总结了整个抛撒过程中被分散介质的颗粒速度、浓度、形成气溶胶云团的范围等主要参数的研究进展，得出启示并提出了今后对含毒危化品的研究方向。
关 键 词：危化品;爆炸分散;数值模拟
中图分类号：TQ086.52 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2019）08-1846-04
Abstract： In recent years， explosions related to hazardous chemicals have occurred frequently， bringing serious harm to the lives and property of people. The diffusion process under explosion is complicated and difficult to master and control. In this paper， application of explosions in chemical weapons， fuel-air explosives， and fire-fighting ammunition was analyzed and contrasted. The related research on the explosion dispersion process was reviewed from the aspects of theory and numerical simulation. The research progress of the main parameters such as cloud range， particle velocity， particle size and concentration during the explosion dispersion process was summarized， and the research direction of hazardous chemicals in the future was put forward.
Key words： Hazardous chemical; Explosive dispersion; Numerical simulation
近年来，恐怖势力日益猖獗，恐怖手段多种多样，爆炸暴乱事件时有发生，给国家和人民生命财产安全造成了巨大危害和恶劣影响。随着石油、化工等产业高速发展，人们对危化品的生产、使用、运输、储存等需求日益增多，突发性含毒危化品爆炸事故也频频发生，具有突发性强、风险性大、危害范围广、处置难度高等特点，指挥决策、应急救援和危害预测与评估十分困难[1]。
2015年天津港“8.12”特大火灾爆炸事故，堪称建国以来消防官兵伤亡最惨重的事件，造成165人遇难，8人失踪（其中遇难消防公安人员110人，失踪消防人员5人），798人受伤住院医治，直接经济损失68.66亿元[2]。事故中，大量含毒危化品被抛撒分散至整个事故区域，毒物浓度未知，现场救援难度极大。1993年深圳市清水河村危险品仓库爆炸、2004年重庆天元化工总厂氯氢分厂液氯瞬间外泄、2010年本溪市万昌小区冰棍厂冷冻车间氨气泄漏和2010年杭州城北祥符镇新文社区化工仓库有毒原料泄漏4起事故处理中，突然发生爆炸或二次爆炸致使15名官兵牺牲，29名官兵中毒、局部受伤、缺氧窒息[3]。
从上述几起事故可见，虽然事故的现场处置工作均有力有序，但救援过程中，对爆炸作用下含毒危化品扩散机理不清楚，对毒物浓度随时空分布情况和规律没有掌握，只能在短时间内粗略判断化学危害种类和危害程度，致使救援工作进展缓慢，并可能引发危化品进一步泄漏扩散或爆炸等次生危害的发生，造成事故后果极其严重。鉴于目前部队对于爆炸等重大危险源事故中危化品的扩散规律及危害情况急需掌握，对爆炸作用下含毒危化品扩散研究已刻不容缓，对实现平时突发性化学事故的有效处置和战时军队防护洗消的指挥决策具有重大意义。
1爆炸分散过程分析
爆炸伴随着巨大的能量释放，冲击波是其最直接和最主要的破坏形式。根据爆炸驱动力和空气阻力的大小，爆炸作用下含毒危化品扩散过程大致可分为两个阶段：第一阶段爆炸分散段和第二阶段云团扩散段。爆炸分散段是指含毒危化品在冲击波作用下，被强力抛撒，并在空气阻力的冲击下，进行乱流分散，形成毒物云团[4]。云团扩散段是指毒物云团在浮力的作用下，克服重力与上升阻力，相对于大气进行热抬升运动，进行大气扩散[5]。爆炸分散段完成后的各项参数是云团扩散段的初始条件，直接影响云团的直径、范围、气溶胶粒径及云团内部毒物的浓度分布。研究云团扩散的流场结构对于預测含毒危化品的扩散现象、探明气溶胶沉降规律、评估武器弹药效能等具有重要价值[5]，可为下一步化学爆炸事故模型源项建立和爆炸扩散全过程危害评估提供依据，辅助现场指挥决策和应急救援。爆炸分散驱动方式已在化学武器、燃料空气炸药、灭火弹药、粉尘爆炸预防等军事和民用工程中获得广泛应用[6]，但在含毒危化品分散方面研究的较少，在燃料空气炸药（FAE）和烟火药方面研究较为深入，主要基于爆炸力学、动力学、流体力学等原理，通过运用动力学分析软件、二次开发的流体力学软件与实验相结合进行数值模拟研究，其方法可以借鉴。
2 爆炸分散的数值模拟研究现状
数值模拟[7]是运用计算机模拟进行扩散研究的一种重要方法，指的是将实际研究的问题，通过能体现相应过程的物理、化学机理转化为数学模型，并进行建模计算。求解过程中主要在于设定模型的初始和边界条件，以及对方程组进行离散化，最终求解出所研究的实际问题。
研究爆炸分散起源于一战中化学武器，而后到装填CS、CR等刺激剂的催泪弹药的出现，深入研究要归于燃料空气炸药的迅速发展。尤其是燃料空气炸弹出现后，美国、欧洲和俄罗斯开展了大量实验和数值模拟研究。国内多家单位也开展了相关研究，目前已在液体破碎机制和分散模式、气溶胶云团膨胀生长机制等方面获得了较多成果。
2.1 数值模拟研究
随着计算机仿真技术的快速发展，数值求解和有限元模拟无论是在计算规模方面还是计算精度方面都取得了重大进展，且具有经济、高效、安全等优点，在研究湍流流动和多相流动等领域前景可观，对爆炸作用下燃料或毒物分散特性参数的研究主要集中在分布范围和云雾浓度变化。
Los Alamos美国国家实验室，成功开发了一系列KIVA程序[8]，是一种以FOR-TRAN语言编译的反应流体动力学程序，其最初被应用于氟化氢化学激光系统中，在遵循相关守恒方程和气体状态方程的基础上，建立湍流模型，采用任意拉格朗日—欧拉法进行有限差分计算。因源代码被公开而广泛运用，学术界许多有关爆炸抛撒过程的数值模拟都基于该程序。
D.R.Gardner和M.W.Glass[9]基于爆炸过程中作用于燃料上的爆炸作用力与气动阻力大小的比较，爆炸抛撒全过程被划分为近场阶段和远场阶段，对两个阶段分别进行了建模和计算，联合将近场和远场的建模仿真相耦合获得了对整个爆炸分散过程的数值模拟研究。
Y.H.li[10]采用ADM方法模拟了液体燃料的分散过程，应用泰勒断裂准则分析了壳体的破碎情况，计算结果与商用数值模拟软件计算结果基本一致。S.K.Singh等[11]根据液体燃料空气炸药爆炸初期阶段爆壳的特点，预测了初始粒径对燃料分散范围的影响，并对爆炸后形成气溶胶云团的大小进行了估算。
北京理工大学陈嘉琛[12]在论文中采用流体力学FLUENT软件， 利用自定义函数的引入，再次开发液体燃料入口压力边界条件和蒸发过程，对固液混合燃料抛撒过程进行实验和数值模拟研究。通过改变爆炸驱动载荷、固液比和液体燃料组分，研究了云团燃料分散范围和燃料分散边缘速度，并分析了云雾浓度和湍流强度。运用高速摄影系统对不同爆炸驱动载荷作用下的燃料抛撒过程进行试验观测，图1为2 kg云爆装置燃料的分散过程图，燃料抛撒过程的早期以快速径向扩散运动为主，后期以慢速纵向扩散为主;图2为2 kg云爆装置数值模拟得到的燃料分散密度云图，通过对比分析，燃料爆炸分散过程和基本形态同实验结果是吻合的。其实验和数值模拟结果证明，文中所建立的数值计算模型及经过二次开发后的FLUENT，可以模拟爆炸分散过程。其主要研究燃料在爆炸作用下壳体破碎后的分散过程，关注燃料经爆炸分散后的二次点火。
防化研究院李磊、陆晓霞等[13，14]利用AUTODYN软件进行相关实验和数值模拟，研究了在不同比药量和不同壳体材料约束条件下的液体爆炸抛撒过程，爆炸抛撒早期液体破碎分散过程的重要形态特征得到了进一步揭示。
对液体爆炸抛撒过程的模型建立，特别是在不同壳体约束下，指导对抛撒云团初始粒径分布的估算具有一定意义。其主要研究起爆后1 ms内破壳过程的规律，对破壳后的爆炸分散过程未进行研究。
陆军防化学院陈海平、王玄玉等[4]在《化学武器效应及销毁》教材中将毒剂炮弹的爆炸认为是瞬时体源的一种形式。对瞬时体源与初生毒剂云团研究时，把瞬时体源视为“扩大的瞬时点源”，从而根据拉赫特曼湍流扩散方程推出了浓度表达式，得到染毒浓度水平分布为正态分布的结论。实际测定结果，染毒浓度在水平方向的分布并不完全是正态分布，与实际情况还有一段差距。
陈玉昆等[15]利用AUTODYN爆炸动力学软件，对灭火弹爆炸及灭火剂的抛撒过程进行仿真模拟，研究不同灭火弹中心装药结构及弹体形状对灭火剂抛撒作用的影响。结果表明：产生的云雾形状明显受到弹体形状和装药结构的影响，水粒的速度在经历极短时间的变化后大致为一固定值，进行类匀速运动，位移曲线也呈直线状增加。
贾飞等[16]采用LS-DYNA软件模拟云爆剂的近场抛撒过程，得出了在2种不同抛撒方式下不同位置观测点的最大速度和最大压力，还得到了速度在100微秒内不同时刻的变化情况。石艺娜等[17]从理论和数值模拟上研究了爆炸抛撒形成气溶胶云团的运动规律，获得了气溶胶云团直径的变化情况，以及气溶胶介质的浓度分布规律。
丁珏[18，19]进一步深入研究了燃料分散的近场和远场，将近场和远场的燃料分散分别简化为一维气液两相流动和多相流模型，同时将近场和远场进行程序耦合，进而得出液体燃料抛撒半径随时间的变化规律，模拟与实验结果较为一致。之后模拟了以爆炸抛撒为原理的抑爆装置，利用FLUENT软件对水早期的抛撒和水雾形成到后期的扩散过程进行了两相流简化，采用欧拉法分析受限空间内的水雾运动状态和浓度随时间的变化规律。
鞠伟等[20]采用任意拉格朗日-欧拉方法对FAE抛撒初期进行了数值模拟，研究不同量级燃料空气炸药装置壳体破碎的冲击波传播特性，在云爆装置质量不同的情况下，比药量为1.524 5%时，最大加速度值接近。表明壳体加速到最大速度的时间相近，壳体达到最大速度所需时间与装置质量的立方根的比值为常数。
2.2 软件运用对比分析
对大量文献的收集整理和分析研究表明，目前对爆炸分散段的数值模拟主要采用AUTODYN和LS-DYNA等动力学軟件、二次开发后FLUENT等流体力学软件。两类软件在数值模拟运用中表现出了各自的优缺点和适用性。特别是对燃料空气炸药研究时，动力学分析软件只能把FAE燃料当成单相物质，而且无法模拟燃料或毒物远场的扩散过程和多相之间的相互作用以及液相不断蒸发为气相的过程，只能单纯模拟爆炸冲击过程。流体力学软件FLUENT中自带的湍流模型、离散相模型、多相流模型和自定义函数的导入可以有效研究燃料分散过程，但对壳体破碎前期的爆炸无法进行模拟，只能将模型建立在壳体已破碎的情况下进行研究。因此，充分利用两类软件优势互补，对探索连续的爆炸分散过程研究是一种全新的思路。
3 結 论
国内外研究人员对爆炸分散初始阶段（1 ms内）和爆后短时间（50 ms内）燃料等物质的分散过程，从理论和数值模拟方面进行了研究。通过对研究现状进行分析总结，得出对下一步深入开展相关研究的启示：
（1）研究爆炸作用下含毒危化品分散过程，可将爆炸动力学软件同流体力学软件耦合，实现爆炸分散过程的耦合和数值计算。由于研究过程中，往往假设一定的初始、边界条件，致使研究过程不连续、研究结果不精确。为更加准确的进行研究，在借鉴前人研究的基础上，将动力学原理同流体力学原理耦合，爆炸分散初始阶段构建的模型同后期构建的模型耦合，再通过实验数据进行验证，对模拟软件进一步修正改进，提高模拟精度。
（2）研究爆炸作用下含毒危化品分散过程，可定量计算不同含毒危化品在不同爆炸驱动载荷、不同边界条件下的浓度分布及扩散规律，为化学处置和防护洗消提供技术支持。爆炸分散段的强冲击波对毒物的扩散起主导和决定作用，爆炸分散范围内的毁伤最严重，是救援核心区。通过上述研究方法，数值模拟结果与实验数据进行比对，优化流场初始条件，调整模型参数，实现对不同条件下数值计算模型的修正，得到毒物分散的密度、毒物抛撒半径、毒物分散边缘速度、不同位置处云雾浓度、不同位置处湍流强度等随时间变化的规律，其研究成果可为含毒危化品在爆炸作用下扩散全过程的研究提供关键初始参数。
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