本发明涉及石油化工安全，尤其涉及一种球形储罐爆炸碎片散落分布评估方法及系统。
背景技术：
1、化工储罐因存储大量易燃易爆化工品而存在一定的爆炸事故风险。爆炸产生的巨大能量会导致储罐壳体自身结构发生断裂破碎，并产生大量的爆炸碎片。这些碎片在爆炸能量的推动下，以极高的速度进行飞散，形成“碎片云”，一旦撞击到邻近易燃易爆储罐，很可能会造成二次伤害，引发连锁反应。连锁反应一旦形成，会迅速扩大事故的影响范围，增加救援难度，对人员及设施安全构成严重威胁。目前，缺乏有效的储罐爆炸碎片安全范围方面的评估方法和准则，使得针对储罐的安全防护无从下手。
2、因此，亟需一种球形储罐爆炸碎片散落分布评估方法及系统来解决上述问题。
技术实现思路
1、基于以上所述，本发明的目的在于提供一种球形储罐爆炸碎片散落分布评估方法及系统，解决了现有技术缺乏对储罐爆炸碎片安全范围评估的技术问题，评估精度较高。
2、为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
3、一种球形储罐爆炸碎片散落分布评估方法，包括：
4、建立碎片在流场环境中的飞行动力学模型；
5、采用蒙特卡洛模拟方法对碎片运动的初始参数进行随机抽样，并将每一次抽样的所述初始参数带入所述飞行动力学模型中，计算碎片的抛射轨迹和落点位置，所述初始参数包括储罐的失效压力、储罐的充装系数、碎片数量、储罐爆炸时的动能转化系数、碎片抛射的方位角、碎片抛射的抛射角；
6、对碎片的落点位置进行统计分析，并建立碎片的分布概率密度模型，根据所述碎片的分布概率密度模型确定碎片的散落安全范围。
7、作为一种球形储罐爆炸碎片散落分布评估方法的优选方案，所述飞行动力学模型的矢量方程为：
8、
9、将式(1)转化为状态方程：
10、
11、其中，kd为流场环境中的阻力系数：
12、
13、式中，m为每个碎片的质量，ρa为空气密度，cd为阻尼系数，ad为迎风面积。
14、作为一种球形储罐爆炸碎片散落分布评估方法的优选方案，采用蒙特卡洛模拟方法对碎片运动的初始参数进行随机抽样时，所述储罐的充装系数服从[0.1，0.8]内的均匀分布，所述储罐的失效压力系数服从[0.9，1.1]内的均匀分布，所述储罐爆炸时的动能转化系数k服从右三角分布，其变化范围为[0.2，0.5]，均值为0.3，碎片数量服从对数正态分布：
15、
16、式中，n为碎片数量，均值μn＝1.8875，方差sn＝0.6997；
17、根据式(4)抽取碎片数量后，设各碎片质量相等，各碎片质量其中，m为储罐总质量；
18、储罐爆炸所产生的能量为：
19、
20、其中，p0为大气压力，p1为储罐失效压力，λ为比热比，v为容器体积；
21、爆炸后碎片所获得的总动能为：
22、ek＝k eexplosion (6)
23、计算每个碎片的动能：
24、
25、根据式(7)计算碎片抛射的初始速度：
26、
27、碎片抛射的方位角服从[-π，π]区间上的均匀分布，碎片抛射的抛射角服从[0，π]区间上的均匀分布；
28、根据碎片抛射的方位角、碎片抛射的抛射角和碎片抛射的初始速度计算初始速度在三个方向上的分量；
29、根据初始速度在三个方向上的分量求解式(2)，计算得到碎片的抛射轨迹和落点位置。
30、作为一种球形储罐爆炸碎片散落分布评估方法的优选方案，计算得到碎片的抛射轨迹和落点位置后，碎片在落点平面上具有x落点坐标和y落点坐标，对碎片的x落点坐标和y落点坐标分别进行分组统计，对每组的落点数量进行统计，得到x方向碎片落点分布直方图和y方向碎片落点分布直方图。
31、作为一种球形储罐爆炸碎片散落分布评估方法的优选方案，对碎片的落点位置进行统计分析后，使用高斯函数建立边际分布概率密度模型：
32、
33、式中，ax为x方向碎片落点分布直方图的幅值，μx为x方向碎片落点分布直方图的均值，σx为x方向碎片落点分布直方图的方差；ay为x方向碎片落点分布直方图的幅值，μy为x方向碎片落点分布直方图的均值，σy为x方向碎片落点分布直方图的方差；
34、通过将相互独立的边际分布相乘得到碎片散落的联合分布概率密度模型：
35、
36、将式(11)转化为极坐标形式：
37、
38、根据式(12)计算r≤r0范围内碎片散落的概率，即确定碎片的散落安全范围。
39、一种球形储罐爆炸碎片散落分布评估系统，包括：
40、抽样模块，用于采用蒙特卡洛模拟方法对碎片运动的初始参数进行随机抽样；
41、第一计算模块，用于建立碎片在流场环境中的飞行动力学模型，并根据所述初始参数计算碎片的抛射轨迹和落点位置；
42、统计分析模块，用于对所述碎片的落点位置进行统计分析；
43、第二计算模块，用于建立碎片的分布概率密度模型，并根据所述碎片的分布概率密度模型确定碎片的散落安全范围。
44、本发明的有益效果为：
45、本发明提供一种球形储罐爆炸碎片散落分布评估方法，通过将随机抽样的碎片运动的初始参数带入飞行动力学模型中，计算得到大量碎片的抛射轨迹和落点位置，以能对碎片的落点位置进行统计学分析，且得到的碎片散落分布规律较为稳定；通过建立碎片的分布概率密度模型，能计算得到碎片的散落安全范围，从而能够对储罐爆炸事故风险进行把控，有效规避爆炸碎片所带来的灾难性事故。该球形储罐爆炸碎片散落分布评估方法通过采用飞行动力学模型、统计学分析以及分布概率密度模型，使得最终评估结果较为准确。
46、本发明还提供一种球形储罐爆炸碎片散落分布评估系统，该球形储罐爆炸碎片散落分布评估系统包括抽样模块、第一计算模块、统计分析模块和第二计算模块，通过第一计算模块计算碎片的落点位置，然后通过第二计算模块计算碎片的散落安全范围，评估效率较高，评估准确性较好，对储罐爆炸事故风险进行把控，有效规避爆炸碎片所带来的灾难性事故。
1.一种球形储罐爆炸碎片散落分布评估方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的球形储罐爆炸碎片散落分布评估方法，其特征在于，所述飞行动力学模型的矢量方程为：
3.根据权利要求2所述的球形储罐爆炸碎片散落分布评估方法，其特征在于，采用蒙特卡洛模拟方法对碎片运动的初始参数进行随机抽样时，所述储罐的充装系数服从[0.1，0.8]内的均匀分布，所述储罐的失效压力系数服从[0.9，1.1]内的均匀分布，所述储罐爆炸时的动能转化系数k服从右三角分布，其变化范围为[0.2，0.5]，均值为0.3，碎片数量服从对数正态分布：
4.根据权利要求3所述的球形储罐爆炸碎片散落分布评估方法，其特征在于，计算得到碎片的抛射轨迹和落点位置后，碎片在落点平面上具有x落点坐标和y落点坐标，对碎片的x落点坐标和y落点坐标分别进行分组统计，对每组的落点数量进行统计，得到x方向碎片落点分布直方图和y方向碎片落点分布直方图。
5.根据权利要求4所述的球形储罐爆炸碎片散落分布评估方法，其特征在于，对碎片的落点位置进行统计分析后，使用高斯函数建立边际分布概率密度模型：
6.一种球形储罐爆炸碎片散落分布评估系统，其特征在于，包括：
