数值模拟研究BLEVE火灾中的火球

李健

摘要：在火灾侵袭作用下，低沸点可燃液体储罐可能会发生破裂，形成沸腾液体扩展蒸汽爆炸（BLEVE），喷射的可燃蒸汽遇火源会形成火球，对周围环境和人员造成巨大的损害。文章以LNG爆炸事故为例，采用FDS软件数值模拟研究火球的形态和热辐射强度，并评估火球的危害、得出相应的结论，希望能为大家提供参考。

关键词：火球;FDS;热辐射强度;喷射速度;风速

1  研究背景

液体储罐被广泛应用于许多领域，比如化工生产、车辆运输。储存可燃液体（如LNG和LPG）的储罐具有很大的危险性，一旦置于火灾环境中，很容易导致罐体破裂，形成射流火或火球（由沸腾液体扩展蒸汽爆炸造成），发出巨大的热辐射和爆炸波，对人员和建筑物造成巨大的危害。在2020年6月份，浙江温岭G15沈海高速上，一辆装有液化石油气的槽罐车发生了爆炸，爆炸发生时，LPG汽化在现场形成白雾，然后发展成巨大火球，根据爆炸事故特点确定本次爆炸事故为沸腾液体扩展蒸汽云爆炸[1]。此次罐车爆炸事故使得200多户居民及周边工厂内70多名工人受到波及，造成20人死亡，172人住院治疗，是一起重大事故，也是近20年来最严重的运输LPG槽罐车爆炸事故。因此，研究BLEVE火灾是很有必要的，能够为应急预案编写和应急救援策略提供可靠的数据支撑，保障人员生命安全。

BLEVE是1979年由Reid[2]提出，其含義为“外部热源侵袭条件下的罐体破裂造成压力骤降，导致过热液体剧烈沸腾，爆炸性向外扩散，液体四溅”，由此可知，BLEVE更容易发生在低沸点液体储罐中，其是一种物理爆炸。加拿大女王大学的Birk教授自20世纪90年代便开展压力储罐受热实验研究[3-5]，并给出储罐失效机理：压力储罐在受到外部热源侵袭时，罐壁温度会增加，屈服强度下降，罐壁会变薄;而罐内液体温度与罐壁进行对流换热，温度会增加，则会增加蒸发速率，导致气相分子数增加，同时气相受到液体和罐体的传热作用，温度也会增加，综合作用导致内部压力增加;同时，干壁和湿壁之间存在温度差，在罐体表面形成热应力。热应力与内部压力的矢量和超过罐壁屈服强度时，罐体便发生塑性变形，形成小孔洞。这时候气液便从小孔洞喷射而出形成射流，如果内部液体温度超过过热极限温度，则沸腾加剧，并撕裂小孔，最后导致整个储罐炸掉，形成BLEVE。如果液体是可燃的，那么BLEVE的后果就是火球（Fireball），也就是本文研究点。

在过去的几十年间，国外已经有很多实验用以研究火球的特征，包括火球高度和火球直径。然而，由于BLEVE火球实验耗资巨大，在国内很难开展。而FDS软件在研究火球特征方面表现出优越性：模拟结果与实验结果较为吻合，受到了国内外学者的青睐。Wang等人[6]采用FDS软件模拟丙烷的火球，模拟的火球高度和直径与Balke的实验[7]结果吻合较好，在此基础上，研究喷射燃料质量、喷射速度和风速对模拟结果的影响。结果表明，喷射燃料质量越大，火球的横纵比和火球直径越大。喷射质量超过10000kg时，火球对周围的热辐射骤增，因此罐车运输的LPG质量应控制在1000kg之内。随着出口速度的增加，火球的横向直径并没有明显改变，但是纵向直径和火球抬升速度增加很多。自然空气流动会促进空气和燃料云混合，使得燃料云燃烧速率增加，并且火球释放的辐射能量也会增加，但是火球的球形态会由于风的影响而受到破坏，球形变得不明显。Chen等人[8]同样采用FDS模拟火球，燃料为某化工厂的1，1二氟乙烷，选择2m的平面作为辐射面，以辐射剂量92（kW-2）4/3作为人员伤害临界值，评估火球对人员的辐射伤害。研究表明，在1，1二氟乙烷火球形成后，人员需要在10.7s离开化工厂或找到掩体。Rajendram等人[9]采用FDS模拟近海设备中的丙烷火球和射流火，并与火球的固体火焰模型进行对比分析。数值模型高估了火球高度，而FDS模型提供了一个比较准确的结果;FDS模型横向安全距离远大于数值模型计算的横向安全距离;火球中心区域的致死率很高，发生的时间很短暂，留给人员很少的疏散时间逃离火球。Sellami等人[10]对FDS模拟火球的具体参数设置进行探讨，通过与Balke的实验[7]进行对比分析，选用的湍流模型为Deardorff模型[10]，熄灭模型选用CFT（极限火焰温度）模型。研究结果表明，随着火球直径和高度的发展，爆炸区域的热通量强度下降，而较远区域的在增加（仅对距爆炸区域70m的范围有效）。

综上所述，FDS模型已被广泛用于模拟BLEVE中的火球。燃料在短时间内以巨大的速度从储罐内迸发并燃烧，形成火球。显然，火球的燃烧过程是湍流燃烧过程。在前人研究中，缺乏研究风速和喷射时间对LNG火球的影响。而LNG作为一类沸点极低的液化气，更容易发生BLEVE，火球危害更大。因此，笔者将采用FDS软件模拟LNG火球，并研究风速和喷射时间对火球的影响。

1.1  模拟场景建立

在LNG的BLEVE事故中，巨量过热的液态甲烷遇常温常压会瞬间汽化，并被点燃，形成火球。在本研究中，暂不考虑储罐破裂和甲烷喷溅的复杂过程，只研究巨量甲烷喷出并被点燃后的火球。采用版本6.6.0的FDS软件（基于PyroSim2018）建立模型如图1所示，中心方形绿色区域为甲烷喷射口，其边长为20m，喷射口中心坐标为（10，0，0），设置的反应的类型为甲烷喷出后，与氧气扩散燃烧。同时，在（25，0，2）沿X正方向在Z=2m的高度，每隔5m布置一个测点。供风口为左侧平面，沿X正方向供风，因此测点在下风向。采用LES模拟方法、CFT火焰熄灭模型和Deardorff湍流模型[10]。网格尺寸为2×2×2m，共计1000000个网格，模拟时间为10s，在Intel®Core™i3-7350KCPU@4.20GHZ的电脑运行时间为5个小时。

1.2  模拟工况

在BLEVE事故中，风速是不确定的，燃料的喷出时间是不确定的（保证燃料喷出的总质量5000kg不变，改变喷出速率以改变喷出时间），因此将喷出时间（或喷射速度）和风速作为变量。通过改变边界条件，研究风速和喷出速度对火球的影响，模拟工况如表1所示。

2  结果与讨论

2.1  实验与模拟对比

图2给出了实验与FDS的火球形态对比图，可以看出，FDS计算出的火球形态与实验火球形态很接近，这表明采用FDS模拟火球是可行的。

2.2  喷射速度对火球的影响

2.2.1  喷射速度对火球形态的影响

无风时的火球形态如图3所示，分别对应三种喷射时间：0.17s、0.25s、0.5s，噴射速度分别为：75m/s、

通过图3可以看出，在火球形成初期（2s），火球高度从左到右依次降低，表明在初期阶段，喷射速度越大，火球越高。这是因为，较高的喷射速度带动燃料来到更高的区域，而火球的形成是在燃料反应的区域，导致火球高度较高。但是在喷射初期，火球横向直径基本无变化，说明初期喷射速度对火球横向直径无影响，横向直径受喷射口直径影响，三者的喷射口直径保持一致，故而火球横向直径基本无变化。然而，随着燃烧的持续，a1的火球开始消失（6s），a2的火球随后消失（8s），而a3的火球在8s时仍然保持一定的形态。表明，喷射速度越大，火球持续时间越短。这是因为，较大的喷射速度对应更大的湍流度，导致甲烷分布区域更广泛，甲烷混合更均匀，造成甲烷燃烧速率增加，从而导致火球持续时间较短。

图4给出了无风时喷射口中心切片的温度分布，可以看出温度分布在一定程度上反映了火球形态的分布，与图3相对应。在火球初期（2s），超高温（1000℃）区域面积满足：a1>a2>a3，表明在火球初期，喷射速度越大，超高温区域面积越大。而在火球后期（8s），对于a1和a2，尽管火球已经消失了，但是仍然存在一定非常温区域，这是火球的残余温度。而对于a3，仍然存在超高温区域，这是因为a3的火球依然存在，未完全消失（通过图3可以看出）。

从图5可以看出，三个工况的最大热释放速率满足：a1>a2>a3，这是因为a1的喷射速度最大，燃料分布的更均匀，燃烧速率更大，所以在相同时间内释放的热量更大，所以最大热释放速率（HRRmax）最大，并且到达最大热释放速率需要时间满足：a3>a2>a1，这也和燃烧速率有关。而在火球后期阶段（6～8s），热释放速率却满足：a3>a2>a1，这是因为a3的喷射速度较小，燃料未能及时耗尽，在6～8s，仍有甲烷在燃烧，通过图3亦可以看出这个现象。

2.2.2  喷射速度对热辐射强度的影响

喷射口中心坐标为（10，0，0），同时在（25，0，2）沿X正方向在Z=2m的高度，每隔5m布置一个测点，测点始终朝向火球。分别取1、2、4、6s的测点的热辐射强度，如图6所示。可以看出在1～6s期间，所有测点的热辐射强度都在衰减，且1～2s的衰减幅度最大，表明火球形态在这个期间变化最大。在1～6s内，对于所有测点的热辐射强度，均满足：a3>a2>a1，但不可推测在整个燃烧期间，热辐射强度均满足这个规律，这是因为，在1s后，a3的火球燃烧最为剧烈，而a1和a2的火球已经过了剧烈时期。根据图5的热释放速率分布，在0.1～0.3s期间，a1的热释放速率最大，可以推测热辐射强度满足：a1>a2>a3。

根据图6，在1～2s期间，测点的热辐射强度随着距离的增加而呈现指数式衰减，与简化版的热辐射计算公式的规律保持一致。在6s时，同一工况不同测点之间的热辐射强度相差很小，这是因为火球在6s时，已经升到一定的高度，根据固体火焰模型，所有测点与火球之间的角系数相差很小，同时在4～6s期间，火球的热释放速率已经处于较低值，即火球温度较低，发出的辐射能也较低，二者共同作用导致，所有测点间的热辐射强度相差很小。

2.3  风速对火球的影响

2.3.1  风速对火球形态的影响

根据2.2的讨论，可以看出较高的喷射速度会导致火球过早消失，为了更好地研究风速对火球形态的影响，需要取较低的喷射速度工况，即a3、b3、c3，如图7所示。从左至右，随着风速的增加，火球向右偏离燃料中心（10，0，0）的程度在逐渐加大，这是因为风促使燃料湍流扩散向右偏移，风速越大，湍流扩散程度越大，导致火球偏移程度越大。在无风8s时，火球中心呈现中空，火球形态不明显。而在有风8s时，燃料的燃烧仍然呈现火球形态。这表明，对于BLEVE事故，风会降低燃料的燃烧速率，增加火球的持续时间，导致火球的危害持续更长的时间。

图8给出了风作用下的温度分布，在火球前期（2s），风速对火球温度的分布几乎无影响。而在火球后期（8s），随着风速的增加，温度分布由圆形逐渐变为椭圆形。

2.3.2  风速对热辐射强度的影响

图9给出了测点的热辐射强度，值得注意的是，这些测点均在下风向。在1s时，三条曲线几乎重合，说明风速对热辐射强度基本无影响。随着时间的推移，风速影响逐渐强烈。在2～4s时，测点热辐射强度满足：c3>b3>a3。这是因为测点在下风向，而火球由于风速影响，会朝下风向偏移，导致测点与火球之间的视角系数增加，高温区域也偏向下风向，二者共同作用导致c3的热辐射强度最大。同时我们也可以得出结论，在火球事故中，下风向是较危险区域，人员疏散方向应该朝着上风向。

然而，在1～2s期间，远场（测点横坐标>70）的热辐射强度基本等于0。随着火球的抬升，远场的热辐射强度逐渐大于0，但对于三个工况来讲，远场的热辐射强度差异很小。这表明，风速对远场的热辐射强度分布影响较小。

3  结语

本文采用FDS软件数值模拟研究LNG的BLEVE火灾中的火球形态和温度分布，并通过测点的热辐射强度评估火球危害，得出以下结论：

（1）喷射速度越大，则燃料燃烧速率越大，最大热释放速率最大，但火球持续时间最短;

（2）在火球初期阶段，喷射速度越大，超高温区域（1000℃）面积越大;

（3）风会促进火球朝下风向偏移，且风速越大，火球偏移程度越大，同时下风向的热辐射强度也会增加。因此，人员疏散方向为上风向。

（4）在火球前期（2s），风速对火球温度的分布几乎无影响。而在火球后期（8s），随着风速的增加，温度分布由圆形逐渐变为椭圆形。

（5）风的作用会降低燃料的燃烧速率，增加火球的持续时间。风速从0～5m/s递增，火球的最大热释放速率先减小后增加。

参考文献：

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Numerical simulation study on fireball in BLEVE fire

Li Jian

Hetian District Fire and Rescue Brigade of Xinjiang Province

Abstract：Under the action of fire， low-boiling flammable liquid storage tanks may rupture， forming a boiling liquid extended vapor explosion （BLEVE）. The injected flammable vapor will form a fireball when it encounters a fire source， causing huge damage to the surrounding environment and people. Taking the LNG explosion accident as an example， the paper uses FDS software to numerically simulate the shape and thermal radiation intensity of the fireball， evaluate the hazard of the fireball， and draw corresponding conclusions. It’s hoping to provide a reference.

Keywords：fireball; FDS; thermal radiation intensity; jet velocity; wind velocity