CN103454308B - 一种可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播及抑制的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播及抑制的试验装置，整个试验装置包括燃烧管道、细水雾发生装置、金属网阻火装置、高速摄像机、纹影系统、压力测试系统、自动配气系统、温度测试系统、离子探针探测系统、数据采集仪、高压点火系统以及同步控制器，该装置可用于：（1）研究不同可燃气体组分、不同开口状态、不同点火位置、不同火焰不稳定性等因素影响下的预混气体爆炸过程中火焰传播特性和规律；（2）研究阻化剂、金属阻火网、细水雾等对火焰传播的控制和抑制作用，开发物理‑化学耦合作用下的预混火焰传播抑制方法和技术，并阐述其内在机理。

Description

一种可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播及抑制的试验装置

技术领域

本发明属于可燃性气体安全的技术领域，具体涉及一种可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播及抑制的试验装置。

背景技术

可燃性气体（如氢气、甲烷及丙烷等）在工业过程和日常生活中有着十分广泛的应用，尤其在石化、电力、冶金、采矿、运输和燃气供应等领域有着举足轻重的作用。当可燃性气体在生产、输送、储存和利用过程中使用或控制不当使得可燃性气体意外泄漏（或释放）到空气中或者是空气进入含有可燃气体的容器内（如储罐、管道等）时，则形成易燃易爆的预混气体。这种可燃性预混气体遇到点火源后迅速被引燃，之后化学反应以燃烧波的形式传播并发展成为爆燃，在一定情况下将转化为爆轰，进而酿成火灾和爆炸事故，并造成严重的生命、财产损失。从燃烧应用和安全工程两方面来看，开展可燃性预混气体火焰传播及控制（抑制）方法的研究均十分必要。管道中预混火焰传播是典型的气体爆炸过程。目前国内外对管道中预混火焰传播的研究主要集中在湍流火焰、爆轰以及爆燃转爆轰（DDT）等方面，而对于早期火焰传播规律（包括火焰加速、火焰微观结构与形状变化等）以及预混火焰传播抑制技术的研究相对较少。开展管道中可燃气-空气预混火焰微观结构、加速机理以及预混火焰传播阻隔和抑制技术等方面的研究，不仅可以揭示火焰传播规律、发展火焰抑制技术，而且还可为预防和控制燃烧与爆炸事故，实现气体燃料的安全利用提供可靠的实验依据和技术指导。本发明的目的在于提供一种能够开展预混火焰传播及其抑制方法、技术等方面研究的试验台。

发明内容

本发明的目的是提供一种可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播及抑制的试验装置。该装置可用于：（1）研究不同可燃气体组分、不同开口状态、不同点火位置、不同火焰不稳定性等因素影响下的火焰传播特性和规律；（2）研究阻化剂、金属阻火网、细水雾等对火焰传播的控制和抑制作用，开发耦合物理化学作用的预混火焰传播抑制方法和技术，并阐述其内在机理。

本发明采用的技术方案如下：一种可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播及抑制的试验装置，整个试验装置包括燃烧管道、阻火装置系统、测试系统及数据采集、高速纹影摄像系统、高压点火及同步控制系统和自动配气系统。燃烧管道包括上游管道和下游管道，下游管道上侧壁面靠近其右端布置一个泄压口，用以保证封闭管道火焰传播实验的安全，下游管道右端壁面设置两个阀门，分别用来将管道抽成真空状态和将预混气体充入管道内，在管道进气阀接有一压力表，用以观察配气时管道内气体压力。阻火装置系统主要由细水雾发生装置和金属网阻火装置组成，细水雾发生装置主要包括水泵和细水雾喷头，上游管道与下游管道的连接处可安装细水雾喷头或金属网阻火装置。测试系统及数据采集由压力测试系统、温度测试系统、离子探针探测系统和数据采集仪组成，管道上下两侧壁面中心线上设置多个测点，用以安装压力测试系统的压力传感器、温度测试系统的微细热电偶及离子探针探测系统的离子探针，并与数据采集仪相连。高速纹影摄像系统包括高速摄像机和纹影系统，纹影系统包括纹影光源、聚焦镜片2、一对纹影凹面镜、纹影刀口与聚焦镜片1，一对纹影凹面镜布置在燃烧管道的前后两侧壁面外，纹影光源发出的光经过聚焦镜片2后，再经过一对纹影凹面镜后通过纹影刀口，然后通过聚焦镜片1进入高速摄像机，上游管道与下游管道前后两侧壁面采用石英玻璃制成，便于高速纹影摄像系统拍摄管道内火焰传播特性。高压点火及同步控制器主要包括高压点火器、点火电极和同步控制器，点火电极设置于靠近上游管道左端壁面处，用来点燃预混气体，点火电极的点火位置处于上游管道与下游管道的中心线，根据实验要求可沿中心线对点火位置进行改变，实验过程中，高压点火器、高速摄像机以及数据采集仪均由同步控制器同步控制。预混气体中可燃性气体和阻化剂的浓度通过自动配气系统中的质量流量计控制。

其中，燃烧管道包括上游管道与下游管道，上游管道与下游管道均为一水平放置的横截面为正方形的直管，管道上下两侧壁面和两端壁面采用不锈钢板制成，其中上游管道左侧壁面钢板可采用不同的开口面积，用以研究开口率对火焰传播的影响。泄压孔用厚度均匀的薄膜封闭，压力达到一定程度时薄膜破裂而使管内压力释放，达到保证实验安全的目的。下游管道右端壁面设置上下两个阀门，上端阀门与真空泵相连，用来将管道内抽成真空状态，下端阀门为进气阀，通过压力表与自动配气系统相连，压力表用以观察配气时管内气体压力。在可燃性预混气体配气时加入一定量的阻化剂，研究阻化剂对火焰温度、传播速度、反应强度及压力上升特性的影响，揭示其抑制效应和机理。上游管道与下游管道的连接处可安装细水雾喷头，用以研究细水雾对火焰传播及压力上升特性的影响和抑制作用。上游管道与下游管道的连接处还可以安装金属网阻火装置，用以研究不同材料、不同结构的金属网对火焰的抑制作用。在金属网表面涂抹化学阻燃剂，以研究耦合物理化学作用的金属网阻燃系统对火焰的抑制效果。压力测试系统由高频动态压力传感器和数据采集仪组成，两个压力传感器分别安装于管道底部壁面中心线靠近上游管道和下游管道的右端壁面处，用以测量管道内压力变化，并分析火焰传播过程中金属阻火网或细水雾对燃烧管道内压力上升的影响，数据采集仪与同步控制器相连，并由其同步控制。高速纹影摄像系统由高速摄像机和纹影光学系统组成，当燃烧管道内流场密度不均匀时，光束通过时发生偏折，高速摄像机物镜上的照度随之变化，从而显示流场密度的变化，高速摄像机通过记录流场密度一阶导数分布图像呈现管道内火焰前锋的形状与位置，用以测量火焰在传播过程中火焰形状、结构、速度等特性的变化规律，并研究细水雾或金属阻火网对火焰特性的影响，高速摄像机由同步控制器同步控制。高压点火及同步控制系统由高压点火器、点火电极和同步控制器组成，高压点火器为一种同步脉冲发生器，主要通过电容储能放电时产生的电火花点火，点火电极安装在靠近燃烧管道左端壁面处，打火位置处于管道中心线，其位置可以根据要求改变，高压点火器与同步控制器相连，点火电极的触发受其控制，同步控制器为可编程同步控制器（PLC），由控制面板和核心部件CPU两部分组成，共有三个外接端头，分别与高压点火器、高速摄像机以及数据采集仪相连。自动配气系统通过计算机控制，测试所用气体的储气瓶分别通过管道与阀门、高精度质量流量计相连，实验气体的成分和浓度由质量流量计控制，其值的设置在自动配气系统控制软件中完成。通过质量流量计的实验气体汇聚到预混腔内进行均匀混合，预混腔体末端通过主通道与燃烧管道进气阀相连，在主通道上连接一旁通道，当初始预混气体浓度不稳定时，将这些预混气体通过阀门控制的旁通道排出室外。

其中，该试验装置的工作过程如下：（1）安装并调试试验装置，确保自动配气系统、高速纹影摄像系统、压力传感器、离子探针、热电偶、细水雾发生装置、金属网阻火装置、数据采集仪以及同步控制器处于良好状态，在进行封闭管道火焰传播实验时，还需对燃烧管道进行抽真空，保证管道具有良好的气密性，在开展细水雾对火焰传播动力学影响的实验研究时，上游管道与下游管道的连接处应加装细水雾喷头，在进行耦合物理化学作用的金属网阻火特性研究时，需在上游管道与下游管道的连接处安装金属阻火网；（2）通过自动配气系统配置所需配比的可燃性预混气体，在进行火焰抑制研究时还需加入一定配比的阻化剂，将其充入实验管道内，管道内压力到达一个大气压后，关闭管道进气阀门；（3）将气体静置约30秒，使气体达到静止状态；（4）打开高压点火器，使其输出电压升至预设点火电压，然后开启数据采集仪、同步控制器以及高速摄像机并使其处于等待状态，准备完毕后启动同步控制器，使点火器、摄影仪和数据采集仪按预设的时间依次触发，动态测量火焰传播过程中各项数据；（5）在一次火焰传播实验完成后，存储高速摄像机的图像数据和数据采集仪记录的压力、温度和离子电流信号数据，然后进入下一次实验程序。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明提供了一种可以进行预混可燃气爆炸过程中火焰传播及其抑制试验的装置，并能对火焰传播过程中的重要特征参数进行记录，且能够人为控制试验环境和试验条件。

2、本发明采用高速摄像技术和纹影光学技术相结合的方法对管道中火焰动态变化过程进行拍摄，可以准确直观地记录预混火焰在管道内的传播动力学过程，包括火焰形状和位置随时间的动态变化规律以及火焰锋面不稳定性发展过程。

3、本发明利用压力传感器测量管道内压力动态上升特性，可结合高速纹影图像分析管内压力与火焰特性之间的相互关系。通过微细热电偶测试火焰传播过程温度变化特性及阻燃剂对燃烧温度的影响。通过离子探针测试火焰化学反应强度、火焰内部结构变化，揭示阻化剂对化学反应区的影响。利用该装置可以进行许多有关预混火焰传播动力学方面的研究，例如针对不同种类实验气体的预混火焰传播和升压特性规律开展研究，可以分别研究当量比、开口率、点火位置、不稳定性等对火焰传播特性的影响，还可在预混气体中加入阻化剂研究其对火焰传播动力学的影响。

4、本发明加装细水雾和金属网阻火装置研究预混火焰在这些阻火装置作用下传播速度、温度及压力上升等特性的变化情况；揭示阻化剂、细水雾和金属网对火焰的抑制作用，发展相应的阻燃和抑爆方法和技术。

附图说明

图1为本发明一种可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播及抑制的试验装置；图中，1-高压点火器，2-同步控制器，3-点火电极，4-上游管道，5-离子探针，6-高速摄像机，7-细水雾喷头，8-热电偶，9-聚焦透镜1，10-纹影刀口，11-聚焦透镜2，12-金属网阻火装置，13-纹影凹面镜，14-纹影光源，15-下游管道，16-数据采集仪，17-真空泵，18-泄压口，19-压力传感器，20-自动配气系统，21-绝缘阀。

图2为本发明高精度自动配气系统；图中，22-阀门1，23-阀门2，24-阀门3，25-阀门4，26-阀门5。

图3为离子探针结构示意图。

具体实施方式

本发明公开的一种可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播及抑制的试验装置，整个试验装置包括燃烧管道、阻火装置系统、测试系统及数据采集、高速纹影摄像系统、高压点火及同步控制系统和自动配气系统。燃烧管道主要由燃烧上游管道和燃烧下游管道两部分组成，下游管道上侧壁面靠近其右端布置一个泄压口，用以保证封闭管道火焰传播实验的安全，下游管道右端壁面设置两个阀门，分别用来将管道抽成真空状态和将预混气体充入管道内，在管道进气阀接有一压力表，用以观察配气时管道内气体压力。阻火装置系统主要由细水雾发生装置和金属网阻火装置组成，细水雾发生装置前端为细水雾喷头。测试系统及数据采集由压力测试系统、温度测试系统、离子探针探测系统和数据采集仪组成，管道上下两侧壁面中心线上设置多个测点，用以安装压力测试系统的压力传感器、温度测试系统的微细热电偶及离子探针探测系统的离子探针，并与数据采集仪相连，温度测试系统为高灵敏温度测试系统。高速纹影摄像系统包括高速摄像机和纹影系统，燃烧管道前后两侧壁面采用石英玻璃制成，便于高速纹影摄像系统拍摄管道内火焰传播特性。靠近燃烧管道左端壁面处设置一对高压点火电极，用来点燃预混气体，点火电极的点火位置处于管道中心线，点火位置可根据实验要求改变。实验过程中，高压点火器、高速摄像机以及数据采集仪由同步控制器同步控制。自动配气系统为高精度自动配气系统，预混气体中可燃性气体浓度通过自动配气系统中的高精度质量流量计控制。

管道中预混气体火焰传播试验装置的具体结构如下。燃烧管道的上游管道和下游管道分别为一水平放置的横截面为正方形的直管，上游管道和下游管道上下两侧壁面和两端壁面均采用不锈钢板制成，其中上游管道左侧壁面钢板可采用不同的开口面积，用以研究开口率对火焰传播的影响。泄压孔用厚度均匀的薄膜封闭，压力达到一定程度时薄膜破裂而使管内压力释放，达到保证实验安全的目的。下游管道右端壁面设置上下两个阀门，上端阀门与真空泵相连，用来将管道内抽成真空状态，下端阀门为进气阀，通过压力表与自动配气系统相连，压力表用以观察配气时管内气体压力。在可燃性预混气体配气时加入一定量的阻化剂，研究阻化剂对火焰温度、传播速度、反应强度及压力上升等特性的影响，揭示其抑制效应和机理。上游管道与下游管道的连接处可安装细水雾喷头，用以研究细水雾对火焰传播及压力上升特性的影响和抑制作用。上游管道与下游管道的连接处还可以安装金属网阻火装置，用以研究不同材料、不同结构的金属网对火焰的抑制作用。在金属网表面涂抹化学阻燃剂（如卤化物阻燃剂），以研究耦合物理化学作用的金属网阻燃系统对火焰的抑制效果。压力测试系统由高频动态压力传感器和数据采集仪组成，两个压力传感器分别安装于管道底部壁面中心线靠近上游管道和下游管道的右端壁面处，用以测量管道内压力变化，并分析火焰传播过程中金属阻火网或细水雾对燃烧管道内压力上升的影响。数据采集仪与同步控制器相连，并由其同步控制。高速纹影摄像系统由高速摄像机和纹影光学系统组成，燃烧管道内火焰面为密度不均匀分布，光束通过时发生偏折，高速摄像机物镜上的照度随之变化，从而显示流场密度的变化，高速摄像机通过记录流场密度一阶导数分布图像呈现管道内火焰前锋的形状与位置，用以测量火焰在传播过程中火焰形状、结构、速度等特性的变化规律，并研究细水雾或金属阻火网对火焰特性的影响，高速摄像机由同步控制器同步控制。高压点火及同步控制系统由高压点火器、点火电极和同步控制器组成，高压点火器为一种同步脉冲发生器，主要通过电容储能放电时产生的电火花点火，点火电极安装在靠近燃烧管道左端壁面处，打火位置处于管道中心线，其位置可以根据要求改变，高压点火器与同步控制器相连，点火电极的触发受其控制，同步控制器为可编程同步控制器（PLC），由控制面板和核心部件CPU两部分组成，共有三个外接端头，分别与高压点火器、高速摄像机以及数据采集仪相连。自动配气系统通过计算机控制，测试所用气体（包括可燃气、空气及阻化剂等）的储气瓶分别通过管道与阀门、高精度质量流量计相连，实验气体的成分和浓度由质量流量计控制，其值的设置在自动配气系统控制软件中完成，通过质量流量计的实验气体汇聚到预混腔内进行均匀混合，预混腔体末端通过主通道与燃烧管道进气阀相连，在主通道上连接一旁通道，当初始预混气体浓度不稳定时，将这些预混气体通过阀门控制的旁通道排出室外。

本发明的工作过程如下：（1）安装并调试实验系统，确保自动配气系统、高速纹影摄像系统、压力传感器、离子探针、热电偶、细水雾发生装置、金属网阻火装置、数据采集仪以及同步控制器处于良好状态。此外，在进行封闭管道火焰传播实验时，还需对燃烧管道进行抽真空，保证管道具有良好的气密性。在开展细水雾对火焰传播动力学影响实验研究时，上游管道与下游管道的连接处应加装细水雾装置，在进行耦合物理化学作用的金属网阻火特性研究时，需在上游管道与下游管道的连接处安装金属阻火网；（2）通过自动配气系统配置所需配比的可燃性预混气体，在进行火焰抑制研究时还需加入一定配比的阻化剂，将其充入实验管道内，管道内压力到达一个大气压后，关闭管道进气阀门；（3）将气体静置约30秒，使气体达到静止状态；（4）打开高压点火器，使其输出电压升至预设点火电压。然后开启数据采集仪、同步控制器以及高速摄像机并使其处于等待状态。准备完毕后启动同步控制器，使点火器、摄影仪和数据采集仪按预设的时间依次触发，动态测量火焰传播过程中各项数据；（5）在一次火焰传播实验完成后，存储高速摄像机的图像数据和数据采集仪记录的压力、温度和离子电流信号数据，然后进入下一次实验程序。

本发明提供了一种可以进行预混可燃气爆炸过程中火焰传播及其抑制试验的装置，并能对火焰传播过程中的重要特征参数进行记录，且能够人为控制试验环境和试验条件。采用高速摄像技术和纹影光学技术相结合的方法对管道中火焰动态变化过程进行拍摄，可以准确直观地记录预混火焰在管道内的传播动力学过程，包括火焰形状、结构和位置随时间的动态变化规律以及火焰锋面不稳定性发展过程；利用压力传感器测量管道内压力动态上升特性，可结合高速纹影图像分析管内压力与火焰特性之间的相互关系。通过微细热电偶测试火焰传播过程温度变化特性及阻燃剂对燃烧温度的影响。通过离子探针测试火焰化学反应强度、火焰内部结构变化，并可解释阻化剂对燃烧化学反应的影响。利用该装置可以进行诸多有关预混火焰传播动力学方面的研究，例如不同种类的实验气体预混火焰传播和升压特性规律的研究。可以分别研究当量比、开口率、点火位置及火焰不稳定性等对火焰传播及压力上升特性的影响。在预混气体中加入阻化剂研究其对爆炸动力学的影响。加装细水雾和金属网阻火装置研究预混火焰在这些阻火装置作用下的传播速度、温度及压力上升等特性的变化情况；揭示阻化剂、细水雾和金属网对火焰的抑制作用，发展相应的阻燃和抑爆方法和技术。

以下结合附图1和2说明本发明的实施方式。

本发明可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播特性及其抑制方法研究的试验装置，燃烧管道为一水平放置的直管，其长为530mm，横截面为正方形，尺寸为82mm×82mm，上游管道和下游管道上下两侧壁面和两端壁面均采用厚度为1.5cm的TP304不锈钢板制成，前后两侧壁面采用光学性能良好、厚度为1.6cm的石英玻璃制成，上游管道左端开口面积可以进行调整，上游管道与下游管道的连接处可安装细水雾装置，细水雾装置的安装位置及其性能参数可根据实际需要进行确定。上游管道与下游管道之间可以通过法兰连接金属网阻火装置。在下游管道上侧壁面靠近连接处布置了一个直径为4.0cm的圆形泄压口7，圆孔中心距离连接处壁面7.5cm，泄压孔用厚度均匀的薄膜封闭，压力达到一定程度时薄膜破裂而使得压力释放,以保证实验安全。

本试验装置中温度的测量采用微细热电偶测量系统，在上游管道和下游管道的上侧壁面分别安装3组合微细热电偶，共两组微细热电偶，用来测量火焰在阻化剂、细水雾和金属阻火网作用下的温度变化情况。由于热电偶属于接触式感温元件，为减小其对流场流动以及燃烧反应的影响，同时获得较高的反应时间，所采用的微细热电偶为直径25微米的铂铑合金丝线制成的高灵敏热电偶，测量温度最高可达1800摄氏度。安装时，为避免高压电火花点火时产生的电磁场对热电偶丝的影响，热电偶丝穿过内径为1mm的双孔陶瓷管，再将陶瓷管固定于螺帽中并安装在管道壁面。为了得到较为准确的温度测量数据，需要计算出热电偶的时间响应常数τ，然后对热电偶测得温度进行修正。假设两个热电偶丝接点处的对流热传输远大于辐射热传输，那么热电偶丝接点处的能量平衡可以表达为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\mathrm{\ρ}{C}_p{\mathrm{VT}}_m\right)=\mathrm{hS}(T-T_m)---\left(2\right)$

式中，h为对流换热系数，T为接点处实际温度，T_m为接点处测量温度，ρ、C_p、S和V分别为接点的密度、定压比热、表面积以及体积。由于ρ、C_p和V在实验过程中保持常数不变，因此，（2）式可以改写为如下形式：

$\mathrm{\ρ}{C}_{p}V\frac{d{T}_m}{\mathrm{dt}}=\mathrm{hS}(T-T_m)---\left(3\right)$

假设热电偶丝接点为球形，可得：

$V=\frac{\mathrm{\π}}{6}{d}^3---\left(4\right)$

S＝πd² （5）

将公式（4）和（5）代入（3）得：

$\frac{\mathrm{\ρ}{C}_p\frac{\mathrm{\π}}{6}{d}^3}{\mathrm{h\π}{d}^2}\frac{d{T}_m}{\mathrm{dt}}=(T-T_m)---\left(6\right)$

式（6）左边第一项即为我们需要的时间常数τ，即：

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{\ρ}{C}_p\frac{\mathrm{\π}}{6}{d}^3}{\mathrm{h\π}{d}^2}=\frac{\mathrm{\ρ}{C}_p\mathrm{\π}{d}^2}{6(\mathrm{hd}/k_f)k_f}=\frac{\mathrm{\ρ}{C}_p{d}^2}{6N_u{k}_f}---\left(7\right)$

式中Nu为努塞尔数，k_f为接点周围气体的热传导系数，d为接点直径。空气中的Nu可用如下经验公式表示：

N_u＝2.0+0.60Re^0.5Pr^1/3 （8）

式中Re是雷诺数，Pr是普朗特数。本实验装置中选择Nu=2，d=50μm。将其余相关参数值代入式（7），计算得到响应时间τ约为8.75ms。因此实验中温度测量值可通过（9）式进行修正：

$T=T_m+8.75\×{10}^{-3}\frac{d{T}_m}{\mathrm{dt}}---\left(9\right)$

本装置利用离子探针测量系统来分析预混气体火焰区结构及其化学反应特性，同时离子电流的脉动也可表征反应区结构。在上游管道和下游管道的下侧壁面分别布置3组合离子探针，共两组离子探针，用以测量在阻化剂、细水雾和金属阻火网的作用下燃烧反应强度变化情况。离子探针的具体结构如图3所示。电极材料采用直径为0.1mm，耐高温、导电性能好且耐氧化的铂丝，两根铂丝电极间距约为1mm。安装时利用内径1mm的双孔陶瓷管，并使铂丝露出距离约为2mm。信号处理部分由一个1MΩ的电阻，27V直流电源和数据采集仪组成。

由于预混火焰在管道内传播速度快，实验持续时间短，因此需要选择快速响应的高频动态压力传感器。同时由于火焰锋面具有较高的瞬时温度，为了防止温度效应对测量结果的影响，必须采用针对燃烧测量的特制压力传感器。本装置中压力传感器测量系统选用PCB112B10型燃烧压力传感器，量程0-2MPa，响应频率≥200kHz，最大瞬时温度2482℃，两个压力传感器分别安置在上游管道和下游管道底部壁面中心线靠近右壁面处。

压力传感器19、热电偶8和离子探针5均通过导线与数据采集仪16连接在一起，从而对燃烧过程中管道内压力、温度和离子浓度随时间的动态变化规律进行记录，数据采集仪为HIOKI8826型动态数据采集仪，共有32个输入通道。

高速纹影拍摄系统中纹影凹面镜13布置在燃烧管道的前后两侧壁面外，与聚焦镜片9，11、点光源14、纹影刀口10以及高速摄像机6构成高速纹影摄像系统，纹影仪光学系统采用标准的“Z”形光路布置。燃烧管道放置于光路中间，纹影光源为碘钨灯，光源发出的光经过一个2mm的小孔后形成点光源，凹面镜直径为300mm，焦距为3000mm，所采用的高速摄像机为FastcamUltima APX型，拍摄速度设置为2000-15000fps，高速摄像机由同步控制器触发启动。

高压点火器1通过导线分别与点火电极3以及同步控制器2相连接，点火装置为自行设计的同步高压脉冲发生器2002-1型，通过交流电对电容充电，调整电容电压来改变放电能量。点火电极距离管道左端壁面5.5cm，其打火位置处于管道中心线上，其位置也可根据实验要求进行改变，点火电极放电触发由同步控制器实现。火花产生点燃作用的能力，其主要取决于点燃能量的大小，而点燃能量一般在总储备能中占一定比例。储备能可按下式计算：

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{CV}}^2\×{10}^{-9}\left(\mathrm{mJ}\right)---\left(1\right)$

式中，E是储备能（mJ），C是电容（pF），V是电压（v），其大小可以根据实验要求进行调节。试验中，C为200μF，若V取为500v，则计算可得储备能约为25J。点火器放电时间由同步控制器控制，到达设定时间点，控制器向高压点火器输送开启电平，随即脉冲发生器通过点火电极产生电火花点燃预混可燃气。

高压点火器1、高速摄像机6以及数据采集仪16均通过导线与同步控制器2相连接，并由其进行同步控制，同步控制器采用欧姆龙（OMRON）公司生产的SK20型控制器，该控制器为可编程同步控制器（PLC），同步控制器主要由控制面板和核心部件CPU两部分组成，每个终端动作时间由CPU准确控制，每个控制终端均需要一个电压源且大小不一致，高压点火器需要5V直流电压，高速摄像机和数据采集仪均需要3.3V直流电压。

真空泵17通过软管、阀门与下游管道右端连接，将管道抽成真空状态便于充入可燃性预混气体。自动配气系统20通过软管与下游管道右端进气阀连接，用来将一定配比的实验预混气体充入管道内，进气阀接有一个压力表，用以观察配气时管内的气体压力。自动配气系统通过计算机控制，主要由储气瓶、高精度质量流量计、预混腔、控制电路等组成，实验气体气瓶通过阀门分别与质量流量计1、2、3相连，通过流量计的实验气体汇聚到预混腔体中均匀混合，实验气体的成分和浓度和流量由高精度质量流量计控制，初始预混气体的浓度不稳定，这些预混气体通过阀门26控制的旁通管道排出室外，当自动配气系统显示可燃气浓度稳定时，关闭阀门26同时打开阀门25，将浓度符合实验要求的预混气体充入燃烧管道内，直到管道内部压力达到一个大气压，最后关闭自动配气系统。在进行点火之前，须将管道内预混气体静置30秒，使其达到静止状态。

对于碳氢化合物与空气的燃烧火焰而言，由于高离子电流浓度区域出现在燃烧反应的已燃气体一边，因此离子探针测量系统所记录的离子电流的波动可以代表反应区域结构，即可通过分析离子电流的变化获得火焰厚度。点火开始后，当燃烧火焰开始通过离子探针位置处时，离子电流开始出现明显升高，经过短暂时间，离子电流值达到峰值（Ip），在离子电流升高的时间段内，电流峰值的一半即Ip/2，所对应时刻为ta；燃烧火焰通过离子探针后，离子电流值开始下降，并逐渐降为零，在此时间段内，离子电流峰值一半对应时刻为tb。于是，可得离子电流半峰值经过的时间为：Δt＝t_b-t_a。通过纹影图片可以得到燃烧火焰通过离子探针时的传播速度v,其方法为：某一拍摄时刻t1，燃烧火焰通过离子探针，此时离子探针距离火焰前锋的距离为a；下一拍摄时刻t2，离子探针和火焰前锋之间的距离为b，于是可得火焰传播速度为：v=(b-a)/(t2-t1)。因此火焰的厚度可通过下式进行计算：

δ＝v·Δt （10）

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播及抑制的试验装置，其特征在于，整个试验装置包括燃烧管道、阻火装置系统、测试系统及数据采集、高速纹影摄像系统、高压点火及同步控制系统和自动配气系统，燃烧管道包括上游管道(4)和下游管道(15)，下游管道上侧壁面靠近其右端布置一个泄压口(18)，用以保证封闭管道火焰传播实验的安全，下游管道右端壁面设置两个阀门，分别用来将管道抽成真空状态和将预混气体充入管道内，在管道进气阀接有一压力表，用以观察配气时管道内气体压力，阻火装置系统主要由细水雾发生装置和金属网阻火装置(12)组成，细水雾发生装置主要包括水泵和细水雾喷头(7)，金属网阻火装置(12)和细水雾喷头(7)安装在上游管道与下游管道的连接处，测试系统及数据采集由压力测试系统、温度测试系统、离子探针探测系统和数据采集仪组成，管道上下两侧壁面中心线上设置多个测点，用以安装压力测试系统的压力传感器(19)、温度测试系统的微细热电偶(8)及离子探针探测系统的离子探针(5)，并与数据采集仪相连，高速纹影摄像系统包括高速摄像机(6)和纹影系统，纹影系统包括纹影光源(14)、聚焦镜片2(11)、一对纹影凹面镜(13)、纹影刀口(10)与聚焦镜片1(9)，一对纹影凹面镜(13)布置在燃烧管道的前后两侧壁面外，纹影光源(14)发出的光经过聚焦镜片2(11)后，再经过一对纹影凹面镜(13)后通过纹影刀口(10)，然后通过聚焦镜片1(9)进入高速摄像机(6)，上游管道与下游管道前后两侧壁面采用石英玻璃制成，便于高速纹影摄像系统拍摄管道内火焰传播特性，高压点火及同步控制器主要包括高压点火器(1)、点火电极(3)和同步控制器(2)，点火电极(3)设置于靠近上游管道左端壁面处，用来点燃预混气体，点火位置处于上游管道与下游管道的中心线，根据要求可沿中心线对点火源位置进行改变，实验过程中，高压点火器(1)、高速摄像机(6)以及数据采集仪(16)由同步控制器(2)同步控制，预混气体中可燃性气体成分和浓度通过自动配气系统中的高精度质量流量计控制，通过自动配气系统可配置不同组分的可燃气体以及与阻化剂混合的预混可燃气体；

燃烧管道包括上游管道与下游管道，上游管道与下游管道均为一水平放置的横截面为正方形的直管，管道上下两侧壁面和两端壁面采用不锈钢板制成，其中上游管道左侧壁面钢板采用不同的开口面积，用以研究开口率对火焰传播的影响；泄压孔用厚度均匀的薄膜封闭，压力达到一定程度时薄膜破裂而使管内压力释放，达到保证实验安全的目的；下游管道右端壁面设置上下两个阀门，上端阀门与真空泵相连，用来将管道内抽成真空状态，下端阀门为进气阀，通过压力表与自动配气系统相连，压力表用以观察配气时管内气体压力；在可燃性预混气体配气时加入一定量的阻化剂，研究阻化剂对火焰温度、传播速度、反应强度及压力上升特性的影响，揭示其抑制效应和机理；上游管道与下游管道的连接处可安装细水雾喷头，用以研究细水雾对火焰传播及压力上升特性的影响和抑制作用；上游管道与下游管道的连接处还可以安装金属网阻火装置，用以研究不同材料、不同结构的金属网对火焰的抑制作用；在金属网表面涂抹化学阻燃剂，以研究耦合物理化学作用的金属网阻燃系统对火焰的抑制效果；压力测试系统由高频动态压力传感器和数据采集仪组成，两个压力传感器分别安装于管道底部壁面中心线靠近上游管道和下游管道的右端壁面处，用以测量管道内压力变化，并分析火焰传播过程中金属阻火网或细水雾对燃烧管道内压力上升的影响，数据采集仪与同步控制器相连，并由其同步控制；高速纹影摄像系统由高速摄像机和纹影光学系统组成，当燃烧管道内流场密度不均匀时，光束通过时发生偏折，高速摄像机物镜上的照度随之变化，从而显示流场密度的变化，高速摄像机通过记录流场密度一阶导数分布图像呈现管道内火焰前锋的形状与位置，用以测量火焰在传播过程中火焰形状、结构、速度特性的变化规律，并研究细水雾或金属阻火网对火焰特性的影响，高速摄像机由同步控制器同步控制；高压点火及同步控制系统由高压点火器、点火电极和同步控制器组成，高压点火器为一种同步脉冲发生器，主要通过电容储能放电时产生的电火花点火，点火电极安装在靠近燃烧管道左端壁面处，打火位置处于管道中心线，其位置可以根据要求改变，高压点火器与同步控制器相连，点火电极的触发受其控制，同步控制器为可编程同步控制器(PLC)，由控制面板和核心部件CPU两部分组成，共有三个外接端头，分别与高压点火器、高速摄像机以及数据采集仪相连；自动配气系统通过计算机控制，测试所用气体的储气瓶分别通过管道与阀门、高精度质量流量计相连，实验气体的成分和浓度由质量流量计控制，浓度和流量值的设置在自动配气系统控制软件中完成；通过质量流量计的实验气体汇聚到预混腔内进行均匀混合，预混腔体末端通过主通道与燃烧管道进气阀相连，在主通道上连接一旁通道，当初始预混气体浓度不稳定时，将这些预混气体通过阀门控制的旁通道排出室外；

该试验装置的工作过程如下：(1)安装并调试试验装置，确保自动配气系统、高速纹影摄像系统、压力传感器、离子探针、热电偶、细水雾发生装置、金属网阻火装置、数据采集仪以及同步控制器处于良好状态，在进行封闭管道火焰传播实验时，还需对燃烧管道进行抽真空，保证管道具有良好的气密性，在开展细水雾对火焰传播动力学影响的实验研究时，上游管道与下游管道的连接处应加装细水雾喷头，在进行耦合物理化学作用的金属网阻火特性研究时，需在上游管道与下游管道的连接处安装金属阻火网；(2)通过自动配气系统配置所需配比的可燃性预混气体，在进行火焰抑制研究时还需加入一定配比的阻化剂，将其充入实验管道内，管道内压力到达一个大气压后，关闭管道进气阀门；(3)将气体静置约30秒，使气体达到静止状态；(4)打开高压点火器，使其输出电压升至预设点火电压，然后开启数据采集仪、同步控制器以及高速摄像机并使其处于等待状态，准备完毕后启动同步控制器，使点火器、摄影仪和数据采集仪按预设的时间依次触发，动态测量火焰传播过程中各项数据；(5)在一次火焰传播实验完成后，存储高速摄像机的图像数据和数据采集仪记录的压力、温度和离子电流信号数据，然后进入下一次实验程序；

该可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播及抑制的试验装置能对火焰传播过程中的重要特征参数进行记录，且能够人为控制试验环境和试验条件；

该可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播及抑制的试验装置对管道中火焰动态变化过程进行拍摄，可以准确直观地记录预混火焰在管道内的传播动力学过程，包括火焰形状和位置随时间的动态变化规律以及火焰锋面不稳定性发展过程；

该可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播及抑制的试验装置利用压力传感器测量管道内压力动态上升特性，可结合高速纹影图像分析管内压力与火焰特性之间的相互关系，通过微细热电偶测试火焰传播过程温度变化特性及阻燃剂对燃烧温度的影响，通过离子探针测试火焰化学反应强度、火焰内部结构变化，揭示阻化剂对化学反应区的影响，利用该可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播及抑制的试验装置可以进行许多有关预混火焰传播动力学方面的研究，针对不同种类实验气体的预混火焰传播和升压特性规律开展研究，可以分别研究当量比、开口率、点火位置、不稳定性对火焰传播特性的影响，还可在预混气体中加入阻化剂研究其对火焰传播动力学的影响；

该可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播及抑制的试验装置加装细水雾和金属网阻火装置研究预混火焰在这些阻火装置作用下传播速度、温度及压力上升特性的变化情况；揭示阻化剂、细水雾和金属网对火焰的抑制作用，发展相应的阻燃和抑爆方法和技术。