危险化学品爆炸成因、传播和破坏机理研究

To address key scientific issues in prevention, control and evaluation of explosion accidents of hazardous chemicals, investigations on explosion cause, propagation and disaster effect for the hazardous chemicals of alkane mixed gas are performed. The research includes: Firstly, the theoretical model is established for hazardous chemicals explosion induced by multi-factor, which reveals the initiation mechanism of hazardous chemicals driven by multi-field coupling, and presents the critical criteria of initiation. Secondly, the law of effect of initial state and constraint conditions of different geometrical configurations of hazardous chemicals on non-ideal explosion evolution is revealed, which illustrates the critical conditions of flame acceleration and deflagration to detonation transition. Thirdly, the mechanism of explosion destruction of hazardous chemicals over typical structure in complicated conditions is revealed, which obtains the failure evolution process and destruction mode of the structure. Fourthly, the mathematical-physical model of thermal-mechanic-chemical coupling of hazardous chemicals explosion is established, and the high resolution positivity-preserving numerical scheme is constructed to deal with the flow field where strong discontinuity, weak discontinuity and contact discontinuity can co-exist, and advanced computation method addressing stiffness problem resulting from different time scale of flow and chemical reaction is proposed, and finally a high resolution and large scale simulation software for hazardous chemicals explosion is developed. The results can enrich and improve the explosion theory of hazardous chemicals, and provide important theoretical grounds and key technological support for quick evaluation, prevention and control of hazardous chemicals explosion disaster and subsequent rescue efforts.

本项目针对危险化学品爆炸事故防控和评估中的关键科学问题，对烷烃类多元混合气体危险化学品爆炸的成因、传播及灾害效应进行研究。主要研究内容包括：一是建立多因素诱发危险化学品爆炸的理论模型，揭示多场耦合驱动的危险化学品点火起爆机理，给出点火起爆的临界判据；二是揭示危险化学品初始状态、不同几何构型的约束条件对非理想爆炸演化的影响规律，给出火焰加速和爆燃转爆轰的临界条件；三是揭示复杂条件下危险化学品对典型结构的爆炸破坏机理，得到结构的失效演化过程和破坏模式；四是建立危险化学品爆炸的热-力-化耦合数学物理模型，构造出可以处理强间断、弱间断和接触间断共存流场的高精度保正计算格式，以及流动与化学反应不同时间尺度所导致的刚性问题的先进计算方法，研制出危险化学品爆炸的高精度大规模仿真软件。本项目的研究能够丰富和完善危险化学品的爆炸理论，为危险化学品爆炸灾害快速评估、防控和救援提供重要理论依据和关键技术支撑。

本项目紧密围绕爆炸事故灾害致因机理分析和防控技术等前沿科学问题和关键技术，建立了多因素耦合驱动下危险化学品爆炸的实验模拟系统，揭示了多因素耦合驱动下危险化学品点火起爆机理；结合危险化学品非理想爆炸传播的理论分析，研究了危险化学品初始温度、压力、流动速度、不同几何构型和尺度的约束、障碍物群以及浓度场等因素对爆炸传播的影响规律；基于气体加载装置，研究了不同初始状态危险化学品爆炸产生的冲击波对不同约束条件、几何尺寸和强度下的钢筋混凝土板、梁、柱及金属壳体结构的破坏机理及规律，给出了典型结构的破坏模式；结合危险化学品爆炸成因、传播规律和破坏特性，建立了火焰加速、爆燃转爆轰的大范围流场及其与结构相互作用的热-力-化耦合数学物理模型，给出了复杂环境条件下危险化学品爆炸的几何模型和网格离散方法；构造了可以处理强间断、弱间断和接触间断共存流场的高精度保正计算格式，以及流动与化学反应不同时间尺度所产生的刚性问题的计算方法，给出了爆炸火焰以及爆炸波与结构相互作用的多介质界面处理的计算方法，开发了置信度较高的具有自主知识产权的三维高性能危险化学品爆炸仿真计算软件；开展了复杂环境下危险化学品爆炸问题的验证性实验，揭示了爆炸物理机制，获取了关键特征参数，完善了危险化学品爆炸成因、传播和破坏机理；采用自主开发的软件对典型复杂环境下危险化学品爆炸问题开展数值模拟，结合爆炸成因、传播和破坏机理，给出了危险化学品和边界条件呈复杂分布条件下爆炸冲击波的传播及破坏规律，为结构防护和爆炸灾害评估提供理论依据和关键技术支撑。.在项目执行期间，研究成果发表在 Combustion and Flame, Journal of Computational Physics, Fuel等国际知名期刊，其中SCI论文57篇，EI论文7篇，授权国家发明专利7项，软件著作权3项，学术专著1部。项目负责人入选2019年度教育部长江学者特聘教授、2018年度首都科技领军人才培养工程、国家百千万人才工程有突出贡献中青年专家。以第一完成人获2022年度国防科学技术进步奖一等奖、2019年国家科技进步奖二等奖、2018年北京市科技进步奖二等奖。