CN103424221A - 一种可燃气体爆炸冲击波能量的测定方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可燃气体爆炸冲击波能量的测定方法及装置，在爆炸箱中设置片状阻隔物，向爆炸箱冲入可燃气体使爆炸箱内的可燃气体达到爆炸浓度，开动气体搅拌器使可燃气体均布于箱内，在阻隔物中部将可燃气体点火引爆，同时用高速摄像机连续拍摄阻隔物的运动状态，连接计算机对实验数据进行记录和处理，得出可燃气体爆炸冲击波能量。本发明根据流体运动学及牛顿运动定律，利用爆炸阻隔物的运动加速度和速度计算可燃气体爆炸冲击波产生的能量。本发明对现实中确定可燃气体爆炸灾害的危害范围，采取有效的预防和控制措施具有重要指导意义。采用本发明的技术方案，操作步骤简单，测定结果直观、精确；爆炸箱体的装置结构简单，与现实情况接近。
Description
技术领域
本发明涉及爆炸冲击能量测定技术，特别是可燃气体在存在阻隔物的情况下爆炸能量的测定方法和装置。
背景技术
随着全球能源危机和生态破坏的进一步加剧，以石油、煤炭等为代表的传统能源不仅将面临资源枯竭的严峻形势，而且还面临节能减排的巨大压力。在此背景下，转变高污染、高能耗的经济增长方式，发展以清洁能源为主的“低碳经济”，正在成为世界各国的共同选择。气体能源（大部分是可燃气体，主要包括天然气、煤层气、页岩气、沼气、液化气、氢气等）作为清洁能源的重要组成部分，近年来发展迅速，已逐渐形成新的产业规模，在不久的将来势必将超越石油和煤炭，成为世界能源消费结构中的“首席能源”。
可燃气体是指能够与空气（或氧气）在一定的浓度范围内均匀混合形成预混气，遇到火源会发生爆炸的，燃烧过程中释放出大量能量的气体。在可燃气体开发、运输、使用和储存过程中，经常发生爆炸事故，造成严重的人员伤亡和财产损失。近年来，随着全球范围内能源短缺进一步加剧，人类对油气资源的开采和利用规模越来越大（例如我国西气东输和液化天然气站线等重大工程项目的建设），预防可燃气体灾害事故发生的形势变得更加严峻，可燃气体爆炸已逐渐成为科学研究的重点领域之一。可燃气体爆炸是一种重要的非理想爆炸灾害形式，通常表现为一种迅速的、非恒定的、带化学反应的流体动力学过程。周围环境的压力和温度急剧升高是可燃气体爆炸反应的显著特征，其破坏效应主要通过爆炸冲击波的机械破坏和爆炸火焰波的高温灼伤来实现。冲击波和火焰波共同构成了可燃气体爆炸波，爆炸波的传播又可能会引起二次爆炸或者遇到障碍物后由爆燃转变为爆轰过程，从而导致更加严重的破坏。
爆炸冲击波的存在是气体爆炸的一个重要特征，依据气体爆炸类型，爆炸冲击波可分为压缩波和膨胀波，压缩波主要是指可燃气体发生化学爆炸时瞬间产生的大量高温气体产物使未反应区预混气体受到压缩并向前运动而形成的压力冲击波，膨胀波主要是指密闭容器（如锅炉）中气体发生物理爆炸时短时间内释放出大量高压高能的气体产物向前膨胀运动所形成的压力冲击波。显然，可燃气体爆炸压力冲击波属于压缩波。
目前，主要是通过爆炸反应器中设置的压力传感器测定可燃气体爆炸冲击的作用力，其测定数据不仅缺乏直观性，而且由于传感器的滞后特点因而也缺乏一定的准确度。另外，大都数压力传感器都是设置于管道状爆炸反应器中，而现实中可燃气体爆炸大部分发生于接近开敞空间的受限空间中，因而管道状爆炸反应器所模拟的爆炸环境缺乏一定的代表性。
发明内容
本发明的目的是提供一种可燃气体爆炸冲击波能量的测定方法和装置，以指导现实中可燃气体爆炸灾害的预防和控制工作。
本发明技术方案的原理是：根据流体运动学及牛顿运动定律，物体在空气中水平运动所受到的摩擦力与物体的速度平方成正比F=kv 2 ，物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同，即F=ma，结合微积分计算公式求得爆炸冲击波能量，即 
（n代表时间）。可燃气体爆炸时，爆炸冲击波对物体的作用力是爆炸过程中物体加速运动的根本原因，通过高速摄像机相同时间间隔内的对阻隔物的运动轨迹进行连续拍摄，通过计算机计算出加速度a，结合上述公式进而计算出爆炸冲击波的能量。
可燃气体爆炸冲击波能量的测定方法，在爆炸箱中设置片状阻隔物，向爆炸箱冲入可燃气体使爆炸箱内的可燃气体达到爆炸浓度，开动气体搅拌器使可燃气体均布于箱内，在阻隔物中部将可燃气体点火引爆，同时用高速摄像机连续拍摄阻隔物的运动状态，连接计算机对实验数据进行记录和处理，得出可燃气体爆炸冲击波能量。
所述爆炸箱采用透明、耐爆材料，以保证爆炸过程的可视性；爆炸箱设置泄压面，爆炸箱泄压面用纸质材料密封，以保证爆炸过程的安全性；爆炸箱内部安设阻隔物架，以悬挂片状阻隔物。可燃气体输送管路入口设在爆炸箱底部，用介质流量计控制可燃气体的充入量以保证爆炸箱内可爆气体达到爆炸浓度。片状阻隔物在阻隔物架垂直放置并保证其沿水平方向运动自如；点火点处于阻隔物中心位置，保证阻隔物在爆炸冲击波作用下平移不翻转。
所述的高速摄像机的具有良好的感光度，优良的影像质速，拍摄时间可以精确到ms级，以能够连续多幅拍摄可燃气体爆炸后阻隔物的运动状态，，根据流体运动学及牛顿运动定律计算出爆炸冲击波的能量。
可燃气体爆炸冲击波能量的测定装置，由爆炸箱、爆炸箱内设有阻隔物架装置、阻隔物架装置上设有片状阻隔物、气体输送装置、点火装置、搅拌装置、高速摄像机以及数据处理系统组成。所述气体输送装置由可燃气瓶、阀门、气体流量计、气体输送管路组成，气体输送管路与爆炸箱连通，所述气体输送管路一端与可燃气瓶连接，另一端连接到爆炸箱的底部，所述气体输送管路上设有阀门及气体流量计，气体流量计为介质气体流量计，可以精确控制进入爆炸箱内的可燃气体。所述搅拌装置为搅拌器，搅拌器通过搅拌，使可燃气体在爆炸箱内混合均匀。点火装置的电打火设置在阻隔物的中部。
所述的高速摄像机所述的拍摄时间精确到ms级，连续多幅拍摄可燃气体爆炸后阻隔物的运动状态。所述高速摄像机记录的可燃气体爆炸后阻隔物的运动状态通过数据线传递到计算机上。
采用本发明的技术方案，操作步骤简单，测定结果直观、精确；爆炸箱体的装置结构简单，接近现实情况，容易推广应用。
附图说明
图1为本发明一种可燃气体爆炸冲击波能量的测定装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个具体实施方式做进一步的说明。
如图1所示，在爆炸箱1中设置阻隔物架装置2，在阻隔物架装置2上放置片状阻隔物，向爆炸箱1冲入可燃气体使爆炸箱1内的可燃气体达到爆炸浓度，开动气体搅拌器5使可燃气体均布于箱内，在阻隔物中部将可燃气体点火引爆，通过高速摄像机3拍摄阻隔物在可燃气体爆炸过程中的运动轨迹，并利用ProAnalyst运动分析软件分析其轨迹以得到阻隔物的即时加速度，结合流体运动学及牛顿定律、阻隔物质量及其表面积，即可测定出可燃气体爆炸冲击波的能量。
该实施方式中，可燃气体爆炸冲击波能量的测定装置，由爆炸箱1、爆炸箱1内设有阻隔物架装置2、气体输送装置、点火装置6、搅拌装置、高速摄像机3以及数据处理系统组成。
阻隔物架装置2由一个底座和四根垂直的钢尺构成，钢尺间距、高度均可调。阻隔物架装置2上设有片状阻隔物。所述气体输送装置由可燃气瓶8、阀门4、气体流量计7、气体输送管路9组成，气体输送管路9与爆炸箱1连通，所述气体输送管路9一端与可燃气瓶8连接，另一端连接到爆炸箱1的底部，所述气体输送管路9上设有阀门4及气体流量计7，气体流量计7为介质气体流量计，可以精确控制进入爆炸箱内的可燃气体。所述搅拌装置为搅拌器5，搅拌器5通过搅拌，使可燃气体在爆炸箱1内混合均匀。点火装置6的电打火设置在阻隔物的中部。
高速摄像机3最高可以连续记录和储存高速过程图片11000fps，拍摄时间可以精确到ms级，使用GB以太网通过数据线10与计算机11连接，可以在计算机上通过用户界面对高速摄像机进行控制。
Claims (10)
1.一种可燃气体爆炸冲击波能量的测定方法，其特征在于，在爆炸箱中设置片状阻隔物，向爆炸箱冲入可燃气体使爆炸箱内的可燃气体达到爆炸浓度，开动气体搅拌器使可燃气体均布于箱内，在阻隔物中部将可燃气体点火引爆，同时用高速摄像机连续拍摄阻隔物的运动状态，连接计算机对实验数据进行记录和处理，得出可燃气体爆炸冲击波能量。
2.根据权利要求1所述的一种可燃气体爆炸冲击波能量的测定方法，其特征在于，所述爆炸箱采用透明、耐爆材料；所述爆炸箱设置泄压面，爆炸箱泄压面用纸质材料密封；所述爆炸箱内部安设悬挂片状阻隔物的阻隔物架。
3.根据权利要求1所述的一种可燃气体爆炸冲击波能量的测定方法，其特征在于，可燃气体输送管道入口设在爆炸箱底部，用介质流量计控制可燃气体的充入量以保证爆炸箱内可爆气体达到爆炸浓度。
4.根据权利要求1所述的一种可燃气体爆炸冲击波能量的测定方法，其特征在于，片状阻隔物在阻隔物架垂直放置并保证其沿水平方向运动；点火点处于阻隔物中心位置，保证阻隔物在爆炸冲击波作用下平移不翻转。
5.根据权利要求1所述的一种可燃气体爆炸冲击波能量的测定方法，其特征在于：所述的高速摄像机的拍摄时间精确到ms级，连续多幅拍摄可燃气体爆炸后阻隔物的运动状态，根据流体运动学及牛顿运动定律计算出爆炸冲击波的能量。
6.一种可燃气体爆炸冲击波能量的测定装置，其特征在于，所述装置由爆炸箱、爆炸箱内设有阻隔物架装置、阻隔物架装置上设有片状阻隔物、气体输送装置、点火装置、搅拌装置、高速摄像机以及数据处理系统组成。
7.根据权利要求6所述的一种可燃气体爆炸冲击波能量的测定装置，其特征在于，所述气体输送装置由可燃气瓶、阀门、气体流量计、气体输送管路组成，气体输送管路与爆炸箱连通。
8.根据权利要求6所述的一种可燃气体爆炸冲击波能量的测定装置，其特征在于，所述搅拌装置为搅拌器；所述气体输送管路入口设在爆炸箱底部，用介质流量计控制可燃气体的充入量。
9.根据权利要求6所述的一种可燃气体爆炸冲击波能量的测定装置，其特征在于，所述的高速摄像机所述的拍摄时间精确到ms级，连续多幅拍摄可燃气体爆炸后阻隔物的运动状态。
10.根据权利要求9所述的一种可燃气体爆炸冲击波能量的测定装置，其特征在于，所述高速摄像机记录的可燃气体爆炸后阻隔物的运动状态通过数据线传递到计算机上。
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Inventor after: Wang Kaiquan Inventor after: Gu Tao Inventor after: Shu Xiaoyong Inventor after: Wang Xueyou Inventor before: Wang Kaiquan Inventor before: Wang Xueyou Inventor before: Gu Tao Inventor before: Shu Xiaoyong |
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Application publication date: 20131204 |