不同开口比低阻塞封闭空间甲烷爆炸最大超压的定量关联研究

针对TNO多能量法(Multi-Energy method)中受限强度(Confined Strengths)参数定性描述的局限性，研究人员通过理论推导、FLACS模拟和实验验证，建立了低阻塞封闭空间甲烷-空气混合物爆炸最大超压(P)与开口比(F)的定量关联式P=((-6409.416F+√((6409.416F)2+4(97.626D0.353+609)))/2)2，平均偏差13%，为仓储等低阻塞场景的安全评估提供量化工具。

　　

在化工仓储、地下管廊等场景中，甲烷爆炸事故频发，其破坏力与封闭空间的开口程度密切相关。目前广泛应用的TNO多能量法虽提供10级定性描述的受限强度参数(Confined Strengths)，但用户凭经验选择的随意性可能导致评估偏差。尤其对于低阻塞环境（如仓库、空房间），如何量化开口比对最大爆炸超压(maximum explosion overpressure)的影响，成为工业安全领域的痛点。

为解决这一难题，天津科技计划项目和国家自然科学基金支持的研究团队，在《Process Safety and Environmental Protection》发表研究，创新性地将理论热力学、加速燃烧效应与泄压因素结合，建立了适用于低阻塞场景的数学关联模型。研究人员采用计算流体动力学(CFD)商业软件FLACS，模拟了4种立方体封闭空间（边长1m/2m/4m/8m）在14种开口比条件下的56组甲烷-空气混合物爆炸，并通过100cm×100cm×160cm实体实验验证，最终提出包含空间尺寸(D)和开口比(F)的量化公式。

关键技术包括：1) FLACS模拟不同尺寸封闭空间的爆炸场景；2) 最小二乘法拟合参数k₁-k₃；3) 多压力传感器同步监测实验验证。

【Correlation development of explosion maximum overpressure】
通过热力学分析提出理论框架：爆炸压力增长源于气体生成率与泄压率的动态平衡。推导出包含加速燃烧系数和泄压面积的核心方程，为后续模拟提供理论基础。

【Geometric model and explosion scenarios】
设计四类立方体模型，系统考察全开放、双面开放、单面全/部分开放（3/4至1/80梯度变化）等场景，通过FLACS模拟获得压力时空分布数据。

【Determination of the correlation’s parameters】
基于最小二乘法确定关键参数k₁=6409.416、k₂=97.626、k₃=0.353，R²显示良好拟合度。实验验证显示计算值与实测值平均偏差13%，最大偏差22%。

【Conclusions】
该研究首次实现低阻塞环境下受限强度参数的定量化，将经验选择转化为科学计算。提出的关联式可直接应用于仓储等场景的安全设计，同时补充了TNO方法中3-10级受限强度对应的具体开口比参数表。

讨论指出，该模型对高阻塞场景（如设备密集的化工厂房）存在局限性，未来需结合阻塞率参数扩展应用范围。研究成果为快速评估甲烷爆炸风险提供新工具，对预防工业事故具有重要实践意义。