天然气内爆炸的多重约束协同效应机制及灾害定量评估研究

20221115

科学研究和技术服务业

通过系统研究已经取得典型民用建筑下的天燃气爆炸多重约束协同效应机制，现有成果较为成熟，可以对相关燃气爆炸开展事故调查分析，或对民用厨房燃气爆炸开展快速评估。与现有技术相比，本成果具有的优越性和创新型主要包括以下几点： （1）从民用建筑特征出发，深刻诠释内外部多重约束对气体爆炸的协同作用机制，系统揭示普遍存在的大尺度拥塞物对天然气爆炸灾害的影响机制及规律，有效弥补小尺度拥塞物相关成果在指导民用天然气爆炸事故防治中的局限性。获取了大尺度拥塞物对约束泄爆火焰结构及超压的影响以及典型拥塞物作用下约束泄爆过程中预混火焰峰面形貌特征。基于数值模拟分析了典型大尺度拥塞条件下泄爆面开启压力、泄爆面积等特征参数对室内湍流、火焰及超压的影响规律； （2）阐明复杂多重约束下爆炸超压发展阶段及其多峰结构的形成机制，进一步明确复杂约束特征对不同超压峰值的影响，进而揭示出爆炸火焰及超压随时间、空间的演化规律，为准确评估爆炸灾害奠定理论基础； （3）在全面考查爆炸与结构相互作用的基础上，建立了适用于不同拥塞物布置特征的民用厨房内天然气爆炸灾害定量评估方法，有效弥补TNT当量法、TNO多能法等传统爆炸评估方法对气体爆炸灾害的不适用性，使爆炸灾害评估结果更加科学、准确。基于前述爆炸超压定量评估方法，开发了相应的峰值超压评估软件，可以通过选取厨房户型并输入天然气浓度、窗体面积、窗体开启压力等参数，快速求解室内天然气爆炸峰值超压，并结合爆炸超压伤害准则，获得房间内爆炸超压对人员的伤害等级，实现了民用厨房内天然气爆炸灾害的快速评估。 目前科技成果转化已完成科技成果产品化，通过将科技成果与实际社会需求相结合，已经开发出满足实际需求的爆炸灾害评估软件系统平台，并且根据此产品获取两项软件著作权和两项发明专利申请。在此基础上，将进一步利用科技中介转化机制将本科技成果在不同经济实体之间进行转化，实现科技成果商品化。

本科技成果基于数据调查和相关标准推出适用于最普遍房间结构的气体爆炸灾害评估软件系统平台，在后续与拟合作方进行合作的过程中将进一步完善本科技成果，提高系统平台的适用性和准确性。因此，拟合作方需提供充足的资金以支持本科技成果的完善。如拟合作方存在对特殊结构房间布局的爆炸灾害评估需求，将促进本科技成果的完善升级，这种情况下将会获得本科技成果的优先选择。 本科技成果在与拟合作方合作期间，存在开展相关爆炸实验的需求，因此，对于具有开敞空旷且能实现爆炸试验场地的合作方将优先选择与其开展相关合作。 气体爆炸灾害评估系统平台是基于相关气体爆炸试验原始数据，通过统计分析获取爆炸致灾机制为理论基础而创建的。在后续完善升级中同样离不开气体爆炸试验，因此，能满足相关气体爆炸试验设备设计、制造和采购等方面的拟合作方将会被本科技成果优先选择。 此外，由于本科技成果与拟合作方之间的合作以技术服务方式完成，拟合作方应满足以下几项基本条例：

1. 技术服务合同内容要明确、具体地注明当事人双方的权利、义务和违约责任。在技术服务合同履行过程中，本方利用拟合作方提供的技术资料、工作条件所完成新的技术成果和创造发明，除另有所约外，属于本方。同样，拟合作方利用本方的工作成果完成新的技术成果和创造发明，除另有所约外，属于拟合作方。
2. 技术服务合同文字表达要准确、严密，语言要简洁、规范，不能出现有歧义的词语，以避免不必要的争议。
3. 技术服务合同签订后要进行法律公证，以保证合同的监督和执行。

可国（境）内外转让

（1）应用于爆炸事故调查与分析 气体爆炸危险源致灾能量的释放机制对约束边界极为敏感，现有爆炸灾害评估方法难以准确刻画出多重约束边界对气体爆炸灾害的显著影响。本项目拟建立的爆炸灾害评估方法充分考虑了气体爆炸与复杂约束边界的耦合作用，适用于天然气等典型可燃气体爆炸及约束泄爆的灾害评估。基于该评估方法可准确分析并得到爆炸特征和致灾能量释放规律，揭示爆炸事故发展的真实进程，辅助完成安全监管部门开展的事故调查分析工作，为同类事故的预防控制提供借鉴。 （2）应用于建筑结构防控爆设计与评估 民用建筑防控爆设计与灾害评估目前主要针对恐怖爆炸等点爆源形式，对天然气等非点源爆炸仍基 于传统的点源爆炸评估理论来完成，以至于难以真实反映事故机理，造成较大偏差。然而，近年来频繁 发生的民用天然气爆炸事故使得科学界不得不从气体爆炸安全理论的层面进一步深入思考民用建筑防控爆安全设计。 基于本项目研究成果可以更科学、准确地完成民用建筑结构的防控爆安全设计与评估。首先，在建筑设计阶段，通过调整泄爆面等约束边界特征，能够得到风险可接受的天然气爆炸超压载荷，进而为建筑结构的抗爆泄爆设计提供决策支持；其次，对正在服役的建筑结构，可基于已知的约束边界特征，得到室内超压载荷和致灾能量，进而实现爆炸风险评估；再次，爆炸事故发生以后，结合约束边界特征和天然气量、点火源位置等实际事故特征，可以准确得到事故产生的超压载荷和致灾能量释放率，进而为事故建筑的抗爆加固提供指导。此外，基于不同种类可燃气体在受限空间内爆炸动力学演化机制的共性特征，本项目研究成果亦可为民用建筑内其他类型可燃气体（如 LPG 等）爆炸及工业厂房气体爆炸事故提供一定的科学借鉴。

2022年结项科技重点项目

北京市教育委员会

以典型民用厨房天然气爆炸灾害为对象，系统研究揭示门窗等泄爆面与家具等内置大尺度拥塞物的协同作用机制及规律,建立基于厨房布局的天然气爆炸峰值超压评估方法及评估系统。 本成果采用数值模拟为主、典型事故案例及理论分析为辅的方法开展研究。数值模拟贯穿项目各部分研究，利用气体爆炸专用仿真软件，在与现有文献中的实验结果和典型事故案例对比、优化的基础上建立了大尺度气体泄爆数值方法，进而系统研究了多种工况下涵盖内部爆炸、约束泄爆、外部二次爆炸的瞬态全流场特征。在理论分析方面，借助流体力学和气体爆炸基本原理，分析数值模拟所得爆炸灾害的分布规律。此外，在构建灾害评估方法时，通过对数据回归分析提炼出多变量之间的函数关系，并通过系统集成构建灾害评估系统。 首先，泄爆面与拥塞物存在协同促进作用，诱发室内超压随时间的“五阶段、四峰值”总体发展特征，峰值超压与泄爆面特征存在特定关联规律。其次，拥塞物尺度特征对爆炸流场具有促进/阻碍双重效应，拥塞物截面突变加剧燃烧，体积拥塞率的增加将降低室内峰值超压和加剧泄爆口外部二次爆炸。再次，门与窗存在耦合泄爆效应并削弱室内峰值超压，门窗对称泄爆较非对称泄爆的削弱效果更为显著。最后，借助回归分析建立基于厨房布局的天然气爆炸峰值超压评估方法及评估系统。 预期成果为民用建筑天然气爆炸灾害评估预测和事故调查提供科学依据，并为建筑防控爆设计提供理论依据和科学决策。