CN111625951B - 一种工业管道出口处爆炸气流冲量致伤评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工业管道出口处爆炸气流冲量致伤评估方法，该方法基于工业管道特点搭建实验室闭口管道模型并通过实验测试爆炸压力、气流速度、温度；使用FLACS爆炸模拟软件建立相同闭口管道模型，进行数值模拟，与实验所测数据对比，验证数值模拟的准确性；通过修改管道模型封口参数，得到基于工业管道的开口模型，进而获取爆炸管道开口端位置在爆炸过程中压力、气流速度、温度及其分布情况；通过蒙特卡罗模拟结合冲量及热通量计算公式，分析管道开口处爆炸气流冲量致伤风险及其概率分布；量化工业管道开口处人员操作区域的爆炸气流冲量致伤风险，针对该区域设计吸能装置，吸收潜在爆炸事故气流能量，降低爆炸对人员造成的伤害。
Description
技术领域
本发明涉及风险预测技术领域，尤其是一种基于实验测试和FLACS模拟的工业管道出口处爆炸气流冲量致伤评估方法，可为工业气体、粉尘管道的防爆抑爆措施提供依据。
背景技术
工业生产管道爆炸风险的降低，对保护人员安全起着十分重要的作用。现有爆炸风险模拟技术已较为成熟，但这些模拟技术大多是以爆炸事故对周围环境的影响程度及范围进行表征，缺少对开口管道爆炸实验测试数据及针对爆炸能量与人员交互时的能量分布研究及定量分析，不能较好地分析管道开口处爆炸气流冲量造成的致伤风险及其概率分布，难以对工业管道开口处人员操作区域的爆炸气流冲量带来的致伤风险进行量化分析，另外对爆炸时管道出口处潜在的爆炸事故气流能量不能有效吸收，难以及时预防爆炸对人员造成的伤害。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种基于FLACS数值模拟及动量计算的工业管道出口处爆炸气流冲量致伤风险评估方法，以分析管道出口处爆炸气流冲量致伤风险及其概率分布并加以量化分析，降低爆炸对作业人员造成的伤害风险。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种工业管道出口处爆炸气流冲量致伤评估方法，包括以下步骤：
S1：实验测试闭口管道爆炸气流特性参数：结合工业管道特点和涉爆物质参数，搭建相应的实验室管道模型，选取相应的爆炸介质，对工业生产过程中涉爆物质的管道爆炸事故进行实验测试，获取该涉爆物质管道爆炸压力、气流传播速度及温度，与数值模拟数据进行比对验证；
S2：数值模拟实验相同闭口管道的爆炸气流特征参数：依据工业实际以及实验数据，设置管道数据、爆炸介质以及实验环境信息，运用FLACS软件建模功能建立管道的三维模型；数值模拟管道爆炸事故，获取管道中各位置压力、气流速度及温度变化情况，与实验数据对比验证模型精确度；
S3：数值开口管道的爆炸气流特征参数：基于工业管道特点，修改管道封口端参数，得到开口管道模型；数值模拟管道爆炸事故，获取管道开口处各位置压力、气流速度、温度及其动态分布数据；
S4：量化管道末端开口处的爆炸气流冲量致伤风险：采用蒙特卡罗模拟方法结合冲量计算公式以及热通量计算公式，进而得到爆炸管道末端开口处的爆炸气流冲量致伤风险值及其概率分布；
S5：管道开口端人员操作区域吸能装置：基于工业管道特点，量化管道开口端人员操作区域的致伤风险；根据人员操作区域的致伤风险，设置吸能装置，吸能材料选择纳米流体吸能材料。
具体说，步骤S4中，所述的爆炸气流冲量致伤风险量化包括：采用蒙特卡罗模拟方法结合冲量计算公式以及高温气流热辐射通量计算公式，进而得到爆炸管道末端开口处的爆炸气流冲量致伤风险值及其概率分布，具体包括：
选择人员距管道末端开口位置，输出该位置冲击波压力，通过冲击波冲量公式计算该区域气流动能变化：
其中，I为爆炸冲量，单位为Pa/s；t1、t2为爆炸过程中冲击波传播时长，单位为s；Pi(t)为在距离点火源不同位置的在t时刻的爆炸压力；i为监测点距离管道开口处的长度，单位为m；
使用高温气流热辐射通量计算公式，计算管道开口轴线位置上的高温热辐射通量，可使用如下经验公式：
qef＝η·C·V·Ti/A
其中，qef为热辐射通量，单位为KW/m2；η为效率因子，消防安全工程实际计算中，建议取值0.42；C为流体比热，单位为kJ/m3·k；V为体积流量，单位为m3/s；Ti为不同距离处的温度与室温的差值，单位为K；A为辐射接受面积，单位为m2；选择爆炸压力、温度及气流速度作为蒙特卡罗模拟时的输入变量，选取数值模拟管道模型中待研究的典型位置，将监测到的随时间变化的数据作为风险因素数据，通过蒙特卡罗模拟进行风险分析：
利用基于蒙特卡罗模拟的Crystal Ball软件对风险因素数据进行概率分布拟合，根据拟合优度统计选择风险因素数据的概率分布类型；
通过变量函数对风险因素的数据进行条件赋值，定义风险值预测变量，得到风险值的分布数据，设置蒙特卡罗模拟的运行属性，包括抽样方法、抽样次数、精度控制，然后开始进行模拟；
根据模拟输出结果分析概率值的预测频率及不确定性，对爆炸气流冲量致伤风险进行量化评估。
本发明涉及的研究气体包括各类可燃可爆气体，其中，所述FLACS模拟软件在气体爆炸的场景开发上有大量的验证经验，对烷类气体、氢气、一氧化碳等有较好的应用效果
进一步地，步骤S5中，所述的管道开口端人员操作区域的致伤风险，是基于工业管道操作人员设置特点，结合实验测试、数值模拟、风险分析结果进行量化；根据人员操作区域的致伤风险，步骤S5中所述的吸能装置设置成圆形吸能板，吸能板外部材料为EVA泡棉，其结构为网状结构，用于接收气流冲击减少能量反射，吸能板内部封装用于吸收爆炸能量的纳米流体吸能材料。
本发明的有益效果是：
1、通过基于工业管道特点搭建实验室管道、实验测试和数值模拟闭口管道爆炸并对比验证管道模型、数值模拟开口管道模型、分析管道开口端致伤风险、量化工业管道开口端人员操作区域风险并设计吸能装置五个步骤，得到工业管道开口端人员操作区域爆炸气流冲量致伤风险，既避免了爆炸事故预演和开口管道爆炸实验的较大危险性，同时又有效且科学地分析了工业管道爆炸危险性。
2、以工业生产管道特点为基础，搭建实验管道模型并实验测试管道爆炸参数，分析工业生产过程中涉爆物质的理化参数及管道内爆炸传播参数，从而进行针对性的数值模拟和风险评估，计算结果的工业应用基础良好。
3、利用FLACS模拟建立与实际工业管道及实验管道一致的三维管道模型，数值模拟与实验数据相互验证，提高了数值模拟的吻合度和风险预测的可靠性。数值模拟中，可以通过设置不同涉爆物质类型实现对不同事故场景中人员所处位置监测数据的连续获取。
4、基于管道开口处爆炸气流冲量致伤风险分布，量化分析工业管道开口处人员操作区域致伤风险，并针对爆炸气流分布情况设计吸能装置，吸能材料选用新型纳米吸能材料，纳米流体材料可置于目标结构中，当该目标结构受到外力作用时，将对外界能量进行吸收从而起到安全防护的作用。量化风险针对性强，相关纳米流体可以重复使用，其吸能特性具有长期持续性，极大地节约了成本，适合大规模应用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为管道出口处冲量致伤风险评估方法的流程图。
图2为丙烷气体爆炸三维管道模型图。
图3为FLACS软件模拟爆炸三通管末端开口处气流分布图。
图4为气流冲量风险概率分布图。
图5为热辐射风险概率分布图。
图6为吸能装置示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，一种工业管道出口处爆炸气流冲量致伤风险评估方法，具有以下步骤：
S1：实验测试闭口管道爆炸气流特性参数
结合工业管道特点和涉爆物质参数，搭建相应的实验室管道模型，选取相应的爆炸介质，对工业生产过程中涉爆物质的管道爆炸事故进行实验测试，获取该涉爆物质管道爆炸压力、气流传播速度、温度，与数值模拟数据进行比对验证。
本实例以气体介质丙烷为例，选取浓度为3.9％丙烷-空气预混气体作为测试对象。采用高速摄影分析仪、光电传感器测定火焰传播速度；使用压力传感器、SDY2107A型超动态应变仪测试气体爆炸的爆炸压力。在实际生产过程中，可根据使用的原料，来确定介质成分。
S2：数值模拟实验相同闭口管道的爆炸气流特征参数
依据工业实际以及实验数据，设置管道数据、爆炸介质、实验环境等信息，运用FLACS软件建模功能建立管道的三维模型；数值模拟管道爆炸事故，获取管道中各位置压力、气流速度、温度变化情况，与实验数据对比验证模型精确度。
如图2所示，根据工业生产中真实通风管道系统为研究场景，通过FLACS建立三通管模型，其中管道总长为7.8m，三通位置位于主管道4.8m处，支管与主管道角度为90°，管道统一内径0.125m，外径0.185m，模型为闭口模型，环境初始温度设为20℃，初始压力设为0.1Mpa，通过闭口管道模拟数据与实验数据的对比，数值模拟具有较高的准确性。
S3：数值开口管道的爆炸气流特征参数
基于工业管道特点，修改管道封口端参数，得到开口管道模型；数值模拟管道爆炸事故，获取管道开口处各位置压力、气流速度、温度及其动态分布数据。
吸气排风装置的管道口位置作为与人员作业交互的部分一直是各类研究的重点，因此在三通管道末端开口位置共设置三个监测点，呈直线分布，最后将这些监测点所获压力、气流速度、温度数据整合作为操作台距管道末端不同距离的代表数据。
如图3所示，根据FLACS模拟输出的气流变化图及气流速度云图，可以研究管道爆炸后气流变化情况。
S4：量化管道末端开口处的爆炸气流冲量致伤风险
采用蒙特卡罗模拟方法结合冲量计算公式以及高温气流热辐射通量计算公式，进而得到爆炸管道末端开口处的爆炸气流冲量致伤风险值及其概率分布。具体包括以下计算过程：
选择人员距管道末端开口位置，输出该位置冲击波压力，通过冲击波冲量公式计算该区域气流动能变化：
其中，I为爆炸冲量，单位为Pa/s；t1、t2为爆炸过程中冲击波传播时长，单位为s；Pi(t)为在距离点火源不同位置的在t时刻的爆炸压力；i为监测点距离管道开口处的长度，单位为m。
使用高温气流热辐射通量计算公式，计算管道开口轴线位置上的高温热辐射通量，可使用如下经验公式：
qef＝η·C·V·Ti/A
其中，qef为热辐射通量，单位为KW/m2；η为效率因子，消防安全工程实际计算中，建议取值0.42；C为流体比热，单位为kJ/m3·k；V为体积流量，单位为m3/s；Ti为不同距离处的温度与室温的差值，单位为K；A为辐射接受面积，单位为m2。
选择爆炸压力、温度、气流速度等作为蒙特卡罗模拟时的输入变量，选取数值模拟管道模型中待研究的典型位置，将监测到的随时间变化的数据作为风险因素数据，通过蒙特卡罗模拟进行风险分析：
本实施例利用基于蒙特卡罗模拟的Crystal Ball软件对数据进行概率分布拟合，根据拟合优度统计选择风险因素数据的概率分布类型根据拟合优度统计选择最优分布类型；其中，蒙特卡罗模拟普遍采用的抽样方法包括蒙特卡罗取样和拉丁超立方取样，拉丁超立方取样法通过划分若干相等概率的区间，使得结果较为平均，对概率分布能实现较好的重现，因此本实施例优先采用拉丁超立方抽样。
以三通管道末端开口轴线距离0.5m位置截面处的情况为例，各参数通过FLACS软件输出，其中温度峰值为1650.1K，速度峰值384m/s，该区域位置气流流经截面积为0.01267m2。图4为爆炸冲量的预测值，其中单位时间内爆炸冲量在0至1.5×105pa/s，确定性为51.79％，即冲击力最大可达1.5kg/cm2，结合流经面积，其冲击区域最大受力约为1860N。图5为爆炸气流热辐射的风险概率预测，其中超过热辐射强度超过37.5kW/m2的确定性为8.91％，有48.18％的概率辐射强度小于12.5kW/m2。
表1不同等级热辐射强度对人员的伤害情况
| 热辐射强度/(kW.m2) | 人体伤害 |
| 37.5 | lmin内100％死亡，10s内1％死亡 |
| 25.0 | lmin内100％死亡，10s内严重2度烧伤 |
| 12.5 | lmin内1％死亡，10s内1度烧伤 |
| 4.0 | 20s以上疼痛，但不起水泡 |
| 1.6 | 长期接触无不适感 |
本发明涉及的研究气体包括各类可燃可爆气体，其中，所述FLACS模拟软件在气体爆炸的场景开发上有大量的验证经验，对烷类气体、氢气、一氧化碳等有较好的应用效果。
S5：管道爆炸风险防护对策
根据气流变化及速度变化情况，设计吸能装置。吸能材料选择新型吸能材料纳米流体吸能材料，该新型材料具有高效吸能防护、价格低廉、效果显著、绿色环保等特点。
根据本实例中三通管道的安装情况，其爆炸气流流出后，以管道中心处速度最高，同时气流以环形向外扩散。因此，如图6所示，吸能装置设计为圆形吸能板，吸能板外部材料为为EVA泡棉，其结构为网状结构，用于接收气流冲击减少能量反射，吸能板内部封装纳米流体吸能材料，主要用于吸收爆炸能量，同时纳米流体可以重复使用，其吸能特性具有长期持续性，极大地节约了成本，适合大规模应用。所述纳米流体的制备，可参考专利CN104948653A一种缓冲吸能的纳米流体的制备方法。
本实施例仅是对三通管末端开口轴线位置0.5m工况处的的风险预测，通过设置其他监测点，重复步骤S3～S4可实现对模型中其他位置气体爆炸动能变化情况进行风险预测。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (3)
1.一种工业管道出口处爆炸气流冲量致伤评估方法，其特征是：包括以下步骤：
S1：实验测试闭口管道爆炸气流特性参数：结合工业管道特点和涉爆物质参数，搭建相应的实验室管道模型，选取相应的爆炸介质，对工业生产过程中涉爆物质的管道爆炸事故进行实验测试，获取该涉爆物质管道爆炸压力、气流传播速度及温度，与数值模拟数据进行比对验证；
S2：数值模拟实验相同闭口管道的爆炸气流特征参数：依据工业实际以及实验数据，设置管道数据、爆炸介质以及实验环境信息，运用FLACS软件建模功能建立管道的三维模型；数值模拟管道爆炸事故，获取管道中各位置压力、气流速度及温度变化情况，与实验数据对比验证模型精确度；
S3：数值开口管道的爆炸气流特征参数：基于工业管道特点，修改管道封口端参数，得到开口管道模型；数值模拟管道爆炸事故，获取管道开口处各位置压力、气流速度、温度及其动态分布数据；
S4：量化管道末端开口处的爆炸气流冲量致伤风险：采用蒙特卡罗模拟方法结合冲量计算公式以及热通量计算公式，进而得到爆炸管道末端开口处的爆炸气流冲量致伤风险值及其概率分布；
S5：管道开口端人员操作区域吸能装置：基于工业管道特点，量化管道开口端人员操作区域的致伤风险；根据人员操作区域的致伤风险，设置吸能装置，吸能材料选择纳米流体吸能材料。
2.如权利要求1所述的工业管道出口处爆炸气流冲量致伤评估方法，其特征是：步骤S4中，所述的爆炸气流冲量致伤风险量化包括：采用蒙特卡罗模拟方法结合冲量计算公式以及高温气流热辐射通量计算公式，进而得到爆炸管道末端开口处的爆炸气流冲量致伤风险值及其概率分布，具体包括：
选择人员距管道末端开口位置，输出该位置冲击波压力，通过冲击波冲量公式计算该区域气流动能变化：
其中，I为爆炸冲量，单位为Pa/s；t1、t2为爆炸过程中冲击波传播时长，单位为s；Pi(t)为在距离点火源不同位置的在t时刻的爆炸压力；i为监测点距离管道开口处的长度，单位为m；
使用高温气流热辐射通量计算公式，计算管道开口轴线位置上的高温热辐射通量，使用如下经验公式：
qef＝η·C·V·Ti/A
其中，qef为热辐射通量，单位为KW/m2；η为效率因子，消防安全工程实际计算中，建议取值0.42；C为流体比热，单位为kJ/m3·k；V为体积流量，单位为m3/s；Ti为不同距离处的温度与室温的差值，单位为K；A为辐射接受面积，单位为m2；选择爆炸压力、温度及气流速度作为蒙特卡罗模拟时的输入变量，选取数值模拟管道模型中待研究的典型位置，将监测到的随时间变化的数据作为风险因素数据，通过蒙特卡罗模拟进行风险分析：
利用基于蒙特卡罗模拟的Crystal Ball软件对风险因素数据进行概率分布拟合，根据拟合优度统计选择风险因素数据的概率分布类型；
通过变量函数对风险因素的数据进行条件赋值，定义风险值预测变量，得到风险值的分布数据，设置蒙特卡罗模拟的运行属性，包括抽样方法、抽样次数、精度控制，然后开始进行模拟；
根据模拟输出结果分析概率值的预测频率及不确定性，对爆炸气流冲量致伤风险进行量化评估。
3.如权利要求1所述的工业管道出口处爆炸气流冲量致伤评估方法，其特征是：步骤S5中，所述的管道开口端人员操作区域的致伤风险，是基于工业管道操作人员设置特点，结合实验测试、数值模拟、风险分析结果进行量化；根据人员操作区域的致伤风险，步骤S5中所述的吸能装置设置成圆形吸能板，吸能板外部材料为EVA泡棉，其结构为网状结构，用于接收气流冲击减少能量反射，吸能板内部封装用于吸收爆炸能量的纳米流体吸能材料。
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