一種可燃氣與空氣預混氣體爆炸過程中火焰傳播及抑制的試驗裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供一種可燃氣與空氣預混氣體爆炸過程中火焰傳播及抑制的試驗裝置，整個試驗裝置包括燃燒管道、細水霧發生裝置、金屬網阻火裝置、高速攝像機、紋影系統、壓力測試系統、自動配氣系統、溫度測試系統、離子探針探測系統、數據采集儀、高壓點火系統以及同步控制器，該裝置可用于：（1）研究不同可燃氣體組分、不同開口狀態、不同點火位置、不同火焰不穩定性等因素影響下的預混氣體爆炸過程中火焰傳播特性和規律；（2）研究阻化劑、金屬阻火網、細水霧等對火焰傳播的控制和抑制作用，開發物理-化學耦合作用下的預混火焰傳播抑制方法和技術，并闡述其內在機理。
【專利說明】一種可燃氣與空氣預混氣體爆炸過程中火焰傳播及抑制的試驗裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于可燃性氣體安全的【技術領域】，具體涉及一種可燃氣與空氣預混氣體爆炸過程中火焰傳播及抑制的試驗裝置。
【背景技術】
[0002]可燃性氣體(如氫氣、甲烷及丙烷等)在工業過程和日常生活中有著十分廣泛的應用，尤其在石化、電力、冶金、采礦、運輸和燃氣供應等領域有著舉足輕重的作用。當可燃性氣體在生產、輸送、儲存和利用過程中使用或控制不當使得可燃性氣體意外泄漏(或釋放)到空氣中或者是空氣進入含有可燃氣體的容器內(如儲罐、管道等)時，則形成易燃易爆的預混氣體。這種可燃性預混氣體遇到點火源后迅速被引燃，之后化學反應以燃燒波的形式傳播并發展成為爆燃，在一定情況下將轉化為爆轟，進而釀成火災和爆炸事故，并造成嚴重的生命、財產損失。從燃燒應用和安全工程兩方面來看，開展可燃性預混氣體火焰傳播及控制(抑制)方法的研究均十分必要。管道中預混火焰傳播是典型的氣體爆炸過程。目前國內外對管道中預混火焰傳播的研究主要集中在湍流火焰、爆轟以及爆燃轉爆轟(DDT)等方面，而對于早期火焰傳播規律(包括火焰加速、火焰微觀結構與形狀變化等)以及預混火焰傳播抑制技術的研究相對較少。開展管道中可燃氣-空氣預混火焰微觀結構、加速機理以及預混火焰傳播阻隔和抑制技術等方面的研究，不僅可以揭示火焰傳播規律、發展火焰抑制技術，而且還可為預防和控制燃燒與爆炸事故，實現氣體燃料的安全利用提供可靠的實驗依據和技術指導。本發明的目的在于提供一種能夠開展預混火焰傳播及其抑制方法、技術等方面研究的試驗臺。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種可燃氣與空氣預混氣體爆炸過程中火焰傳播及抑制的試驗裝置。該裝置可用于:(1)研究不同可燃氣體組分、不同開口狀態、不同點火位置、不同火焰不穩定性等因素影響下的火焰傳播特性和規律；(2)研究阻化劑、金屬阻火網、細水霧等對火焰傳播的控制和抑制作用，開發耦合物理化學作用的預混火焰傳播抑制方法和技術，并闡述其內在機理。
[0004]本發明采用的技術方案如下:一種可燃氣與空氣預混氣體爆炸過程中火焰傳播及抑制的試驗裝置，整個試驗裝置包括燃燒管道、阻火裝置系統、測試系統及數據采集、高速紋影攝像系統、高壓點火及同步控制系統和自動配氣系統。燃燒管道包括上游管道和下游管道，下游管道上側壁面靠近其右端布置一個泄壓口，用以保證封閉管道火焰傳播實驗的安全，下游管道右端壁面設置兩個閥門，分別用來將管道抽成真空狀態和將預混氣體充入管道內，在管道進氣閥接有一壓力表，用以觀察配氣時管道內氣體壓力。阻火裝置系統主要由細水霧發生裝置和金屬網阻火裝置組成，細水霧發生裝置主要包括水泵和細水霧噴頭，上游管道與下游管道的連接處可安裝細水霧噴頭或金屬網阻火裝置。測試系統及數據采集由壓力測試系統、溫度測試系統、離子探針探測系統和數據采集儀組成，管道上下兩側壁面中心線上設置多個測點，用以安裝壓力測試系統的壓力傳感器、溫度測試系統的微細熱電偶及離子探針探測系統的離子探針，并與數據采集儀相連。高速紋影攝像系統包括高速攝像機和紋影系統，紋影系統包括紋影光源、聚焦鏡片2、一對紋影凹面鏡、紋影刀口與聚焦鏡片1，一對紋影凹面鏡布置在燃燒管道的前后兩側壁面外，紋影光源發出的光經過聚焦鏡片2后，再經過一對紋影凹面鏡后通過紋影刀口，然后通過聚焦鏡片I進入高速攝像機，上游管道與下游管道前后兩側壁面采用石英玻璃制成，便于高速紋影攝像系統拍攝管道內火焰傳播特性。高壓點火及同步控制器主要包括高壓點火器、點火電極和同步控制器，點火電極設置于靠近上游管道左端壁面處，用來點燃預混氣體，點火電極的點火位置處于上游管道與下游管道的中心線，根據實驗要求可沿中心線對點火位置進行改變，實驗過程中，高壓點火器、高速攝像機以及數據采集儀均由同步控制器同步控制。預混氣體中可燃性氣體和阻化劑的濃度通過自動配氣系統中的質量流量計控制。
[0005]其中，燃燒管道包括上游管道與下游管道，上游管道與下游管道均為一水平放置的橫截面為正方形的直管，管道上下兩側壁面和兩端壁面采用不銹鋼板制成，其中上游管道左側壁面鋼板可采用不同的開口面積，用以研究開口率對火焰傳播的影響。泄壓孔用厚度均勻的薄膜封閉，壓力達到一定程度時薄膜破裂而使管內壓力釋放，達到保證實驗安全的目的。下游管道右端壁面設置上下兩個閥門，上端閥門與真空泵相連，用來將管道內抽成真空狀態，下端閥門為進氣閥，通過壓力表與自動配氣系統相連，壓力表用以觀察配氣時管內氣體壓力。在可燃性預混氣體配氣時加入一定量的阻化劑，研究阻化劑對火焰溫度、傳播速度、反應強度及壓力上升特性的影響，揭示其抑制效應和機理。上游管道與下游管道的連接處可安裝細水霧噴頭，用以研究細水霧對火焰傳播及壓力上升特性的影響和抑制作用。上游管道與下游管道的連接處還可以安裝金屬網阻火裝置，用以研究不同材料、不同結構的金屬網對火焰的抑制作用。在金屬網表面涂抹化學阻燃劑，以研究耦合物理化學作用的金屬網阻燃系統對火焰的抑制效果。壓力測試系統由高頻動態壓力傳感器和數據采集儀組成，兩個壓力傳感器分別安裝于管道底部壁面中心線靠近上游管道和下游管道的右端壁面處，用以測量管道內壓力變化，并分析火焰傳播過程中金屬阻火網或細水霧對燃燒管道內壓力上升的影響，數據采集儀與同步控制器相連，并由其同步控制。高速紋影攝像系統由高速攝像機和紋影光學系統組成，當燃燒管道內流場密度不均勻時，光束通過時發生偏折，高速攝像機物鏡上的照度隨之變化，從而顯示流場密度的變化，高速攝像機通過記錄流場密度一階導數分布圖像呈現管道內火焰前鋒的形狀與位置，用以測量火焰在傳播過程中火焰形狀、結構、速度等特性的變化規律，并研究細水霧或金屬阻火網對火焰特性的影響，高速攝像機由同步控制器同步控制。高壓點火及同步控制系統由高壓點火器、點火電極和同步控制器組成，高壓點火器為一種同步脈沖發生器，主要通過電容儲能放電時產生的電火花點火，點火電極安裝在靠近燃燒管道左端壁面處，打火位置處于管道中心線，其位置可以根據要求改變，高壓點火器與同步控制器相連，點火電極的觸發受其控制，同步控制器為可編程同步控制器(PLC)，由控制面板和核心部件CPU兩部分組成，共有三個外接端頭，分別與高壓點火器、高速攝像機以及數據采集儀相連。自動配氣系統通過計算機控制，測試所用氣體的儲氣瓶分別通過管道與閥門、高精度質量流量計相連，實驗氣體的成分和濃度由質量流量計控制，其值的設置在自動配氣系統控制軟件中完成。通過質量流量計的實驗氣體匯聚到預混腔內進行均勻混合，預混腔體末端通過主通道與燃燒管道進氣閥相連，在主通道上連接一旁通道，當初始預混氣體濃度不穩定時，將這些預混氣體通過閥門控制的旁通道排出室外。
[0006]其中，該試驗裝置的工作過程如下:(1)安裝并調試試驗裝置，確保自動配氣系統、高速紋影攝像系統、壓力傳感器、離子探針、熱電偶、細水霧發生裝置、金屬網阻火裝置、數據采集儀以及同步控制器處于良好狀態，在進行封閉管道火焰傳播實驗時，還需對燃燒管道進行抽真空，保證管道具有良好的氣密性，在開展細水霧對火焰傳播動力學影響的實驗研究時，上游管道與下游管道的連接處應加裝細水霧噴頭，在進行耦合物理化學作用的金屬網阻火特性研究時，需在上游管道與下游管道的連接處安裝金屬阻火網；(2)通過自動配氣系統配置所需配比的可燃性預混氣體，在進行火焰抑制研究時還需加入一定配比的阻化劑，將其充入實驗管道內，管道內壓力到達一個大氣壓后，關閉管道進氣閥門；(3)將氣體靜置約30秒，使氣體達到靜止狀態；(4)打開高壓點火器，使其輸出電壓升至預設點火電壓，然后開啟數據采集儀、同步控制器以及高速攝像機并使其處于等待狀態，準備完畢后啟動同步控制器，使點火器、攝影儀和數據采集儀按預設的時間依次觸發，動態測量火焰傳播過程中各項數據；(5)在一次火焰傳播實驗完成后，存儲高速攝像機的圖像數據和數據采集儀記錄的壓力、溫度和離子電流信號數據，然后進入下一次實驗程序。
[0007]本發明與現有技術相比的優點在于:
[0008]1、本發明提供了一種可以進行預混可燃氣爆炸過程中火焰傳播及其抑制試驗的裝置，并能對火焰傳播過程中的重要特征參數進行記錄，且能夠人為控制試驗環境和試驗條件。
[0009]2、本發明采用高速攝像技術和紋影光學技術相結合的方法對管道中火焰動態變化過程進行拍攝，可以準確直觀地記錄預混火焰在管道內的傳播動力學過程，包括火焰形狀和位置隨時間的動態變化規律以及火焰鋒面不穩定性發展過程。
[0010]3、本發明利用壓力傳感器測量管道內壓力動態上升特性，可結合高速紋影圖像分析管內壓力與火焰特性之間的相互關系。通過微細熱電偶測試火焰傳播過程溫度變化特性及阻燃劑對燃燒溫度的影響。通過離子探針測試火焰化學反應強度、火焰內部結構變化，揭示阻化劑對化學反應區的影響。利用該裝置可以進行許多有關預混火焰傳播動力學方面的研究，例如針對不同種類實驗氣體的預混火焰傳播和升壓特性規律開展研究，可以分別研究當量比、開口率、點火位置、不穩定性等對火焰傳播特性的影響，還可在預混氣體中加入阻化劑研究其對火焰傳播動力學的影響。
[0011]4、本發明加裝細水霧和金屬網阻火裝置研究預混火焰在這些阻火裝置作用下傳播速度、溫度及壓力上升等特性的變化情況；揭示阻化劑、細水霧和金屬網對火焰的抑制作用，發展相應的阻燃和抑爆方法和技術。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明一種可燃氣與空氣預混氣體爆炸過程中火焰傳播及抑制的試驗裝置；圖中，1-高壓點火器，2-同步控制器，3-點火電極，4-上游管道，5-離子探針，6-高速攝像機，7-細水霧噴頭，8-熱電偶，9-聚焦透鏡I，10-紋影刀口，11-聚焦透鏡2，12-金屬網阻火裝置，13-紋影凹面鏡，14-紋影光源，15-下游管道，16-數據采集儀，17-真空泵，18-泄壓口，19-壓力傳感器，20-自動配氣系統，21-絕緣閥。
[0013]圖2為本發明高精度自動配氣系統；圖中，22-閥門1，23-閥門2，24-閥門3，25-閥門4,26-閥門5。
[0014]圖3為離子探針結構示意圖。
【具體實施方式】
[0015]本發明公開的一種可燃氣與空氣預混氣體爆炸過程中火焰傳播及抑制的試驗裝置，整個試驗裝置包括燃燒管道、阻火裝置系統、測試系統及數據采集、高速紋影攝像系統、高壓點火及同步控制系統和自動配氣系統。燃燒管道主要由燃燒上游管道和燃燒下游管道兩部分組成，下游管道上側壁面靠近其右端布置一個泄壓口，用以保證封閉管道火焰傳播實驗的安全，下游管道右端壁面設置兩個閥門，分別用來將管道抽成真空狀態和將預混氣體充入管道內，在管道進氣閥接有一壓力表，用以觀察配氣時管道內氣體壓力。阻火裝置系統主要由細水霧發生裝置和金屬網阻火裝置組成，細水霧發生裝置前端為細水霧噴頭。測試系統及數據采集由壓力測試系統、溫度測試系統、離子探針探測系統和數據采集儀組成，管道上下兩側壁面中心線上設置多個測點，用以安裝壓力測試系統的壓力傳感器、溫度測試系統的微細熱電偶及離子探針探測系統的離子探針，并與數據采集儀相連，溫度測試系統為高靈敏溫度測試系統。高速紋影攝像系統包括高速攝像機和紋影系統，燃燒管道前后兩側壁面采用石英玻璃制成，便于高速紋影攝像系統拍攝管道內火焰傳播特性。靠近燃燒管道左端壁面處設置一對高壓點火電極，用來點燃預混氣體，點火電極的點火位置處于管道中心線，點火位置可根據實驗要求改變。實驗過程中，高壓點火器、高速攝像機以及數據采集儀由同步控制器同步控制。自動配氣系統為高精度自動配氣系統，預混氣體中可燃性氣體濃度通過自動配氣系統中的高精度質量流量計控制。
[0016]管道中預混氣體火焰傳播試驗裝置的具體結構如下。燃燒管道的上游管道和下游管道分別為一水平放置的橫截面為正方形的直管，上游管道和下游管道上下兩側壁面和兩端壁面均采用不銹鋼板制成，其中上游管道左側壁面鋼板可采用不同的開口面積，用以研究開口率對火焰傳播的影響。泄壓孔用厚度均勻的薄膜封閉，壓力達到一定程度時薄膜破裂而使管內壓力釋放，達到保證實驗安全的目的。下游管道右端壁面設置上下兩個閥門，上端閥門與真空泵相連，用來將管道內抽成真空狀態，下端閥門為進氣閥，通過壓力表與自動配氣系統相連，壓力表用以觀察配氣時管內氣體壓力。在可燃性預混氣體配氣時加入一定量的阻化劑，研究阻化劑對火焰溫度、傳播速度、反應強度及壓力上升等特性的影響，揭示其抑制效應和機理。上游管道與下游管道的連接處可安裝細水霧噴頭，用以研究細水霧對火焰傳播及壓力上升特性的影響和抑制作用。上游管道與下游管道的連接處還可以安裝金屬網阻火裝置，用以研究不同材料、不同結構的金屬網對火焰的抑制作用。在金屬網表面涂抹化學阻燃劑(如鹵化物阻燃劑)，以研究耦合物理化學作用的金屬網阻燃系統對火焰的抑制效果。壓力測試系統由高頻動態壓力傳感器和數據采集儀組成，兩個壓力傳感器分別安裝于管道底部壁面中心線靠近上游管道和下游管道的右端壁面處，用以測量管道內壓力變化，并分析火焰傳播過程中金屬阻火網或細水霧對燃燒管道內壓力上升的影響。數據采集儀與同步控制器相連，并由其同步控制。高速紋影攝像系統由高速攝像機和紋影光學系統組成，燃燒管道內火焰面為密度不均勻分布，光束通過時發生偏折，高速攝像機物鏡上的照度隨之變化，從而顯示流場密度的變化，高速攝像機通過記錄流場密度一階導數分布圖像呈現管道內火焰前鋒的形狀與位置，用以測量火焰在傳播過程中火焰形狀、結構、速度等特性的變化規律，并研究細水霧或金屬阻火網對火焰特性的影響，高速攝像機由同步控制器同步控制。高壓點火及同步控制系統由高壓點火器、點火電極和同步控制器組成，高壓點火器為一種同步脈沖發生器，主要通過電容儲能放電時產生的電火花點火，點火電極安裝在靠近燃燒管道左端壁面處，打火位置處于管道中心線，其位置可以根據要求改變，高壓點火器與同步控制器相連，點火電極的觸發受其控制，同步控制器為可編程同步控制器(PLC)，由控制面板和核心部件CPU兩部分組成，共有三個外接端頭，分別與高壓點火器、高速攝像機以及數據采集儀相連。自動配氣系統通過計算機控制，測試所用氣體(包括可燃氣、空氣及阻化劑等)的儲氣瓶分別通過管道與閥門、高精度質量流量計相連，實驗氣體的成分和濃度由質量流量計控制，其值的設置在自動配氣系統控制軟件中完成，通過質量流量計的實驗氣體匯聚到預混腔內進行均勻混合，預混腔體末端通過主通道與燃燒管道進氣閥相連，在主通道上連接一旁通道，當初始預混氣體濃度不穩定時，將這些預混氣體通過閥門控制的旁通道排出室外。
[0017]本發明的工作過程如下:(I)安裝并調試實驗系統，確保自動配氣系統、高速紋影攝像系統、壓力傳感器、離子探針、熱電偶、細水霧發生裝置、金屬網阻火裝置、數據采集儀以及同步控制器處于良好狀態。此外，在進行封閉管道火焰傳播實驗時，還需對燃燒管道進行抽真空，保證管道具有良好的氣密性。在開展細水霧對火焰傳播動力學影響實驗研究時，上游管道與下游管道的連接處應加裝細水霧裝置，在進行耦合物理化學作用的金屬網阻火特性研究時，需在上游管道與下游管道的連接處安裝金屬阻火網；(2)通過自動配氣系統配置所需配比的可燃性預混氣體，在進行火焰抑制研究時還需加入一定配比的阻化劑，將其充入實驗管道內，管道內壓力到達一個大氣壓后，關閉管道進氣閥門；(3)將氣體靜置約30秒，使氣體達到靜止狀態；(4)打開高壓點火器，使其輸出電壓升至預設點火電壓。然后開啟數據采集儀、同步控制器以及高速攝像機并使其處于等待狀態。準備完畢后啟動同步控制器，使點火器、攝影儀和數據采集儀按預設的時間依次觸發，動態測量火焰傳播過程中各項數據；(5)在一次火焰傳播實驗完成后，存儲高速攝像機的圖像數據和數據采集儀記錄的壓力、溫度和離子電流信號數據，然后進入下一次實驗程序。
[0018]本發明提供了一種可以進行預混可燃氣爆炸過程中火焰傳播及其抑制試驗的裝置，并能對火焰傳播過程中的重要特征參數進行記錄，且能夠人為控制試驗環境和試驗條件。采用高速攝像技術和紋影光學技術相結合的方法對管道中火焰動態變化過程進行拍攝，可以準確直觀地記錄預混火焰在管道內的傳播動力學過程，包括火焰形狀、結構和位置隨時間的動態變化規律以及火焰鋒面不穩定性發展過程；利用壓力傳感器測量管道內壓力動態上升特性，可結合高速紋影圖像分析管內壓力與火焰特性之間的相互關系。通過微細熱電偶測試火焰傳播過程溫度變化特性及阻燃劑對燃燒溫度的影響。通過離子探針測試火焰化學反應強度、火焰內部結構變化，并可解釋阻化劑對燃燒化學反應的影響。利用該裝置可以進行諸多有關預混火焰傳播動力學方面的研究，例如不同種類的實驗氣體預混火焰傳播和升壓特性規律的研究。可以分別研究當量比、開口率、點火位置及火焰不穩定性等對火焰傳播及壓力上升特性的影響。在預混氣體中加入阻化劑研究其對爆炸動力學的影響。加裝細水霧和金屬網阻火裝置研究預混火焰在這些阻火裝置作用下的傳播速度、溫度及壓力上升等特性的變化情況；揭示阻化劑、細水霧和金屬網對火焰的抑制作用，發展相應的阻燃和抑爆方法和技術。
[0019]以下結合附圖1和2說明本發明的實施方式。
[0020]本發明可燃氣與空氣預混氣體爆炸過程中火焰傳播特性及其抑制方法研究的試驗裝置，燃燒管道為一水平放置的直管，其長為530mm，橫截面為正方形，尺寸為82mmX82mm，上游管道和下游管道上下兩側壁面和兩端壁面均采用厚度為1.5cm的TP304不銹鋼板制成，前后兩側壁面采用光學性能良好、厚度為1.6cm的石英玻璃制成，上游管道左端開口面積可以進行調整，上游管道與下游管道的連接處可安裝細水霧裝置，細水霧裝置的安裝位置及其性能參數可根據實際需要進行確定。上游管道與下游管道之間可以通過法蘭連接金屬網阻火裝置。在下游管道上側壁面靠近連接處布置了一個直徑為4.0cm的圓形泄壓口 7，圓孔中心距離連接處壁面7.5cm，泄壓孔用厚度均勻的薄膜封閉，壓力達到一定程度時薄膜破裂而使得壓力釋放，以保證實驗安全。
[0021]本試驗裝置中溫度的測量采用微細熱電偶測量系統，在上游管道和下游管道的上側壁面分別安裝3組合微細熱電偶，共兩組微細熱電偶，用來測量火焰在阻化劑、細水霧和金屬阻火網作用下的溫度變化情況。由于熱電偶屬于接觸式感溫元件，為減小其對流場流動以及燃燒反應的影響，同時獲得較高的反應時間，所采用的微細熱電偶為直徑25微米的鉬銠合金絲線制成的高靈敏熱電偶，測量溫度最高可達1800攝氏度。安裝時，為避免高壓電火花點火時產生的電磁場對熱電偶絲的影響，熱電偶絲穿過內徑為Imm的雙孔陶瓷管，再將陶瓷管固定于螺帽中并安裝在管道壁面。為了得到較為準確的溫度測量數據，需要計算出熱電偶的時間響應常數τ，然后對熱電偶測得溫度進行修正。假設兩個熱電偶絲接點處的對流熱傳輸遠大于輻射熱傳輸，那么熱電偶絲接點處的能量平衡可以表達為:
【權利要求】
1.一種可燃氣與空氣預混氣體爆炸過程中火焰傳播及抑制的試驗裝置，其特征在于，整個試驗裝置包括燃燒管道、阻火裝置系統、測試系統及數據采集、高速紋影攝像系統、高壓點火及同步控制系統和自動配氣系統，燃燒管道包括上游管道(4)和下游管道(15)，下游管道上側壁面靠近其右端布置一個泄壓口(18)，用以保證封閉管道火焰傳播實驗的安全，下游管道右端壁面設置兩個閥門，分別用來將管道抽成真空狀態和將預混氣體充入管道內，在管道進氣閥接有一壓力表，用以觀察配氣時管道內氣體壓力，阻火裝置系統主要由細水霧發生裝置和金屬網阻火裝置(12)組成，細水霧發生裝置主要包括水泵和細水霧噴頭(7 )，金屬網阻火裝置(12 )和細水霧噴頭(7 )安裝在上游管道與下游管道的連接處，測試系統及數據采集由壓力測試系統、溫度測試系統、離子探針探測系統和數據采集儀組成，管道上下兩側壁面中心線上設置多個測點，用以安裝壓力測試系統的壓力傳感器(19)、溫度測試系統的微細熱電偶(8)及離子探針探測系統的離子探針(5)，并與數據采集儀相連，高速紋影攝像系統包括高速攝像機(6)和紋影系統，紋影系統包括紋影光源(14)、聚焦鏡片2(11)、一對紋影凹面鏡(13)、紋影刀口(10)與聚焦鏡片I (9)，一對紋影凹面鏡(13)布置在燃燒管道的前后兩側壁面外，紋影光源(14)發出的光經過聚焦鏡片2 (11)后，再經過一對紋影凹面鏡(13)后通過紋影刀口(10)，然后通過聚焦鏡片I (9)進入高速攝像機(6)，上游管道與下游管道前后兩側壁面采用石英玻璃制成，便于高速紋影攝像系統拍攝管道內火焰傳播特性，高壓點火及同步控制器主要包括高壓點火器(I)、點火電極(3)和同步控制器(2)，點火電極(3)設置于靠近上游管道左端壁面處，用來點燃預混氣體，點火位置處于上游管道與下游管道的中心線，根據要求可沿中心線對點火源位置進行改變，實驗過程中，高壓點火器(I)、高速攝像機(6)以及數據采集儀(16)由同步控制器(2)同步控制，預混氣體中可燃性氣體成分和濃度通過自動配氣系統中的高精度質量流量計控制，通過自動配氣系統可配置不同組分的可燃氣體以及與阻化劑混合的預混可燃氣體。
2.根據權利要求1所述的一種可燃氣與空氣預混氣體爆炸過程中火焰傳播及抑制的試驗裝置，其特征在于，燃燒管道包括上游管道與下游管道，上游管道與下游管道均為一水平放置的橫截面為正方形的直管，管`道上下兩側壁面和兩端壁面采用不銹鋼板制成，其中上游管道左側壁面鋼板可采用不同的開口面積，用以研究開口率對火焰傳播的影響；泄壓孔用厚度均勻的薄膜封閉，壓力達到一定程度時薄膜破裂而使管內壓力釋放，達到保證實驗安全的目的；下游管道右端壁面設置上下兩個閥門，上端閥門與真空泵相連，用來將管道內抽成真空狀態，下端閥門為進氣閥，通過壓力表與自動配氣系統相連，壓力表用以觀察配氣時管內氣體壓力；在可燃性預混氣體配氣時加入一定量的阻化劑，研究阻化劑對火焰溫度、傳播速度、反應強度及壓力上升特性的影響，揭示其抑制效應和機理；上游管道與下游管道的連接處可安裝細水霧噴頭，用以研究細水霧對火焰傳播及壓力上升特性的影響和抑制作用；上游管道與下游管道的連接處還可以安裝金屬網阻火裝置，用以研究不同材料、不同結構的金屬網對火焰的抑制作用；在金屬網表面涂抹化學阻燃劑，以研究耦合物理化學作用的金屬網阻燃系統對火焰的抑制效果；壓力測試系統由高頻動態壓力傳感器和數據采集儀組成，兩個壓力傳感器分別安裝于管道底部壁面中心線靠近上游管道和下游管道的右端壁面處，用以測量管道內壓力變化，并分析火焰傳播過程中金屬阻火網或細水霧對燃燒管道內壓力上升的影響，數據采集儀與同步控制器相連，并由其同步控制；高速紋影攝像系統由高速攝像機和紋影光學系統組成，當燃燒管道內流場密度不均勻時，光束通過時發生偏折，高速攝像機物鏡上的照度隨之變化，從而顯示流場密度的變化，高速攝像機通過記錄流場密度一階導數分布圖像呈現管道內火焰前鋒的形狀與位置，用以測量火焰在傳播過程中火焰形狀、結構、速度特性的變化規律，并研究細水霧或金屬阻火網對火焰特性的影響，高速攝像機由同步控制器同步控制；高壓點火及同步控制系統由高壓點火器、點火電極和同步控制器組成，高壓點火器為一種同步脈沖發生器，主要通過電容儲能放電時產生的電火花點火，點火電極安裝在靠近燃燒管道左端壁面處，打火位置處于管道中心線，其位置可以根據要求改變，高壓點火器與同步控制器相連，點火電極的觸發受其控制，同步控制器為可編程同步控制器(PLC)，由控制面板和核心部件CPU兩部分組成，共有三個外接端頭，分別與高壓點火器、高速攝像機以及數據采集儀相連；自動配氣系統通過計算機控制，測試所用氣體的儲氣瓶分別通過管道與閥門、高精度質量流量計相連，實驗氣體的成分和濃度由質量流量計控制，濃度和流量值的設置在自動配氣系統控制軟件中完成；通過質量流量計的實驗氣體匯聚到預混腔內進行均勻混合，預混腔體末端通過主通道與燃燒管道進氣閥相連，在主通道上連接一旁通道，當初始預混氣體濃度不穩定時，將這些預混氣體通過閥門控制的旁通道排出室外。
3.根據權利要求1所述的一種可燃氣與空氣預混氣體爆炸過程中火焰傳播及抑制的試驗裝置，其特征在于，該試驗裝置的工作過程如下:(I)安裝并調試試驗裝置，確保自動配氣系統、高速紋影攝像系 統、壓力傳感器、離子探針、熱電偶、細水霧發生裝置、金屬網阻火裝置、數據采集儀以及同步控制器處于良好狀態，在進行封閉管道火焰傳播實驗時，還需對燃燒管道進行抽真空，保證管道具有良好的氣密性，在開展細水霧對火焰傳播動力學影響的實驗研究時，上游管道與下游管道的連接處應加裝細水霧噴頭，在進行耦合物理化學作用的金屬網阻火特性研究時，需在上游管道與下游管道的連接處安裝金屬阻火網；(2)通過自動配氣系統配置所需配比的可燃性預混氣體，在進行火焰抑制研究時還需加入一定配比的阻化劑，將其充入實驗管道內，管道內壓力到達一個大氣壓后，關閉管道進氣閥門；(3)將氣體靜置約30秒，使氣體達到靜止狀態；(4)打開高壓點火器，使其輸出電壓升至預設點火電壓，然后開啟數據采集儀、同步控制器以及高速攝像機并使其處于等待狀態，準備完畢后啟動同步控制器，使點火器、攝影儀和數據采集儀按預設的時間依次觸發，動態測量火焰傳播過程中各項數據；(5)在一次火焰傳播實驗完成后，存儲高速攝像機的圖像數據和數據采集儀記錄的壓力、溫度和離子電流信號數據，然后進入下一次實驗程序。
【文檔編號】G01N25/54GK103454308SQ201310435470
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月23日 優先權日:2013年9月23日
【發明者】孫金華, 肖華華, 段強領, 沈曉波, 彭忠璟 申請人:中國科學技術大學