在流化状态下，基于CaO的吸附剂在煤炭辅助煅烧过程中的失活特性

《Fuel》：Deactivation features of CaO-based sorbents during coal-assisted calcination under fluidization states

本研究开发了事故驱动型全周期仿真框架，涵盖泄漏、扩散、爆炸及结构损伤，揭示受限建筑内天然气泄漏-爆炸事故的空间时间演变规律。通过CFD-FSI耦合建模分析30例中国室内爆炸事故（2020-2024），以石坎‘6·13’事故为典型案例，量化扩散域体积与建筑约束对爆炸云演化和冲击波、超压及结构响应的影响，揭示爆炸云体积三阶段演化规律及空间依赖性冲击波传播特征，为城市密集区安全管理和风险评估提供理论支撑。

　　本文探讨了天然气泄漏引发的爆炸事故在封闭建筑中的全过程模拟及其空间时间演化特性。研究团队通过分析中国2020至2024年间30起室内爆炸事件的数据，以湖北十堰市“6·13”爆炸事故作为典型案例，构建了一个涵盖泄漏、扩散、爆炸及结构破坏全过程的模拟框架。该框架结合了计算流体力学（CFD）与流体-结构相互作用（FSI）模型，旨在揭示天然气云在建筑内部扩散过程中的变化规律，以及由此产生的冲击波、超压和结构破坏的演变机制。

天然气作为一种低碳、清洁的能源，在工业生产和城市生活中扮演着重要角色。然而，随着中国城市化进程的加快，天然气管网日益密集，天然气使用量不断上升，这使得与天然气相关的安全事件风险显著增加。同时，由于管道老化、施工缺陷、第三方干扰、人为失误以及自然灾害等因素，天然气泄漏事件频发，成为公共安全的重要隐患。建筑内部复杂的结构布局，如隔墙、门窗等，对天然气云的扩散、积累及爆炸过程具有深远影响。这些结构元素会形成多种封闭和半封闭空间，导致天然气云在空间分布上的异质性。当天然气云被点燃时，封闭空间会加速超压的形成，而反射冲击波之间的相互作用则会进一步放大爆炸效应，对城市安全和社会稳定构成严重威胁。

因此，理解天然气云在建筑内部的扩散特性、冲击波的超压分布以及结构响应的变化规律，对于分析室内天然气泄漏和爆炸灾害至关重要。此外，这些研究也能够为制定有效的灾害应对和风险缓解策略提供理论依据。建筑内部的复杂结构往往限制了天然气的泄漏、扩散和爆炸过程，使得这些事件在封闭空间内形成独特的演化模式。已有大量研究通过数值模拟和实验方法，对不同建筑环境下的天然气泄漏和爆炸现象进行了系统分析，包括住宅建筑、管道廊道、隧道和发动机舱等。这些研究揭示了泄漏率、释放位置、温度梯度、通风条件等因素对天然气扩散的影响，并进一步探讨了爆炸后果的演变机制。

在研究爆炸后果时，学者们普遍关注的是超压、温度和结构破坏的时空分布。例如，Cen等人通过模拟不同天然气云体积和等效比下的超压和温度变化，揭示了通风速率和激活压力对厨房内爆炸后果的影响。Yue等人则在105立方米的住宅建筑中进行了全尺寸爆炸实验，分析了天然气浓度和点火位置对爆炸危害机制的影响。Yuan等人利用CFD模拟重建了天然气爆炸，并通过与实际结构损伤的对比，确定了冲击波传播模式。Xue等人则专注于管道廊道，模拟了爆炸过程的动态演变，并量化了泄漏体积对压力、速度、位移和有效应力的影响。Wang等人分析冲击波在封闭结构中的传播，识别了最具代表性的爆炸源配置。Zhang等人系统研究了点火位置、甲烷体积和浓度、障碍物以及隧道几何形状对爆炸参数的影响，并开发了人工神经网络模型，用于预测爆炸过程中的时空载荷。Zhao等人构建了管道廊道爆炸的实验平台，研究了空间长度和泄压对爆炸后果严重程度的影响。Yang等人则通过CFD模拟探讨了厨房内的超压危害和火灾风险，揭示了浓度依赖的危险区域和布局特定的影响。

综合来看，尽管已有大量研究推动了我们对天然气泄漏和爆炸现象的理解，但在某些关键领域仍存在研究空白。首先，关于天然气云的全周期演化研究仍较为有限。尽管多隔间建筑和不同门窗状态的布局在现实事故中较为常见，但对这些情况下天然气云的形成、扩散和消散过程的系统研究仍然较少。其次，爆炸源的动态建模研究也相对不足。大多数爆炸后果分析依赖于预定义的等效源，而对基于真实天然气扩散情景的动态爆炸源的建模和分析则较为缺乏。第三，冲击波与结构相互作用的耦合分析也存在较大空白。目前，对于动态演变的爆炸源条件下冲击波传播、超压分布和结构响应的综合评估较少，导致我们对室内爆炸危害机制中复杂的流体-结构相互作用的理解仍不够深入。

与实验方法相比，数值模拟在研究天然气泄漏和爆炸全过程方面具有显著优势。它能够模拟从泄漏、扩散、爆炸到结构响应的全过程，包括天然气浓度的空间时间分布、爆炸云的形成与演变过程，以及冲击波传播、超压分布和结构响应的变化。数值模拟的核心优势在于其能够准确重建真实建筑环境，并在多种边界条件下灵活模拟各种泄漏和爆炸情景。为了深入研究天然气的积累、爆炸超压的演变以及结构响应的变化，本文分析了中国2020至2024年间近30起室内天然气泄漏和爆炸事故，并选取“6·13”事故作为典型案例，因其多隔间布局提供了多样化的封闭条件和扩散域体积，非常适合进行详细的模拟和分析。

本文构建的全周期模拟框架由两个关键部分组成：一是计算流体力学（CFD）模型，用于捕捉天然气浓度的空间时间分布以及不同门窗状态下扩散域内爆炸云的形成与演变过程；二是流体-结构相互作用（FSI）模型，用于模拟冲击波传播、超压分布以及建筑结构在动态演变的爆炸源条件下的响应。该框架不仅能够重建天然气泄漏到爆炸的全过程，还能够识别潜在的危险因素，从而为阐明室内天然气事故的机制和提升城市公共安全管理的韧性提供理论支持。

通过这一研究框架，本文系统分析了天然气泄漏和爆炸事件的全过程，揭示了天然气云在建筑内部扩散过程中的变化规律，以及由此产生的冲击波、超压和结构破坏的演变机制。研究发现，天然气云的体积演化可分为三个阶段：增长阶段（0–147分钟）、平台阶段（147–240分钟）以及衰减阶段（超过240分钟）。距离泄漏源较远的房间显示出更长的峰值持续时间（如房间2的峰值持续时间约为173分钟，房间3的峰值持续时间约为193分钟），以及更晚的危险清除时间（如房间2的危险清除时间约为307分钟，房间3的危险清除时间约为333分钟）。扩大扩散域和增加沿路径的封闭程度均会增加爆炸云的峰值体积和危险条件的持续时间。

冲击波的传播具有显著的空间依赖性。在室内环境中，由于反射和叠加效应，压力历史呈现出多峰特性，而室外环境中的冲击波响应则主要表现为单峰，并随着距离的增加而衰减。爆炸后果的严重程度与爆炸云的体积密切相关：从E1到E4（体积四倍增加）的场景中，室内峰值超压从0.398 MPa增加到0.523 MPa，而室外致命距离则从0扩展到超过9米。建筑结构的响应强度随着爆炸云体积的增加而增强：峰值位移和速度呈现近似线性增长趋势，最大值出现在封闭泄漏源房间的墙壁上，并随着爆炸源区域的扩展向外部迁移。这些发现不仅有助于阐明受限建筑中天然气扩散与爆炸的动力学机制，也为密集城市环境下的安全管理与风险缓解提供了重要依据。

研究团队在这一项目中采用了多阶段的研究策略，包括事故调查与分析、典型场景重建、室内天然气泄漏模拟以及室内天然气云爆炸模拟。通过整合计算流体力学和流体-结构相互作用模型，团队能够系统分析天然气泄漏和爆炸事件的全过程，包括扩散特性、爆炸云的空间演化、冲击波超压的传播模式以及结构破坏的演变过程。这种研究方法不仅提高了对室内天然气事故机制的理解，也为制定更加科学有效的灾害应对策略提供了支持。

在数据方面，本文基于中国2020至2024年间近30起室内天然气泄漏和爆炸事故的数据，分析了这些事件的特征。其中，“6·13”事故因其多隔间布局和不同门窗状态的组合，为研究天然气云的扩散、爆炸以及结构破坏提供了丰富的数据支持。通过这些数据，团队能够构建出更加准确的模拟场景，并进一步探讨天然气泄漏和爆炸在不同封闭条件下的演化规律。

研究团队在本文中还强调了数据的准确性和完整性。为了确保模拟结果的可靠性，团队对数据进行了严格筛选和分析，排除了不符合研究条件的数据。此外，团队还对数据进行了分类和整理，以便更好地理解不同场景下的演化特性。这种数据处理方法不仅提高了研究的科学性，也为后续的模拟和分析提供了坚实的基础。

在模拟方法上，本文采用了先进的计算流体力学和流体-结构相互作用模型，以确保模拟结果的准确性。这些模型能够捕捉天然气浓度的空间时间分布，以及爆炸云的形成与演变过程。同时，模型还能模拟冲击波的传播、超压的分布以及建筑结构在动态爆炸源条件下的响应。这种综合建模方法不仅提高了研究的全面性，也为理解天然气泄漏和爆炸事件的全过程提供了有力支持。

研究团队在本文中还关注了天然气泄漏和爆炸事件的动态特性。通过模拟不同泄漏体积和释放位置对爆炸云体积和超压分布的影响，团队能够更全面地理解这些事件的演变机制。此外，团队还研究了不同门窗状态对扩散域体积和封闭程度的影响，以及这些因素如何影响爆炸云的扩散和演变过程。这种动态建模方法不仅提高了研究的准确性，也为制定更加科学有效的灾害应对策略提供了依据。

在结论部分，本文总结了天然气泄漏和爆炸事件在封闭建筑中的主要发现。研究结果表明，天然气云的体积演化与建筑结构的封闭程度密切相关。扩大扩散域和增加沿路径的封闭程度均会增加爆炸云的峰值体积和危险条件的持续时间。冲击波的传播具有显著的空间依赖性，室内环境中的冲击波响应呈现出多峰特性，而室外环境中的冲击波响应则主要表现为单峰，并随着距离的增加而衰减。爆炸后果的严重程度与爆炸云的体积密切相关，从E1到E4的场景中，室内峰值超压从0.398 MPa增加到0.523 MPa，而室外致命距离则从0扩展到超过9米。建筑结构的响应强度随着爆炸云体积的增加而增强，峰值位移和速度呈现近似线性增长趋势，最大值出现在封闭泄漏源房间的墙壁上，并随着爆炸源区域的扩展向外部迁移。

这些发现不仅有助于理解天然气泄漏和爆炸事件在封闭建筑中的演化机制，也为密集城市环境下的安全管理与风险缓解提供了重要参考。研究团队还指出，尽管已有大量研究推动了对天然气泄漏和爆炸现象的理解，但在某些关键领域仍存在研究空白。例如，关于天然气云的全周期演化研究仍较为有限，大多数研究集中在泄漏和爆炸的某一阶段，而对整个过程的系统研究较少。此外，爆炸源的动态建模研究也相对不足，大多数研究依赖于预定义的等效源，而对基于真实天然气扩散情景的动态爆炸源的建模和分析则较为缺乏。最后，冲击波与结构相互作用的耦合分析也存在较大空白，目前，对于动态演变的爆炸源条件下冲击波传播、超压分布和结构响应的综合评估较少，导致我们对室内爆炸危害机制中复杂的流体-结构相互作用的理解仍不够深入。

综上所述，本文通过构建一个涵盖泄漏、扩散、爆炸及结构破坏全过程的模拟框架，结合计算流体力学和流体-结构相互作用模型，系统分析了天然气泄漏和爆炸事件的演化机制。研究结果不仅揭示了天然气云在建筑内部的扩散特性、爆炸云的空间演化以及冲击波的传播模式，还为理解爆炸后果的严重程度和建筑结构的响应强度提供了重要依据。这些发现对于提升城市公共安全管理的韧性、制定更加科学有效的灾害应对策略具有重要意义。