CN108829984A - 一种考虑大尺度障碍物影响的室内天然气爆炸峰值超压的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑大尺度障碍物影响的室内天然气爆炸峰值超压的预测方法，首先利用数值分析法获得大尺度障碍物体积阻塞率、泄爆面静开启压力、泄爆面积以及房间体积四个爆炸影响参数对室内天然气爆炸峰值超压产生影响的实验数据；对所述实验数据进行非线性拟合，建立包含大尺度障碍物体积阻塞率、泄爆面静开启压力、泄爆面积以及房间体积四个爆炸影响参数在内的室内天然气爆炸峰值超压预测模型；将爆炸事故现场获取的相关参数输入所述预测模型，对室内天然气爆炸峰值超压进行预测。上述方法能够准确获取多参数条件下室内天然气爆炸峰值超压，实现爆炸超压灾害的快速准确预测和评估。

Description

一种考虑大尺度障碍物影响的室内天然气爆炸峰值超压的预 测方法

技术领域

本发明涉及室内天然气爆炸研究技术领域，尤其涉及一种考虑大尺度障碍物影响的室内天然气爆炸峰值超压的预测方法。

背景技术

近年来我国民用建筑室内天然气爆炸事故频频发生，造成大量的人员伤亡和房屋结构破坏，其原因主要表现为天然气设施的老化和不规范使用。在气体爆炸的各项影响因素中大尺度障碍物对气体爆炸流场和灾害结果的影响尤其显著，而橱柜、吊柜等物品构成了厨房内主要的大尺度障碍物，根据厨房布局的不同，大尺度障碍物体积尺寸也不同，从而进一步增加了天然气爆炸结果预测的难度。峰值超压是评估天然气爆炸超压灾害强度的核心指标，大量的文献资料也阐明了各种参数对室内天然气爆炸峰值超压的影响规律。研究发现，房间内障碍物体积阻塞率越大，则室内天然气爆炸峰值超压越大；房间泄爆面积越大，则室内天然气爆炸峰值超压越小；泄爆面开启压力越大，则室内天然气爆炸峰值超压越大。在实际的天然气爆炸事故中，往往是多个爆炸关键参数共同作用于爆炸流场，从而使室内天然气爆炸峰值超压的预测格外困难。

现有技术中有关室内天然气爆炸灾害的评估工作主要利用TNT当量法来完成，而该方法忽略了泄爆窗体结构、室内大尺度障碍物等因素对灾害结果的影响，因此其评估结果的科学性和准确性有待进一步验证；同时目前在气体爆炸超压分布规律方面，大量相关研究也只是考察了其中某个单一影响因素，因此难以找到一个针对多参数共同影响下的室内天然气爆炸峰值超压的准确、快速预测方法，特别是考虑大尺度障碍物影响的多参数综合预测方法更是难以找到，从而极大的限制了民用建筑室内天然气爆炸事故的灾害救援和事故调查分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑大尺度障碍物影响的室内天然气爆炸峰值超压的预测方法，该方法能够准确获取多参数条件下室内天然气爆炸峰值超压，实现爆炸超压灾害的快速准确预测和评估。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种考虑大尺度障碍物影响的室内天然气爆炸峰值超压的预测方法，所述方法包括：

步骤1、利用数值分析法获得大尺度障碍物体积阻塞率、泄爆面静开启压力、泄爆面积以及房间体积四个爆炸影响参数对室内天然气爆炸峰值超压产生影响的实验数据；

步骤2、对所述实验数据进行非线性拟合，建立包含大尺度障碍物体积阻塞率、泄爆面静开启压力、泄爆面积以及房间体积四个爆炸影响参数在内的室内天然气爆炸峰值超压预测模型；

其中，所建立的室内天然气爆炸峰值超压预测模型表示为：

当时，

当时，

上式中，P_max表示室内天然气爆炸峰值超压；R_vb表示大尺度障碍物体积阻塞率，R_vb＝V_o/V，其中V_o表示室内各大尺度障碍物的体积之和，V表示房间体积；p_a表示泄爆面静开启压力；p_o表示室内气体初始环境压力；A_v表示泄爆面积；A₀表示泄爆面所在墙面面积；A_v/A₀表示房间的泄压比；

步骤3、将爆炸事故现场获取的相关参数输入所述预测模型，对室内天然气爆炸峰值超压进行预测。

所述步骤1的过程具体为：

首先创建包含大尺度障碍物体积阻塞率、泄爆面静开启压力、泄爆面积以及房间体积四个爆炸影响参数的若干组数值计算物理模型；

针对每组物理模型分别考察不同大尺度障碍物体积阻塞率下对天然气爆炸超压的影响，并获得相应的实验数据；

其中，在若干组数值计算物理模型中，爆炸影响参数的数值取值范围分别为：大尺度障碍物体积阻塞率为0％-40％、泄爆面积为0.16m²-6.25m²、泄爆面静开启压力为0MPa-0.7MPa、房间体积为12m³-37.5m³。

在步骤3中，所述爆炸事故现场获取的相关参数包括：

大尺度障碍物体积阻塞率、房间尺寸、障碍物尺寸、泄爆面积、泄爆面静开启压力。

在步骤3中，所述将爆炸事故现场获取的相关参数输入所述预测模型，具体包括：

根据爆炸事故现场获取的相关参数，分别计算获得爆炸房间内大尺度障碍物的体积阻塞率R_vb以及房间泄压比A_v/A₀；

根据房间泄压比A_v/A₀的取值范围，选择相应的预测模型对室内天然气爆炸峰值超压进行预测。

计算爆炸房间内大尺度障碍物的体积阻塞率R_vb的过程为：

根据获取的房间尺寸计算房间体积V，V＝长×宽×高；

根据获取的障碍物尺寸计算障碍物体积V_o，V_o＝V₁+V₂…+V_n；

根据房间体积V和障碍物体积V_o计算爆炸房间内大尺度障碍物的体积阻塞率R_vb，R_vb＝V_o/V。

计算房间泄压比A_v/A₀的过程为：

根据获取的房间尺寸计算泄爆面所在墙面面积A₀，A₀＝长×高或宽×高；

根据泄爆面积A_v和泄爆面所在墙面面积A₀计算房间泄压比K，K＝A_v/A₀。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法能够准确获取多参数条件下室内天然气爆炸峰值超压，实现爆炸超压灾害的快速准确预测和评估。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的考虑大尺度障碍物影响的室内天然气爆炸峰值超压的预测方法流程示意图；

图2为本发明实施例所举出的数值计算物理模型的结构示意图；

图3为本发明实施例所举出的预测模型(0.032≤A_v/A₀＜0.1936)线性回归分析的示意图；

图4为本发明实施例所举出的预测模型(0.1936≤A_v/A₀≤1)线性回归分析的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供考虑大尺度障碍物影响的室内天然气爆炸峰值超压的预测方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、利用数值分析法获得大尺度障碍物体积阻塞率、泄爆面静开启压力、泄爆面积以及房间体积四个爆炸影响参数对室内天然气爆炸峰值超压产生影响的实验数据；

在该步骤中，首先创建包含大尺度障碍物体积阻塞率、泄爆面静开启压力、泄爆面积以及房间体积四个爆炸影响参数的若干组数值计算物理模型；

针对每组物理模型分别考察不同大尺度障碍物体积阻塞率下对天然气爆炸超压的影响，并获得相应的实验数据；

其中，在若干组数值计算物理模型中，爆炸影响参数的数值取值范围分别为：大尺度障碍物体积阻塞率为0％-40％、泄爆面积为0.16m²-6.25m²、泄爆面静开启压力为0MPa-0.7MPa、房间体积为12m³-37.5m³。

举例来说，如图2所示为本发明实施例所举出的数值计算物理模型的结构示意图，该数值计算物理模型为长方体房间，其中一面墙体开设泄爆面；泄爆面位于墙体的几何中心位置；房间内障碍物沿房间长度方向布置于地面，障碍物高度为1m，根据体积阻塞率要求，增加障碍物的宽度，使其达到期望的体积阻塞率；地面、顶板、墙体以及障碍物均设置为刚性属性；数据均取自房间中心测点；点火源位于房间后壁几何中心位置，距离后壁0.1m，点火源半径为0.015m；由于天然气的主要成分为甲烷，因此本实例采用甲烷/空气混合气体作为爆源，甲烷体积浓度为9.5％；点火时甲烷/空气混合均匀，并处于静止状态，计算域内的环境初始压力和初始温度分别设定为1.01325×10⁵Pa和300K。

然后基于上述数值计算物理模型结构，获得大尺度障碍物体积阻塞率、泄爆面静开启压力、泄爆面积以及房间体积四个爆炸影响参数对室内天然气爆炸峰值超压产生的影响。其中，各项爆炸影响参数的数值计算实验取值范围分别如下：障碍物体积阻塞率为0％-40％，泄爆面积为0.16m²-6.25m²，泄爆面开启压力为0MPa-0.7MPa，房间体积为12m³-37.5m³，具体的参数设置如表1所示。

表1数值计算实验参数取值表

在本实例中，总共创建了23组数值计算物理模型，针对每组模型分别考察了9种不同体积阻塞率对天然气爆炸超压的影响；其中11组模型还考察了泄爆面开启压力对爆炸超压的影响，在保持其他参数不变的情况下，设置了5种不同的泄爆面开启压力。天然气体积浓度均为当量体积浓度9.5％；总共获得207个实验数据，模型参数以及数值模拟结果见下表2所示：

表2天然气爆炸数值计算实验模型参数及实验数据

步骤2、对所述实验数据进行非线性拟合，建立包含大尺度障碍物体积阻塞率、泄爆面静开启压力、泄爆面积以及房间体积四个爆炸影响参数在内的室内天然气爆炸峰值超压预测模型；

该步骤中，所建立的室内天然气爆炸峰值超压预测模型表示为：

当时，

当时，

上式中，P_max表示室内天然气爆炸峰值超压，MPa；R_vb表示大尺度障碍物体积阻塞率，R_vb＝V_o/V，其中V_o表示室内各大尺度障碍物的体积之和，V_o＝V₁+V₂…+V_n，V表示房间体积，m³；p_a表示泄爆面静开启压力，MPa，当泄爆面处于开启状态或属于无约束泄爆时，则p_a＝0MPa；p_o表示室内气体初始环境压力，MPa，默认值为0.1MPa；A_v表示泄爆面积，m²；A₀表示泄爆面所在墙面面积，m²，则A_v/A₀表示房间的泄压比，用K表示。

以上述实例来说，具体可以通过对上述表2中的207个实验数据进行非线性拟合，获得包含大尺度障碍物体积阻塞率、泄爆面静开启压力、泄爆面积以及房间体积四个爆炸影响参数在内的室内天然气爆炸峰值超压预测模型。

具体实现中，还可以进一步通过将从预测模型获得的数据与207个实验数据进行线性回归分析来验证上述所得预测模型的可信度，数值计算涉及的障碍物体积阻塞率为0％-40％，房间体积为12m³-37.5m³，泄爆面积为0.16m²-6.25m²，泄爆面开启压力为0MPa-0.7MPa，天然气体积浓度为9.5％。

如图3所示为本发明实施例所举出的预测模型(0.032≤A_v/A₀＜0.1936)线性回归分析的示意图，通过线性回归分析显示：当0.032≤A_v/A₀＜0.1936时，室内天然气爆炸数值计算峰值超压与公式预测峰值超压的方差值R²＝0.86359。

如图4所示为本发明实施例所举出的预测模型(0.1936≤A_v/A₀≤1)线性回归分析的示意图，当0.1936≤A_v/A₀≤1时，室内天然气爆炸数值计算峰值超压与公式预测峰值超压的方差值R²＝0.93771，充分表明该预测模型均具有显著的可信度。

步骤3、将爆炸事故现场获取的相关参数输入所述预测模型，对室内天然气爆炸峰值超压进行预测。

该步骤中，爆炸事故现场获取的相关参数包括：

大尺度障碍物体积阻塞率、房间尺寸、障碍物尺寸、泄爆面积、泄爆面静开启压力。

具体实现中，将爆炸事故现场获取的相关参数输入所述预测模型的过程为：

根据爆炸事故现场获取的相关参数，分别计算获得爆炸房间内大尺度障碍物的体积阻塞率R_vb以及房间泄压比A_v/A₀；

根据房间泄压比A_v/A₀的取值范围，选择相应的预测模型对室内天然气爆炸峰值超压进行预测。

这里，计算爆炸房间内大尺度障碍物的体积阻塞率R_vb的过程为：

根据获取的房间尺寸(长×宽×高)计算房间体积V，V＝长×宽×高；

根据获取的障碍物尺寸(长×宽×高)计算障碍物体积V_o，V_o＝V₁+V₂…+V_n；

根据房间体积V和障碍物体积V_o计算爆炸房间内大尺度障碍物的体积阻塞率R_vb，R_vb＝V_o/V。

计算房间泄压比A_v/A₀的过程为：

根据获取的房间尺寸(长×宽×高)计算泄爆面所在墙面面积A₀，A₀＝长×高或宽×高；

根据泄爆面积A_v和泄爆面所在墙面面积A₀计算房间泄压比K，K＝A_v/A₀：

进一步的，再判断泄压比K＝A_V/A₀的范围；

如果0.032≤A_v/A₀＜0.1936，则将参数R_vb、V、A_v、p_a同时带入相应的预测模型进行计算，获得室内天然气爆炸峰值超压P_max，完成爆炸超压灾害预测；

如果0.1936≤A_v/A₀≤1，则将参数R_vb、V、A_v、p_a同时带入相应的预测模型进行计算，获得室内天然气爆炸峰值超压P_max，完成爆炸超压灾害预测。

下面以具体的实例对上述预测方法的过程进行详细说明：

假定某小区2号楼1单元103室发生天然气泄漏爆炸事故。该楼2000年竣工交付使用，结构类型为砖混结构，地上6层，共计8个单元。1单元103室凌晨5时30分发生天然气爆炸事故，事故造成窗体脱落，室内物品全部烧毁；同时，该单元及相邻单元、对面楼房部分住户房屋门窗及窗玻璃受损。

现场事故调查发现，此次天然气爆炸事故始发于房间厨房位置，获取的爆炸事故现场获取的相关参数包括：发生爆炸的厨房尺寸(长×宽×高)为3m×2.5m×2.5m，房间窗户所在的墙面尺寸为2.5m×2.5m，窗体尺寸(宽×高)为1.0m×1.5m，窗体玻璃的静开启压力20kPa。房间内的大尺度障碍物主要为橱柜和吊柜，其中橱柜尺寸(长×宽×高)为3m×1m×0.8m，吊柜尺寸(长×宽×高)为3m×0.5m×0.6m。橱柜和吊柜均沿厨房长度方向布置，橱柜为单侧设置，吊柜为房间顶部两侧设置。

下面对现场天然气爆炸事故的峰值超压进行预测，具体步骤如下：

步骤一、根据获取的爆炸事故现场获取的相关参数计算房间内大尺度障碍物的体积阻塞率R_vb；

(1)根据掌握的房间尺寸(长×宽×高)计算房间体积V，V＝3m×2.5m×2.5m＝18.75m³；

(2)根据掌握的障碍物尺寸(长×宽×高)计算障碍物体积V_o，V_o＝V₁+V₂…+V_n；

计算单侧橱柜体积V₁＝长×宽×高＝3m×1m×0.8m＝2.4m³；计算单侧吊柜体积V₂＝长×宽×高＝3m×0.5m×0.6m＝0.9m³。计算障碍物体积V_o＝V₁+V₂×2＝2.4m³+0.9m³×2＝4.2m³；

(3)根据房间体积V和障碍物体积V_o计算房间内大尺度障碍物的体积阻塞率R_vb，R_vb＝V_o/V＝4.2m³/18.75m³＝0.224。

步骤二、计算房间泄压比K；

(1)根据掌握的房间尺寸(长×宽×高)计算泄爆面所在墙面面积A₀，A₀＝宽×高＝2.5m×2.5m＝6.25m²；

(2)根据泄爆面(窗户)尺寸计算泄爆面积A_v，A_v＝宽×高＝1.0m×1.5m＝1.5m²；

(3)根据泄爆面积A_v和泄爆面所在墙面面积A₀计算泄压比K，K＝A_v/A₀＝1.5m²/6.25m²＝0.24。

步骤三、预测室内天然气爆炸峰值超压P_max

(1)由于泄压比K＝0.24，判断其处于0.1936与1之间；

(2)将参数R_vb＝0.224、V＝18.75m³、A_v＝1.5m²、p_a＝0.02MPa同时带入如下的预测模型进行计算，获得室内天然气爆炸峰值超压P_max，完成天然气爆炸超压灾害预测。

由此可得，预测结果为此次爆炸峰值超压为0.0798284MPa。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种考虑大尺度障碍物影响的室内天然气爆炸峰值超压的预测方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、利用数值分析法获得大尺度障碍物体积阻塞率、泄爆面静开启压力、泄爆面积以及房间体积四个爆炸影响参数对室内天然气爆炸峰值超压产生影响的实验数据；

步骤2、对所述实验数据进行非线性拟合，建立包含大尺度障碍物体积阻塞率、泄爆面静开启压力、泄爆面积以及房间体积四个爆炸影响参数在内的室内天然气爆炸峰值超压预测模型；

其中，所建立的室内天然气爆炸峰值超压预测模型表示为：

当时，

当时，

上式中，P_max表示室内天然气爆炸峰值超压；R_vb表示大尺度障碍物体积阻塞率，R_vb＝V_o/V，其中V_o表示室内各大尺度障碍物的体积之和，V表示房间体积；p_a表示泄爆面静开启压力；p_o表示室内气体初始环境压力；A_v表示泄爆面积；A₀表示泄爆面所在墙面面积；A_v/A₀表示房间的泄压比；

步骤3、将爆炸事故现场获取的相关参数输入所述预测模型，对室内天然气爆炸峰值超压进行预测。

2.根据权利要求1所述预测方法，其特征在于，所述步骤1的过程具体为：

首先创建包含大尺度障碍物体积阻塞率、泄爆面静开启压力、泄爆面积以及房间体积四个爆炸影响参数的若干组数值计算物理模型；

针对每组物理模型分别考察不同大尺度障碍物体积阻塞率下对天然气爆炸超压的影响，并获得相应的实验数据；

其中，在若干组数值计算物理模型中，爆炸影响参数的数值取值范围分别为：大尺度障碍物体积阻塞率为0％-40％、泄爆面积为0.16m²-6.25m²、泄爆面静开启压力为0MPa-0.7MPa、房间体积为12m³-37.5m³。

3.根据权利要求1所述预测方法，其特征在于，在步骤3中，所述爆炸事故现场获取的相关参数包括：

大尺度障碍物体积阻塞率、房间尺寸、障碍物尺寸、泄爆面积、泄爆面静开启压力。

4.根据权利要求1所述预测方法，其特征在于，在步骤3中，所述将爆炸事故现场获取的相关参数输入所述预测模型，具体包括：

根据爆炸事故现场获取的相关参数，分别计算获得爆炸房间内大尺度障碍物的体积阻塞率R_vb以及房间泄压比A_v/A₀；

根据房间泄压比A_v/A₀的取值范围，选择相应的预测模型对室内天然气爆炸峰值超压进行预测。

5.根据权利要求4所述预测方法，其特征在于，计算爆炸房间内大尺度障碍物的体积阻塞率R_vb的过程为：

根据获取的房间尺寸计算房间体积V，V＝长×宽×高；

根据获取的障碍物尺寸计算障碍物体积V_o，V_o＝V₁+V₂…+V_n；

根据房间体积V和障碍物体积V_o计算爆炸房间内大尺度障碍物的体积阻塞率R_vb，R_vb＝V_o/V。

6.根据权利要求4所述预测方法，其特征在于，计算房间泄压比A_v/A₀的过程为：

根据获取的房间尺寸计算泄爆面所在墙面面积A₀，A₀＝长×高或宽×高；

根据泄爆面积A_v和泄爆面所在墙面面积A₀计算房间泄压比K，K＝A_v/A₀。