《Applied Thermal Engineering》：The energy evolution laws in liquid fuel tanks under transient thermal fields
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液态燃料储罐爆炸安全研究揭示了不同燃料（如PO、JP-10、NM、IPN）在瞬态热场下的物理化学耦合机制差异。实验与数值模拟表明：PO因沸点最低在1000K时剧烈蒸发导致最大爆炸压力，JP-10沸点最高在1000K不蒸发，NM和IPN则呈现物理-化学耦合爆炸。蒸发速率受外部辐射温度、持续时间及内部沸点共同影响，燃料特性显著改变能量释放路径。
张一晓|冯月|周志通|张琦
中国北京工业大学机电工程学院，爆炸科学与安全防护国家重点实验室，北京100081
摘要
液体燃料的安全性是能源领域中的一个关键问题。我们选取了几种代表性燃料，研究了它们的性质如何不同地影响储罐爆炸时的能量释放。我们的研究结果填补了一个关键的研究空白，阐明了燃料性质在液体储罐爆炸失效机制中的作用。在本研究的条件下，PO和JP-10储罐中不会发生物理爆炸和化学爆炸的耦合；只有物理爆炸发生。相比之下，NM和IPN储罐中会发生物理爆炸和化学爆炸。在本研究的条件下，PO液体储罐的压力危险性显著高于NM和IPN液体储罐，而JP-10储罐的压力危险性最低。PO和JP-10主要通过相变释放能量。然而，NM和IPN通过相变和化学反应的耦合释放能量，但两者之间的能量释放形式有所不同。我们已经获得了影响储罐内爆炸危险性的各种参数之间的相互关系。液体的蒸发速率是影响储罐内危险程度的关键因素，主要受外部因素（如辐射温度和持续时间）以及内部因素（如沸点）的影响。在1000 K时，JP-10液体不会蒸发。在1000 K和1500 K的温度下，JP-10和PO储罐中没有观察到化学反应。如果流场过于湍流或爆炸极限太窄，则不会发生化学反应。
引言
液体燃料的安全性是能源领域最重要的课题之一[1]、[2]、[3]。多个液体燃料储罐的共存是化工园区的基本特征[4]，局部火灾或爆炸可能会引发相邻燃料储罐的爆炸。一旦发生链式反应爆炸，储存的燃料会转化为对环境有害的能量源，导致严重的财产损失、人员伤亡和环境破坏[5]、[6]、[7]。
考虑到热膨胀和收缩等因素，燃料储罐的填充率通常无法达到100%。在瞬态热场的影响下，液体燃料会经历挥发、相变、质量传递和热传递等过程。储罐内燃料的蒸发会导致上部空间的蒸汽浓度持续增加。当燃料蒸汽浓度达到爆炸浓度极限且热场温度达到点火温度时，可能会发生化学反应，从而导致化学爆炸[8]、[9]。液体蒸发会导致储罐压力持续上升，这一过程与化学反应的耦合会产生显著的危险效应。这是能量演化过程的一个关键方面，其机制与燃料的性质密切相关。
局部爆炸产生的冲击波和热场是引发相邻燃料储罐能量失控的主要途径。储罐内液体燃料的能量释放模式为灾害应急响应提供了基础，这些响应受到燃料性质、环境温度、瞬态热场、储罐结构和填充水平等因素的影响[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。其中，燃料性质可能是最重要的影响因素。然而，对于大规模液体燃料储备区的安全保护和应急响应而言，尽管现有的各种消防和应急技术规范和标准已经到位，但在瞬态热场下不同液体燃料的温度响应、能量演化机制和模式仍不清楚，这使得实施精确的应急措施变得具有挑战性[15]、[16]、[17]。中国过去曾发生过多次重大连锁爆炸事故[18]、[19]、[20]、[21]，应急响应中的人员伤亡与准确预测燃料能量演化的难度密切相关。
在火灾和爆炸条件下，储罐的失效机制是能源领域的一个主要关注点，相关研究已经取得了显著进展。在研究储罐内液体燃料的物理化学变化和能量失控方面，学者们最初主要关注液体储罐的物理爆炸过程。Hematian等人[22]分析了不同评估模型对纯物理爆炸过程中释放的机械能的影响。Bubbico[23]和Birk[24]探讨了BLEVE（Boiling Liquid Vapor Explosion）爆炸中液体和蒸汽的能量贡献。随着研究的深入，储罐内的化学能和温度也逐渐被作为能量形式进行研究。Birk等人[25]提出，储罐内液体的温度和质量越高，其能量含量越大。Shen等人[26]预测了爆炸能量来源中来自化学燃烧的能量比例。储罐内的温度和压力是衡量储罐能量的重要指标[27]、[28]、[29]。Wang等人[30]认为，液氢储罐中的压力和温度是评估储罐能量的关键标准。
最近的研究从多个角度加深了对BLEVE的理解。Zhang等人[31]探讨了初始气液两相演化和温度分布。Cheng等人[32]评估了公路隧道对LPG储罐破裂引起的BLEVE的抵抗力。Hu等人[33]研究了排气口大小和热分层如何影响BLEVE发生时的压力响应和界面演化。此外，Abbas等人[34]和Ramzan等人[35]提出，将人工神经网络与数值模拟相结合可能是未来研究的一个有前景的工具。值得注意的是，储罐内的化学反应[36]可能会显著改变BLEVE的动态。尽管有这些发现，但仍存在一个关键缺口：现有工作既没有系统地研究储罐内的化学反应，也没有探讨不同燃料性质如何影响爆炸特性。储罐在热场下的破坏过程和能量失控过程复杂且难以研究，现有研究主要局限于对个别燃料的宏观实验。这些实验中观察到的主要参数是储罐内的温度和压力[37]、[38]。宏观实验难以观察到燃料蒸发、相变、质量传递、热传递和物理过程以及化学爆炸在瞬态热源下的耦合机制，特别是在揭示燃料性质对物理化学能量演化的影响方面。随着计算机技术的进步，数值模拟通常成为宏观实验的有效补充[39]、[40]、[41]。
关于热场下液体储罐的研究主要集中在：（1）储罐内的物理相变过程，（2）长时间火灾暴露下的储罐失效，（3）内部温度和压力等宏观参数的演化，以及（4）物理破裂和点火后储罐外的后续化学爆炸。然而，在理解储罐内部的耦合物理化学过程、毫秒级瞬态热场下的失效机制以及燃料性质对这些机制的影响方面仍存在关键缺口。内部耦合的物理-化学爆炸的复杂性和严重性远远超过了仅考虑物理相变的研究。本研究的主题是先进的推进和能源系统中的典型液体燃料，如IPN、NM、PO和JP-10。比较它们在瞬态加热下的物理演化和与化学爆炸的耦合对于燃料储存的安全和保护策略至关重要。为了填补这些知识空白，本研究采用数值模拟和实验相结合的方法，研究燃料性质如何不同地影响瞬态热源下的爆炸机制。具体来说，本研究选取了几种代表性燃料，并在先前研究的基础上，探讨和比较了它们的性质如何控制储罐内的物理化学失控机制和能量释放。分析重点关注复杂的瞬态过程，包括热响应、蒸发/相变和能量演化。研究结果为改进燃料储存设施的安全协议和精确的应急响应提供了重要的科学依据。
计算模型
图1所示的5升储罐模型用于预测不同液体燃料在储罐内的蒸发相变过程、空气混合过程和燃烧-爆炸过程。
数值方法
本研究主要采用的数值方法包括蒸发模型、转换模型和燃烧-爆炸模型。蒸发模型用于评估储罐在外部高温下的相变过程。转换模型和燃烧-爆炸模型用于评估可燃蒸汽与空气的混合过程以及储罐内的后续燃烧过程。计算模型中的控制方程
结果与讨论
如图7所示，在辐射高温条件下，PO首先蒸发，其次是IPN、NM和JP-10，这与它们的沸点相对应。如表4所示，PO的沸点最低，而JP-10的沸点最高，因此PO最先蒸发，JP-10最后蒸发。当辐射温度为1000 K时，JP-10根本不会蒸发，这与其相对较高的沸点相符。PO的蒸发速率显著
结论
本研究以PO、IPN、JP-10和NM作为代表性燃料，研究了关键瞬态过程，包括热响应、相变和能量演化，以填补关于不同燃料性质如何影响液体储罐失效机制的知识空白。它探讨并比较了液体燃料特性对储罐内物理化学失控机制和能量释放的影响模式，主要结论如下：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本文所述的研究得到了北京工业大学爆炸科学与安全防护国家重点实验室的支持（YBKT25-07）。
