服务案例

“粉尘爆炸危险性评估虚拟仿真实验”于2025年获批国家级一流本科课程。

实验教学目标
（1）知识目标。掌握粉尘爆炸和除尘系统防爆的基本原理，并熟悉粉尘爆炸严重程度（20L球形爆炸测试）、粉尘爆炸敏感度（MIE测试）实验室检测仪器的操作规程、步骤及方法；掌握20L球形爆炸测试中爆炸指数、隔爆阀工作角度计算与设计方法，深化学生对基础知识的理解。
（2）能力目标。掌握实验系统搭建、测试步骤，依据测试标准能够进行重复和筛选，研判实验进程，培养学生技术探索和工程实践能力；掌握除尘系统防爆装置的动作流程，比较分析实验数据，评估粉尘爆炸等级，优化除尘管道系统安全设计参数，开展防爆系统选型设计，培养复杂问题分析能力。
（3）思政目标。强化学生尊重生命、敬畏安全的意识，帮助学生养成严谨的科学态度和良好的安全习惯、增强学生人与自然和谐共生的素养，让学生更加了解我国在粉尘防爆领域的发展成就及相关法律法规和设计标准，增强他们的民族自豪感和自信心，培养学生投身平安中国建设的家国情怀。实验目的实现如图3所示。

图3 实验目的实现示意图

（1）通过一系列实验单元形成体验式教学的完整链条，学生系统建构起粉尘爆炸危险性评估知识体系，培养综合解决复杂问题的能力。
（2）通过互动设计与虚拟仿真体验相结合，训练学生创造性地解决粉尘爆炸防护设计及危险辨识的能力，同时深入理解粉尘危险性对粉尘爆炸的影响。    
（3）通过真实实验测试场景的虚拟仿真和沉浸式除尘系统防爆的虚拟体验，使学生深入理解各项测试及防爆设计知识点背后的科学原理，认识因设计不当导致的严重后果，加深对除尘系统防爆设计重要性的认识。

实验原理

项目依据《粉尘防爆安全规程》GB 15577-2018、应急管理部《工贸企业粉尘防爆安全规定》，聚焦于粉尘爆炸、粉尘爆炸强度、粉尘燃烧爆炸过程数值计算、最小点火能、爆炸灾害的防护与控制等一系列核心问题，构思了“20L球形爆炸测试->最小点火能（MIE）测定->除尘系统防爆”实验环节，三个环节环环相扣，依次递进，从实验室和工业实践角度分析评估粉尘爆炸危险程度，虚拟仿真实验原理如图所示。实验过程需要使用20L球形爆炸测试系统、最小点火能测试系统（MIE）、除尘系统防爆实验装置等仪器，整个实验包括4个实验单元。

图4 虚拟仿真实验原理

1.粉尘爆炸原理。粉尘爆炸是因粉尘粒子的表面氧化而发生的，这种成颗粒状的可燃物周围，与氧化剂产生反应发生的爆炸所放出的能量介于气体和火药爆炸能量之间，其最高值为气体爆炸能量的数倍。 

2.粉尘爆炸特性表征。（1）粉尘云爆炸下限(MEC)，在特定测试条件下，爆燃火焰能够在其中持续传播的粉尘云的最低浓度；（2）粉尘云最小引燃能量(MIE)，指电容储存的能够点燃最敏感浓度粉尘云的电极间释放的最低火花能量；（3）粉尘云爆炸指数Kst。粉尘最大爆炸压力pmax，封闭容器内最佳浓度粉尘云爆燃时的最大超压值；粉尘最大爆炸压力上升速率(dp/dt)max，封闭容器内粉尘云爆燃时压力-时间曲线最陡的上升斜率；爆炸指数（爆炸严重程度）。参数总体分为：敏感度参数（sensitivity parameters)、猛度参数（severity parameters）两类,敏感度参数包括①粉尘最低着火温度；②粉尘云最小引燃能量；③粉尘云爆炸下限，反应粉尘云发生着火爆炸的难易程度；猛度参数包括最大爆炸压力及其上升速率，反应粉尘云着火后的爆燃猛烈程度。

3.20L球形爆炸测试原理。20L球形爆炸测试用于确定在特定的测试条件下粉尘云爆炸的最大压力Pmax、最大压力上升速率(dP/dt)max。

4.最小点火能测试（MIE）原理。最小点火能测试（MIE）是用于确定在特定的条件下刚好能够点燃粉尘和空气混合物的最小能量。

实验实施效果

项目的实施，克服了粉尘爆炸危险性评估难以完成的不足，有效解决了粉尘爆炸实验高成本、高危险、高难度等难题，达成了虚拟仿真实验的基本目标；项目的实施，构建起“理论学习-实验实践-仿真实验”的完整学习链条，利用在线操作方式随时学习，极大提高了学生学习的系统性、趣味性和学习效果，学生的综合学习能力得到提升；项目的实施，为学生提供了粉尘爆炸危险性评估的探索实践平台，引导学生思考原理背后的科学依据，提升了学生的创新能力与研究能力。