一种氢气管道化学爆炸冲击波强度预测方法

1.本发明涉及氢气管道设计领域，具体涉及一种氢气管道化学爆炸冲击波强度预测方法。


背景技术：

2.安全高效的输送是氢能产业链的重要组成部分，管道输送可实现低成本、规模化、长距离输送，广泛用于加氢站、燃料电池汽车、工业厂区等场景。然而由于氢气具有易燃易爆的特点，氢气管道服役中内部可能混入空气/氧气，存在潜在的化学爆炸风险。氢气管道爆炸会形成冲击波、破片、热辐射等危害，其中冲击波造成的危害往往范围最广、最为严重，因此预测氢气管道爆炸冲击波强度是氢气管道爆炸后果评估、风险评价的关键。
3.氢气管道化学爆炸过程为：管道内氢气爆炸使内部压力在短时间内大幅上升，在此瞬态高压作用下管道发生高速变形与断裂，同时断裂形成的破口使内部高压气体瞬间膨胀并剧烈向外释放，从而压缩外部空气形成冲击波向周围传播。氢气管道化学爆炸本质上是一个流-固-断裂高度耦合的过程，管道断裂行为及破口大小均对冲击波强度有不可忽视的影响。
4.目前氢气管道爆炸冲击波强度预测方法可分为：
①
理论/经验公式法；
②
数值模拟方法。前者首先计算爆炸产生的能量，之后依据tnt当量法或者baker-tang爆炸曲线等计算冲击波超压/冲量在距离爆心不同距离处的大小。该类方法的不足是：计算冲击波强度的公式或曲线本质上是针对开敞空间理想爆源(球形tnt炸药)提出的，用于氢气管道爆炸时无法考虑管道变形断裂对冲击波强度产生的影响，预测的冲击波强度与实际结果往往存在差别，准确度较低。而数值模拟方法则需要构建流-固-断裂耦合分析模型，此类模型往往构建难度高，且计算结果受管道材料本构模型、断裂模型的影响，存在对工程人员不友好，模型有效性、可靠性验证困难，实施周期长的不足。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提出一种氢气管道化学爆炸冲击波强度预测方法，该方法计入了管道变形断裂影响，且相对易实施。
6.本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
7.一种氢气管道化学爆炸冲击波强度预测方法，该方法包括如下步骤：
8.步骤一：忽略管道结构存在，采用计算流体力学软件对氢气管道内部的圆柱形混合气体和外部的环境空气建模，并对忽略管道存在造成的流体域空缺采用环境空气填补；在混合气体区域设置合适点火能，对管道内混合气体在开敞空间的爆炸进行仿真；
9.步骤二：根据仿真结果提取目标位置的峰值超压p
′
peak
与冲量i
′
；所述峰值超压为超压的最大值；所述冲量为超压与时间的积分；
10.步骤三：计算管道无量纲爆炸压力pn和目标位置的无量纲距离ln；所述管道无量纲爆炸压力pn为混合气体爆炸在管道内壁面位置产生的超压的最大值p除以管道极限爆炸承
载压力pu，即pn＝p/pu；所述无量纲距离为目标位置距离破口中心的实际距离l除以管道中径d，即ln＝l/d；
11.步骤四：根据管道无量纲爆炸压力pn和目标的无量纲距离ln，选择合适的缩放系数k1、 k2，对目标处冲击波峰值超压与冲量进行比例缩放，得到管道化学爆炸后目标处沿破口喷射方向形成的冲击波的峰值超压和冲量：
12.p
peak
＝p
′
peak
×
k113.i＝i
′×
k214.进一步地，缩放系数k1的取值由下表直接获得，或者，当下表中不存在对应的无量纲距离ln或无量纲爆炸压力pn时，则根据与ln或pn相邻的下表中的数据点线性差值获得：
[0015][0016]
进一步地，缩放系数k2的取值由下表直接获得，或者，当下表中不存在对应的无量纲距离ln或无量纲爆炸压力pn时，则根据与ln或pn相邻的下表中的数据点线性差值获得：
[0017][0018]
进一步地，pu由圆柱壳结构爆破压力计算公式或结构弹塑性有限元分析获得。
[0019]
进一步地，所述计算流体力学软件为ls-dyna、fluent、flacs中的任意一种。
[0020]
进一步地，当表中不存在对应的无量纲距离ln或无量纲爆炸压力pn时，则根据与ln或pn相邻的下表中的数据点线性差值获得缩放系数k1或k2的差值方式具体为：
[0021]
设与pn相邻的两个数据点为p1和p2，则先计算p1对应的ln线性差值得到的k1’
和k2’
，然后计算p2对应的ln线性差值得到的k
1”和k
2”，然后再用k1’
、k
1”线性差值出k1，用k2’
和k
2”线性差值出k2。
[0022]
本发明的有益效果如下：
[0023]
1.本发明的方法仅需构建混合气体爆炸计算流体力学模型，无需构建复杂的流-固-断裂耦合数值仿真模型，对工程人员更加友好，实施更为容易，缩短预测周期。
[0024]
2.通过定义不同爆炸压力与不同目标距离的缩放系数，定量考虑了管道变形断裂对冲击波强度的影响，相比现有理论/经验方法更加准确。
附图说明
[0025]
图1为氢气管道化学爆炸冲击波形成示意图。
[0026]
图2为冲击波峰值超压缩放系数k1的示意图。
[0027]
图3为冲击波冲量缩放系数k2的示意图。
[0028]
图4为实施例1中的混合气爆炸计算流体力学仿真模型。
[0029]
图5为实施例1中的目标处超压-时间历程示意图。
[0030]
图6为实施例2中的目标处超压-时间历程示意图。
具体实施方式
[0031]
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0032]
步骤一：忽略管道对混合气体爆炸进行计算流体力学建模与仿真
[0033]
查阅设计资料或实地测量获取管道的直径、壁厚和材质参数，分析管道运行工艺明确内部可能形成的氢气-空气或氢气-氧气混合气体的压力和各组分体积百分比，根据管道运行工艺或服役环境明确内部混合气体温度，明确环境空气温度。
[0034]
根据上述参数，忽略管道结构存在，结合ls-dyna、fluent、flacs等计算流体力学软件对内部圆柱形混合气体和环境空气进行建模，其中忽略管道造成的流体域空缺由环境空气填补。在混合气体区域设置合适点火能，对管道内混合气体在开敞空间的爆炸进行仿真。
[0035]
步骤二：根据模拟结果提取目标位置的峰值超压与冲量
[0036]
根据数值模拟结果提取目标位置处的超压-时间历程，如图3所示，超压的最大值记为名义峰值超压p
′
peak
，名义超压与时间的积分记为该处的名义冲量i
′
。
[0037]
步骤三：计算管道无量纲爆炸压力与目标的无量纲距离
[0038]
定义管道无量纲爆炸压力pn为混合气体爆炸在管道内壁面位置产生的超压的最大值p 除以管道极限爆炸承载压力pu，即pn＝p/pu，pu由圆柱壳结构爆破压力计算公式(如福贝尔公式)或结构弹塑性有限元分析获得。
[0039]
定义目标位置的无量纲距离ln为目标距离破口中心的实际距离l除以管道中经d，即 ln＝l/d。
[0040]
根据上述定义，计算管道无量纲爆炸压力pn和目标位置的无量纲距离ln。
[0041]
步骤四：对目标处冲击波峰值超压与冲量进行比例缩放
[0042]
如图1所示，管道化学爆炸后沿破口喷射方向(z向)形成的冲击波强度最大，本发明预测该方向的冲击波强度。管道变形断裂对冲击波强度产生的影响采用缩放系数k加以考虑，其中缩放系数k与管道无量纲爆炸压力pn和目标无量纲距离ln相关。优选的，针对描述冲击波强度的峰值超压和冲量两个关键物理量，对应的缩放系数k1、k2的取值如图2和图3所示。即，图4和图5中已有的数据点如表1和表2所示，当表1和表2中不存在对应的无量纲距离ln或无量纲爆炸压力pn时，则根据与ln或pn相邻的表1或2中的数据点线性差值获得。具体的差值方式如下：
[0043]
当表中不存在对应的无量纲距离ln或无量纲爆炸压力pn时，则根据与ln或pn相邻的下表中的数据点线性差值获得缩放系数k1或k2的差值方式具体为：
[0044]
设与pn相邻的两个数据点为p1和p2，则先计算p1对应的ln线性差值得到的k1’
和k2’
，然后计算p2对应的ln线性差值得到的k
1”和k
2”，然后再用k1’
、k
1”线性差值出k1，用 k2’
和k
2”线性差值出k2。
[0045]
表1缩放系数k1的取值表
[0051]
i＝i
′×
k2[0052]
下面通过两个具体实施例说明本发明的效果。
[0053]
实施例1
[0054]
某一6061-t6铝合金氢气管道，外径、壁厚、长度分别为41.28mm、0.89mm和0.9m，内部气体及环境温度均为300k，现混入了1/3体积的氧气，混合气体的初始压力为508kpa，在管道中心发生了点火，点火能量较高，混合气体发生了爆轰(爆炸的一种)，现预测管道破口正上方202mm距离处的冲击波强度，包括峰值超压和冲量的大小。
[0055]
根据上述参数，忽略管道结构，采用ls-dyna软件对氢氧混合气体和外部空气进行建模，其中忽略管道引起的计算域空缺由外部空气补充，点火点设置于管道中心，如图4 所示。对氢氧混合气体在开敞空间的爆炸进行仿真。
[0056]
根据仿真结果提取目标位置(破口正上方、202mm距离处)的超压-时间曲线，如图5 所示。则目标位置的名义峰值超压p
′
peak
＝5.39
×
104pa，采用originlab软件对超压-时间曲线做积分处理，得到目标位置的名义冲量i
′
＝8.06pa
·
s。
[0057]
根据步骤1的数值模拟，提取氢氧混合气爆炸在管道内壁面位置(即混合气外表面处) 的超压的最大值p＝10.0mpa。结合ls-dyna软件对管道进行内压作用下的弹塑性分析，得到管道极限爆炸承载能力pu＝4.0mpa。则管道无量纲爆炸压力pn＝p/pu＝10.0/4.0＝2.5。
[0058]
根据专利对无量纲距离的定义，目标位置的无量纲距离计算为：ln＝ l/di＝202/(41.28-0.89)＝5.0。
[0059]
根据计算的无量纲爆炸压力pn和目标的无量纲距离ln，分别查图图2、图3，得到峰值超压和冲量的缩放系数分别为：k1＝1.59，k2＝1.65。
[0060]
则氢气管道化学爆炸在目标处的实际冲击波超压p
peak
和冲量i计算为：
[0061]
p
peak
＝p
′
peak
×
k1＝5.39
×
104×
1.59＝8.57
×
104pa
[0062]
i＝i
′×
k2＝8.06
×
1.65＝13.3pa
·s[0063]
试验测得的该氢气管道化学爆炸在目标位置产生的冲击波峰值超压与冲量分别为 8.54
×
104pa和13.6pa
·
s，预测值与试验值的误差分别为0.35％和2.2％。
[0064]
由以上分析可知，本专利合理计入了管道变形断裂对破口喷射方向冲击波强度的影响，峰值超压与冲量的预测结果较为准确。并且无需构建复杂的流-固-断裂耦合数值仿真模型，对工程人员更加友好，实施更为容易，缩短了预测周期。
[0065]
实施例2
[0066]
仍以上述管道为对象，若管道内混合气体初始压力为700kpa，其余条件与实施例1一致，现预测管道破口上方300mm处的冲击波强度，包括峰值超压和冲量大小。
[0067]
根据上述参数，忽略管道结构，采用ls-dyna软件对氢氧混合气体和外部空气进行建模，其中忽略管道引起的计算域空缺由外部空气补充，点火点设置于管道中心，对氢氧混合气体在开敞空间的爆炸进行仿真。
[0068]
根据仿真结果提取目标位置(破口正上方、300mm距离处)的超压-时间曲线，如图6 所示。则目标位置的名义峰值超压p
′
peak
＝2.50
×
104pa，采用originlab软件对超压-时间曲线做积分处理，得到目标位置的名义冲量i
′
＝11.07pa
·
s。
[0069]
根据步骤1的数值模拟，提取氢氧混合气爆炸在管道内壁面位置(即混合气外表面
处) 的超压的最大值p＝13.9mpa。结合ls-dyna软件对管道进行内压作用下的弹塑性分析，得到管道极限爆炸承载能力pu＝4.0mpa。则管道无量纲爆炸压力pn＝p/pu＝13.9/4.0＝3.475。
[0070]
根据专利对无量纲距离的定义，目标位置的无量纲距离计算为：ln＝ l/di＝300/(41.28-0.89)＝7.43。
[0071]
根据表1、表2(或者图2、图3)中数据线性插值计算缩放系数k1、k2，pn＝3.475位于[2.5,5]数据区间，ln＝7.43位于[7,8]数据区间，则首先插值计算pn＝2.5、ln＝7.43时的缩放系数，即k1’
＝1.48 (1.31-1.48)
×
(7.43-7)＝1.407,k2’
＝0.81 (0.72-0.81)
×
(7.43-7)＝0.771；进一步计算pn＝5.0、ln＝7.43时的缩放系数，k1″
＝2.29 (1.93-2.29)
×
(7.43-7)＝2.135, k2″
＝1.67 (1.37-1.67)
×
(7.43-7)＝1.541。最后计算得到pn＝3.475、ln＝7.43时的缩放系数，即 k1＝1.407 (2.135-1.407)/(5-2.5)
×
(3.475-2.5)＝1.69，k2＝0.771 (1.541-0.771)/(5-2.5)
ꢀ×
(3.475-2.5)＝1.07。
[0072]
则氢气管道化学爆炸在目标处的实际冲击波超压p
peak
和冲量i计算为：
[0073]
p
peak
＝p
′
peak
×
k1＝2.50
×
104×
1.69＝4.23
×
104pa
[0074]
i＝i
′×
k2＝11.07
×
1.07＝11.84pa
·s[0075]
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。