氢云爆炸定向建筑荷载与安全距离：基于冲击波方法对爆燃波适用性的量化研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Directional building loads and safety distances for hydrogen cloud explosions: Applicability of shock-based methods to deflagration waves

　　

本文提出了基于2024年和2025年大型现场试验数据的无约束氢爆炸安全距离推导方法。研究直接检验了Rankine-Hugoniot反射关系对爆燃型氢压力波的适用性，并评估了有限目标净空（clearing）在反射超压与冲量发展中的作用。2025年试验引入了配备仪器的花园棚屋作为建筑型压力测量平台，在前墙、侧墙、后墙和屋顶安装传感器，从而在一致的氢云爆炸源几何条件下测得定向表面压力历程。研究人员采用Sachs缩放（Sachs scaling）将爆炸参数表达为比例距离的函数，以适用于不同燃烧能量的氢云。通过反射墙测量、数值模拟以及仪器的花园棚屋各表面压力测量，研究量化了燃烧模式与目标几何对结构表面荷载的影响。结果表明，Rankine-Hugoniot反射关系仍可作为反射峰值超压的保守上限估计，当净空时间与上升时间之比（t_c/t_r）超过1时最为适用；对于本构型，当入射超压约为10–20 kPa、对应火焰速度约100–200 m/s时，有限墙响应开始向Rankine-Hugoniot预测收敛。定向荷载测量表明，前墙承受最高直接荷载，侧墙、后墙和屋顶经历由衍射和绕流引起的降低且延迟的压力。研究人员将现场导出的荷载与结构损伤及人员伤害准则相结合，建立了从氢爆炸测量到基于后果的安全距离估计的清晰途径，并以工作示例展示了该方法在实际氢云爆炸场景中的应用。

氢能作为脱碳进程中的关键清洁能源载体，因其低点火能、低可燃下限和宽可燃范围而带来突出的过程安全挑战。工程风险评估的关键不仅在于点燃的氢云能否产生破坏性爆炸压力，更在于这些压力如何转化为对人员、建筑和周边基础设施的后果。安全距离与隔离区是爆炸危险管理的长期控制手段，在爆炸物领域已有DDESB、eDEOP 101、IATG、UFC 3-340-02和AASTP-1等国际指南规定基于结构损伤和伤害阈值的分离距离。采矿工程中的隔离区、过程安全中的蒸气云爆炸（VCE）评估同样采用基于后果的分区方法。然而，对于无约束VCE，常用分析方法如TNT当量模型、Dorofeev方法、TNO多能法（Multi-Energy）和Baker-Strehlow-Tang（BST）方法均以自由场入射爆炸参数表述，而建筑与基础设施的工程评估需要结构表面的施加荷载。在真实建筑环境中，相关荷载受反射、净空、衍射和波绕流支配，在前、侧、后和屋顶表面呈现强烈方向依赖性。既有爆炸工程中的反射与荷载放大关系主要针对冲击波和高爆炸药型荷载建立，未经验证不能直接用于爆燃主导的氢爆炸场景。大型氢现场实验虽提供了基准数据，但建筑型目标上的反射与定向表面荷载测量仍然有限。作者此前基于2024年试验表征了无约束氢-空气爆炸在爆燃、快速爆燃和爆燃转爆轰（detonation） regime下的爆炸环境，并提示基于冲击波的Rankine-Hugoniot反射关系可能不直接适用于爆燃压力波，但未直接考察这些偏差是源于爆燃波形本身还是有限目标效应（如净空），也未评估建筑型目标上的定向表面荷载或建立基于后果的安全距离预测程序。本文在此基础上前述，结合2024年数据集与首次报道的2025年新现场试验，直接检验Rankine-Hugoniot反射关系对爆燃型氢压力波的适用性，并评估有限目标净空在反射超压与冲量发展中的作用。2025年试验的关键特征是引入配备仪器的花园棚屋作为建筑型压力测量平台，在前墙、侧墙、后墙和屋顶安装传感器，从而在一致的氢云爆炸源几何条件下测得定向表面压力历程，建立自由场爆炸表征与建筑型目标施加表面荷载之间的直接联系。本文目标是建立将自由场氢爆炸参数转化为建筑型目标定向表面荷载和基于后果的安全距离的实用框架，特别关注确定常规基于冲击波的反射方法何时仍适用于较长上升时间的爆燃波，以及有限目标净空和衍射何时实质性改变施加荷载。研究采用反射墙测量、数值模拟以及花园棚屋前、侧、后、屋顶表面压力测量，量化燃烧模式与目标几何对结构表面荷载的影响，并将所得关系与结构损伤和人员伤害准则相结合，演示爆燃、快速爆燃和爆燃转爆轰氢爆炸安全距离的基于后果的估计程序。

研究方法方面，现场试验采用体积5.09 m³的圆柱形帐篷（40 μm高密度聚乙烯薄膜，直径1.8 m钢底板，轻质PVC框架支撑），以约30%（±2%）体积分数的化学计量氢-空气混合物在云团中心轴中部点火。采用三种递增起爆能量的点火方式产生不同燃烧模式：电火花塞（约3 kJ/g）产生爆燃，DaveyDet地震雷管（等效1 g TNT或4.18 kJ）产生快速爆燃，5 g PETN由地震雷管起爆（等效6 g TNT或25.08 kJ）产生爆燃转爆轰。自由场入射超压采用Endevco Model 8530C-100压力传感器（100 psi量程，500 kHz谐振频率）以2 m间距挡板盘阵列测量；反射墙目标（2.21 m宽×1.71 m高）位于5 m和7 m距离，部分试验在墙框内安装3 mm铝合金5005-H34板并以后置激光位移传感器（Acuity AR500）测量结构响应；花园棚屋平面3.0 m×3.0 m，屋顶顶点高2.18 m，檐高1.83 m，前墙距点火点7 m。所有压力记录以500 kHz采样。数值模拟采用基于GPU的可压缩流求解器Viper::Blast（AUSMDV格式求解无粘Euler方程，无独立湍流模型），以规定火焰速度表征燃烧源，火焰速度由Gan等报道的运动分析测量确定；爆轰模拟经网格敏感性研究采用1 mm分辨率，并通过分阶段重映射（1 mm一维→1 mm二维→10 mm三维建筑模型）实现。Sachs缩放中总燃烧能量按式(1)计算，实验云团为18.1 MJ，环境声速343 m/s、压力101.325 kPa。

结果部分：(1) 自由场入射爆炸参数——试验按爆燃、快速爆燃和爆燃转爆轰三种燃烧模式解释，爆燃呈渐进压力上升、较长正相持续时间和较低峰值超压，快速爆燃产生更陡更强的压力波，爆燃转爆轰呈最强冲击波行为。更新后的现场导出关系保持燃烧模式依赖趋势，正负冲量在若干情形下量级相当，表明负相在需要完整压力-时间历程时仍具相关性。(2) 反射荷载与Rankine-Hugoniot放大适用性——反射波形总体跟随相应入射记录特征。Rankine-Hugoniot预测与爆燃转爆轰测量最接近，对快速爆燃和爆燃逐渐趋于保守；冲量近似差异更大，表明反射冲量比峰值压力对完整波形和有限目标相互作用更敏感。数值参数研究表明，随规定火焰速度增加，压力波逐渐变陡，有限墙与无限墙响应的收敛始于入射超压约10–20 kPa（对应火焰速度约100–200 m/s）；本构型中测量点距最近自由边1.1 m，净空波到达时间约3.2 ms，爆燃记录上升时间约40 ms（t_c/t_r≈0.08），净空在峰值形成前到达并显著侵蚀之；爆燃转爆轰上升时间约1 ms（t_c/t_r≈3），峰值基本在净空到达前形成。过渡点t_c/t_r≈1对应上升时间约3 ms，处于快速爆燃 regime。因此Rankine-Hugoniot关系可作为反射峰值超压的保守上限估计，在t_c/t_r超过1时最为适用。(3) 有限目标净空与衍射效应——带延伸翼和后帘的改进墙目标产生更高反射峰值超压和更大正相冲量，与净空减弱一致；净空与衍射在目标较小和压力波上升时间较长时影响增大，对较大目标或短持续时间冲击波型荷载影响减小。(4) 建筑型目标定向表面荷载——快速爆燃和爆燃转爆轰的定向分布与陡前沿冲击波行为 broadly 一致，前脸承受最高直接荷载，侧、后、屋顶经历降低且延迟的压力；爆燃情形偏离冲击波行为更明显，压力与冲量在结构上的重分布对有限目标相互作用和局部几何更敏感。表2汇总了各燃烧模式下前、侧、后、屋顶的峰值超压与正冲量。对于基于后果的筛选，直接暴露前脸可保守采用Rankine-Hugoniot反射峰值压力，侧墙和屋顶可采用入射型峰值压力作为实用筛选近似，后墙荷载因主要由延迟溢出和波绕流形成而难以用入射或反射压力简单表示。

讨论部分将测量和导出的氢爆炸参数转化为实用安全距离。安全距离定义为预测荷载低于所选燃烧模式和荷载场景下指定后果阈值的最小距离，阈值可对应轻度结构损伤起始、危险结构损伤起始或暴露人员指定伤害阈值，因此安全距离被视为基于后果的量而非仅与峰值超压相关的单一固定距离。结构后果采用AASTP-1的压力型损伤阈值作为筛选级准则；人员后果采用UFC 3-340-02的伤害阈值（耳膜破裂阈值34.5 kPa、50%耳膜破裂103 kPa、肺损伤阈值207–276 kPa、50%肺损伤551 kPa、致死阈值689–827 kPa等）。工作示例假设城市环境中约65 m³等效半球形氢云（等效半径约3.14 m），化学计量混合物总燃烧能量232 MJ，按步骤将Fig. 3比例关系转换为量纲形式，用Rankine-Hugoniot关系计算反射峰值超压、用Baker等近似估计反射正冲量，与 nominated 后果阈值比较，确定各参数首次低于阈值的距离，并以安全距离环形式呈现耳膜破裂、肺损伤及住宅轻微损伤（入射21 kPa/反射45 kPa）后果图。研究结论如下：(1) 氢云爆炸安全距离不能仅由峰值自由场入射超压导出，需考虑完整爆炸荷载环境，包括入射爆炸参数、结构表面反射荷载以及结构和人员伤害的相应后果阈值。(2) 大型现场测量显示爆燃、快速爆燃和爆燃转爆轰燃烧模式间存在明显差异，这些差异不仅影响峰值压力、冲量和持续时间的大小，也影响爆炸荷载转化为结构后果的方式。(3) 实验导出的自由场入射爆炸关系为筛选级安全距离估计提供了实用基础，以Sachs缩放关系表述时可在不同能量尺度上应用，但以规定燃烧 regime 为条件且不意味预测尺度相关的燃烧转变。(4) 本研究的关键贡献在于考察常规Rankine-Hugoniot反射方法何时仍适用于氢爆燃波；结果表明 underlying 反射关系仍然相关，但当边缘产生的稀疏波在压力仍上升时到达，有限目标净空可显著降低反射峰值；随波前变陡和上升时间缩短，反射峰值在净空到达前形成，有限墙响应向Rankine-Hugoniot预测收敛；本构型中测量点距最近边1.1 m时，收敛始于入射超压约10–20 kPa、对应规定火焰速度约100–200 m/s；这些值特定于所考虑几何，更一般的适用性准则由压力上升时间与净空波到达时间的关系支配；因此Rankine-Hugoniot反射可作为爆燃荷载的保守上限估计，并随波前变陡和更接近冲击波而日益适用。(5) 反射墙和仪器的棚屋测量表明定向荷载效应重要，前、侧、后、屋顶表面依燃烧模式、反射、净空、衍射和波绕流经历不同压力与冲量组合，结构后果不仅取决于距离，还取决于表面相对爆炸波的取向和产生荷载的燃烧模式。(6) 测得表面压力提供基于后果筛选的局部定向荷载实验指标，但不应视为构件特定结构设计的等效均布荷载。(7) 通过将现场导出爆炸关系与 nominated 压力型结构损伤阈值和人员暴露伤害准则相结合，研究建立了从氢爆炸测量到基于后果安全距离估计的清晰途径，工作示例展示了该方法如何应用于实际氢云爆炸场景以生成距离-后果关系。研究指出，现场试验仅考虑单一氢云几何和单一仪器建筑几何与取向，测量定向表面荷载为几何特定指标而非通用荷载系数，数值过渡范围不应解释为通用设计阈值。未来工作需将筛选级方法扩展至构件特定结构响应评估，利用压力-时间历程开发代表性建筑构件的压力-冲量（P-I）关系并采用SBEDS等工具进行单自由度（SDOF）分析，还需开展系统参数研究以推广所观察到的向Rankine-Hugoniot反射行为的过渡。