关于蒸气爆炸的理论研究

葛书杰 冯殿义

摘 要：总结了现如今阶段对蒸气爆炸（BLEVE）的认识、蒸汽爆炸的压力试验以及数值模拟的研究成果，分析了当前对于蒸气爆炸研究中出现的问题以及不足之处，并且提出了以后应该进行的研究方向。

关键词：蒸气爆炸；研究进展；数值模拟

Theoretical research on BLEVE

Shujie Ge. Dianyi Feng

（College of Mechanical and Automation，Liaoning University of Technology，Jinzhou，Liaoning121001，China）

Abstract：This paper summarized the current understanding ， pressure experiment and numerical simulation's research results of BLEVE， we analyzed the current problems and shortcomings in BLEVE research and put forward the research direction that should be carried out next.

Key words： BLEVE； Research progress； Numerical simulation

1 蒸氣爆炸的认识

BLEVE一词最早出现于1957年，PETERSON在分析盛装过热福尔马林和苯酚混合物的容器失效时，认为该容器发生BLEVE现象；BIRK等针对受热条件下的丙烷反应釜进行蒸气爆炸实验，提出两阶段蒸气爆炸理论。爆炸沸腾与常规沸腾差别很大，表现为汽泡初始压力和临界热流密度极高、过程极短、实验重复性高等特点。国内学者根据BLEVE机理建立相关模型。俞昌铭等分析研究冷爆炸现象，针对饱和状态液-气共存容器爆炸问题，建立较完整的物理数学模型；王三明等通过剖析BLEVE的发生、发展机理和条件，提出近地面抬升火球模型及爆炸超压模型；徐书根基于涨落理论，建立压力容器液相区的理论模型。1992年，日本某工厂的一个液态二氧化碳储罐发生破裂并引发了蒸气爆炸（BLEVE），半个工厂完全几乎被爆炸释放出的能量炸毁，方圆400米内的房屋及车辆受到严重破坏，此次事故导致了约5百万美元的经济损失。

2蒸气爆炸压力

2.1 试验研究

2002年林文胜[1]等人设计了一个模拟蒸气爆炸的阀门突然开启实验装置。将阀迅速打开，使容器内的压力快速下降，从而模拟出容器内可能发生的BLEVE现象，类似形成裂口而引发的蒸气爆炸现象。压力的峰值有时会接近或超过初始压力的峰值，大约为其的1.3倍，这是导致发生剧烈的蒸气爆炸的一个原因。

2004年林文胜[2]等人于上海交大设计了在不同充装率下的热响应实验，考虑到了热分层现象的存在，使用两种不同的加热形式，可以得到分层度 和 的液化石油气。由于存在分层区，从而减小了能量和压力反弹，从而使得发生BLEVE的几率减小。

以上实验研究，都是以水为介质研究的蒸气爆炸情况，考虑了影响爆沸的几个重要因素，对泄放口径的大小，充装率的大小，阀开度等因素的研究来研究爆沸的压力变化情况。

2.2 数值模拟研究

除了试验方法以外，人们还通过理论建模与计算的方式来对蒸气爆炸的问题进行研讨。

山东大学徐书根[3]于2010年基于涨落理论，建立压力容器液相区的理论模型。通过研究得到内部压力的变化和裂纹张开面积有关，泄露面积与蒸气爆炸压力反弹幅度成正比。爆炸的发生与载荷峰值的大小与泄露面积是互相关联的。并且以平阴尿塔为例来分析了这一结论。

大连理工大学叶志烜[4]于2014年进行数值模拟计算，详细说明了储罐内两相流动的特征存在于整个泄放过程，并且在原有实验数据的基础上通过FLUENT软件和CFD软件对充装率、相对增压量、降压速率以及泄放口径等参数的模拟对蒸气爆炸的爆沸强度的影响进行了分析与解释：增压倍数和升压速率随充装率的增大而上升；初始温度增加会导致相对增压量和降压速率都增加，初始温度越高，储罐越不安全；在泄放开始时，当开口处反弹压力临近初始压力时，液体不在发生气化时，但容器底部的压力要稍微低些，其气化速率更大些，可继续沸腾，导致两相流继续膨胀，使得容器超压。BLEVE是一个三维的流动问题，本文建立的是二维轴对称的数值模型，并且对于壁面有绝热简化，只是针对水为介质来进行的模拟计算从而得出一些定性的规律。因此想得到接近真实的工况模拟的数学模型还要考虑储罐内的介质、外界环境之间的传热机制等问题。

3 存在的问题

A.近几年的研究仅限于单一物质的蒸气爆炸现象，未在混合物上进行研究，缺乏理论研究方法与成果。同时对容器缺陷的而导致蒸气爆炸的评定也没有任何的判断依据。

B.在理论模型与数值模型中，大部分学者所建立的都为一维模型与二维模型，并且对壁面的分析做绝热简化，因此需要建立三维模型对容器侧壁等进行分析，无法对温度与压力在爆炸中的演变做出更为真实的反映。

C.现如今的研究对于容器长径比、泄放口径、初始压力、介质充装率进行研究，对两相介质进行进一步探索，但是蒸气爆炸的响应机理是一个十分复杂的过程，在实际生产过程中对于容器壁面与外界环境还存在着热量传递，对于容器内的介质，容器壁面，外界环境之间的传热机制都要考虑，能过得出更接近真实的数据与结论。

4 结论

通过对蒸气爆炸发生的机理和对蒸气爆炸的数值模拟和试验现状的论述，可以看出现在对于蒸气爆炸模型的研究还有些不足，对于接下来的研究：一是建立宏观的过降压极限模型，可以总结研究人员的数据，通过拟合得出过降压极限模型的基本公式；二是研究上部空间压力的变化对于泄放的影响，拟合公式。对这两项进行研究，对蒸气爆炸才会有更进一步的认识。

参考文献：

[1]林文胜，顾安忠，鲁雪生，弓燕舞.液化石油气蒸汽爆炸的模拟实验研究[J].工程热物理学报，2002（06）：678-680.

[2]林文胜，顾安忠，李品友.液化天然气的分层与涡旋研究进展[J].真空与低温，2000（03）：125-132.

[3]徐书根. 层板包扎容器多元物料蒸气爆炸及壳体力学响应研究[D].山东大学，2010.

[4]叶志烜. 液化气体储罐爆沸过程的数值模拟研究[D].大连理工大学，2014.