引用本文
李红宇, 孙玉友, 张冀峰, 樊武龙, 谢永迅, 程桂敏, 周楠, 崔子威. 数值仿真技术在受限空间气体爆炸案件现场勘查中的应用[J].刑事技术, 2020,45(5):528-533
LI Hongyu, SUN Yuyou, ZHANG Jifeng, FAN Wulong, XIE Yongxun, CHENG Guimin, ZHOU Nan, CUI Ziwei. Numerical Simulation Investigating into the Crime Scene of Space-confined Gas Explosion[J]. Forensic Science and Technology,2020,45(5): 528-533  
Doi: 10.16467/j.1008-3650.2020.05.019
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数值仿真技术在受限空间气体爆炸案件现场勘查中的应用
李红宇1, 孙玉友1, 张冀峰1, 樊武龙1,2,*, 谢永迅1, 程桂敏1, 周楠3, 崔子威4
1.公安部物证鉴定中心,北京 100038
2.北京理工大学,北京 100081
3.南京森林警察学院,南京 210023
4.杰斯康软件〔上海〕有限公司,上海 200082

* 通讯作者简介：樊武龙,男,陕西宝鸡人,博士在读,副研究员,研究方向为涉爆案件侦查技术。E-mail: fanwulong@cifs.gov.cn

第一作者简介：李红宇,女,河北易县人,硕士,助理研究员,研究方向为涉爆案件侦查技术。E-mail: sanyuli@126.com

基金资助: 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（2018JB051）; 公安部技术研究计划项目（2019JSYJC10）
摘要

目的 确定民宅类受限空间气体爆炸案件的起爆位置。方法 运用FLACS软件对某居民楼因液化石油气泄放引发的气体爆炸过程进行数值仿真研究,选取可疑起爆区域内的两处起爆位置,即某卧室床南侧中部A点与床北侧对称位置B点,分析两点产生的爆炸冲击波对木门、床垫的作用与现场木门、床垫位移情况的吻合程度,确定起爆位置所处区域。结果 A点与B点起爆产生的爆炸冲击波对木门的作用与现场木门位移情况吻合,只有A点起爆产生的爆炸冲击波对床垫的作用与现场床垫位移情况吻合,因此起爆位置位于A点所在的床南侧区域,经现场分析推断点火源为南墙上的电灯开关。结论 FLACS软件可对受限空间气体爆炸案事件过程进行模拟,为现场痕迹特征分析、关键物证认定等提供了有力支撑。

关键词: 受限空间; 气体爆炸案件; 现场勘查; 起爆位置; 数值仿真
中图分类号:DF794.3 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2020)05-0528-06
Numerical Simulation Investigating into the Crime Scene of Space-confined Gas Explosion
LI Hongyu1, SUN Yuyou1, ZHANG Jifeng1, FAN Wulong1,2,*, XIE Yongxun1, CHENG Guimin1, ZHOU Nan3, CUI Ziwei4
1. Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security, Beijing 100038, China
2. State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
3. Department of Criminal Science and Technology, Nanjing Forest Police College, Nanjing 210023, China
4. Shanghai-based Gexcon (China) Ltd, Shanghai 200082, China
Abstract

Objective To determine the ignition site in the crime scene of space-confined gas explosion.Methods FLACS, one software, was adopted to numerically simulate the gas explosion caused from liquefied petroleum gas releasing in a residential building, with the suspicious scene ignition sites of A and B being analyzed into the effect of explosive shock wave on the involved wooden door and mattress. Site A was selected at the middle of the south side of a bed in one bedroom, with site B being symmetric to A in the north side of the bed. The results from numerical simulation were verified with the actual displacement of the blown wooden door and mattress, thereby having the ignition site determined.Results The simulated explosion shock wave, generated from the site either A or B, caused the identical displacement of the wooden door as shown with the scene fact, yet only the site A resulting in the same displacement of the mattress as shown on the scene from the shock wave generated there. Thus, the ignition site was determined at site A. Further scene investigation and analysis confirmed that the ignition source is the light switch on the wall at the south beside the bed.Conclusions FLACS can simulate the process of gas explosion event in a building, capable of providing strong support for feature analysis of scene traces and identification of key material evidence.

Key words: confined space; gas explosion case; crime scene investigation; ignition site; numerical simulation

随着可燃气体燃料的普及应用, 民宅等建筑物受限空间气体爆炸案事件的发生率呈上升趋势。建筑物内气体爆炸多以爆燃形式发生[1, 2], 难以形成明显的炸点痕迹特征[3]。泄压口分布的多样性与现场障碍物的任意性和不规则性, 使爆炸过程中的湍流效应难以直观预测[4]。加之救火等行为对现场痕迹的破坏, 为气体爆炸现场的勘查与案件侦破带来极大挑战。近年来, 数值仿真技术被广泛应用于爆炸过程研究, FLACS软件是一款气体爆炸专用软件, 主要用于复杂生产储存区域的通风、气体扩散、气体爆炸及冲击波模拟[5]。2005年英国邦斯菲尔德油库火灾爆炸事故调查中, 事故调查组利用FLACS软件进行了蒸气云的扩散、爆炸仿真分析, 为事故原因调查提供了帮助[6]; 王学岐等[7]模拟了不同点火位置、障碍物位置等情况, 对某企业液化气球罐的液化气泄漏扩散及爆炸事故后果进行数值模拟分析, 建立了反推事故发展过程、查找事故原因的方法; 郭虎成等[8]利用FLACS软件对某化纤生产企业原料储罐区泄漏引发的蒸气云爆炸后果进行了模拟。目前法庭科学领域气体爆炸案事件调查多依赖专家经验判断、现场人员访问、开展侦查实验, 细节体现力与直观性较差, 且安全系数低, 数值仿真技术可有效弥补上述缺陷。本文介绍了某居民楼内液化石油气气体爆炸现场的主要痕迹特征。针对起爆位置难以确定的问题, 结合现场实际条件建立了物理模型, 使用FLACS软件对不同可疑起爆位置的爆炸过程进行了模拟, 分析了复杂爆炸场中特征物体的运动过程等。通过与现场痕迹特征的对比, 辅助勘查人员确定起爆位置, 为点火源等关键物证的提取、筛选及起爆原因分析提供支撑。

1 案情简述

2019年4月福建省某四室两厅两卫居民楼发生一起因泄放液化石油气引发的气体爆炸案件, 现场4人全部死亡。经现场勘查, 确定起爆位置位于爆炸痕迹明显的某次卧, 该卧室较小, 家具等物品较多, 经爆炸、燃烧、消防救火后损毁严重, 墙皮大量脱落、木质家具基本炭化、床上用品燃烧殆尽。北墙有一扇窗户, 玻璃整体破碎飞出, 经分析起爆时为关闭状态; 南墙有一扇推拉木门, 经分析起爆时为关闭状态, 其顶端连接滑轨、下端悬空, 在冲击波作用下门底部先行飞出, 使门内侧着地, 门底端距门口较远; 东墙中部附近有一阀门全开的液化石油气罐, 内部气体泄放完全, 起爆时泄放量无法准确获知; 床北侧立柱、横梁的南侧墙皮剥脱严重, 北侧基本无剥脱; 一烧焦女尸位于床北侧地面; 床垫在冲击波作用下, 尾部由南向北发生轻微位移, 头部位移不明显, 现场窗、木门、床垫破坏位移情况如图1所示。根据现场门窗、墙皮、床垫等破坏及位移情况分析起爆位置位于床南侧或北侧附近区域, 具体位置无法确定。爆炸初始随着冲击波传播, 门窗破裂形成泄压口导致内部气体泄放, 窗户玻璃损毁严重, 难以进行受力分析, 木门与床垫损毁较轻且有明显的方向指向性, 可通过受力分析帮助确定起爆位置所在区域, 再通过对该区域重点物证进行筛选、分析确定起爆位置及点火源, 为起爆原因等分析提供支撑。

图1 现场窗、木门及床垫破坏位移情况（a:窗户; b:木门; c:床垫）
Fig.1 The damaged and displaced window (a), wooden door (b) and mattress (c) in scene

2 计算模型
2.1 计算算法

FLACS采用有限体积法, 利用SIMPLE算法, 通过建立描述流体特性的质量、动量、能量以及组分守恒方程, 配合边界条件求解计算区域中的超压、燃烧产物、火焰速度以及燃料消耗量等变量的值, 同时, 湍流和化学反应的影响也包含在方程中：

式中：t为时间, φ 代表通用求解变量（包括质量、动量、能量等变量）; ρ 为气体密度（kg/m3）; xj代表在j方向上积分; μ i代表i方向上的速度矢量; Γ φ 为扩散系数; Sφ 为源项。

2.2 几何模型

根据现场实际条件建立计算模型。通过测量得到, 房间尺寸为3.5 m× 3.5 m× 2.75 m, 北墙中部距地0.9 m处有一扇1.5 m× 1.5 m的玻璃窗, 南墙木门尺寸为0.8 m× 2.1 m, 床位于房间南侧, 尺寸为1.2 m× 2 m× 0.4 m, 其余根据房间物体简化复原图搭建。在木门、床垫等关键位置设置观察点若干, 门窗处设置泄放压力为0.003 MPa的同尺寸泄压板, 当压强达到0.003 MPa时, 泄压板变为敞开状态。（0, 0, 0）到（3.5, 3.5, 2.75）（卧室）设置为核心网格区域, 网格尺寸为0.1 m, （-3, -5, 0）到（8, 8, 5）为网格拉伸区域, 以满足观测泄压板周边情况的需要。

2.3 场景设置

作为现场勘查的辅助方法, 要求快速得出合理、可靠的仿真结果并进行分析, 因泄漏速率、时间无法准确溯源, 且扩散模型数值仿真耗时较长, 因此设置均匀预混气云开展爆炸模型数值研究, 并对场景做如下合理简化（图2）：1）房间内气体满足真实气体状态方程, 液化石油气取主成分丙烷∶ 丁烷= 1∶ 1; 2）设置3.5 m× 3.5 m× 2.75 m的预混气云并充满房间, 当量比ER=1.3, 即液化石油气浓度约为5%（威力较大的富燃料状态）; 3）风速为0, 环境条件为常温常压; 4）房间外围较为空旷, 视为开敞空间; 5）设置两处起爆位置, 位于可疑起爆区域中部位置, 即床南侧A点（1, 0.4, 0.5）与床北侧B点（1, 2, 0.5）, 均0.1 s时起爆。

图2 房间数值模拟几何模型
Fig.2 Geometric numerical simulation of the related room

3 结果与讨论
3.1 不同起爆位置木门受压情况

如图2所示, 木门处共设置观察点5个。当起爆位置为A或B点时, 木门各观察点所受压强随时间变化情况均基本一致, 取相距较远的上部观察点12（3.03, 0, 1.55）与下部观察点13（3.35, 0, 0.75）为例进行受压分析。起爆位置为A点时, 木门受压参数变化情况如图3所示, 同工况下燃烧产物发展情况如图4所示。由图3可知, 压强呈现峰值多、持续时间长的特点, 可对建筑物结构和设备造成极大破坏[9]。360 ms前观察点12与13处压强大小及变化情况基本相同, 360 ms后压强大小稍有差别, 但变化趋势基本一致。在295 ms左右时观察点12、13所受压强均为0.003 MPa , 达到泄放压强, 此时木门处泄压板完全开启, 305 ms左右时, 压强先减小后增大, 是由于门口处极速泄压导致[10], 结合图4可知, 此时燃烧产物未传播至门口位置。400 ms前后燃烧产物逐层传至门口, 产生多个压强峰值。495 ms前后, 压强下降, 是燃烧产物逐渐充满房间所致[11]。综上所述, 木门处泄压口开启前门上部及下部所受压强基本相同, 因木门顶端滑轨的固定作用, 在木门各处承压相同时, 未固定的下部会先发生状态变化, 导致门下部先飞出, 门内侧着地, 门底端距原始位置较远的状态, 因此起爆位置为A点时可造成现场木门状态。

图3 A点起爆木门受压参数曲线
Fig.3 The pressure curve about the wooden door shocked from explosion at the ignition site A

图4 A点起爆燃烧产物发展情况（a：t=326.08ms; b：t=412.14ms; c：t=441.73ms; d：t=669.61ms）
Fig.4 Site A-ignited explosion leading the combustion to go forward (t=a/b/c/d: 326.08/412.14/441.73/669.61ms)

当起爆位置为B点时, 木门受压参数变化情况如图5所示, 同工况下燃烧产物发展情况如图6所示。由图5可知, 在320 ms前观察点12与13所受压强大小及变化情况基本相同, 320 ms后两点所受压强大小稍有差别, 但变化趋势基本一致。260 ms左右时观察点12与13所受压强均为0.003 MPa, 木门处泄压板完全开启, 由图6可知, 此时燃烧产物未传播至门口位置。与起爆位置为A点时相同, 起爆位置为B时, 木门处泄压口开启前木门各处所受压强一致, 可导致现场木门状态。综上所述, 起爆位置为A点或B点时均可导致现场木门的破坏情况及状态, 无法根据木门受压情况判定具体起爆位置。

图5 B点起爆木门受压参数曲线
Fig.5 The pressure curve about the wooden door shocked from explosion at the ignition site B

图6 B点起爆燃烧产物发展情况（a：t=295.36ms; b：t=357.62ms; c：t=464.99ms; d：t=652.33ms）
Fig.6 Site B-ignited explosion leading the combustion to go forward (t=a/b/c/d: 295.36/357.62/464.99/652.33ms)

值得注意的是起爆位置为A点时, 燃烧产物先到达木门处, 后到达窗口位置, 起爆位置为B点时, 燃烧产物先到达窗口位置, 后到达木门处, 这是传播路径与湍流流场等的多重作用。当案件中有相关视频资料时, 可通过模拟不同起爆位置爆炸情况, 分析燃烧产物到达各泄压口位置的先后顺序、时间差与视频资料符合程度, 帮助确定起爆位置。此案中无符合条件的视频资料, 因此不做详细分析。

3.2 不同起爆位置床垫受压情况

如图2所示, 床头与床头柜、墙壁紧密贴合, 受压情况受多重因素影响, 床垫中部和尾部不与其他物体直接接触, 其位移主要源于爆炸冲击波作用, 因此本文选取床垫中部及尾部观察点19、21、22、23进行受压分析, 坐标分别为观察点19（0.97, 0.65, 0.22）、21（0.97, 1.85, 0.22）、22（1.77, 1.85, 0.22）、23（1.77, 0.65, 0.22）。

当起爆位置为A点时, 床垫受压参数变化情况与气流变化情况如图7、图8所示。由图7可知, 195 ms左右时观察点19和23处所受压强明显高于其他观察点, 且观察点19处压强大于观察点23处压强, 即P19> P23, 因为在爆炸初期, 燃烧产物及压力波以近球形向外扩展, 依次到达观察点19、23, 距离爆源越近, 气体流速越大, 波中压力越大[12]。245 ms后各观察点压强大小基本相同, 在305 ms左右达到最大值, 之后压强急剧减小, 在335 ms左右时产生负压, 因为可燃气体混合物爆炸后, 在爆源附近由于空气稀薄及温度急剧下降, 形成了低压区, 导致了爆炸波的反向冲击。此后随燃烧产物、冲击波的传播及湍流流场的变化, 气流方向及燃烧速率发生多次改变, 335 ms后床垫所受压强曲线呈波浪型变化, 但各峰值压强均小于305 ms左右时。因在超压区决定物体破坏变形的仅仅是最大超压值, 物体的最大破坏效应发生在压力急剧下降之前[12], 因此床垫位移方向与受最大压强时的气流方向相同, 即305 ms左右。如图8所示, 326 ms前观察点19、21、22、23周围气流方向均为由南向北（忽略上下方向）, 467 ms左右后, 气流方向发生多次明显改变, 因此, 305 ms左右时床垫中部及尾部观察点所受压强方向为由南向北, 即当起爆位置为A点时, 床垫位移方向为由南向北, 符合现场床垫位移情况。

图7 A点起爆床垫受压参数曲线
Fig.7 The pressure curve about the mattress shocked from explosion at the ignition site A

图8 A点起爆气流发展情况（a：t=326.08ms; b：t=412.14ms; c：t=467.48ms; d：t=608.80ms）
Fig.8 Site A-ignited explosion leading the airflow to go forward (t=a/b/c/d: 326.08/412.14/467.48/608.80ms)

当起爆位置为B点时, 床垫受压参数变化情况与气流变化情况如图9、图10所示。同理, 由图9可知, 195 ms左右时, 观察点21和22处所受压强明显高于其他观察点, 且P21> P22。在270 ms左右压强达到最大值, 300 ms左右时产生负压。此后随着燃烧产物、冲击波传播及湍流流场变化, 压强随时间的变化曲线呈波浪式, 但各峰值压强均小于270 ms左右时, 因此床垫位移方向应与270 ms左右时气流方向相同。如图10所示, 357 ms前床垫附近气流方向为由北向南（忽略上下方向）, 因此, 270 ms左右时床垫中部及尾部观察点所受压强方向为由北向南, 即当起爆位置为B点时, 床垫位移方向为由北向南, 不符合现场床垫位移情况。综上所述, 当起爆位置为A点时符合现场痕迹特征, 因此起爆位置位于A点所在的床南侧区域。

图9 B点起爆床垫受压参数曲线
Fig.9 The pressure curve about the mattress shocked from explosion at the ignition site B

图10 B点起爆气流发展情况（a：t=295.36ms; b：t=357.62ms; c：t=412.40ms; d：t=567.98ms）
Fig.10 Site B-ignited explosion leading the airflow to go forward (t=a/b/c/d: 295.36/357.62/412.40/567.98ms)

4 结论

针对此案现场勘查过程中难以确定起爆位置的困难, 利用FLACS软件针对性简化仿真场景, 对不同起爆位置的爆炸过程进行模拟分析, 通过比对现场痕迹, 结论为：1）当起爆位置位于A点或B点时, 均可造成木门下部先行飞出, 门内侧着地, 门底部距门口较远的现象, 难以根据木门状态确定起爆位置。2）当起爆位置为A点时, 床垫位移方向为由南向北, 符合现场床垫位移情况; 当起爆位置为B点时, 床垫位移方向为由北向南, 不符合现场床垫位移情况, 因此起爆位置为A点所在区域, 即床南侧区域。通过对床南侧物品、残渣等进行固定、分层、清理、水洗、筛选、分析后, 筛选出手机、电灯开关、打火机、台灯等可能产生火花引起爆炸的可疑点火源, 通过分析其痕迹形态, 结合视频侦查实验确定的点火源方位, 推断引起气体爆炸的点火源为南墙上的电灯开关。3）FLACS软件可对民宅等建筑内气体爆炸案事件进行模拟, 能直观体现燃烧产物及爆炸冲击波在建筑内的传播过程, 也适用于较复杂空间的气体扩散和爆炸, 对建筑物、障碍物的毁伤效应分析有一定的借鉴作用。基于FLACS软件对爆炸过程的数值研究, 为现场勘查人员分析现场痕迹特征、认定关键物证、案事件定性等提供了有力支撑。

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