利用防护性森林带减轻环氧丙烷/空气蒸汽云爆炸产生的冲击波危害：实验与数值分析

《Process Safety and Environmental Protection》：Mitigation of Propylene Oxide/Air Vapor Cloud Explosion Shockwave Hazards Using Protective Forest Belts: Experimental and Numerical Insights

蒸汽云爆炸冲击波衰减效应及防护林带定量评估研究，通过实验与数值模拟结合，揭示了林带覆盖率（0%-65%）和树高（5-35米）对爆炸冲击波衰减的影响规律，建立了R2达0.992的快速预测模型，为化工园区安全距离评估和防护林带设计提供量化依据。

　　

韩立|曾凌辉|王中祺|傅胜华

中国北京工业大学爆炸科学与安全防护国家重点实验室，北京100081

摘要

环氧丙烷（PO）的释放可能导致蒸汽云爆炸（VCE），由此产生的冲击波仍可能在远场造成严重破坏。鉴于需要控制对化学园区周边居民区等敏感区域的冲击波影响，本研究在已经发生VCE的情况下，考察了位于园区周边的防护林带的缓解效果，并基于实验和数值模拟提供了定量评估。进行了PO/空气VCE测试，并采用缩比树篱爆炸实验作为替代验证，以检验植被障碍引起的冲击波衰减趋势的合理性。在此基础上，建立了一个欧拉-拉格朗日数值框架，并根据实测的峰值超压进行了验证，平均相对误差小于10%。利用经过验证的模拟结果，系统地评估了树冠覆盖率和树高对危险范围的影响：当覆盖率从0%增加到65%时，等效安全距离从62.2米减少到54.32米，致命和重伤区域分别减少了55.92%和56.97%；当树高从5米增加到35米时，安全距离从61.04米减少到58.13米，总危险区域减少了20.54%。为了支持快速工程评估，进一步开发了总危险区域和三个伤害等级区的半经验预测模型，在本研究中考虑的参数范围内，总面积模型的R2值为0.992。这些结果表明，化学园区周围的防护林带可以有效缓解VCE后的远场冲击波影响，为安全距离评估和绿色缓冲带设计提供了定量支持。

引言

蒸汽云爆炸（VCE）是石油化工和储存行业中最具破坏性的工艺安全风险之一。当由意外燃料泄漏形成的可燃蒸汽云被点燃时，可能会引发剧烈爆炸，产生冲击波、热辐射和次生灾害（Brandes等人，2006年）。这些事件对人员安全、设备完整性和周围环境构成严重威胁。2005年英国Buncefield油库爆炸、2009年波多黎各管道爆炸以及2015年中国天津港爆炸等重大事件凸显了VCE的巨大风险，迫切需要强有力的预防和控制策略（Zhou等人，2021年）。特别是当工业设施位于植被茂盛的区域附近时，风险可能会进一步加剧。防护林带和其他植被屏障可以通过阻挡、反射、衍射和散射与冲击波相互作用，从而改变峰值超压分布和危险区域。因此，定量理解这种冲击波-植被相互作用对于后果评估、安全距离设计和应急规划非常重要。

VCE的研究主要集中在两个领域：（1）通过实验和数值模拟了解蒸汽云的形成、扩散和爆炸机制；（2）开发风险评估模型和预测工具，以指导工业设计和应急准备。在封闭容器中的小规模实验结合数值模拟，已经证明了环境条件、点火位置、燃料类型和数量、蒸汽云几何形状、障碍物等因素对爆炸压力和火焰传播动态的影响（Baalisampang等人，2019年；Liu等人，2020年；Luo等人，2025年；Wan等人，2023年；Yang等人，2024年）。此外，基于数值方法的动态模型（Zeng等人，2025年）已被开发出来，用于分析蒸汽云扩散和爆炸过程，从而发展出预测方法。在工艺安全领域，建模和评估火灾和爆炸风险方面取得了显著进展。例如，Atkinson和Cusco（2011年）对Buncefield事故的分析表明，VCE中的超压分布与火焰传播速度密切相关，为风险评估提供了新的视角。Sharma（2020年）探讨了蒸汽云的爆燃- detonation（DDT）转变机制，为工艺安全设计提供了理论支持。此外，作为一种新兴方法，动态风险评估能够实时监测和预测工业过程中的风险波动。诸如贝叶斯正则化人工神经网络（BRANN）模型（Shi等人，2019年）、离散动态事件树（DDET）方法（Chen等人，2020年）以及结合数值模拟和机器学习的混合方法（Zhou等人，2025年）等工具已成功应用于VCE风险分析。然而，大多数现有研究仅限于小规模实验或开放场场景，难以模拟大规模自然环境中的VCE。

近年来，动态风险管理和后果建模的进步突显了基于场景的危险分析的价值。环氧丙烷（PO）是一种高挥发性化学品，具有广泛的易燃性，在化工制造中广泛应用（Liu和Zhang，2018年）；意外释放后如果被点燃，可能会导致严重的VCE后果。在城市和工业环境中的研究表明，建筑物等障碍物可以通过反射和衍射显著改变冲击波传播和超压分布（Ratcliff等人，2023年）。同样，植被也可能与VCE场景相互作用，并表现出双重影响：在火焰发展过程中，植被会增加拥堵和湍流，从而促进火焰加速并影响爆炸的演化和严重程度（Leal和Santiago，2004年；Bakke等人，2010年）；而一旦形成VCE冲击波，位于工业园区边界或敏感方向的防护林带可以通过反射、衍射和散射作为被动屏障，减轻远场超压后果。因此，本研究采用爆炸后后果评估的视角，重点关注防护林带对冲击波影响的减弱。

关于植被引起的衰减效应的证据可以追溯到Cape York Peninsula的Operation Blowdown测试，其中一项50吨TNT的现场实验报告显示，在丛林区域的150米处，超压减少了约8%（Gan等人，2021年）。最近的研究主要集中在城市保护或高爆炸点源场景，使用小到中等规模的爆炸实验和数值模拟来量化树篱/树木后的衰减趋势，并强调宏观阻挡和散射是关键机制（Gebbeken等人，2018年；Warnstedt和Gebbeken，2020年；Tomasz等人，2022年）。对于工程导向的后果评估，植被通常以简化形式表示（例如，理想化的刚性元素或等效阻力/屏障描述），以捕捉其对压力波传播的主要影响，并具有可管理的不确定性（Tsai等人，2017年；Mossa等人，2025年；Sugiyama等人，2025年）。然而，针对化学工业园区中VCE冲击波后果的定量研究仍然有限，特别是那些直接建立防护林带设计参数与工程指标（如危险分区和安全距离评估）之间联系的研究。

为解决这些差距，本研究通过结合实验和数值模拟，开发了一个用于存在防护林带的PO/空气VCE冲击波的集成爆炸后后果评估框架。气象条件主要影响扩散/云形成阶段；因此，将扩散结果视为预设的情景输入，以便隔离林带对冲击波后果的缓解效果。使用全尺寸PO/空气VCE测试和缩比树篱测试作为植被引起的衰减趋势的替代验证，并建立了一个欧拉-拉格朗日数值模型，并根据实测的峰值超压进行了验证。基于经过验证的模拟结果，量化了树冠覆盖率和树高的影响，并提出了半经验预测模型，用于快速估算总危险区域和分区带区域，支持危险分区、安全距离评估和防护林带设计。

实验

鉴于在全尺度自然森林环境中进行VCE测试的高成本、安全限制和环境挑战，以及公共数据集的有限可用性，VCE模型的关键源项参数是从开放场VCE测试中得出的。为了支持植被的表示，采用了树篱爆炸实验（Warnstedt和Gebbeken，2020年）作为替代验证，因为树篱和林带都起到植被屏障的作用

几何模型

使用ANSYS AUTODYN进行了数值模拟，以研究存在防护林带时的PO/空气VCE冲击波传播和衰减。为了满足冲击波传播和远场超压评估的要求，计算域被定义为一个直径200米、高度50米的圆柱体，包含空气、蒸汽云和用作防护林带有效表示的植被障碍区域。

林带条件下的冲击波传播特性

图11展示了在PO/空气VCE过程中，Oxz平面上林带条件（C = 40%，H = 25米）下的压力分布演变。二次点火时刻定义为时间零点，选择代表性时间点来分析林带对冲击波传播的影响。

图11(a)显示了蒸汽云在林带条件下爆炸后的初始时刻，冲击波从爆炸中心向外传播。

结论

本研究研究了存在防护林带时PO/空气蒸汽云爆炸（VCE）的冲击波传播和峰值超压分布，并建立了用于危险分区和安全距离评估的快速关联。主要结论如下：

(1)

建立了一个耦合数值模型，并通过开放场的全尺寸PO/空气VCE测试以及替代树篱测试进行了验证。所有仪器测量方向的VCE验证平均误差为

未引用的参考文献

(Lin等人，(2024))

CRediT作者贡献声明

韩立：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，调查，形式分析。王中祺：资源获取，资金筹集。曾凌辉：方法论，概念化。傅胜华：项目管理，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本文所述的研究得到了中国国家重点研发计划（编号2021YFC3001204）的支持。