《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》：Numerical Investigation of Obstacle Porosity and Spatial Arrangement in Vented Dust Explosions: Comparison of Distributed-Porosity Rack and Pallet Configurations
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内部拥塞会显著影响泄爆粉尘爆炸载荷，但总体孔隙率无法描述受阻区域的空间分布方式。本研究基于先前已针对无阻碍实验参考工况完成标定的FLACS-CFD DustEx框架，采用数值方法研究了爆炸超压对障碍物孔隙率与空间布置的敏感性。针对通风腔体内中心点火的玉米淀粉云
内部拥塞会显著影响泄爆粉尘爆炸载荷，但总体孔隙率无法描述受阻区域的空间分布方式。本研究基于先前已针对无阻碍实验参考工况完成标定的FLACS-CFD DustEx框架，采用数值方法研究了爆炸超压对障碍物孔隙率与空间布置的敏感性。针对通风腔体内中心点火的玉米淀粉云，共开展15组模拟，将有阻碍工况与无阻碍工况进行对比，其中有阻碍工况包括两个连续货架式区域和十二个离散托盘式区域，二者具有相同的障碍物总体积。设定孔隙率范围为0~0.9；在每一匹配孔隙率下，两种布置的流体可及体积与初始粉尘质量均相同。无阻碍工况产生的最大监测超压为0.341 bar(g)。在0.4~0.9孔隙率范围内，货架布置的最大超压为0.325~0.493 bar(g)，托盘布置为0.451~0.586 bar(g)，相同孔隙率下托盘布置的数值高18.9%~38.8%。相反，对于完全不可渗透区域，货架与托盘布置的预测值分别为0.383与0.252 bar(g)。货架—托盘的排序在最大超压与最大正压升速率上保持一致，但在不可渗透与部分多孔工况之间发生反转。已发表的实验基准支持FLACS/PDR方法在特定受阻气体爆炸工况下的适用性，而粉尘爆炸研究则为燃烧建模框架提供了补充证据。本研究应用基于具有规定等面积与体积孔隙率的理想化货架与托盘体积，在方法学上具有支撑，但尚未针对相应的物理储存构型开展直接验证。因此，计算得到的压力差异代表内部自洽、依赖模型的趋势，而非经实验确认的严重度排序。
【研究背景与问题】可燃粉尘爆炸是涉及颗粒固体生产、处理、输送与储存行业的持续性危害，食品加工、农业、木材加工、制药、化工与金属加工等部门均存在悬浮粉尘云被点燃并产生快速压力上升、结构破坏与二次爆炸的风险。泄爆是不能按无泄爆爆燃最大压力设计的腔体最广泛采用的保护措施之一，其减压爆炸压力取决于粉尘爆炸特性、泄爆面积、腔体体积与几何、静态开启压力、点火条件及初始粉尘云特性，并构成NFPA 68（2023）与EN 14491（2012）等设计方法的基础，但泄爆尺寸关系本质上是高度瞬态多相燃烧过程的简化表述，可能无法充分刻画非标准或内部拥塞设备的行为。湍流是控制粉尘火焰传播的最重要参数之一，障碍物不仅产生湍流，还置换可燃混合物、限制传播路径、产生屏蔽效应并改变内部燃烧与泄爆排放的相互作用，其净影响可能被放大、近似中性或起缓解作用。相较于气体爆炸，泄爆粉尘爆炸中障碍物效应的受控评估仍较不成熟，且总体拥塞参数（如总受阻体积或平均阻塞率）不能区分连续障碍区域与同一体积分割为若干独立单元的情形。已有研究多同时变化多个几何参数，难以分离障碍物空间布置的影响，因此尚不清楚具有相同占据体积与孔隙率的构型能否在粉尘爆炸危害评估中视为等效。这一问题在工业储存环境中尤为重要，因为同等数量的物料或设备既可布置为连续货架式结构，也可分散为多个托盘单元。为此，研究人员采用先前已标定的FLACS-CFD DustEx建模框架，研究障碍物孔隙率与空间布置的共同影响，通过15组模拟将无阻碍参考腔体与具有相同总占据体积的连续货架式和离散托盘式构型进行对比，货架与托盘构型采用理想化宏观体积并通过标准FLACS-CFD几何与孔隙率输入表示，各工况设定相等的面积孔隙率与体积孔隙率，而不显式解析单个货架或托盘部件，通过分析压力历史、峰值监测超压、温度场与燃烧产物分布，判断孔隙率本身是否足以表征内部拥塞。
【主要关键技术方法】研究以Tamanini（1990）在工厂互助研究公司（FMRC）开展的大尺度泄爆粉尘爆炸实验为参考构型，该实验通过改变喷粉与点火之间的延迟利用气动分散系统速度场的自然衰减获得不同湍流水平，原始实验不含内部障碍物；数值模拟采用FLACS-CFD DustEx 24.2三维瞬态可压缩求解器，基于笛卡尔有限体积网格上的雷诺平均质量、动量、能量与标量输运守恒方程，通过面积与体积孔隙率公式在计算单元层面体现几何阻塞效应，湍流输运用K-EPS-1模型，粉尘燃烧用BETA3模型；气动喷粉阶段未显式模拟，而是在点火时刻以均匀粉尘云与代表性背景湍流初始化，初始湍流特征速度与湍流强度0.68组合给出初始湍流速度以复现Tamanini（1990）经验关联式在名义点火延迟下的估计值，湍流长度尺度亦予规定；针对实验玉米淀粉建立专用数值燃料模型，对FLACS-CFD DustEx反应性修正因子进行受控敏感性分析（取1.25、1.50、1.75、2.00），据无阻碍参考工况选定后在所有障碍物模拟中保持不变；网格敏感性评估表明单元尺寸由0.05 m细化至0.025 m时最大监测超压变化1.98%，故选用0.05 m分辨率，网格约6,976,800个控制体积。
【研究结果】（1）数值模型与评估：以MAIZE 200参数化进行最终评估，数值模型再现了快速初始压升、主压力峰出现及正压阶段总体持续时间，实验最大静态超压约0.36 bar(g)（原文数值），数值最大监测超压约0.341 bar(g)，峰值低估约5.3%；峰后阶段差异较明显，尤其二次压力波动，数值曲线呈现更显著的次峰与略有不同的压降剖面，差异可归因于粉尘云均匀初始化、省略气动分散过程及采用预定义数值燃料公式而非实验所用确切玉米淀粉；累积正压冲量历史发展非常相似，实验最终冲量约134.5 Pa·s（原文数值），数值约131.9 Pa·s，差异约1.9%。（2）基于独立基准的分布式孔隙率方法评估：已发表FLACS/PDR基准在特定受阻气体爆炸工况下为该通用数值框架提供实验支撑，DESC/FLACS-DustEx研究为粉尘爆炸建模提供补充证据，但这些基准不能直接验证多孔区域与实际货架或托盘组件的物理等效性，也不能验证货架—托盘压力差异的预测幅度或排序；Vyazmina与Jallais（2015）指出孔隙率处理可能高估湍流生成、火焰传播速度与超压，建议在拥塞程度有限时显式在网格上表示障碍物。（3）无阻碍参考工况响应：壁面邻近监测点静超压快速上升，最大值0.341 bar(g)约在0.25 s达到，0.3 s时压力仍较高，表明主峰后泄爆排放与压力再分布仍在继续；点火初期压力扰动传遍腔体大部分区域，而高温与燃烧产物区仍集中于中心点火位置，压力波先于反应区推进；无内部障碍物时热与燃烧产物场围绕点火源呈近似椭球扩展，无明显前沿细分或偏折，反应区接近泄爆口时高压场占据腔体大部分并形成向永久泄爆口的压力梯度，随后反应产物越过腔体形成弯曲外部射流。（4）货架构型与压力响应：货架构型由腔体内纵向布置、被中央通道分隔的两个连续矩形区域组成，每个尺寸对应总毛体积与托盘构型相同，尺寸参照EN 15512:2020+A1:2022、EN 15620:2021、EN 15629:2008与ANSI MH16.1:2023确定为代表工业尺度构型；各监测点压力历史在早期阶段趋势相似，表明首次压缩阶段受孔隙率影响较弱，差异在峰值附近及衰减阶段显著；φ=0.4在多孔构型中给出最低正压响应，孔隙率增至0.4以上则峰值压力逐渐升高且衰减段更持久，φ=0.6、0.7、0.8与0.9持续产生最高压力水平并在峰值后维持较高压力更长时间，表明增大渗透率并非简单降低约束效应，而是一旦内部结构足够开放便促进火焰传播、气体膨胀与泄爆动力学之间更强相互作用，导致更严重的压力响应；φ=0（不可渗透）工况峰后分支下降更快并伴随明显负压偏移，与受阻区和非受阻区更强分离及初始压力积累后更快速泄爆卸压一致；MP3（屋顶中心）总体记录最高峰值压力，表明屋顶区域是压力载荷最临界位置；等值线显示最大计算压力积累发生于腔体上部与泄爆口附近，与MP3较高压力水平一致。（5）托盘构型与压力响应：托盘构型由十二个相同矩形区域按四列三纵行对称布置于与永久泄爆口对齐的中央通道两侧，平面尺寸对应EN 13698-1（2003）规定的托盘格式并见于ISO 6780（2003）与ISO 3394（2012），高度经计算确定为获得与货架构型完全相同的总毛占据体积；不可渗透托盘构型φ=0最大监测超压为0.252 bar(g)，较无阻碍腔体的0.341 bar(g)低约26.1%，固体托盘区域减少流体可及可燃体积并改变可用传播路径，与屏蔽和绕流效应一致；赋予有限渗透率后压力显著增加，φ=0.4时最大监测压力升至0.451 bar(g)，已超无阻碍值约32.1%，并在φ=0.4~0.9多孔范围内随孔隙率单调增至0.586 bar(g)；多孔构型主峰更宽、峰后压力分支更持久，十二个离散区域保留多个内部界面与通道；MP3在不可渗透与中低孔隙率工况给出最大监测值，而全局监测最大值在φ=0.8与0.9时转移至MP1，但三个压力历史差异相对较小，表明腔体主增压仍以全局为主；等值线显示φ=0.9时高压占据腔体更大比例，压力场延伸穿过名义托盘体积，腔体内与面向泄爆口区域均出现更强压力积累，外部压力扰动亦更发展。（6）货架与托盘布置的直接比较：尽管总占据体积相同，两种布置产生显著不同的压力水平，完全不可渗透条件下尤为明显；φ=0时货架构型最大监测超压0.383 bar(g)，较无阻碍参考高约12.3%，而固体托盘构型仅0.252 bar(g)，较空腔体低约26.1%，货架压力较托盘高约52.0%；连续货架区域保留与泄爆口对齐的纵向中央通道，而十二个分离托盘区域引入额外间隙与界面，这些几何差异改变受阻体积与可用通道的空间分布并对应不同计算压力响应；货架构型在计入固体工况时呈非单调响应，最大压力由φ=0的0.383 bar(g)降至φ=0.4的0.325 bar(g)，后者较无阻碍参考低约4.8%，φ=0.5时为0.340 bar(g)与空腔体值基本重合，更高孔隙率下压力逐渐升高至φ=0.9的0.493 bar(g)，最高孔隙率货架工况超过无阻碍压力约44.6%；托盘构型则在整个研究孔隙率范围内单调增加，所有多孔托盘构型均超过无阻碍参考，超出幅度由φ=0.4的约32.1%至φ=0.9的约71.8%，在多孔范围φ=0.4~0.9内托盘布置始终产生高于货架布置的压力，等孔隙率下托盘相对货架的压力差在φ=0.4~0.9分别约为38.8%、36.5%、34.8%、33.5%、26.0%与18.9%，相对差异随孔隙率增大而减小；最大监测超压临界位置方面，货架构型一般为MP3，托盘构型在φ=0.8与0.9时由MP3转为MP1；最大正压升速率方面，无阻碍参考在MP1为21.02 bar/s（原文数值），所有障碍物构型均更高，货架布置为20.16~31.58 bar/s且最高值出现在不可渗透构型、随孔隙率呈非单调响应，托盘布置为21.02~43.19 bar/s且最高值出现在φ=0.7，除不可渗透工况外托盘均高于对应货架，临界位置方面MP2支配所有托盘工况与所有多孔货架工况，而MP3支配不可渗透货架构型，表明障碍物布置不仅影响最大压力幅度，也影响压力载荷发展的瞬态速率；由于名义粉尘浓度保持不变，增大障碍物孔隙率同时增加流体可及混合物体积与相应总粉尘质量，孔隙率序列结果反映障碍物渗透率、可用可燃体积与燃料质量的共同影响，而每一固定孔隙率下的货架—托盘直接比较不受此问题影响，因两种布置具有相同总障碍物体积、名义孔隙率、有效混合物体积与初始粉尘质量，故等φ下观察到的差异可归因于所采用分布式孔隙率框架内不同空间布置。（7）货架—托盘数值响应的内部一致性评估：对每一对应货架—托盘配对，总障碍物体积、规定孔隙率、有效流体可及体积、初始粉尘质量、点火条件与数值设置均相同，从而在其余数值条件等效下分离计算响应对规定障碍物区域空间分布的敏感性，相对差异按托盘与货架之差除以货架值计算，正值表示托盘计算响应更高；完全不可渗透构型φ=0提供极限工况比较，货架最大监测超压0.383 bar(g)而托盘0.252 bar(g)，相对无阻碍参考0.341 bar(g)分别增加约12.3%与减少约26.1%，对应最大正压升速率分别为31.58 bar/s与21.02 bar/s，不可渗透托盘相对不可渗透货架在最大超压与最大正压升速率上分别降低约34.2%与33.4%，表明计算响应对空间分布的敏感性并非仅与中间孔隙率取值相关，即使障碍物区域完全不可渗透，连续与离散固体体积的不同分布仍产生不同数值压力响应；部分多孔构型φ=0.4~0.9呈不同但一致的排序，托盘在所有研究多孔工况下最大监测超压均高于货架，相对增加约18.9%~38.8%，最大正压升速率亦在全部六个部分多孔工况下高于货架，相对增加约13.4%（φ=0.8）至92.1%（φ=0.5），φ=0时两项指标均显示托盘较低，故在全部七个研究孔隙率水平上两项压力相关量给出相同的货架—托盘排序；最大监测超压的临界位置在货架构型一般为MP3，托盘构型在φ=0.8与0.9时由MP3转为MP1，而部分多孔构型最大正压升速率在两种布置下均出现在MP2，故多孔工况压力升速率排序的一致性是在相同监测位置获得的，尽管相应最大值不一定在相同时刻达到；两项指标的一致性提供额外内部一致性检验，但最大超压与压力升速率源自同一数值解，并非统计或物理独立的验证数据集，其一致性本身不能排除分布式孔隙率表示、未解析障碍物几何、亚网格阻力建模或数值离散相关的系统误差；网格敏感性评估针对无阻碍参考构型开展，不能直接确立内部拥塞工况的网格无关性，故本分析应理解为现有数值结果内部一致性的验证，而非对真实货架与托盘系统预测定量压力差异的直接验证。
【讨论与结论】研究结果表明，相同总障碍物体积与规定孔隙率数值不一定导致等效的计算压力响应，但这些发现的工程意义须结合外部基准证据与内部一致性评估共同评价。已发表实验基准为评估FLACS分布式孔隙率框架在内部拥塞环境中的适用性提供重要基础，先前研究证明FLACS能再现泄爆气体爆燃中选定的拥塞相关压力趋势，包括不同阻塞水平与布置的构型，但定量比较也揭示某些工况下绝对超压预测存在显著差异，表明障碍物诱导流动阻力、湍流生成与火焰加速的表示仍对所用数值表述与几何描述敏感。对可燃粉尘而言，Skjold等（2014）的实验研究连同DESC与FLACS-DustEx的既往评估为粉尘火焰传播、压力发展与泄爆现象建模提供补充证据，但这些研究并未确立本研究特定均匀多孔区域的预测精度，现有验证证据支持数值方法的不同组成部分，而非对所研究布置的直接实验验证。独立研究进一步支持障碍物空间布置的物理相关性：Mahesh等（2025）通过几何解析大涡模拟证明，在保持体积与面积阻塞不变的情况下改变障碍物朝向与位置可产生显著不同的爆炸超压，其峰值超压范围为65.41~355.04 mbar，而参考构型为100.53 mbar；Yang等（2020）与Zhang等（2024）的粉尘实验亦表明障碍物数量、阻塞率与几何布置可影响火焰传播，有时呈非单调响应。关于孔隙率参数本身的解释存在重要区别：在涉及几何指定障碍物的常规FLACS应用中，面积与体积孔隙率及相应亚网格贡献可由底层几何描述导出，而本研究将既定FLACS/PDR框架应用于理想化宏观货架与托盘区域，等面积与体积孔隙率通过标准建模输入直接规定，该程序遵循既定数值表述但未重建单个结构构件、托盘载荷或局部开口的详细几何，因此等效名义孔隙率数值不一定意味着等效物理阻力、障碍物表面积、尾流生成或火焰—障碍物相互作用；这一区别构成将现有实验验证证据转移至本研究构型的局限性。从工程角度看，这些发现强调在构建非标准工业腔体数值表示时考虑内部拥塞空间特征的重要性，占据体积、平均阻塞率与名义孔隙率等总体描述量对表征总体受阻程度仍有用，但不能充分描述障碍物区域的数量、连续性、朝向与间距，当此类几何信息可获得时，保留内部布置的主要特征可能比采用单一等效阻塞参数提供更具信息量的数值表示；然而本研究结果不应用于推导泄爆尺寸设计的通用修正因子或建立实际货架与托盘系统之间的一般严重度排序，定量预测仍特定于所研究腔体、永久泄爆口、中心点火玉米淀粉云、初始条件、数值分辨率与规定障碍物表示，且网格敏感性评估针对无阻碍参考构型开展，不能独立确立拥塞工况的网格收敛性，需要额外实验测量或经独立验证的几何解析模拟来确定预测货架—托盘差异的定量可移植性。研究结论为：本研究采用FLACS-CFD DustEx数值框架考察障碍物孔隙率与空间布置对泄爆粉尘爆炸的共同影响，将无阻碍参考腔体与由两个连续货架式区域和十二个离散托盘式区域组成的两种内部拥塞构型进行比较，两种布置具有相同总障碍物体积并在0~0.9的规定孔隙率范围内研究，每一对应孔隙率下有效流体可及混合物体积、初始粉尘质量、点火条件与数值设置均保持相同，从而在受控数值条件下考察规定空间布置的影响；无阻碍参考构型最大监测超压为0.341 bar(g)，引入内部障碍物后依所赋孔隙率与空间布置产生不同压力响应，完全不可渗透条件下货架构型最大超压0.383 bar(g)、较无阻碍参考高约12.3%，而托盘构型0.252 bar(g)、较参考低约26.1%，表明两种规定固体障碍物布置尽管总占据体积相同，却可对压力发展产生相反的数值效应；部分多孔构型下货架布置最大监测超压由0.325增至0.493 bar(g)，托盘布置由0.451增至0.586 bar(g)，等孔隙率下托盘构型始终较货架构型高约18.9%~38.8%，但增大孔隙率亦增加有效可燃混合物体积与规定浓度下总初始粉尘质量，故不同孔隙率水平下观察到的压力变化反映障碍物渗透率、可用可燃体积与燃料质量的共同影响而非孤立的渗透率效应；内部一致性评估表明最大监测超压中观察到的货架—托盘排序亦由最大正压升速率再现，所有部分多孔条件下托盘构型两项响应指标均更高，而完全不可渗透条件呈相反排序，且最大超压临界监测位置随障碍物布置变化，表明规定空间分布同时影响计算压力极值的幅度与位置，这些发现证明所研究压力相关指标间存在系统一致性，但因各量源自同一数值解而不构成独立验证；为加强方法评估，研究人员考察了涉及受阻气体爆燃FLACS模拟的已发表实验基准，连同粉尘爆炸实验研究与障碍物布置效应的独立数值研究，现有证据表明基于PDR的数值方法能再现选定的实验观察拥塞相关压力趋势，尽管绝对超压预测仍可能存在显著差异，采用几何解析大涡模拟与实验粉尘火焰测量的研究进一步支持障碍物布置的物理相关性而不依赖于特定FLACS-CFD框架；已发表实验基准支持FLACS/PDR通用方法在选定受阻气体爆炸构型下的适用性，DESC/FLACS-DustEx研究为粉尘爆炸建模提供补充证据，本研究货架与托盘模拟采用既定FLACS数值框架，将等面积与体积孔隙率直接赋予理想化宏观区域而非由显式解析储存几何导出，故通用数值方法得到文献实验证据支持，而其在这些简化货架与托盘构型上的应用在方法学上得到支撑但尚未针对等效物理系统直接验证，因而预测货架—托盘压力差异的定量可移植性仍未证实；主要结论为在所采用分布式孔隙率框架内，相同总障碍物体积与名义孔隙率应用于不同空间布置时不一定产生等效的计算泄爆响应，外部基准评估与内部一致性分析加强了对该结果的技术解释并支持研究障碍物拓扑的物理相关性，但不能完全排除规定孔隙率表示、未解析障碍物几何或数值离散相关的系统效应；本研究结论仍特定于所研究腔体、永久泄爆口、中心点火玉米淀粉云与所选障碍物表示，燃烧参数化与网格敏感性评估基于无阻碍参考构型建立，其预测精度与网格收敛性未在内部拥塞工况下独立验证，因此计算所得货架—托盘压力差异不应解释为经实验验证的物理排序或泄爆尺寸设计的通用修正因子；未来研究应优先开展涉及内部拥塞粉尘爆炸腔体的实验基准，并比较规定分布式孔隙率区域与几何解析障碍物表示，关注局部流动阻力、湍流生成、火焰—障碍物相互作用与网格分辨率的影响，此类研究将为确立本研究结果向实际工业储存构型的定量可移植性提供所需额外证据。
