爆炸效应（精选四篇）
爆炸效应 篇1
1 软土爆炸成腔效应研究现状
炸药在土中爆炸时, 如果装药深度较小或是装药量较大, 将形成外部作用, 即上部形成爆炸漏斗坑, 下部形成一个与漏斗坑底部贯通的爆腔, 如图1所示;相反, 如果装药深度足够大或是装药量较小, 爆炸作用达不到地表, 将产生内部作用, 不会形成地表破坏, 即不会形成爆破漏斗, 柱状药包爆破会形成一个椭球体的爆破腔体, 如图2所示。由于土是多孔隙、可压缩介质, 内部作用和外部作用都会在药包周围形成压缩空腔, 空腔周围一定范围内的土地被压密实。黄承贤[1]根据软土爆炸的力学效应与爆扩痕迹将爆炸作用区域划分为5个区:空腔区、压碎压密区、压密胀裂区、挤密区和完整区 (震动区) 。可简单地将其划分为爆炸空腔区和压密区, 国内外学者对软土爆炸成形 (包括爆破漏斗、爆炸空腔及爆炸裂隙) 和压密效应进行了大量研究, 取得了很多成果。
1.1 爆炸空腔成形研究现状
原苏联Koлoκo B (1967) 用电磁探针测得了砂中爆炸空腔发展的后期过程, 随后, Aлbтшyлep又用X光透视法研究了砂中爆炸空腔的初始阶段, 得到了砂中爆炸空腔发展的全过程, 但由于他们所用炸药和砂都不相同, 使得两者之间不能完全对应起来;许连坡 (1982) [2]用X光透视法研究土中爆炸空腔和腔壁裂缝的发展过程后认为, 软土松散度、饱和度以及爆源对爆腔的形成速度及爆腔大小都有很大影响。
陶纪南 (1985) [3]将单个条形药包土中外部作用的爆破成型称为半压缩爆破成型。半压缩爆破成型可分为抛掷漏斗坑和压缩腔体两部分, 阐述浅层垂直条形药包土中半压缩爆破成型试验以及在高水位地区基坑开挖的应用情况。在此基础上, 建立了计算爆破漏斗坑各主要参数的经验公式, 并在实践中初步验证了这些公式的正确性。秦明武[4]通过分析黄土中条形药包空腔爆炸结果发现, 条形药包空腔爆破是一种较好的装药结构, 空腔比为4-5时爆破效果较好, 而以4.5左右为最佳, 同时分析了土中条形药包空腔爆破抛掷堆积效应, 与密集装药相比, 条形药包空腔爆破有利于提高爆炸能量利用率, 具有炸药单耗低、抛掷方量多、爆堆集中等优点, 条形药包空腔爆破为远抛距、缓山坡、多面临空等不利地形地爆破开创了新局面。龙源等[5] (1988) 通过X光观察无限土介质中条形药包爆炸空腔发展的现象, 发现空腔发展符合幂函数规律, 空腔运动过程受装药的传爆特征、空腔长径比和裂缝出现时间的影响, 同时用拉格朗日有限差分法对条形装药土中爆炸的冲击波和空腔参数进行了一维对称数值模拟, 得到了冲击波、爆炸空腔参数与X光摄影数据基本一致的结论。
近年来, 随着计算机模拟技术的发展, 很多学者将该技术用于土介质爆破的研究, 取得了理想的效果。王清洁等[6] (2002) 应用Ls-dyan3D有限软件进行土介质爆破模拟发现, 该软件模拟爆炸空腔的形成与发展是可行的, 空腔最大半径、质点最大速度、介质最大压力、最大密度等计算结果与实验结果吻合较好。任晓亮等[7] (2010) 应用该软件模拟大半径装药土中爆炸扩腔过程可知, 不耦合装药的扩腔位移相对较小, 到达腔壁的压力峰值相对较弱, 可以改善爆破能量在传递中的匹配关系, 进而可减小对腔壁的破坏作用。韩宝成等[8] (2002) 也用该软件进行了土中爆炸成腔的三维模拟, 结果表明, 数值模拟的爆腔直径与实验所得基本相符。陈亚娟等[9] (2010) 通过数值模拟了球形装药在半无限土介质中爆炸产生爆炸波的传播过程, 找出了爆炸波在土介质中随时间和空间的传播规律, 根据计算结果研究爆炸作用下土介质动力学响应, 得到半无限介质中爆炸自由面稀疏作用决定土中应力场分布与变化规律, 是空腔形成与发展、鼓包运动规律的主要影响因素, 并得到了随着比距离的逐渐增大, 最大主应力逐渐衰减的规律。
王海亮等[10] (2001) 通过理论计算和实验研究认为, 球形药包土中爆炸形成的腔体半径与炸药密度、爆速、药包半径或药包质量呈正比关系, 与成腔位置以及土壤天然密度及装药深度呈反比关系;对于同一土介质, 不同炸药的比例系数之间存在固定的换算关系。穆朝民等[11] (2010) 通过对土中不同比例埋深的爆炸成坑和压力传播规律的试验研究, 得到了土中爆腔比例半径、装药下方压实比例半径与装药比例埋深的关系, 并给出了爆腔半径经验公式。
在土介质中通过爆炸形成空腔, 条形药包爆炸成形可用于桥梁和建筑物桩基和基坑开挖, 土介质中集中药包爆炸成腔, 可用作地下水窖、油库等。这种成形方法具有效率高、成本低等优点。如果同时与爆炸衬砌技术结合起来, 效果会更加明显。
1.2 软土爆炸压密效应研究现状
爆炸压密对于饱和砂土和粘性土的作用原理不同, 对于饱和砂土是利用埋植于土体中的炸药爆炸急剧释放出的能量破坏砂土颗粒初始结构, 使得孔隙水压力升高, 砂土液化, 砂土颗粒在自重或其他外荷载作用下重新排列到更加紧密的结构, 强度大大提高。对于含水量较少的粘性土, 土中还有空气、水, 在炸药爆炸急剧释放能量的作用下, 气体孔隙变小, 孔隙水压力增大, 水被挤出。
爆炸压密效应的研究最早开始于1932年。随后, 挪威学者O.Kulnlneneje等[12] (1961) 认为爆炸可以使饱和砂土液化而产生一定的沉降, 从而使砂土更加密实, 地基稳定性和承载力提高。Byron等[13] (1963) 对无粘性砂土爆炸研究认为, 砂土的密实是由于爆炸荷载作用下砂土密度增加的过程;完全饱和砂土比不完全饱和砂土更易发生液化;沉降量与距爆源距离的平方成反比, 药包放在有待密实砂土其厚度的2/3处时, 密实的效果更好。Barendsen and Kok[14] (1983) 认为爆炸产生的剪切应力是爆炸密实法的一个重要动力, 剪切应力使得砂土体的原状结构破坏, 砂土颗粒结构重新排列成紧密的结构, 但没有详细描述爆炸应力作用于土体的过程。许连坡等[4] (1985) 认为软土爆炸时, 波后介质被压密, 形成压密层, 其厚度随着时间逐渐增大;压密层中的介质则发生变形和流动, 到中后期还出现裂缝。
Narin Van Court[15] (1997) 对爆炸密实法进行详细分析认为, 炸药爆炸以冲击波压力和气体压力两种形式向土体释放能量, 将整个密实过程用爆炸冲击波压力、爆炸气体压力、体积应变、超孔隙水压力和液化、剪切波分别作用的过程进行了描述。王仲琦等[16] (2001) 对采用不可压缩介质作垫层、利用炸药爆炸作用挤压粘土形成地下空间进行数值计算, 建立了爆炸挤压垫层和粘土的力学模型, 得到了爆炸作用下粘土密度变化的分布规律;同时发现, 爆炸挤压后粘土密度最大可以提高到原来的1.11倍, 密度变化区域的半径约是装药半径的34.6倍, 与爆炸挤压实验的土体密度测试得到的变化规律相似。Stephen A A (2001) [17]通过砂土试验研究指出, 饱和砂土中骨架的体积应力应变关系可以分3阶段进行描述:分别为弹性阶段, 孔隙闭合阶段和完全密实阶段。B.Grigori Muravskiiy (2001) [18]从理论上研究了爆炸冲击荷载作用下横观各向同性弹性介质的振动控制方程。
张志毅 (2002) 等[19]分析了爆炸处理地基试验过程中孔隙水压力变化过程、地表沉降量、触探试验值、土样物理力学性质指标和压缩空腔的变化。国胜兵 (2004) 等[20]通过数值模拟表明, 准饱和土中含有的气体对爆炸压缩波传播以及砂土动力特性具有重要影响。赵跃堂 (2007) 等[21]应用数值模拟, 分析了三相饱和土介质中的爆炸波传播及其与结构的相互作用问题。V.R.Feldgun (2008) [22]考虑内部炸药爆轰、冲击波在巴扎气体中的传播及相互作用、土结构的动力响应等要素, 提出模拟地下爆炸成腔的一种全面方法, 对土中爆炸过程、气体动力问题、弹塑性土壤的迷失、剪切特性和土结构相互作用都做了详细分析。
潘强等[23] (2011) 通过实验发现粘质粉土爆炸压密的可重复性强, 压密效果较稳定;炮孔直径为48mm时, 最大压密范围为70cm, 最大压缩比为1.055;不耦合装药内部爆炸时, 压密范围、最大压缩比和平均密度的理论值随不耦合系数呈递增变化, 不耦合系数为1.2时, 压密范围和压密程度达到最佳;给出了准确性较高的土介质爆炸压密计算公式。同时通过数值模拟发现[24], 爆腔半径随着药卷尺寸的增大呈线性增大的规律, 随着药卷尺寸增大压密范围和压密程度呈现先增后减的趋势。
2 土介质爆炸研究存在的问题及发展趋势
综上所述, 目前, 国内外关于土介质爆炸特性的研究主要集中在以下方面:土是多孔介质, 土中的气体含量、含水量、密度等对其爆炸特性都有重要影响。炸药在土中爆炸后, 爆炸气体迅速膨胀并形成爆炸冲击波和爆生气体, 在爆炸冲击波和爆生气体的共同作用下, 土骨架被挤压成腔的过程中水分排出、气体压缩而形成空腔, 并在腔壁产生裂隙, 同时引起土体原有力学性质的改变。然而, 长期以来, 有关土体爆炸问题的研究都是在力学的理论推导、模型和现场实验基础上获得的经验公式, 但由于被爆炸的土介质本身的差异性, 使得不同地区甚至相同地区的土介质上获得的爆炸理论没有普遍应用价值。
爆炸效应 篇2
广西田东石油化工总厂有限公司位于广西田东县城北部, 距县城约1km, 公司西面厂界边缘集中布置液化气球罐区, 共设单个容积1000m3的高压常温球罐8个, 其中液化石油气球罐5个、丙烯球罐2个、丙烷球罐1个。根据《危险化学品重大危险源辨识》 (GB18218) 、《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》 (国家安全生产监督管理总局令) 中的规定, 球罐区构成一级危险化学品重大危险源。
2 危险因素辨识
广西田东石油化工总厂有限公司球罐区所储存的物质均为易燃液化气体。一般情况下, 物质在密闭的系统中储存、运行, 不与空气接触, 不会发生危险, 但由于材料缺陷、腐蚀破坏、操作不当、阀门或连接法兰密封不良等原因, 可能引起储罐、管道发生泄漏, 泄漏后遇静电火花、电气火花、机械火花、明火等点火源极易引起火灾爆炸事故。
3 液化气罐区爆炸事故多米诺效应定量评价
广西田东石油化工总厂有限公司球罐区设置的液化石油气球罐5个, 数量最多, 因此, 本液化气罐区爆炸事故多米诺效应定量评价选取液化石油气罐作为评价对象。液化石油气罐区能量密度高, 若发生液化石油气球罐火灾爆炸事故, 冲击波有可能导致本罐区及附近其它罐区的多米诺连锁影响, 造成其它罐发生连锁爆炸。
对冲击波造成装置破坏的定量评价, 高压容器采用如下模型:
式中:Y———设备失效概率单位;
Ps———为峰值静态压力 (Pa) , 采用TNT当量法计算。
3.1 区域情况
液化气罐区及其临近储罐区布置示意图见图1。选取图中1号罐为初始事件, 计算事故的爆炸超压对邻近设备发生二次事故的概率。
3.2 模拟分析
(1) TNT当量计算
TNT当量法关键模型:
式中:WTNT———单位kg;
A———为蒸气云当量系数 (统计平均值为0.04, 占统计的60%) ;
W———为蒸气云中可燃气体质量, kg;
Q———为可燃气体的燃烧热, J/kg;
QTNT———为TNT的爆炸热, J/kg (4230~4836k J/kg, 一般取平均4500k J/kg) ;
Z———为R处的爆炸特征长度;
Ps———为R处的爆炸超压峰值。
根据公式 (2) 、 (3) 、 (4) 计算, 结果见表1。
(2) 设备失效概率单位计算
将表1的计算结果, 代入公式 (1) 计算设备失效概率单位Y的值, 计算结果见表2。
(3) 超压对周围设备损害的概率计算
超压对周围设备损害的概率计算可根据下面公式计算:
式中:P———设备损害的概率;
Y———取表2中对应数值。
超压对周围设备损害的概率计算见表3、图2。
(4) 结论
以上评价可以得出, 当1号液化气罐发生爆炸后, 产生冲击波的超压, 对100m范围内其它高压储罐的破坏概率为1.00, 即2~8号罐以及东北面的液化气卧罐将发生连锁爆炸完全毁坏。对高压设备, 距离为150m左右时, 破坏概率为0.9177;距离在180m时, 破坏概率为0.5714;距离为200m时, 冲击波对其影响几乎为零。可见, 本工程液化气罐发生爆炸后, 其后果较为严重, 对周边储罐破坏较大, 必须采取严格的安全技术和安全管理措施, 避免事故的发生。
摘要：本文采用爆炸多米诺效应定量评价模型, 对广西田东石油化工总厂有限公司球罐区发生液化石油气球罐发生火灾爆炸事故后, 爆炸冲击波有可能导致本罐区及附近其它罐区的储罐发生多米诺连锁反应影响程度进行分析。
爆炸效应 篇3
Seveso法案是研究多米诺效应的重要参照标准, 指出了对重大事故进行风险分析并给予预防的必要性, 该法案于1996年确立, 2003年进行了修订。很多学者和相关企业对多米诺效应的计算模型进行了深入的研究。在碎片扩展模型方面, Gubinelli等基于爆炸碎片的角度建立了碰撞概率模型;也有一些学者引入Monte-Carlo方法分析爆炸碎片的危险。在超压扩展模型方面, Cozzani等建立了扩展概率模型并确定了扩展阈值, 同时通过统计分析, 对多米诺效应引起的风险进行了实例计算;Salzano等通过对蒸气云爆炸的分析, 计算出了单装置的多米诺事故风险。在热辐射扩展模型方面, Cozzani引入了容器失效时间;Landuccia等应用此模型进行了多米诺效应的有限元数值模拟。
笔者针对不同引发多米诺的事故形式进行分析, 针对性地提出不同的分析计算模型, 全面地对化工企业储罐区的风险进行评估。然后以实例为展示, 对储罐区布置条件下火灾和爆炸引发多米诺效应的风险进行计算分析, 为储罐的合理化布置提供理论依据, 为事故的具体控制方案和可采取措施提供指导。
1 多米诺效应的形成模式
在工业领域中, 任何从一个设备或者工业单元传播到另一个设备或者工业单元的事故, 或者从一个位置传播到另一个位置的事故都应该归类为多米诺事故。
化工企业有不同的压力设备, 特别是储罐等, 通常储存易燃的液体或者气体物质, 容易导致外部或内部事故。这些设备若发生爆炸或者火灾, 很容易导致工业设备、员工、周边人员、物品和环境等的一系列损害。这些损害可以分为三种主要的事故模式, 即超压冲击波、热辐射、碎片抛射。每种事故模式都存在一定的危险区域, 可能会成为导致多米诺效应的因子。当某一事故模式中的某种效应超过一定的阈值后, 就会对相邻单元造成损害, 导致其中存储的危险物品泄漏, 发生着火和爆炸, 进而引发新的事故, 即导致多米诺事故。Cozzani等基于以上3种事故模式对100起典型的多米诺效应进行了统计分析, 其分布特性如表1所示。
根据统计可以看出, 热辐射与超压冲击波是最容易引发多米诺事故的两种方式, 而且在易燃物质罐区火灾与爆炸事故很容易先后发生。因此, 对罐区因为火灾爆炸引发的多米诺效应进行分析十分必要。笔者针对热辐射与超压冲击波的事故形式进行分析, 综合评价化工企业储罐区多米诺事故的风险。
2 火灾爆炸引发米诺效应的评价方法
2.1 热辐射引发多米诺效应的评价方法
由热辐射引发多米诺效应的事故主要为储罐池火灾。由初始事故储罐池火灾热辐射导致的损伤, 是否会导致周围储罐发生失效, 主要由初始着火到火灾扑灭的时间和储罐周围受到热辐射的时间两方面决定。初始着火储罐池火灾得到控制的时间TE主要与消防应急能力、初始着火储罐直径、消防能力等因素有关。根据消防设备必须在事故发生5min内到达事故现场的规定, TE可由公式 (1) 计算得出。
周围储罐受辐射导致失效的时间TF是指临近储罐从初始储罐池火灾发生到本储罐在热辐射作用下失效的时间。Cozzani等的研究结果表明, TF可以通过式 (2) 计算得到。
式中:I为所计算的邻近储罐受到池火灾的辐射热通量, kW/m2;V为所计算的邻近储罐的体积, m3。
这样就可以建立由于热辐射引起多米诺效应的时间判据:若初始着火储罐池火灾得到控制的时间TE大于周围储罐受辐射导致失效的时间TF, 则认为临近储罐会发生失效, 火灾会产生多米诺效应;反之则不会发生多米诺效应。即在储罐池火灾下发生多米诺效应的概率如式 (3) 所示。
根据贝叶斯网络模型计算得到的条件概率可以得到各因素间影响程度的合理描述, 将其作为事故模式传播途径的依据, 可以此弥补储罐池火灾的多米诺效应计算中路径的不确定性问题。
以图1所示的4个对称布置的储罐为例, 由于考虑热辐射作为主要的事故模式, 在多米诺效应的贝叶斯网络模型中, 节点为池火灾多米诺效应范围内的所有储罐, 路径箭头始于发生初始事故的储罐1#, 并指向其他所有可能的节点, 由此得到该布置方式下储罐1#发生池火灾后引发多米诺效应的完整贝叶斯网络模型。
贝叶斯网络模型中可以通过计算先验概率得到后验概率, 由后验概率的性质, 通过计算储罐池火灾事故的多米诺效应中各储罐发生事故的后验概率, 确定多米诺事故中最大贡献的节点所在。后验概率的计算公式如式 (4) 所示。
式中:P (B|A) 为以事故A为初始发生事件的事件B发生的先验概率;P (A|B) 为与P (B|A) 对应的后验概率;P (A) 、P (B) 为事故A、B发生的概率。
2.2 爆炸冲击波引发多米诺效应的评价方法
由于传统的风险分析方法在储罐超压爆炸风险评估中均存在一定的劣势, 且针对性不足。因此, Eisenberg、Cozzani等均提出了如式 (5) 所示的Probit模型来专门定量计算由超压引发的设备破坏。
式中:Y为设备损伤概率对应的正态偏差;ΔPs为峰值静压, Pa;对于系数k1和k2, Eisenberg对所有类型设备采用了统一的数值, 而Cozzani通过统计分析, 将设备分为四种类型, 分别赋予了不同的系数, 如表2所示。经过多位学者的对比验证, Cozzani的模型更加合理, 笔者即应用Cozzani的Probit模型。
一定超压下设备发生损坏的概率的表达式, 如式 (6) 所示。
一定强度的超压不但会损坏设备, 严重时还会导致周围人员死亡。笔者为了评价储罐超压爆炸的多米诺事故的风险, 引入英国HSE的计算超压导致人员死亡的概率公式, 如式 (7) 所示。
对于考虑多米诺效应的情况, 个人风险为每个可能发生的多米诺事故的个人风险的总和。多米诺事故的频率, 采用初始事故频率与传播概率的乘积计算。对社会风险的评估, 计算个人风险与该风险等值线所围成面积的乘积, 用死亡人数与发生概率的关系图表示。
3 实例应用
某油库的布置如图1所示, 储罐区有1#、2#、3#、4#四个原油储罐, 直径10m, 相邻储罐间距4m, 储罐容积1 000m3。储罐区分为两个单元均匀布置, 其间建设有隔堤。假设1#储罐发生池火灾事故, 火灾未能得到及时扑灭, 然后发生了蒸气云爆炸事故。
用ALOHA计算储罐1#池火灾事故发生时其附近的辐射热通量。图2为计算得到的储罐间距与邻近储罐接受到的辐射热通量的关系, 并由式 (1) ~ (3) 计算得到不同位置储罐引发多米诺效应的概率。可以看出, 储罐区内发生池火灾多米诺效应的概率随储罐间距的增加而明显降低。计算得到的发生初始事故的1#储罐池火灾表面热通量为76kW/m2。一般将37.5kW/m2设定为稳态火焰中设备损坏和引发下一级事故的阈值, 与此阈值对应的水平距离为7.5m。2#、3#、4#储罐与1#储罐的距离分别为4、4、9.6m, 因此需要考虑多米诺效应。
为了计算引发多米诺效应最可能的路径方式, 首先建立储罐池火灾多米诺效应的贝叶斯网络模型。以储罐#4发生事故为多米诺效应的最终事故, 可以计算得到贝叶斯网络图和条件概率表, 得到4种多米诺事故对应的先验概率。根据贝叶斯法则, 计算以4#和1#储罐发生池火灾为结果事件和条件事件的后验概率, 结果如表3所示。可以看出, 发生多米诺效应最可能的情况为1#、2#和4#储罐依次发生事故。因此, 应该由发生事故概率最大的环节入手, 控制该最可能情景的发生, 即1#储罐池火灾引发的2#储罐事故的概率最大, 因此应在此环节加以控制措施, 如设置阻挡热辐射的屏障等, 切断该事故概率最大的链条。
储罐1#发生蒸气云爆炸事故后, 可以计算得到其临近区域内超压随距离的变化情况。当考虑储罐1#作为初始事故可能引发的多米诺效应时, 为了简化计算, 假定超压引发的二次事故均为池火灾, 其进一步传播事故的模式为热辐射;同时, 假设园区内人员呈均匀分布, 其分布密度为1.2×10-3人/m2。图3所示为储罐1#发生蒸气云爆炸、其超压引发其他储罐发生池火灾, 从而导致邻近区域人员发生死亡的个人风险和社会风险曲线。由计算结果可见, 人员死亡的风险随事故地点距离的增加而迅速降低;由于考虑了多米诺效应, 在距离事故地点最近的区域, 存在一个位置和形状不对称的高风险区, 同样在社会风险的结果中可以看出, 事故导致少数人死亡的概率较高, 即对应于个人风险图中的高风险区域, 这一现象在不考虑多米诺效应时是无法得到的。因此, 考虑多米诺效应后, 个人和社会风险会有所增大, 但更符合实际。Probit模型能够较好反映这一规律, 可为化工企业风险分析提供更合理的计算方法和更全面的评估依据。
4 结论
爆炸效应 篇4
近几年由于蓄意破坏或人为失误所造成的爆炸事故不断发生, 而爆炸对建筑物的损伤与破坏造成了巨大的生命和财产损失。因此, 对于易于遭受爆炸破坏的建筑物需要进行抗爆设计与加固[1]。
防爆挡墙可以减弱炸药爆炸产生的冲击波、碎片对建筑的危害。构筑防爆挡墙是抗爆设计的方式之一。
为了研究爆炸空气冲击波的传播规律, 验证防爆挡墙对爆炸空气冲击波的防护效果是否有效, 进一步了解爆炸空气冲击波在有阻碍物条件下的传播规律, 本文应用非线性显示有限元分析软件AU-TODYN建立了爆炸冲击波在三种情况下, 即无防爆挡墙、有防爆挡墙和宽度及高度增大了的防爆挡墙的传播模型, 进而分析防爆挡墙对爆炸空气冲击波的防护效应及影响因素。
1 防爆挡墙的作用
1.1 爆炸破坏因素
爆炸事故发生时, 引起破坏的因素大致如下:爆炸产物的直接作用;空气冲击波峰值超压和冲量的作用;固体抛掷物如石头、碎片向四周飞散的作用;地震波的传播。一般来说地震波的破坏远小于空气冲击波的作用;物体离爆炸点较远时, 爆炸产物作用不到, 对物体无影响;砖石、碎片等固体抛掷物, 对物体仅能造成局部破坏, 所以, 在研究爆炸安全时, 主要考虑空气冲击波的破坏作用, 其次考虑固体抛掷物的作用, 再次考虑爆炸产物的作用, 最后才考虑地震波的作用。
1.2 防爆挡墙的作用与意义
从爆源自身防护安全和周围建筑物、人员安全两个方面考虑, 易遭受爆炸破坏的建筑物附近应设置防爆挡墙。
尽管偶然的爆炸事故可能使挡墙遭受破坏, 但挡墙的设置可以减低爆炸破坏的程度, 如果挡墙在防护过程中受到破坏, 那么来自挡墙的二次碎片也必须作为危害评估的一部分进行考虑。
2 数值模型
2.1 空气模型
计算空气区域的尺寸为200m*150m*100m, 压强为101.325k Pa, 密度为1.293kg/m3。计算方法采用3D-Euler Gonunov算法。计算中网格划分数量为375000个。 (见图1)
2.2 爆源模型
爆源设定为质量6824kg、半径1m的球形裸装TNT炸药。炸药采用中心起爆, 爆心坐标为 (20m, 75m, 0m) 。本次计算采用Euler算法。由于计算区域较大, 划分网格数量较多, 为了使计算更加快速、方便, 在炸药起爆初始阶段, 采用1D-Eluer方式计算炸药的起爆, 待炸药起爆的到一定时候后再将结果映射到3D-Euler空气网格中去继续计算。1D-Eluer计算中网格划分数量为200个, 计算区域半径为10m。 (见图2)
2.3 防爆挡墙模型
工况2中挡墙长宽高分别为90m, 2m, 10m, 工况3中挡墙长宽高分别为130m, 2m, 20m, 挡墙迎爆面距爆心的距离都为136m。
实际工程中, 防爆挡墙一般采用混凝土结构。而本次计算挡墙设计在距爆心140m处, 由下述经验公式 (4) 计算得出, 距爆心140m (距离背爆面2m) 处上述药量爆炸产生的冲击波压力峰值为113.4k Pa, 远小于混凝土墙的屈服强度, 所以本次计算认为爆炸产生的空气冲击波不会对混凝土墙产生破坏效果, 即基本不会发生塑性形变。由上述分析认为本次计算中混凝土墙可以近似的看作是刚性墙, 在其他计算中, 也可以采用这种方式验算, 考虑是否需要用刚性墙代替混凝土墙, 可以减少计算时间。AUTODYN中Euler算法的缺省边界条件默认为刚性避免, 所以采用挖空Euler区域的方法等效的代替刚性墙。
3 材料模型及相关参数
3.1 高能炸药模型和J WL方程
裸装TNT炸药选用高能炸药模型, 该模型可以描述炸药的爆轰过程, 表1给出了计算中TNT炸药材料的参数值。
3.2 理想气体模型
空气采用理想气体模型, 材料参数见表2[3]。
高能炸药模型中材料压力p基本公式如下[2]
式中, 压力peos通过JWL状态方程计算, V为比容, E为比内能。F由下式进行计算:
式中, 时间t1为距离爆轰点最近点的爆轰终止时间, D为炸药爆速, Aemax为单元最大截面积, ve为单元体积。VCJ为CJ点比容值。高能炸药模型需要和JWL状态方程联用, JWL状态方程材料压力p基本公式如下:
式中, A、B、R1、R2和覣为常数, E为比内能, V为爆轰产物体积与未爆轰炸药体积之比。
3.3 球形TNT裸装炸药Backe r经验公式[4]
4 计算结果
4.1 工况1:无挡墙冲击波传播的模拟
计算结果说明与分析:探针16, 26, 36, 46的距地面高度分别为2m, 6m, 10m, 12m。由上述经验公式 (4) 计算的压强值为113.4k Pa, 与上图中108.3k Pa结果对照, 模拟结果与经验公式计算结果比较吻合, 误差不足5%。从而也初步验证了本次数值模拟是可信的。
计算结果说明与分析:探针1, 2, 3, 4距爆心距离分别为0m, 40m, 60m, 80m。从中可以看出明显的冲击波衰减现象。下图6为经验公式计算的冲击波衰减规律, 对比两波形基本类似。
4.2 工况2:冲击波作用于长90m高10m挡墙的模拟
计算结果说明与分析:和图4对比可知, 有挡墙存在后, 上述四点的峰值压力有一定程度的降低, 而且各点达到峰值压力的时间也不相同, 这显然是由于挡墙的防护效果引起的, 从中也可以看出存在挡墙确实起到了一定的防护效果。
5 结论
(1) 工况1模拟结果与经验公式计算结果比较吻合, 误差不足5%。从而验证了爆炸空气冲击波是随着距离的增加而衰减的。 (2) 构筑防爆挡墙确实可以降低爆炸空气冲击波的危害。 (3) 增高防爆挡墙的高宽度可以起到更好的防护作用。 (4) 防爆挡墙后方应该存在一个最佳的防护位置, 可以使爆炸空气冲击波的危害减小到最小。
摘要：本文采用ANSYS/AUTODYN软件, 研究了爆炸空气冲击波的衰减规律和防爆挡墙对冲击波的防护效应。分别在无挡墙及有挡墙防护的条件下, 对爆炸形成的空气冲击波作了计算分析, 并考虑了两种尺寸的防爆挡墙对爆炸冲击波防护效应的作用及影响。模拟结果表明, 爆炸空气冲击波衰减的规律与经验公式对比存在一定的可信范围内的误差;一座科学、合理设置的防爆挡墙确实能起到降低冲击波危害的效果, 而改变挡墙的尺寸, 可以影响防护效果的好坏。通过分析和模拟结果, 可以为爆炸安全的研究提供一定的依据和参考。
关键词：爆炸冲击波,防爆挡墙,数值模拟
参考文献
[1]LI Zhongxian, DU Hao, BAO Chunxiao.A review of current re-searches on blast load effects on building structures in China[J].Transactions of Tianjin University, 2006, 12 (Suppl.) :35-41.
[2]恽寿榕, 赵衡阳.爆炸力学[M].北京:国防工业出版社, 2005.
[3]张宝平, 张庆明, 黄风雷.爆轰物理学[M].北京:兵器工业出版社, 2006.