(57)【要約】【課題】建屋内で可燃性物が漏洩し、床面付近に局所的に形成された可燃性混合気が爆発した場合の密閉構造の建屋に設置する放圧扉をより精度良く設計する方法を提供する。【解決手段】可燃性物質を貯蔵する密閉構造の建屋に設置する放圧扉の設計方法であって、該建屋内で可燃性物が漏洩し、床面付近に局所的に形成された可燃性混合気が爆発した場合の建屋内面に加わる最大爆風圧およびインパルスを各種条件下の放圧扉について計算流体力学シミュレーションによって求め、屋根全面を開口した場合の建屋内面に加わる最大爆風圧とインパルスを上回らないような条件の放圧扉を試行錯誤的に求めることを特徴とする放圧扉の設計方法である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
可燃性物質を貯蔵する密閉構造の建屋に設置する放圧扉の設計方法であって、該建屋内で可燃性物が漏洩し、床面付近に局所的に形成された可燃性混合気が爆発した場合の建屋内面に加わる最大爆風圧およびインパルスを各種条件下の放圧扉について計算流体力学シミュレーションによって求め、屋根全面を開口した場合の建屋内面に加わる最大爆風圧とインパルスを上回らないような条件の放圧扉を試行錯誤的に求めることを特徴とする放圧扉の設計方法。
【請求項２】
放圧扉の条件が、放圧扉の設置位置、１放圧扉当りの面積、放圧扉の個数および放圧扉が開放する作動圧力である請求項１記載の放圧扉の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は可燃性物質を貯蔵する密閉構造の建屋に設置する放圧扉の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
可燃性物質を貯蔵する密閉構造の建屋としては、消防法の危険物屋内貯蔵所が代表として挙げられるが、屋内貯蔵所では、通常、屋根全面を放圧構造にしていることが多い。
しかしながら、床面付近に局所的に形成された可燃性混合気が爆発する場合等には、必ずしも屋根全面を放圧構造にする必要はなく、また、配置上の制限や、建屋を転用する場合等、屋根全面を放圧構造にすることができない場合もある。
【０００３】
密閉構造物からの爆発圧力放出に必要な放圧扉の面積設計については、非特許文献１が知られている。
しかしながら、非特許文献１に記載の方法は、構造物内に均一濃度の爆発性混合気が充満していることが前提であり、構造物の大きさや形が限定されていて、どのような形状にも適用できるものではなく、また圧力レベルが低い場合であり、局所的な可燃性混合気の爆発や圧力が高い場合には対応できない。
【非特許文献１】規格番号69「爆発放散(Venting of Deflagrations)」(1997年版)、米国防火協会（NFPA：National Fire Protection Association）発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、建屋内で可燃性物が漏洩し、床面付近に局所的に形成された可燃性混合気が爆発した場合の密閉構造の建屋に設置する放圧扉をより精度良く設計する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、建屋内で可燃性物が漏洩し、床面付近に局所的に形成された可燃性混合気が爆発した場合の密閉構造の建屋に設置する放圧扉について鋭意検討した結果、各種条件下の放圧扉について最大爆風圧およびインパルスを計算流体力学シミュレーションによって求め、屋根全面を開口した場合の建屋内面に加わる最大爆風圧とインパルスを上回らないような条件の放圧扉を試行錯誤的に求めることによって、より精度よく放圧扉を設計できることを見出し、本発明に至った。
【０００６】
すなわち本発明は、可燃性物質を貯蔵する密閉構造の建屋に設置する放圧扉の設計方法であって、該建屋内で可燃性物が漏洩し、床面付近に局所的に形成された可燃性混合気が爆発した場合の建屋内面に加わる最大爆風圧およびインパルスを各種条件下の放圧扉について計算流体力学シミュレーションによって求め、屋根全面を開口した場合の建屋内面に加わる最大爆風圧とインパルスを上回らないような条件の放圧扉を試行錯誤的に求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の方法によって、建屋内で可燃性物が漏洩し、床面付近に局所的に形成された可燃性混合気が爆発した場合の密閉構造の建屋に設置する放圧扉をより精度良く設計することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明において、可燃性物は液状、固体状であって、漏洩して可燃性混合気を形成するものである。
本発明では、先ず、密閉構造の建屋内で可燃性物が漏洩し、床面付近に局所的に形成された可燃性混合気の形状、容積を推定する。これは大気拡散ソフトを用いて求められる。大気拡散ソフトは市販されており、例えば、“ＴＲＡＣＥ”(商標登録)(Safer Systems 社（米）製）等が挙げられる。また、計算方法については、“Methods for the
Calculation of Physical Effects-Due to Releases of Hazardous Materials (Liquids and Gases)”, CPR14E (Part1), 3rd.ed., 1997, TNO（オランダ応用科学研究機構）等に開示されている。
なお、計算結果には、例えば、漏洩する液体の条件（圧力、温度、物性等）、床面の状態（凹凸、材質、温度等）、建屋内の気象条件（気温、気流等）が影響する。
本発明においては、形成した可燃性混合気の濃度は、安全をみて化学量論組成（完全燃焼組成）で一定とする。
【０００９】
次に、計算流体力学シミュレーション（以下、３次元ＣＦＤ(Computational Fluid
Dynamic Simulation)と称する。）ソフトを用いて、上記可燃性混合気に着火し、可燃性気体と空気の燃焼反応を生じさせて爆風圧のシミュレーションを行う。
シミュレーションは、屋根全面を開口した場合および各種条件（扉の設置位置、扉当たりの面積、扉の個数、扉が開放する作動圧力等）下に放圧扉を設置した場合について行い、建屋内面に加わる最大爆風圧とインパルスを求める。
【００１０】
３次元ＣＦＤソフトは、市販されており、例えば、“ＰａｎＥｘｐｌｏｄ”(商標登録)
（Transoft International社（仏）製）等が挙げられる。また、シミュレーションの例として、S.Dharmavaram, D.Herrmann, B.J.Arntzen 著“Computational Fluid Dynamics
(CFD) Method for Determininig the Consequences of Releases Inside a Building”, AIChE／CCPS 17th Annual International Conference and Workshop on Risk,
Reliability and Security, Jacksonville, Florida, October 8-11, 2002等が知られており、計算式については、D.G.Norton, D.G.Vlachos 著 “Combustion Characteristics and Flame Stability at the Microscale, A CFD Study of Premixed Methane/Air 
Mixtures”Chemical Engineering Science, Vol.58, pp.4871-4882(2003)等に開示されている。
【００１１】
例えば、上記の３次元ＣＦＤソフト“ＰａｎＥｘｐｌｏｄ”は、燃焼・爆発問題に特化したシミュレーションソフトであり、有限体積法（FVM：Finite Volume Method）を使用している。すなわち、計算領域を六面体（互いに直交するX、Y、Z軸からなる直交座標）の格子要素に分割し、各格子に対し積分形で書かれた基礎方程式を解くものである。この手法により、過渡現象に対する解が比較的容易に求められる。
流体計算では、物質収支式（連続の式）、運動量収支式（ナビエ・ストークスの式）、熱収支式（エネルギー収支式）の３保存式、および乱流方程式を同時に解く必要があるが、これらの式は時間、位置（x、y、z）の関数となる偏微分方程式で表され、解析的に解く事は困難である。そこで、有限差分法（FDM：Finite Difference Method）を使用し、コンピュータにより数値解析する。これは、これら偏微分方程式をテイラー級数に展開する等により差分方程式（代数方程式）に置き換え、これを解いて近似解を求めるものである。各格子内の温度、圧力、濃度等の物理量は一定と仮定し、隣同士（六面）の各格子間での差分量が局所的に保存されるように（誤差の総和が所定の値以下になるまで）収束計算する。
【００１２】
なお、シミュレーションによって求める最大爆風圧とインパルスは、爆風による被害を推定するために使用する因子である。
図１は最大爆風圧とインパルスを説明する図であり、最大爆風圧は爆風圧の時間変化のうちで最大の圧力であり、インパルスは直接波（第一波）の爆風圧の時間積分値である。図２は最大爆風圧とインパルスから爆風による被害を推定する図である。この図は、例えば、安全工学協会編，安全工学講座２「爆発」, p.216, 1983  海文堂出版発行に記載されている。
【００１３】
この図２は、経験的に求められたものであり、パラメータＫの値が一定の曲線は同じ被害を与え、Ｋの値が小さくなるほど被害は大きくなる。また、曲線が垂直に立ち上がっている領域は最大爆風圧が支配的であり（インパルスはほぼ一定）、水平に寝ている領域はインパルスが支配的である（最大爆風圧はほぼ一定）。例えば、パラメータＫが９．５の場合には、殆どの構造物が完全に破壊され、パラメータＫが２４の場合には、屋根、外壁が部分的に破損し、パラメータＫが７０の場合には、構造物にいくらかの損傷を受ける。この被害はレンガ作りの構造物について求められたものであり、鉄筋構造物では、同じＫ値であってもその設計強度によって被害は少なくなる。
【００１４】
本発明においては、建屋の大きさを設定し、その屋根全面を開口した場合について、建屋内で可燃性物が漏洩し、床面付近に局所的に形成された可燃性混合気が爆発した時の建屋内面に加わる最大爆風圧およびインパルスを求める。次に各種条件（扉の設置位置、扉当たりの面積、扉の個数、扉が開放する作動圧力等）下に放圧扉を設置した場合について行い、建屋内面に加わる最大爆風圧とインパルスを求める。
このようにして、屋根全面を開口した場合の建屋内面に加わる最大爆風圧とインパルスを上回らないような条件の放圧扉を試行錯誤的に求める。すなわち、屋根全面を開口した場合の衝撃を上回らない衝撃となるような放圧扉を求める。
配置上の制限や、建屋を転用する場合等、屋根全面を放圧構造にすることができない場合には、設置可能な範囲で大きい面積および個数の放圧扉とし、その時の最大爆風圧に耐え得るように建屋を補強する。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明を実施例で詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１６】
実施例１
図３に示す例について建屋内面に加わる最大爆風圧およびインパルスを求めた。図３に示す建屋は、長さが３４．２ｍ、幅が１０ｍ、高さが４．３ｍの大きさである。建屋の中央部のドラム缶からエチルアルコールが２００Ｌ漏洩し、爆発した場合について求めた。
【００１７】
（１）可燃性混合気の推定
大気拡散ソフトとして“ＴＲＡＣＥ”(商標登録)(Safer Systems 社（米）製）を用いて、下記の条件で推定した。その結果、爆発下限界等濃度線の形状（可燃性混合気）として、直径６．４ｍφ×高さ０．５５ｍＨの円柱を得た。
(1)エチルアルコールの液温：３０℃
(2)エチルアルコールの空気中の爆発下限界濃度：３．３容積％
(3)漏洩口径：１０ｃｍφ
(4)気象条件：風速１ｍ／ｓ（蒸発計算をするため設定）、気温３０℃、相対湿度５０％、大気安定度Ｆ（安定）
【００１８】
（２）３次元ＣＦＤ
３次元ＣＦＤソフトとして“ＰａｎＥｘｐｌｏｄ”（Transoft International社（仏）製）を用いて、建屋の屋根を全面開放した場合、屋根に９ｍ２（３ｍ×３ｍ）の放圧扉４個（合計３６ｍ２）、１８．５ｍ２（４．３ｍ×４．３ｍ）の放圧扉４個（合計７４ｍ２）、５６．３ｍ２（７．５ｍ×７．５ｍ）の放圧扉４個（合計２２５ｍ２）を均等に配置した場合のそれぞれについて、下記の条件で建屋内面に加わる最大爆風圧およびインパルスを求めた。
(1)地表面に形成される可燃性混合気の形状：上記（１）で求めた直径６．４ｍφ×高さ０．５５ｍＨの円柱。
(2)混合気の濃度：空気中の化学量論組成（完全燃焼組成：6.5 容積％）で均一と仮定。
(3)建屋寸法：３４．２ｍ（Ｘ）×１０．０ｍ（Ｙ）×４．３ｍ（Ｚ）で、四方と屋根は厚さ０．３ｍの鉄筋コンクリート壁で囲まれている。
(4)着火源：混合気の中央の地上０．３ｍＨに１箇所。着火開始時間は１Ｅ-７sec、持続時間は１Ｅ-３sec、着火源の強さ尺度は１Ｅ６sec−1に設定。
(5)計算領域：３７ｍ（Ｘ）×１３ｍ（Ｙ）×５０ｍ（Ｚ）
(6)計算格子：Ｘ（４５）×Ｙ（２６）×Ｚ（３４）＝３９，７８０、不等間隔
(7)格子微細度：水平１，０００、垂直１，０００
(8)計算時間刻み：初期値１Ｅ-７sec、時間刻み増加率１０％、最大値１Ｅ-５sec
(9)気象条件：風速０ｍ/s(屋内)、気温３０℃、相対湿度５０％
(10)浮力モデル：使用せず（温度、密度、重力の影響を無視）
(11)壁面モデル：地表面の風速０ｍ/ｓ、壁表面の風速０ｍ/ｓに設定。
(12)乱流モデル：使用せず（層流を想定）
(13)収束計算モデル：真の１次精度加重風上差分モデル
(14)格子精度：４
(15)収束判定限界：圧力１Ｅ-７、温度１Ｅ-７、風速１Ｅ-７、濃度１Ｅ-７
(16)物性値：エタノールの内蔵物性データベース
(17)境界条件：計算領域において、地表面とそれ以外の５面全てが壁
(18)化学反応：反応式はエタノールの完全燃焼反応を仮定
C2H5OH＋3 O2 → 2 CO2＋3 H2O
(19)反応速度モデル：アレニウスを仮定。
反応速度パラメータは、Ｅ/Ｒ＝８，３１０Ｋ、Ａ＝１Ｅ１０
(20)観測点：建屋内壁面に５点設定（地上０．０５ｍＨ、地上１．１ｍＨ、地上２．１ｍＨ、地上３．１ｍＨ、地上４．１５ｍＨ）
(21)扉の作動圧力：差圧９．８ｋＰａ
【００１９】
シミュレーションの結果の内、地上０．０５ｍＨ、地上２．１ｍＨおよび地上４．１５ｍＨの観測点における爆風圧およびインパルスの時間変化を、図４および５（地上０．０５ｍＨ）、図６および７（地上２．１ｍＨ）および図８および９（地上４．１５ｍＨ）に示す。
最大爆風圧およびインパルスを求めた結果を表１に示す。また、図２に記号（１〜２０）で示す。
【００２０】
【表１】
2007239413.tif 000002
【００２１】
屋根全面開口の場合は、観測点が高くなるほど（記号１→５）衝撃は小さくなる。一方、開口面積３６ｍ２、７４ｍ２、２２５ｍ２の場合は、下から３段までは（記号６→８、１１→１３、１６→１８）屋根全面開口の場合と衝撃は大差なく、プロットが重なっている。しかし、さらに高くなると（記号９→１０、１４→１５、１９→２０）屋根全面開口の場合より衝撃が大きくなり、開口面積を大きくしても殆ど差が見られない。
このような場合、ある程度の開口面積の放圧扉を設置し、壁面高さ約３ｍ以上の屋根付近のコーナー部分の強度を上げて対応する必要がある。
【００２２】
実施例２
図１０に示すように、建屋屋根中央に、４１ｍ２（６．４ｍ×６．４ｍ）、６７ｍ２（８．２ｍ×８．２ｍ）、７４ｍ２（８．６ｍ×８．６ｍ）、７９ｍ２（８．９ｍ×８．９ｍ）、８３ｍ２（９．１ｍ×９．１ｍ）または８９ｍ２（９．４５ｍ×９．４５ｍ）の放圧扉１個を配置した場合について、実施例１と同様にシミュレーションし、建屋内面に加わる最大爆風圧およびインパルスを求めた。
シミュレーションの結果の内、地上４．１５ｍＨの観測点における爆風圧およびインパルスの時間変化を図１１および１２に示す。
最大爆風圧およびインパルスを求めた結果を表２に示す。また、図１３に記号（１〜５、２１〜５０）で示す。
【００２３】
【表２】
2007239413.tif 000003
【００２４】
開口面積４１ｍ２では、高さ３．１ｍＨ（記号２４）と高さ４．１５ｍＨ（記号２５）で屋根全面開口とずれている。高さ３．１ｍＨでは開口面積６７ｍ２より開口面積が大きくなれば（記号２９、３４、３９、４４、４９）屋根全面開口と一致する。高さ４．１５ｍＨでは開口面積が大きくなるにしたがって改善され、８３ｍ２（記号４５）で屋根全面開口に近づき、８９ｍ２（記号５０）では一致する。したがって、屋根全面開口と一致するために必要な開口面積は８３ｍ２と８９ｍ２の間に存在する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】最大爆風圧とインパルスを説明する図である。
【図２】最大爆風圧とインパルスから爆風による被害を推定する図であり、実施例１の結果をプロットした図である。
【図３】実施例１の建屋と放圧扉を示す図である。
【図４】実施例１の地上０．０５ｍＨの観測点における爆風圧の時間変化を示す図である。
【図５】実施例１の地上０．０５ｍＨの観測点におけるインパルスの時間変化を示す図である。
【図６】実施例１の地上２．１ｍＨの観測点における爆風圧の時間変化を示す図である。
【図７】実施例１の地上２．１ｍＨの観測点におけるインパルスの時間変化を示す図である。
【図８】実施例１の地上４．１５ｍＨの観測点における爆風圧の時間変化を示す図である。
【図９】実施例１の地上４．１５ｍＨの観測点におけるインパルスの時間変化を示す図である。
【図１０】実施例２の建屋と放圧扉を示す図である。
【図１１】実施例２の地上４．１５ｍＨの観測点における爆風圧の時間変化を示す図である。
【図１２】実施例２の地上４．１５ｍＨの観測点におけるインパルスの時間変化を示す図である。
【図１３】実施例２の結果をプロットした最大爆風圧とインパルスから爆風による被害を推定する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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