沉积铝粉层中的局部热异常：径向演变与稀疏传感器温度场重建

《Applied Thermal Engineering》：Localized thermal anomalies in deposited aluminum-dust beds: Radial evolution and sparse-sensor temperature-field reconstruction

　　•热扩散核根据热电偶数据重构径向剖面。•稀疏的热电偶记录被转换为径向场描述符。•热源温度升高会增加强度；较大的颗粒会扩大半径。•局部衰减和响应范围需要联合表征。•稀疏传感器能够保持场重构和响应恢复。

引言
金属加工、表面处理和粉末处理操作不断产生细小的可燃金属粉尘，其中大部分可以通过含尘气流带入除尘系统。这些粉尘可能在管道壁、料斗、收集室地板和其他低速滞留区域积聚，形成沉积的金属粉尘层[1]、[2]、[3]、[4]。在运行过程中，这些沉积的金属粉尘层可能会受到持续的局部热输入，包括局部设备过热、热颗粒的滞留、持续的摩擦加热以及早期的氧化自热[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。这种加热通常首先局限于金属粉尘层的局部区域，并可能在可见的点火或整体热失控之前表现为隐藏的温度异常。

这种隐藏温度异常的发展受热生成、金属粉尘层内的热重新分布以及边界处的热损失共同影响。沉积颗粒层中的热点火通常通过热生成与热散发之间的竞争来解释[6]、[7]、[10]。局部热源最初会产生不均匀的温度场，之后通过颗粒层的传导和周围边界的热损失重新分配并移除热量；这一过程也受到沉积层堆积状态的影响[9]。当总的化学热生成和局部热输入低于通过层及其边界散发的热量时，热扰动可能仍然保持空间局限。如果热生成超过热损失，温度与氧化速率之间的正反馈可能导致热失控[7]、[10]。一旦局部点火或闷燃发生，热量向周围材料的传递和氧化可能会促进高温区域的向外传播[8]、[11]、[12]。

关于金属粉尘点火、热失控、燃烧和防护的研究已经建立了对单个颗粒、粉尘云和沉积层以及工程防护水平上的点火和燃烧的基本理解。颗粒尺度的研究揭示了氧化壳层的演变、相变以及颗粒内部和周围的传热和质量传递如何控制铝颗粒的点火和燃烧[13]。在分散粉尘尺度上，颗粒大小、粉尘浓度和分散状态影响铝粉尘的最低点火温度[14]。在沉积层尺度上，先前的研究已经考察了粉尘层的点火温度、金属粉末的自热和自燃以及点火后的燃烧发展[5]、[6]、[7]。湿度和堆积结构进一步改变了沉积粉尘层的自热、热诱导点火和燃烧行为[9]、[15]，而滞留的热颗粒可能作为沉积物内的局部点火源[16]、[17]。在工程防护层面，相关研究总结了金属粉尘的燃烧和爆炸危险性，并开发了相应的防爆和事故缓解方法[18]、[19]。这些研究为理解金属粉尘系统中的点火阈值、热失控机制、燃烧传播和事故防护提供了重要基础。然而，现有的知识主要集中在自燃或点火阈值以及点火后的燃烧行为上，而在此临界状态之前的早期强制热响应受到相对较少的关注。特别是当沉积粉尘层在宏观自燃或可见燃烧之前受到持续局部加热时，不同加热条件下形成的热异常的形成和时空发展尚未得到充分表征。

除了材料的反应性和点火条件外，预点火局部热异常的空间发展还取决于热从源区域向周围沉积物的传递和散发。沉积的金属粉尘层具有松散堆积的颗粒床结构，其热传输不仅受颗粒材料本身的热导率影响，还受颗粒接触、孔隙分布和外部热边界的影响。在床层尺度上，有效热导率通常用于表征由颗粒骨架、孔隙气体和颗粒间接触共同形成的等效导热能力。先前的研究表明，颗粒大小、颗粒大小分布、孔隙率和堆积状态显著改变了这种有效热传输能力，从而影响颗粒床内的热传递和分布[20]、[21]、[22]。在更细的结构尺度上，颗粒排列、协调关系和局部接触配置形成了非均匀的导热路径，导致局部温度梯度和整个床层的响应表现出明显的结构依赖性[23]、[24]。瞬态热传输研究进一步表明，壁面热传输、加热方式和热边界条件影响颗粒床中温度场的时空发展[25]、[26]、[27]。这些发现表明，沉积粉尘层中的局部热响应受到床层有效热传输能力、内部热流路径和边界热损失的共同影响。然而，这些知识主要是基于有效热物理性质、床层平均响应或整体加热条件得出的，并不能直接描述由嵌入的局部热源产生的瞬态非均匀温度场。因此，源条件和与颗粒大小相关的床层状态如何控制异常强度、径向范围、衰减和响应时间尚未得到充分量化。

对这些局部热响应的定量表征需要超出单一温度值的空间分辨温度信息。点测量无法区分靠近源的高强度异常和在较宽区域扩展的低幅度异常；因此，相似的点温度可能对应于完全不同的径向温度场。通常需要密集的传感器阵列或具有高空间分辨率的数值解析场来联合表征异常强度、空间范围、径向衰减和响应时间。然而，在沉积的金属粉尘层中，传感器的数量和位置受到安装空间、维护可行性和数据采集成本的限制。热反演和场重构的研究表明，在某些条件下，稀疏的温度观测可以用来估计直接无法测量的热场信息[28]、[29]。工业粉尘系统中的监测研究同样表明，有限的或间接的信号可以转化为与风险相关的指标[30]、[31]。然而，对于受到局部加热的沉积金属粉尘层，尚需检验有限的热电偶记录是否能够在保持异常强度、空间范围、衰减行为和响应延迟的情况下可靠地定位热源并重构相关的径向温度场。

本研究的目的是定量描述由内部局部热源在沉积铝粉尘层中引起的热异常的径向演化，阐明热源温度、热源直径和与颗粒大小相关的床层状态如何影响这种演化，并评估在稀疏传感条件下的关键响应特征的恢复能力。为此，使用了中心恒定温度热源进行了热响应实验。离散的热电偶记录被重构为连续的径向温度上升剖面，从中提取了描述异常强度、范围、衰减和延迟的响应量。然后评估了在稀疏传感条件下的这些响应量的恢复能力。还进行了逆向分析，以检验利用径向响应量中的时间信息来经验性估计源边界温度的可行性。结果为解释稀疏温度记录、量化隐藏热异常的早期径向发展以及在有限测量条件下的关键热响应特征的恢复提供了实验基础。

材料与方法
为了提供本分析的实验和重构基础，对沉积的铝粉尘层进行了受控的中心加热，并将热电偶数组记录转换为径向热响应量。测试了五个筛分后的颗粒大小组，热源温度范围为80–120°C，源直径范围为4–8 mm。单因素测试和中心复合设计共享相同的中点参考条件。

测量不确定性和探头阵列侵入评估
为了评估可能的探头侵入效应，对26、72和140 μm的粉尘层进行了物理传感器移除对照实验。24个探头的布置与共享测量位置的物理16个探头对照进行了比较。在三种颗粒大小条件下，有符号的温度差异没有一致的方向偏差，终点平均绝对差异保持在1.0°C以下，表明热电偶阵列没有明显的系统干扰。

径向热场演化和因子依赖响应
在可观测范围内验证了径向重构后，使用重构场来研究局部热异常的时间演化和因子依赖性。热响应量ΔTX3、R10、tlag和GX3分别表示局部响应强度、阈值定义的径向范围、响应延迟和径向衰减。

结论
本研究量化了沉积铝粉尘层中局部热异常的瞬态径向演化。径向重构方法将热电偶数组测量转换为连续的温度上升剖面，中位重构RMSE低于1°C。所得到的R10值与相应的PCHIP估计值相差在±5%以内。重构场解析了10°C响应边界的延迟向外传播和非线性温度衰减。

作者贡献声明
魏马：概念构思、方法学、调查、正式分析、数据管理、初稿撰写。姜中华：概念构思、资源提供、审阅与编辑。张国亮：概念构思、资源提供、审阅与编辑。陈娅：概念构思、监督、资金获取、审阅与编辑。曾法斌：软件开发、可视化、审阅与编辑。杨向东：调查、验证。张赵英：调查。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金[资助编号62303042]和中国国家重点研发计划[资助编号2023YFC3010602]的支持。资助方在研究设计、数据收集和分析、发表决定或手稿准备方面没有发挥作用。

作者列表：
魏马 | 姜中华 | 张国亮 | 陈娅 | 曾法斌 | 杨向东 | 张赵英 | 杨斌 | 陈继和