：根据气云浓度和积分法，得到气云质量，
[0094]
所述爆炸超压获取模块，被配置为：根据所述的气云质量和bst方法，分别得到多个气体爆炸源的爆炸超压；
[0095]
所述爆炸评估模块，被配置为：根据得到的多个气体爆炸源的超压和多爆炸源冲击波非线性叠加法则，得到多个气体爆炸源叠加的爆炸超压分布。
[0096]
实施例3：
[0097]
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了实施例1所述的多潜在气体爆炸源耦合的气云爆炸评估方法中的步骤。
[0098]
实施例4：
[0099]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了实施例1所述的多潜在气体爆炸源耦合的气云爆炸评估方法中的步骤。
[0100]
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。