作者:马修·肯尼迪，核工程师和马丁·g·普利斯，科学博士，福斯克联合有限责任公司(FAI)废物技术和后福岛服务副总裁
最近，FAI的专家进行了一项安全分析，以预测嵌套容器内氢燃烧的瞬态响应和潜在后果。该分析可用于模拟存储或海运集装箱，其中内部集装箱含有可燃混合物，燃烧后可破坏内部集装箱并挑战外部集装箱的完整性。如果容器中有有毒物质，这是一个特别值得关注的问题。
排气爆燃模型是在固定资产投资(Epstein, Swift，和Fauske, 1986，以下简称ESF ' 86)为当前模型提供了基础。为了对嵌套存储容器建模，ESF ' 86进行了修改，包括与时间相关的边界条件。ESF ' 86模型与Chippett (Chippett, 1984)的早期模型相比非常好。此外，ESF ' 86模型已被采纳为美国国家消防协会(NFPA)标准(NFPA, 2013)。用ESF ' 86公式(21)和(22)计算NFPA标准通风口尺寸公式(7.2.2a)和(7.2.2b);请注意NFPA公式(7.2.2a)中有排版错误。
在本例中，假定点火发生在内部容器中。火焰传播到外部容器发生后，完全燃烧在内部容器。正在燃烧的体积由燃烧的气体区和未燃烧的气体区组成。这些区域在等压下，通过理想气体等熵体积变化的多元指数关系，压强与密度有关。燃烧气体区域被保守地理想化为球形，因此火焰前缘面积随着距离的平方而增加。燃烧过程也被视为绝热过程。当内容器达到压力失效阈值时，未燃气体排放到外容器。这导致在烧伤传播到外部容器之前，外部容器的压力增加，也称为压力堆积。其结果是外部容器的极限压力高于忽略压力桩的情况。图1说明了该模型。 Note, that while the example application and the illustration is for nested containers, topologically there is no difference between this illustration and two identical containers connected by a short vent path.
图1压力桩模型的泄气爆燃
该模型要求在没有排气的情况下确定燃烧后的压力和温度。这些是用NASA CEA2代码所采用的技术的简化版本计算出来的(Gordon和McBride, 1994)。得到的量是平衡绝热等歌线完全燃烧(AICC)值。燃烧后气体成分为燃烧后温度下的平衡成分。值得注意的是，CEA2已被匹兹堡研究实验室(PRL，前身为美国矿业局匹兹堡研究中心)接受并使用。
在本例中，内外容器具有相同的体积，并通过带有泄漏止回阀的通道连接。样品中的两种体积都含有氢摩尔分数为15%的空气和氢的混合物。这两个区域最初处于300 K(27°C)的大气压力下。两个容器之间的漏止回阀面积为0.01 m2，在极低的压差(100pa)时打开。
图2和图3分别给出了样品序列的瞬态压力和燃烧完成度。图2显示，外部容器中的压力在大约75毫秒后开始逐渐增加。这表明内容器已经失效，未燃气体正在向外容器排放和加压。当内部容器的燃烧完成度达到100%时，在图3中大约400毫秒，火焰就会传播到外部容器中。当火焰传播到外容器时，外容器内的压力约为1.7 bara。图2显示，如果在火焰传播时忽略了外部容器中较高的压力，即不进行压力堆筑，则外部容器内的最终压力比考虑压力堆筑时低42% (5.6 vs. 8 bara)。
综上所述，基于ESF ' 89开发了一个新的模型，扩展了对泄放爆燃的分析，以适应压力桩效应。
图2瞬态压力响应
图3外容器瞬态氢浓度
参考文献
齐佩特，1984，排气爆燃的建模，燃烧和火焰卷55，页127-140。
Epstein, M.， I. Swift，和H.K. Fauske, 1986，估计声波释放的碳氢化合物爆炸的峰值压力在球形容器，燃烧与火焰卷66，第1-8页。
NFPA, 2013, NFPA 68爆燃通风防爆标准，2013版，国家火预防同事、昆西马。
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