CN113569425A - 气体约束泄爆室外超压灾害评估方法 - Google Patents

气体约束泄爆室外超压灾害评估方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种气体约束泄爆室外超压灾害评估方法，包括：基于评估要求，获取氢气爆炸事故现场的多个评估参数。根据获取的评估参数，在预设的多个评估模型中选择符合评估参数的最优评估模型，根据评估参数，基于最优评估模型，得到氢气爆炸室外超压强度,根据氢气爆炸室外超压强度，基于超压伤害准则，得到氢气爆炸室外超压灾害程度。本申请中，预先设立了多个评估模型，根据获取的氢气爆炸事故现场的多个评估参数，选取其中最适合在当前氢气爆炸事故现场进行使用的最优评估模型进行评估，根据当前氢气爆炸事故现场的评估参数得到氢气爆炸室外超压强度，从而根据氢气爆炸室外超压强度及超压伤害准则对氢气约束泄爆室外超压灾害程度进行快速准确的评估和预测。

Description

气体约束泄爆室外超压灾害评估方法
技术领域
本申请涉及氢气灾害评估技术领域，尤其涉及一种气体约束泄爆室外超压灾害评估方法。
背景技术
氢能作为一种能量密度很高的清洁可再生能源，是21世纪最具发展潜力的绿色新能源之一。然而，由于不规范操作以及设备设施的维护不当等原因，国内外氢气泄漏爆炸事件屡屡发生，造成了严重的经济损失和人员伤亡，给社会和氢能产业发展带来了极大的负面影响。大量气体爆炸事故调查表明，各类工业建筑内氢气爆炸产生的冲击波超压及高温火焰通常会经门窗、轻质壁面等结构向室外泄放，从而诱发约束泄爆过程，并可能诱导室外灾害效应。气体的流动性导致约束空间内氢气在泄爆面开启瞬间被迅速排出室外，并在泄爆口附近形成气云，当爆炸火焰传播至室外时就可能点燃未燃气云，从而诱发外部爆炸，而外部爆炸诱发的室外爆炸超压灾害将对外部建筑结构和人员造成二次伤害。现有技术中，针对多因素协同作用下氢气爆炸泄放诱发外部爆炸的超压灾害特征难以准确评估，进而制约了此类灾害的科学防治。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中针对多因素协同作用下氢气爆炸泄放诱发外部爆炸的超压灾害特征难以准确评估的问题，本申请提供一种气体约束泄爆室外超压灾害评估方法。
本申请的方案如下：
一种气体约束泄爆室外超压灾害评估方法，包括：
基于评估要求，获取氢气爆炸事故现场的多个评估参数；
根据获取的所述评估参数，在预设的多个评估模型中选择符合所述评估参数的最优评估模型；
根据所述评估参数，基于所述最优评估模型，得到氢气爆炸室外超压强度；
根据所述氢气爆炸室外超压强度，基于超压伤害准则，得到氢气爆炸室外超压灾害程度。
优选的，在本申请一种可实现的方式中，气体约束泄爆室外超压灾害评估方法还包括：
获取氢气爆炸事故现场的实验评估参数；
基于所述实验评估参数训练所述评估模型；具体的，所述评估模型将多个评估参数中的一个评估参数作为变量输入，将其他评估参数作为常量，并基于作为变量输入的评估参数得到氢气爆炸室外超压强度。
优选的，在本申请一种可实现的方式中，所述根据获取的所述评估参数，在预设的多个评估模型中选择符合所述评估参数的最优评估模型，包括：
判断所述评估模型中作为常量的多个评估参数与所述氢气爆炸事故现场的多个评估参数的一致性；
将一致性最高的评估模型确定为符合所述评估参数的最优评估模型。
优选的，在本申请一种可实现的方式中，所述根据所述评估参数，基于所述最优评估模型，得到氢气爆炸室外超压强度，包括：
在所述评估参数中选择所述最优评估模型需要的作为变量输入的评估参数，输入所述最优评估模型，得到氢气爆炸室外超压强度。
优选的，在本申请一种可实现的方式中，还包括：
若具有至少两个一致性最高的评估模型，则根据所述评估参数，得到各一致性最高的评估模型分别对应的氢气爆炸室外超压强度；
以得到的所述氢气爆炸室外超压强度中的最高氢气爆炸室外超压强度为最终氢气爆炸室外超压强度。
优选的，在本申请一种可实现的方式中，还包括：
在所述超压伤害准则中，将所述最终氢气爆炸室外超压强度作为变量与所述超压对人体及建筑伤害准则进行对照，得到氢气爆炸超压伤害程度。
本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：本申请中的气体约束泄爆室外超压灾害评估方法，包括：基于评估要求，获取氢气爆炸事故现场的多个评估参数。根据获取的评估参数，在预设的多个评估模型中选择符合评估参数的最优评估模型，根据评估参数，基于最优评估模型，得到氢气爆炸室外超压强度，根据氢气爆炸室外超压强度，基于超压对人体和建筑伤害准则，得到氢气爆炸室外超压灾害程度。本申请中，预先设立了多个评估模型，根据获取的氢气爆炸事故现场的多个评估参数，选取其中最适合在当前氢气爆炸事故现场进行使用的最优评估模型进行评估，根据当前氢气爆炸事故现场的评估参数得到氢气爆炸室外超压强度，从而根据氢气爆炸室外超压强度及超压对人体和建筑伤害准则对氢气约束泄爆室外超压灾害程度进行快速准确的评估和预测。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是本申请一个实施例提供的一种气体约束泄爆室外超压灾害评估方法的流程示意图；
图2是本申请一个实施例提供的不同开启压力下氢气爆炸峰值超压的数据示意图；
图3是本申请一个实施例提供的不同开启时间下氢气爆炸峰值超压的数据示意图；
图4是本申请一个实施例提供的不同泄爆面尺寸氢气爆炸峰值超压的数据示意图；
图5是本申请一个实施例提供的不同氢气浓度下氢气爆炸峰值超压的数据示意图；
图6是本申请一个实施例提供的超压伤害准则对照示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
一种气体约束泄爆室外超压灾害评估方法，参照图1包括：
S11：基于评估要求，获取氢气爆炸事故现场的多个评估参数；
本实施例中，选取泄爆面尺寸、开启压力、开启时间和氢气浓度作为研究对象，即将泄爆面尺寸、开启压力、开启时间和氢气浓度作为评估参数。基于评估要求，获取氢气爆炸事故现场的泄爆面尺寸、开启压力、开启时间和氢气浓度。
S12：根据获取的评估参数，在预设的多个评估模型中选择符合评估参数的最优评估模型；
评估模型为多个，各评估模型针对不同的评估参数进行评估，预设多个评估模型，对氢气爆炸超压灾害的评估效果更好。
S13：根据评估参数，基于最优评估模型，得到氢气爆炸室外超压强度；
S14：根据氢气爆炸室外超压强度，基于超压伤害准则，得到氢气爆炸室外超压灾害程度。
本实施例中的气体约束泄爆室外超压灾害评估方法，基于评估要求，获取氢气爆炸事故现场的多个评估参数。根据获取的评估参数，在预设的多个评估模型中选择符合评估参数的最优评估模型，根据评估参数，基于最优评估模型，得到氢气爆炸室外超压强度，根据氢气爆炸室外超压强度，基于超压伤害准则，得到氢气爆炸室外超压灾害程度。本申请中，预先设立了多个评估模型，根据获取的氢气爆炸事故现场的多个评估参数，选取其中最适合在当前氢气爆炸事故现场进行使用的最优评估模型进行评估，根据当前氢气爆炸事故现场的评估参数得到氢气爆炸室外超压强度，从而根据氢气爆炸室外超压强度及超压伤害准则对氢气约束泄爆室外超压灾害程度进行快速准确的评估和预测。
一些实施例中的气体约束泄爆室外超压灾害评估方法，还包括：
获取氢气爆炸事故现场的实验评估参数；
基于实验评估参数训练评估模型；具体的，评估模型将多个评估参数中的一个评估参数作为变量输入，将其他评估参数作为常量，并基于作为变量输入的评估参数得到氢气爆炸室外超压强度。
本实施例为评估模型的训练过程。
首先，根据约束房间内气体爆炸灾害的一般特征，本实施例采用的数值计算物理模型为6m(长)×3m(宽)×2.5m(高)的长方体房间，其中一个较小面积的墙体设置一个方形泄爆面，其在达到设定的开启压力或开启时间后立即完全破裂，泄爆面位于墙体的几何中心位置，室内无障碍物，地面、顶板和墙体均设置为刚性壁面，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。本申请采用氢气/空气混合气体作为爆源，点火时氢气/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。所有测点均位于房间中心轴线上，测点1距离后壁0.5m，其余测点均按照0.5m等间距布置。
为考查泄爆面开启压力对外部爆炸超压强度的影响规律，设置了5组不同开启压力的房间模型，涉及的开启压力范围为10kPa-50kPa。数值计算总共获取了5组数据，模型参数以及数值模拟结果如图2所示。
由图2可得出开启压力对外部爆炸峰值超压的影响：
泄爆面开启压力对外部爆炸超压特征的影响较大，因此，本实施例中选择开启压力为10kPa、20kPa、30kPa、40kPa、50kPa的泄爆面作为分析对象，将泄爆面开启时间设为0s，泄放系数设为0.34，氢气浓度设为30％。
图2给出了不同开启压力下的外部爆炸峰值超压数据。外部爆炸峰值超压Pe与泄爆面开启压力Pv之间存在正相关关系，且峰值超压分布符合线性相关性，因此可以得到两者之间的定量关系，即：
Pe＝0.758Pv+21.54
式中，Pe为外部爆炸的峰值超压，单位为kPa；Pv为氢气爆炸过程中泄爆面的开启压力,单位为kPa。
为考查泄爆面开启时间对外部爆炸超压强度的影响规律，本实施例中设置了4组不同开启时间的房间模型，涉及的开启时间范围为0s-0.06s。数值计算总共获取了4组数据，模型参数以及数值模拟结果如图3所示。
由图3可得出开启时间对外部爆炸峰值超压的影响：
选择开启时间0s到0.06s的泄爆面作为分析对象，开启压力20kPa，泄放系数0.34，氢气浓度为30％。图3为氢气峰值超压随开启时间的变化数据。当tv≤0.06s时最大外部爆炸超压Pe随开启时间的增大而增大。当tv＝0.06s，最大外部爆炸超压为247.5kPa，与tv＝0s相比，tv＝0.06s时的外部最大爆炸超压增加6.5倍。因此，当tv＝0.06s时由外部爆炸导致的超压危险最大，而随泄爆面开启时间的减小，外部爆炸超压危险程度逐渐降低。两者之间的定量关系如下式所示：
Figure BDA0003200243100000061
式中，tv为氢气泄爆过程中泄爆面的开启时间，单位为s。
为考查泄爆面尺寸对外部爆炸超压强度的影响规律，本实施例中设置了7组不同泄放系数的房间模型，涉及的泄放系数范围为0.1-0.34。数值计算总共获取了7组数据，模型参数以及数值模拟结果如图4所示。
由图4可得出泄爆面尺寸对外部爆炸峰值超压的影响：
本实施例中，泄爆面泄放系数Kv是用来表示泄爆面与爆室腔体之间相对大小的参数，对最大外部爆炸超压有强烈影响。通过建立开启压力20kPa、开启时间0s、氢气浓度30％的物理模型来研究泄放系数对最大外部爆炸超压的影响。图4为不同泄放系数下外部爆炸强度变化规律。由图4可知，外部爆炸强度随泄放系数的增加总体上呈现下降趋势，Kv≤0.34时，外部爆炸强度随泄放系数抛物线式下降，当泄放系数接近0.34时，外部爆炸强度下降较慢。较小的泄放系数会导致更快的射流火焰速度和火焰燃烧强度，诱发强烈的外部爆炸。两者之间的定量关系如下式所示：
Figure BDA0003200243100000071
式中，Kv为泄爆面的泄放系数，Kv＝Av/V2/3，Av为泄爆面积(m2),V为爆室体积(m3)。
为考查氢气浓度对外部爆炸超压强度的影响规律，本实施例中设置了5组不同氢气浓度的房间模型，涉及的氢气浓度范围为10％-50％。数值计算总共获取了5组数据，模型参数以及数值模拟结果如图5所示。
由图5可得出氢气浓度对外部爆炸峰值超压的影响：
本实施例中选择氢气浓度为10％、20％、30％、40％和50％的物理模型作为分析对象，并固定泄爆面开启压力为20kPa，开启时间为0s，泄放系数0.34。图5为外部爆炸强度随气体浓度的变化数据。由图5可知，外部爆炸强度随气体浓度的增加呈现先增大后减小的变化趋势，其中当
Figure BDA0003200243100000072
时外部爆炸强度最大，且其最大外部爆炸超压与
Figure BDA0003200243100000073
相比增加了83％。稍高于当量浓度的初始氢气云在经泄爆口泄放后会在外部空气的稀释下形成更加有利于外部爆炸发生的气体浓度和流场结构分布，并在泄放火焰作用下形成强烈的外部爆炸。而当气体浓度持续增加至50％时，泄放至室外的气云特征及流场结构分布处于最佳外部爆炸状态之外，因此外部爆炸强度显著降低。外部爆炸强度与氢气浓度之间的定量关系如下式所示：
Figure BDA0003200243100000081
式中，
Figure BDA0003200243100000082
为室内的氢气浓度。
一些实施例中的气体约束泄爆室外超压灾害评估方法，根据获取的评估参数，在预设的多个评估模型中选择符合评估参数的最优评估模型，包括：
判断评估模型中作为常量的多个评估参数与氢气爆炸事故现场的多个评估参数的一致性；
将一致性最高的评估模型确定为符合评估参数的最优评估模型。
氢气爆炸事故现场的多个评估参数包括：泄爆面尺寸、开启压力、开启时间和氢气浓度。
上述实施例中的评估模型均是以其中一个评估参数为变量输入，以其他三个评估参数作为常量。
所有评估参数在作为常量时的固定量为：
开启压力20kPa、开启时间0s，氢气浓度30％，泄放系数0.34所对应的泄爆面尺寸。
判断评估模型中作为常量的多个评估参数与氢气爆炸事故现场的多个评估参数的一致性，即判断在氢气爆炸事故现场获取的多个评估参数与各评估模型中作为常量的评估参数一致的个数。
举例说明：
假定某工厂发生氢气燃爆事故，现场事故调查发现，爆炸事故始发于三车间，发生爆炸的车间尺寸(长×宽×高)为5m×3m×2.8m，房间窗户所在的墙面尺寸3m×2.8m，窗户尺寸(宽×高)为1.5m×1.5m，窗体玻璃开启压力20kPa，开启时间0s，现场氢气浓度为30％，下面对现场爆炸事故外部爆炸强度进行评估，具体步骤如下：
根据获取的氢气爆炸事故现场的评估参数，评估对象关键技术参数为：氢气体积浓度
Figure BDA0003200243100000094
房间尺寸(长×宽×高)为5m×3m×2.8m，窗户尺寸(宽×高)为1.5m×1.5m，窗体玻璃静开启压力pv＝20kPa，开启时间0s。
计算泄爆面泄放系数Kv。
根据掌握的泄爆面尺寸(宽×高)计算泄爆面积Av，Av＝宽×高＝1.5m×1.5m＝2.25m2；
根据掌握的房间尺寸(长×宽×高)计算房间体积V，V＝长×宽×高＝5m×3m×2.8m＝42m3；
将参数AV＝2.25m，V＝42m3同时带入公式Kv＝Av/V2/3进行计算，得到Kv。
Kv＝Av/V2/3＝0.186
由于获取的氢气爆炸事故现场的评估参数中，开启压力、开启时间和氢气浓度均为预设的常量。
所以本例中选择公式
Figure BDA0003200243100000091
作为评估模型。
进一步的，根据评估参数，基于最优评估模型，得到氢气爆炸室外超压强度，包括：
在评估参数中选择最优评估模型需要的作为变量输入的评估参数，输入最优评估模型，得到氢气爆炸室外超压强度。
基于上述举例，计算氢气爆炸室外超压强度Pe，将上述步骤得到的参数泄放系数Kv＝0.186代入公式
Figure BDA0003200243100000092
进行计算：
Figure BDA0003200243100000093
由此可得，评估结果为此次爆炸强度为53.784kPa。
一些实施例中的气体约束泄爆室外超压灾害评估方法，还包括：
若具有至少两个一致性最高的评估模型，则根据评估参数，得到各一致性最高的评估模型分别对应的氢气爆炸室外超压强度；
以得到的氢气爆炸室外超压强度中的最高氢气爆炸室外超压强度为最终氢气爆炸室外超压强度。
本实施例中，针对一些特殊情况，例如氢气爆炸事故现场的评估参数中有两个为预设的常量，另外两个与预设的常量不同。此时应选择包含这两个预设常量的模型分别计算其对应的氢气爆炸室外超压强度，由于实际实施时，要以氢气爆炸的最高危害来进行事故调查评估，所以本实施例中以得到的氢气爆炸室外超压强度中的最高氢气爆炸室外超压强度为最终氢气爆炸室外超压强度。
举例说明，若氢气爆炸事故现场的评估参数为开启压力30kPa、开启时间1s，氢气浓度30％，泄放系数0.34所对应的泄爆面尺寸。
则选择开启压力和开启时间为变量的两个评估模型同时进行评估，以其得到的氢气爆炸室外超压强度中的较大值为最终氢气爆炸室外超压强度。
一些实施例中的气体约束泄爆室外超压灾害评估方法，根据所述氢气爆炸室外超压强度，基于超压伤害准则，得到氢气爆炸室外超压灾害程度，包括：
将最终氢气爆炸室外超压强度作为变量与超压伤害准则进行对照，得到氢气爆炸室外超压灾害程度。
本实施例中，在超压伤害准则中，将最终氢气爆炸室外超压强度作为变量与超压对人体和建筑伤害准则进行对照，得到氢气爆炸超压伤害程度。
参照图6所示不同超压强度对人体和建筑的灾害程度。
基于上述举例，得到氢气爆炸室外超压强度Pe＝53.784kPa，与超压对人体和建筑伤害准则进行对照即可得出此超压强度对人体灾害在中伤至重伤程度区间，对建筑灾害在次严重破坏程度区间，由此可以得到该氢气爆炸对人体灾害在中伤至重伤程度，对建筑灾害在次严重破坏程度。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种气体约束泄爆室外超压灾害评估方法，其特征在于，包括：
基于评估要求，获取氢气爆炸事故现场的多个评估参数；
根据获取的所述评估参数，在预设的多个评估模型中选择符合所述评估参数的最优评估模型；
根据所述评估参数，基于所述最优评估模型，得到氢气爆炸室外超压强度；
根据所述氢气爆炸室外超压强度，基于超压伤害准则，得到氢气爆炸室外超压灾害程度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
获取氢气爆炸事故现场的实验评估参数；
基于所述实验评估参数训练所述评估模型；具体的，所述评估模型将多个评估参数中的一个评估参数作为变量输入，将其他评估参数作为常量，并基于作为变量输入的评估参数得到氢气爆炸室外超压强度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据获取的所述评估参数，在预设的多个评估模型中选择符合所述评估参数的最优评估模型，包括：
判断所述评估模型中作为常量的多个评估参数与所述氢气爆炸事故现场的多个评估参数的一致性；
将一致性最高的评估模型确定为符合所述评估参数的最优评估模型。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述评估参数，基于所述最优评估模型，得到氢气爆炸室外超压强度，包括：
在所述评估参数中选择所述最优评估模型需要的作为变量输入的评估参数，输入所述最优评估模型，得到氢气爆炸室外超压强度。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：
若具有至少两个一致性最高的评估模型，则根据所述评估参数，得到各一致性最高的评估模型分别对应的氢气爆炸室外超压强度；
以得到的所述氢气爆炸室外超压强度中的最高氢气爆炸室外超压强度为最终氢气爆炸室外超压强度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述氢气爆炸室外超压强度，基于超压伤害准则，得到氢气爆炸室外超压灾害程度，包括：
将所述最终氢气爆炸室外超压强度作为变量与所述超压伤害准则进行对照，得到所述氢气爆炸室外超压灾害程度。
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