CN103454396B - 一种高压可燃性气体泄漏自燃及激波诱导点火的试验装置 - Google Patents
一种高压可燃性气体泄漏自燃及激波诱导点火的试验装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明为一种高压可燃性气体泄漏自燃以及激波诱导点火的试验装置，整个试验装置包括试验气体气瓶和氮气气瓶、高压通气管道、稳压阀、电磁阀、压力表、真空泵、高压储罐、压力变送器、ICP压力传感器、光电二极管、爆破片夹持器（内装爆破片）、下游管道、纹影仪、高速摄像机、防护箱、空压机等。该装置可用于：（1）研究不同泄漏压力、不同下游管道形状、长度、直径、气体初始温度以及爆破片破裂形状、管口外障碍物等因素对自燃点火发生的影响，并进一步完善自燃点火机理；（2）研究激波诱导点火过程，揭示激波诱导点火机理及其影响因素；（3）实现自燃点火和激波诱导点火过程的可视化研究。
Description
技术领域
本发明属于可燃性气体的安全的技术领域，具体涉及一种高压可燃性气体泄漏自燃及激波诱导点火的试验装置。
背景技术
可燃性气体高压储存是提高能源利用效率的一项重要技术，而高压储存的可燃性气体意外泄漏或释放时有可能发生自燃点火现象，进而引发火灾爆炸事故。目前国内外对高压可燃性气体泄漏自燃的机理还没有统一的认识，大部分研究侧重于扩散点火理论。扩散点火理论是指高压可燃性气体通过下游管道或直接释放到空气（或氧气）中，会在气体燃料射流前端形成激波，激波产生高温高压，从而使激波后方空气温度迅速升高，此时高温空气与射流前沿之间会发生分子扩散，形成一定区域的燃料-空气混合层，当混合层温度达到点火温度且气体燃料浓度处于点火范围时，经过一段时间延迟（点火延迟），便会发生自燃点火。目前，国内针对高压可燃性气体泄漏自燃机理的研究还相当少，现有研究主要是对实验现象进行简单描述，通过变换不同的储存压力、不同的下游管道等来确定自燃点火发生条件。由于高压可燃性气体泄漏自燃点火是一个十分复杂的过程，受气体储存压力、下游管道形状和尺寸、管口外障碍物、隔膜破裂过程、气体温度等诸多因素的影响，因此研究不同条件下的高压可燃性气体泄漏自燃点火规律，发展捕捉激波结构变化和自燃点火过程的可视化技术，建立喷射火焰结构尺寸的定量模型，不仅可以深化自燃点火机理研究、拓展射流火焰理论模型，同时还可为发展高压可燃性气体的安全储存技术、完善相关安全标准和规范提供实验依据和理论支撑。
气体高压存储时，一旦发生泄漏会在气体射流前方形成一道激波，若激波作用于可燃性（部分）预混气体，致使其温度升高，当可燃性混合气体温度达到点火温度时，便会发生燃烧，甚至爆炸。目前，国内针对激波诱导点火过程的研究主要在激波管内进行，尺寸较小，不能模拟真实场景。高压气体泄漏时产生的激波诱导可燃性预混气体点火不仅与激波强度、气体初始温度有关，而且还受可燃性气体浓度的影响。针对激波诱导点火现象进行研究并发展点火过程可视化技术，不仅可以更加直观的研究激波诱导点火过程，揭示激波诱导点火机理，还可为发展激波诱导点火抑制技术提供理论依据。
本发明的目的在于提供一种能够进行上述试验的高压可燃性气体泄漏自燃以及激波诱导点火试验平台。
发明内容：
本发明的目的是提供一种高压可燃性气体泄漏自燃及激波诱导点火的试验装置，该装置可以对不同条件下的高压可燃性气体泄漏自燃点火以及激波诱导点火开展试验研究。
本发明采用的技术方案为：一种高压可燃性气体泄漏自燃及激波诱导点火的试验装置，整个试验装置包括高压供气系统、高压储罐和下游管道系统、安全防护系统、动态图像记录系统、数据采集系统以及电磁阀控制系统。高压供气系统主要作用是向高压储罐内连续稳定的充装试验气体，同时还可为试验前气密性的检验、试验后促进装置内尾气的排放提供气源；高压储罐和下游管道系统中包括爆破片夹持器装置，该装置内装有爆破片，高压储罐充装试验气体至一定压力用于模拟高压气体的储存，当储存压力大于爆破片承受压力时，爆破片破裂，试验气体通过下游管道或直接排放到防护箱中；安全防护系统主要由防护箱构成，防护箱用于积聚可燃性气体，防止随意扩散；动态图像记录系统用于记录下游管道管口处激波、激波诱导点火、气体射流以及射流火焰的动态发展变化过程；数据采集系统记录高压储罐内压力变化以及下游管道内压力变化和自燃点火信号，并可输出触发信号，启动动态图像记录系统开始工作；试验装置中电磁阀的开闭由电磁阀控制系统进行控制。
进一步的，该试验装置的具体结构如下：高压供气系统主要由高压试验气体气瓶、氮气瓶、第一、第二开关阀、第一、第二稳压阀、第一、第二、第三电磁阀、压力表、主高压管道和第一真空泵系统组成；在主高压管道的前端有三个垂直布置的第一、第二、第三电磁阀，高压试验气体气瓶通过管道与第一开关阀、第一稳压阀和上端的第一电磁阀相连，同样氮气气瓶通过管道与第二开关阀、第二稳压阀和中间的第二电磁阀相连，下端的第三电磁阀为备用阀，用于排放装置内气体；三个垂直安装的电磁阀即上端的第一电磁阀、中间的第二电磁阀和下端的第三电磁阀通过管道连接汇集到主高压管道上；主高压管道上安装有压力表和第一真空泵系统，压力表用来显示管道内压力变化，第一真空泵系统由针阀、真空泵和真空表组成，真空泵通过管道与真空表和针阀相连接，再由管道连接到主高压管道上，第一真空泵系统用于实验前抽取试验装置内的气体。高压储罐和下游管道系统主要由高压储罐、爆破片、爆破片夹持器和下游管道构成；主高压管道与高压储罐相连，高压储罐末端连接爆破片夹持器，爆破片夹持器另一端与下游管道相连；该夹持器内装有爆破片，爆破片能承受一定的压力值，当储罐内试验气体压力达到爆破片爆破压力时，爆破片破裂，试验气体通过下游管道或直接喷射到防护箱内。安全防护系统主要由转换接头、法兰、防护箱以及空压机、第二真空泵系统等组成；下游管道末端通入防护箱内，下游管道与防护箱通过转换接头和法兰实现连接；防护箱上开设有排气口和进气口并安装有第二真空泵系统；防护箱主要用于集聚可燃性气体，防止在室内随意扩散；防护箱内发生意外爆炸向外泄压以及尾气排放均通过排气口排到室外，排气口的开闭由第四电磁阀控制；通过空压机由进气口向防护箱内鼓吹空气挤压可燃性气体彻底排至室外，进气口的开闭由第五电磁阀控制；第二真空泵系统由真空表、真空泵和针阀组成，主要用于激波诱导点火试验开始前，抽除防护箱内气体至真空；研究高压气体泄漏时产生的激波诱导可燃性预混气体的点火过程时，高压试验气体既可为高压可燃性气体也可为高压非可燃性气体，首先使用第二真空泵系统抽除防护箱内气体至真空状态，然后将一定量、一定浓度的可燃性预混气体由进气口通入防护箱内；防护箱的左右两个侧面安装透明玻璃窗，石英玻璃通过法兰嵌装到玻璃窗里，下游管道喷口处在玻璃窗的视野范围内，纹影仪光学系统产生的平行光路通过该玻璃窗；防护箱末端开设一扇门，用于下游管道出口处外部泄漏环境以及激波诱导点火试验环境的设置，门的开闭通过门把手来操作。动态图像记录系统，又称作高速纹影拍摄系统，主要由纹影仪和高速摄像机组成，纹影仪主要由以下几部分组成：光源、聚焦镜片、第一、第二反射镜、第一、第二凹面镜和刀口；当玻璃窗视野范围内的流场密度不均匀时，平行光束通过时发生偏折，在纹影仪刀口平面上产生一个偏离的光源像，高速摄像机物镜上的照度随之发生变化，从而定性的显示流场的密度变化，高速摄像机通过记录流场密度变化图像来反映喷口外激波的形成、自燃点火、射流变化以及喷射火焰的发展情况。数据采集系统主要由压力变送器、第一压力传感器、光电二极管、第二压力传感器和数据采集仪组成；压力变送器安装在高压储罐上，用于测量储罐内压力的变化情况；下游管道上下两侧分别装有一定数量的第一压力传感器和光电二极管，第一压力传感器为ICP压力传感器，该ICP压力传感器用于记录管道内的压力变化，监测激波的形成和发展；光电二极管用于检测管道内自燃点火发生情况以及自燃火焰的传播过程；第二压力传感器用于监测箱体内压力的变化情况，第二压力传感器为ICP压力传感器；通过数据采集仪记录压力变送器、两个ICP压力传感器和光电二极管所采集得到的物理变化信号，当压力变送器测量值骤降或第一压力传感器测量值突升时，输出触发信号，启动高速摄像机开始工作。电磁阀控制系统主要由电磁阀控制柜构成，电磁阀控制柜内设置有五个电磁阀开关，用以分别控制试验装置内第一、第二、第三、第四、第五电磁阀的开闭。由于涉及高压以及可燃性气体，整套试验装置需要有良好的气密性。
进一步的，该装置的工作过程如下：
（一）高压可燃性气体泄漏自燃点火研究
1、根据实验要求将爆破片安装到夹持器内，爆破片夹持器前后两端分别与高压储罐、一定规格的下游管道进行装配连接，下游管道另一端与防护箱相连，管口处于防护箱观察窗视野范围内，第一压力传感器和光电二极管分别安装到下游管道的上下两侧；2、打开氮气瓶开关阀门以及中间电磁阀，向高压储罐内充装氮气至一定压力，检查装置的气密性；3、若气密性良好，打开备用电磁阀排除装置内氮气，之后利用第一真空泵系统抽取高压储罐以及通气管道内的氮气，当实验管道和高压储罐内达到一定真空度后，关闭真空泵；4、开启数据采集仪、高速摄像机，打开纹影仪光源，经反射镜和凹面镜形成一束平行光，该平行光经过防护箱观察窗，保证管道出口在纹影仪拍摄视野内；5、打开高压可燃性气体气瓶阀门，调节稳压阀出口压力至爆破片设计压力值，然后开启上端电磁阀连续稳定的向高压储罐内充装可燃性气体，储罐内达到一定压力时，爆破片破裂，可燃性气体射流或射流火焰喷射到防护箱内，此时迅速关闭上端电磁阀和可燃性气体气瓶开关阀；6、压力变送器检测到储罐内压力骤降或第一压力传感器侦测到压力突变后产生触发信号，启动测量设备开始工作，记录激波、自燃点火、射流火焰等实验现象；7、实验测量结束后，打开氮气瓶开关阀门和中间电磁阀向试验装置内通入氮气，用以稀释防护箱内可燃性气体浓度；并打开防护箱上排气口的电磁阀开关将防护箱内可燃性气体通过排气口排到室外，经过一段时间后，打开空压机及其电磁阀开关向防护箱内鼓吹空气彻底排净防护箱内的可燃性气体。
（二）激波诱导点火过程研究
1、根据实验要求安装爆破片，爆破片夹持器前后两端分别与高压储罐、下游管道进行装配连接，下游管道另一端与防护箱相连，管口处于防护箱观察窗视野范围内，第一压力传感器和光电二极管分别安装到下游管道的上下两侧；2、打开氮气瓶开关阀门以及中间电磁阀，向高压储罐内充装氮气至一定压力，检查装置的气密性；3、若气密性良好，打开备用电磁阀排除装置内氮气，之后利用第一真空泵系统抽取高压储罐以及通气管道内的氮气，当实验管道和高压储罐处于真空状态时，关闭真空泵；4、检查防护箱的密封性，通过进气口向防护箱内充入一定量的氮气，保持一段时间，观察箱体内压力变化情况，若无显著变化，表明防护箱装置气密性良好；5、打开防护箱上控制排气口开关的电磁阀，排出箱体内氮气，然后利用第二真空泵系统抽取箱体内气体至真空，关闭真空泵；6、通过进气口向防护箱内充入一定量的可燃性预混气体；7、开启数据采集仪、高速摄像机，打开纹影仪光源，经反射镜和凹面镜形成的平行光束经过防护箱观察窗；8、打开高压试验气体气瓶开关阀门，调节稳压阀出口压力至爆破片设计压力值，然后开启上端电磁阀连续稳定的向高压储罐内充装试验气体，储罐内达到一定压力时，爆破片破裂，气体射流喷射到防护箱内，此时迅速关闭上端电磁阀和气瓶开关阀；9、压力变送器检测到储罐内压力骤降或第一压力传感器侦测到压力突变后产生触发信号，启动测量设备开始工作，记录激波、点火等实验现象以及利用第二压力传感器记录防护箱内压力变化；10、实验测量结束后，打开氮气瓶开关阀门和中间电磁阀向试验装置内通入氮气，用以稀释防护箱内可燃性气体浓度；并打开防护箱上排气口的电磁阀开关将防护箱内可燃性气体通过排气口排到室外，经过一段时间后，打开空压机及其电磁阀开关向防护箱内鼓吹空气彻底排净防护箱内的可燃性气体。
本发明的优点在于：
本发明提供了一种进行不同条件下高压可燃性气体泄漏自燃点火试验和激波诱导点火试验的装置，并能对高压气体泄漏时形成的激波强度、点火过程、射流火焰形成发展过程进行记录，且能够人为改变泄漏条件，比如不同泄漏压力、不同下游管道规格、初始气体温度等。通过压力变送器、ICP压力传感器记录的数据可以监测一定泄放压力条件下的激波在下游管道内的形成和发展过程，以及管道内压力随时间的变化情况；通过光电二极管可以探测管道内激波诱导点火发生情况，确定点火延迟时间以及自燃火焰的传播速度；高速纹影拍摄系统可拍摄到自燃点火在防护箱内的发生和发展过程，获得射流扩散火焰的形成过程，以及下游管道外自燃火焰的精细结构和流场变化情况，同时该试验装置还可对激波诱导点火过程进行详细记录以及对可能引发的预混气体爆轰参数进行测量；下游管道横截面为矩形结构时还可将其左右侧面加工为透明结构，观察自燃点火在管道内的发生发展情况。利用该装置可针对不同条件下的高压可燃性气体泄漏自燃进行研究，例如：模拟泄漏压力对自燃点火发生的影响；确定不同下游管道形状、长度、直径等条件下自燃点火发生的临界泄漏压力；研究爆破片破裂形状对自燃点火发生的影响；揭示管口外障碍物对自燃点火发生以及射流扩散火焰发展的影响。利用该装置还可对不同条件下高压气体泄漏时产生的激波诱导可燃性预混气体的点火过程进行研究，例如：研究不同激波强度对点火发生的影响，考察预混气体浓度对激波诱导点火的敏感性，确定预混气体物理参数（如温度等）与激波诱导点火发生的关系，同时还可对可燃性预混气体爆轰参数的发展变化规律进行测量等。
本发明为一种研究高压可燃性气体（如氢气、瓦斯气等）泄漏和释放过程中自燃以及激波诱导点火过程的试验装置。该装置可用于：（1）研究不同泄漏压力、不同下游管道形状、长度、直径、气体初始温度以及爆破片破裂形状、管口外障碍物等因素对自燃点火发生的影响，并进一步完善自燃点火机理；（2）研究激波诱导点火过程，揭示激波诱导点火机理及其影响因素；（3）实现自燃点火和激波诱导点火过程的可视化研究。（4）实现试验过程的远距离安全操作，通过电磁阀完成试验过程中充气和排气的半自动化控制；（5）保证试验结束后，可燃性试验尾气安全的排至室外；（6）自动记录动态试验现象及其精细结构。
附图说明
图1为试验装置总体结构示意图；
图2防护箱结构示意图。
附图中试验装置各部件名称和编号对应表
| 编号 | 名称 | 编号 | 名称 |
| 1 | 高压试验气体气瓶 | 2 | 氮气瓶 |
| 3，4 | 开关阀 | 5，6 | 稳压阀 |
| 7，8，9，38，46 | 电磁阀 | 10 | 压力表 |
| 11 | 主高压管道 | 12，41 | 针阀 |
| 13，40 | 真空泵 | 14，39 | 真空表 |
| 15 | 高压储罐 | 16 | 压力变送器 |
| 17 | 爆破片 | 18 | 爆破片夹持器 |
| 19，36 | ICP压力传感器 | 20 | 光电二极管 |
| 21 | 下游管道 | 22 | 转换接头 |
| 23 | 法兰 | 24 | 玻璃窗 |
| 25 | 防护箱 | 26 | 光源 |
| 27 | 聚焦镜片 | 28，31 | 反射镜 |
| 29，30 | 凹面镜 | 32 | 刀口 |
| 33 | 高速摄像机 | 34 | 数据采集仪 |
| 35 | 电磁阀控制柜 | 37 | 排气口 |
| 42 | 门 | 43 | 门把手 |
| 44 | 石英玻璃 | 45 | 空压机 |
| 47 | 进气口 | S1 | 电磁阀7控制开关 |
| S2 | 电磁阀8控制开关 | S3 | 电磁阀9控制开关 |
| S4 | 电磁阀38控制开关 | S5 | 电磁阀46控制开关 |
具体实施方式
本发明为一种高压可燃性气体泄漏自燃及激波诱导点火的试验装置，整个试验装置共有六大系统组成，分别为高压供气系统、高压储罐和下游管道系统、安全防护系统、动态图像记录系统、数据采集系统以及电磁阀控制系统。高压供气系统主要用于向高压储罐内连续稳定的充装试验气体，同时还可为试验前气密性的检验、试验后排净装置内的尾气提供气源；高压储罐和下游管道系统中包含爆破片夹持器装置（内装爆破片），高压储罐内充装一定压力的试验气体用于模拟高压气体的储存，当储存压力大于爆破片爆破压力时，爆破片破裂，试验气体通过下游管道或直接泄放到防护箱中；安全防护系统主要由防护箱构成，防护箱用于积聚可燃性气体，防止随意扩散；动态图像记录系统用于记录下游管道管口处激波、激波诱导点火以及射流扩散火焰的动态发展变化过程；数据采集系统主要记录高压储罐、下游管道内的压力变化信号，以及下游管道内自燃点火信号，并可输出触发信号，启动动态图像记录系统开始测量；试验装置中电磁阀的开闭由电磁阀控制系统进行控制。
高压可燃性气体泄漏自燃及激波诱导点火试验装置的具体结构如下。试验装置中的高压供气系统主要由高压试验气体气瓶、氮气瓶、开关阀、稳压阀、电磁阀、压力表、主高压管道和第一真空泵系统组成；主高压管道前端有三个垂直布置的电磁阀，高压试验气体气瓶通过管道与开关阀、稳压阀以及上端电磁阀相连，同样氮气气瓶通过管道和开关阀、稳压阀以及中间电磁阀相连，下端电磁阀为备用阀，用于排放装置内气体；上端电磁阀、中间电磁阀和下端电磁阀通过管道连接汇集到主高压管道上；主高压管道上安装有压力表和第一真空泵系统，压力表用来检测管道内压力变化，第一真空泵系统由针阀、真空泵和真空表组成，真空泵通过管道与真空表和针阀相连，再由管道连接到主高压管道上，第一真空泵系统用于实验前抽取试验装置内的气体。高压储罐和下游管道系统主要由高压储罐、爆破片、爆破片夹持器和下游管道构成；主高压管道与高压储罐相连，爆破片夹持器前后两端分别连接高压储罐末端和下游管道；该夹持器内装有一定设计压力的爆破片，当储罐内试验气体压力达到爆破片爆破压力时，爆破片破裂，试验气体通过下游管道或直接喷射到防护箱内。安全防护系统主要由转换接头、法兰、防护箱以及空压机、第二真空泵系统等组成；下游管道末端直接与防护箱内大气相通，下游管道与防护箱通过转换接头和法兰实现连接；防护箱上开设有排气口和进气口，并安装有第二真空泵系统；防护箱主要用于集聚可燃性气体，防止在室内随意扩散；防护箱内发生意外爆炸向外泄压以及尾气排放均通过排气口排到室外，排气口的开闭由电磁阀控制；通过空压机由进气口向防护箱内鼓吹空气挤压可燃性气体彻底排至室外，进气口的开闭由电磁阀控制；第二真空泵系统由真空表、真空泵和针阀组成，主要用于激波诱导点火试验开始前，抽除防护箱内气体至真空；防护箱内还可人为的通入一定量的可燃性预混气体，研究高压气体泄漏时产生的激波诱导可燃性预混气体的点火过程，高压试验气体既可为高压可燃性气体也可为高压非可燃性气体，研究激波诱导点火过程时，首先使用第二真空泵系统抽除防护箱内气体至真空状态，然后将可燃性预混气体由进气口通入防护箱内；防护箱的左右两个侧面安装透明玻璃窗，石英玻璃通过法兰嵌装到玻璃窗内，下游管道喷口处在玻璃窗的视野范围内，纹影仪光学系统产生的平行光路通过该玻璃窗；防护箱末端开设一扇门，用于下游管道出口处外部泄漏环境以及激波诱导点火试验环境的设置，门的开闭通过门把手来操作。动态图像记录系统，又称作高速纹影拍摄系统，主要由纹影仪和高速摄像机组成，纹影仪主要由光源、聚焦镜片、反射镜、凹面镜和刀口组成；当玻璃窗视野范围即管口下游一定距离内的流场密度不均匀时，平行光束通过时发生偏折，在纹影仪刀口平面上产生一个偏离的光源像，高速摄像机物镜上的照度随之发生变化，从而定性的显示流场的密度变化，摄像机通过记录流场密度变化图像来反映喷口外激波的形成、自燃点火、射流变化以及喷射火焰的发展情况。数据采集系统主要由压力变送器、第一压力传感器、光电二极管、第二压力传感器和数据采集仪组成；压力变送器安装在高压储罐上，用于记录储罐内压力的变化情况；下游管道上下两侧分别装有一定数量的第一压力传感器和光电二极管，该ICP压力传感器用于记录管道内的压力变化，监测激波的形成和发展；光电二极管用于检测管道内自燃点火发生情况以及自燃火焰的传播过程；第二压力传感器用于监测箱体内压力的变化情况；由压力变送器、ICP压力传感器和光电二极管所测的物理信号均通过数据采集仪进行记录，当压力变送器测量值骤降或第一压力传感器测量值突升时，输出触发信号，启动高速摄像机开始工作。电磁阀控制系统主要由电磁阀控制柜构成，电磁阀开关安装在电磁阀控制柜内，分别控制试验装置内各个电磁阀的开闭。由于涉及高压以及可燃性气体，整套试验装置需要有良好的气密性。
本发明的工作过程如下：
（一）高压可燃性气体泄漏自燃点火研究
1、根据实验要求将爆破片安装到夹持器内，爆破片夹持器前后两端分别与高压储罐、一定规格的下游管道进行装配连接，下游管道另一端与防护箱相连，管口处于防护箱观察窗视野范围内，ICP压力传感器和光电二极管分别安装到下游管道的上下两侧；2、打开氮气瓶开关阀门以及中间电磁阀，向高压储罐内充装氮气至一定压力，检查装置的气密性；3、若气密性良好，打开备用电磁阀排除装置内氮气，之后利用真空泵系统抽取高压储罐以及通气管道内的氮气，当实验管道和高压储罐内达到一定真空度后，关闭真空泵；4、开启数据采集仪、高速摄像机等测量设备，打开纹影仪光源，经反射镜和凹面镜形成一束平行光，该平行光经过防护箱观察窗，保证管道出口在纹影仪拍摄视野内；5、打开高压可燃性气体气瓶阀门，调节稳压阀出口压力至爆破片设计压力值，然后开启上端电磁阀连续稳定的向高压储罐内充装可燃性气体，储罐内达到一定压力时，爆破片破裂，可燃性气体射流或射流火焰喷射到防护箱内，此时迅速关闭上端电磁阀和可燃性气体气瓶开关阀；6、压力变送器检测到储罐内压力骤降或ICP压力传感器侦测到压力突变后产生触发信号，启动测量设备开始工作，记录激波、自燃点火、射流火焰等实验现象；7、实验测量结束后，打开氮气瓶开关阀门和中间电磁阀向试验装置内通入氮气，用以稀释防护箱内可燃性气体浓度；并打开防护箱上排气口的电磁阀开关将防护箱内可燃性气体通过排气口排到室外，经过一段时间后，打开空压机及其电磁阀开关向防护箱内鼓吹空气彻底排净防护箱内的可燃性气体。
（二）激波诱导点火过程研究
1、根据实验要求安装爆破片，爆破片夹持器前后两端分别与高压储罐、下游管道进行装配连接，下游管道另一端与防护箱相连，管口处于防护箱观察窗视野范围内，ICP压力传感器和光电二极管分别安装到下游管道的上下两侧；2、打开氮气瓶开关阀门以及中间电磁阀，向高压储罐内充装氮气至一定压力，检查装置的气密性；3、若气密性良好，打开备用电磁阀排除装置内氮气，之后利用真空泵系统抽取高压储罐以及通气管道内的氮气，当实验管道和高压储罐处于真空状态时，关闭真空泵；4、检查防护箱的密封性，通过进气口向防护箱内充入一定量的氮气，保持一段时间，观察箱体内压力变化情况，若无显著变化，表明防护箱装置气密性良好；5、打开防护箱上控制排气口开关的电磁阀，排出箱体内氮气，然后用利真空泵系统抽取箱体内气体至真空，关闭真空泵；6、通过进气口向防护箱内充入一定量的可燃性预混气体；7、开启数据采集仪、高速摄像机等测量设备，打开纹影仪光源，经反射镜和凹面镜形成的平行光束经过防护箱观察窗；8、打开高压试验气体气瓶开关阀门，调节稳压阀出口压力至爆破片设计压力值，然后开启上端电磁阀连续稳定的向高压储罐内充装试验气体，储罐内达到一定压力时，爆破片破裂，气体射流喷射到防护箱内，此时迅速关闭上端电磁阀和气瓶开关阀；9、压力变送器检测到储罐内压力骤降或ICP压力传感器侦测到压力突变后产生触发信号，启动测量设备开始工作，记录激波、点火等实验现象以及利用压力传感器记录防护箱内压力变化；10、实验测量结束后，打开氮气瓶开关阀门和中间电磁阀向试验装置内通入氮气，用以稀释防护箱内可燃性气体浓度；并打开防护箱上排气口的电磁阀开关将防护箱内可燃性气体通过排气口排到室外，经过一段时间后，打开空压机及其电磁阀开关向防护箱内鼓吹空气彻底排净防护箱内的可燃性气体。
本发明提供了一种进行不同条件下高压可燃性气体泄漏自燃点火试验和激波诱导点火试验的装置，并能对高压气体泄漏时形成的激波强度、点火过程、射流火焰形成发展过程进行记录，且能够人为改变泄漏条件，比如不同泄漏压力、不同下游管道规格、初始气体温度等。通过压力变送器、ICP压力传感器记录的数据可以监测一定泄放压力条件下的激波在下游管道内的形成和发展过程，以及管道内压力随时间的变化情况；通过光电二极管可以探测管道内激波诱导点火发生情况，确定点火延迟时间以及自燃火焰的传播速度；高速纹影拍摄系统可拍摄到自燃点火在防护箱内的发生和发展过程，获得射流扩散火焰的形成过程，以及下游管道外自燃火焰的精细结构和流场变化情况，同时该试验装置还可对激波诱导点火过程进行详细记录以及对可能引发的预混气体爆轰参数进行测量；下游管道横截面为矩形结构时还可将其左右侧面加工为透明结构，观察自燃点火在管道内的发生发展情况。利用该装置可针对不同条件下的高压可燃性气体泄漏自燃进行研究，例如：模拟泄漏压力对自燃点火发生的影响；确定不同下游管道形状、长度、直径等条件下自燃点火发生的临界泄漏压力；研究爆破片破裂形状对自燃点火发生的影响；揭示管口外障碍物对自燃点火发生以及射流扩散火焰发展的影响。利用该装置还可对不同条件下高压气体泄漏时产生的激波诱导可燃性预混气体的点火过程进行研究，例如：研究不同激波强度对点火发生的影响，考察预混气体浓度对激波诱导点火的敏感性，确定预混气体物理参数（如温度等）与激波诱导点火发生的关系，同时还可对可燃性预混气体爆轰参数的发展变化规律进行测量等。
以下结合附图说明本发明的实施方式。
高压供气系统主要由高压试验气体气瓶1、氮气瓶2、开关阀3，4、稳压阀5，6、电磁阀7，8，9、压力表10、主高压管道11和第一真空泵系统组成。高压试验气体气瓶1通过开关阀3、稳压阀5、电磁阀7和主高压管道11相连；氮气瓶2通过开关阀4、稳压阀6、电磁阀8和主高压管道11相连；电磁阀9与软管相连至室外，软管采用普通塑料管，外径20mm，内径16mm；稳压阀5、6与电磁阀7、8之间的连接管路采用高压橡胶管，外径19mm,内径8mm；连接电磁阀7、8、9与主高压管路之间的管道以及主高压管路11均采用采用316不锈钢管，外径20mm，内径6mm，主高压管道长540mm；主高压管道11上安装有压力表10和第一真空泵系统，压力表用以监测管道内压力变化，压力表采用防震型，测压范围0-25MPa；第一真空泵系统包括针阀12、双级旋片式真空泵13和真空表14，真空泵13规格为2xz-4，功率0.55KW，转速1440r/min，极限真空6×10-2Pa；往高压储罐15充装试验气体前，首先采用真空泵排净管道及高压储罐内的气体，然后关闭阀门，使装置内保持真空状态。
高压储罐和下游管道系统主要由高压储罐15、爆破片17、爆破片夹持器18和下游管道21构成。高压储罐15为圆柱形腔体结构，采用316不锈钢材质制作，储罐的外径为50mm，内径为40mm，长为350mm，容积0.44L，充装试验气体至一定压力，模拟试验气体高压储存；爆破片夹持器18与高压储罐相连，当储罐压力高于夹持器内爆破片17承受压力时，爆破片破裂，试验气体通过下游管道21或直接泄放到防护箱25中，夹持器为316不锈钢材料制作，爆破片尺寸、设计爆破压力以及破裂形状均可以改变；下游管道21与夹持器18泄压端相连，材质为304不锈钢，下游管道横截面结构、内径、长度均可以变化，下游管道横截面为矩形结构时还可将其左右侧面加工为透明结构，观察自燃点火在管道内的发生发展情况。
安全防护系统主要由转换接头22、法兰23、防护箱25以及空压机44、第二真空泵系统等组成。下游管道21通过转换接头22以及法兰23与防护箱25装配到一起，转换接头结构尺寸随着下游管道外径的改变而不同，其与下游管道外壁面接触处采用硅胶密封；防护箱25为一个矩形腔体，内腔尺寸为600mm×400mm×400mm，壳体采用8mm厚的304不锈钢板焊接而成；防护箱开设有进气口47和排气口37，并安装有第二真空泵系统，进气口和排气口均为直径为20mm的圆孔；防护箱侧面开有进气口47，由电磁阀46控制进气口的开闭，空气压缩机45与电磁阀相连，其功率为1.5KW，排气压力0.8MPa，容积流量0.06m3/min，协助尽快排净防护箱内可燃性气体，从进气口也可通入可燃性预混气体，用以研究激波诱导点火过程；排气口37采用电磁阀38作为控制开关，排气口上部连接排气管，排气管采用塑料管，外径为20mm，内径16mm，用以排除防护箱内可燃性气体至室外；第二真空泵系统由真空表39、真空泵40和针阀41组成，真空泵规格为2xz-4，功率0.55KW，转速1440r/min，极限真空6×10-2Pa，真空泵用于将防护箱内抽至真空状态；防护箱上开有观察窗24，观察窗由石英玻璃44和法兰装配而成，观察窗为250mm×250mm的矩形结构，石英玻璃厚度为12mm；防护箱后部开有一扇门42及门把手43，通过门布置防护箱内相关结构，如在下游管道末端设置障碍物，防护箱内安装加热装置提高防护箱内气体温度等。
动态图像记录系统，主要由光源26、聚焦镜片27、两块反射镜28，31、两块凹面镜29，30、刀口32以及高速摄像机33组成。纹影仪光源26采用24V、300W的卤钨灯泡，凹面镜29、30的直径为200mm，焦距为2000mm，纹影仪光学系统采用“Z”形光路布置，其产生的平行光束通过不同密度流场时发生偏折，利用刀口切割光源所成的像，从而把光线受流场的扰动转变为平面的光强分布；光强分布通过高速摄像机33进行记录，高速摄像机型号为Phantom V710，拍摄速度设置为100,000-150,000fps，分辨率256×256；压力变送器监测值突降或下游管道上安装的ICP压力传感器记录值瞬时升高时，数据采集仪34输出一个5V-0的下降沿信号，触发高速摄像机33开始拍摄。
数据采集系统主要由压力变送器16、第一压力传感器19、光电二极管20、第二压力传感器36和数据采集仪34构成。距离高压储罐15末端100mm处安装压力变送器16，型号为PT705防爆型，测量范围为0-40MPa，精度0.25%FS，记录高压储罐内压力变化情况；第一压力传感器19和光电二极管20分别安装于下游管道同一轴向位置的上下两侧，防护箱顶部安装有第二压力传感器36，第一压力传感器和第二压力传感器均为ICP压力传感器；第一压力传感器19选用PCB113B22型压电式高频动态传感器，测量范围0-34.475MPa，响应频率≥500kHz；第二压力传感器36选用PCB113B21型，测量范围0-2.758MPa，响应频率≥500KHz，用以监测防护箱内压力变化；光电二极管2采用已封装的硅光电二极管，型号为：SM05PD2A，测量光谱范围为200-1100nm；第一压力传感器19和光电二极管20的安装数量、间隔随着管道长度的不同而不同；压力变送器、ICP压力传感器和光电二极管所测信号均由数据采集仪34记录，为捕捉激波结构及自燃点火瞬时过程，数据采集仪对ICP压力传感器和光电二极管的采集频率应尽可能的高。
电磁阀控制系统的主要组成部分为电磁阀控制柜35。电磁阀7、8、9、38、46均采用防爆型，承压20-250bar，分别由开关S1-S5控制，电磁阀控制开关统一安装到电磁阀控制柜35内，可以对电磁阀的开闭进行远距离的安全操作，实现高压储罐充气、防护箱内充气和排气的半自动化控制。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
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 (2)
1.一种高压可燃性气体泄漏自燃及激波诱导点火的试验装置，其特征在于，整个试验装置包括高压供气系统、高压储罐和下游管道系统、安全防护系统、动态图像记录系统、数据采集系统以及电磁阀控制系统，高压供气系统主要用于向高压储罐内连续稳定的充装试验气体，同时还可为试验前气密性的检验、试验后促进装置内尾气的排放提供气源；高压储罐和下游管道系统中包含爆破片夹持器装置，该装置内装有爆破片，高压储罐内充装试验气体至一定压力用于模拟高压气体的储存，当储存压力大于爆破片承受压力时，爆破片破裂，试验气体通过下游管道或直接排放到防护箱中；安全防护系统主要由防护箱构成，防护箱用于积聚可燃性气体，防止随意扩散；动态图像记录系统用于记录下游管道管口处激波、激波诱导点火、气体射流以及射流火焰的动态发展变化过程；数据采集系统记录高压储罐内压力变化以及下游管道内压力变化和自燃点火信号，并可向动态图像记录系统输入触发信号；试验装置中电磁阀的开闭由电磁阀控制系统进行控制；
该试验装置的具体结构如下：高压供气系统主要由高压试验气体气瓶(1)、氮气瓶(2)、第一、第二开关阀(3)，(4)、第一、第二稳压阀(5)，(6)、第一、第二、第三电磁阀(7)，(8)，(9)、压力表(10)、主高压管道(11)和第一真空泵系统组成；在主高压管道(11)的前端有三个垂直布置的第一、第二、第三电磁阀(7)、(8)、(9)，高压试验气体气瓶(1)通过第一开关阀(3)、第一稳压阀(5)后与上端的第一电磁阀(7)相连，同样氮气气瓶(2)通过第二开关阀(4)和第二稳压阀(6)后与中间的第二电磁阀(8)相连，下端的第三电磁阀(9)为备用阀，用于排放装置内气体；三个垂直安装的电磁阀即上端的第一电磁阀(7)、中间的第二电磁阀(8)和下端的第三电磁阀(9)通过管道连接汇集到主高压管道(11)上；主高压管道(11)上安装有压力表(10)和第一真空泵系统，压力表(10)用来检测管道内压力变化，第一真空泵系统由针阀(12)、真空泵(13)和真空表(14)组成，真空泵(13)通过管道与真空表(14)和针阀(12)相连，再由管道连接到主高压管道(11)上，第一真空泵系统用于实验前抽取试验装置内的气体，高压储罐和下游管道系统主要由高压储罐(15)、爆破片(17)、爆破片夹持器(18)和下游管道(21)构成；主高压管道(11)与高压储罐(15)相连，高压储罐(15)末端连接爆破片夹持器(18)，爆破片夹持器(18)另一端与下游管道(21)相连；该夹持器(18)内装有一定设计压力的爆破片(17)，当高压储罐(15)内试验气体压力达到爆破片爆破压力时，爆破片(17)破裂，试验气体通过下游管道(21)或直接喷射到防护箱(25)内，安全防护系统主要由转换接头(22)、法兰(23)、防护箱(25)以及空压机(45)、第二真空泵系统组成；下游管道(21)末端直接与防护箱(25)内大气相通，下游管道(21)与防护箱(25)通过转换接头(22)和法兰(23)实现连接；防护箱(25)上开设有排气口(37)和进气口(47)并安装有第二真空泵系统；防护箱(25)主要用于集聚可燃性气体，防止在室内随意扩散；防护箱(25)内发生意外爆炸向外泄压以及尾气排放均通过排气口(37)排到室外，排气口(37)的开闭由第四电磁阀(38)控制；通过空压机(45)由进气口(47)向防护箱内鼓吹空气以挤压可燃性气体，将可燃性气体彻底排至室外，进气口(47)的开闭由第五电磁阀(46)控制；第二真空泵系统由真空表(39)、真空泵(40)和针阀(41)组成，主要用于激波诱导点火试验开始前，抽除防护箱(25)内气体至真空；防护箱(25)内可人为的通入一定量的可燃性预混气体，研究高压气体泄漏时产生的激波诱导可燃性预混气体的点火过程，高压试验气体既可为高压可燃性气体也可为高压非可燃性气体，研究激波诱导点火过程时，首先使用第二真空泵系统抽除防护箱(25)内气体至真空状态，然后将可燃性预混气体由进气口(47)通入防护箱(25)内；防护箱(25)的左右两个侧面安装透明玻璃窗(24)，石英玻璃(44)通过法兰嵌装到玻璃窗(24)里，下游管道喷口处在玻璃窗(24)的视野范围内，纹影仪光学系统产生的平行光路通过该玻璃窗(24)；防护箱末端开设一扇门(42)，用于下游管道(21)出口处外部泄漏环境以及激波诱导点火试验环境的设置，门(42)的开闭通过门把手(43)来操作，动态图像记录系统，又称作高速纹影拍摄系统，主要由纹影仪和高速摄像机(33)组成；纹影仪主要由以下几部分组成：光源(26)、聚焦镜片(27)、第一、第二反射镜(28)，(31)、第一、第二凹面镜(29)，(30)和刀口(32)；当玻璃窗(24)视野范围即管口下游一定距离内的流场密度不均匀时，平行光束通过时发生偏折，在纹影仪刀口(32)平面上产生一个偏离的光源像，高速摄像机(33)物镜上的照度随之发生变化，从而定性的显示流场的密度变化，高速摄像机(33)通过记录流场密度变化图像来反映喷口外激波的形成、自燃点火、射流变化以及喷射火焰的发展情况，数据采集系统主要由压力变送器(16)、第一压力传感器(19)、光电二极管(20)、第二压力传感器(36)和数据采集仪(34)组成；压力变送器(16)安装在高压储罐(15)上，用于测量高压储罐内压力的变化情况；下游管道上下两侧分别装有一定数量的第一压力传感器(19)和光电二极管(20)，第一压力传感器(19)为ICP压力传感器，该ICP压力传感器(19)用于记录管道内的压力变化，监测激波的形成和发展；光电二极管(20)用于检测管道内自燃点火发生情况以及自燃火焰的传播过程；第二压力传感器(36)用于监测箱体内压力的变化情况，第二压力传感器(36)为ICP压力传感器；由压力变送器(16)、两个ICP压力传感器(19)，(36)和光电二极管(20)所测的物理信号均通过数据采集仪(34)进行记录，当压力变送器(16)测量值骤降或第一压力传感器(19)测量值突升时，输出触发信号，启动高速摄像机(33)开始工作，电磁阀控制系统主要由电磁阀控制柜(35)构成，电磁阀控制柜内设置有五个电磁阀开关S1-S5，分别控制第一、第二、第三、第四、第五电磁阀(7)、(8)、(9)、(38)、(46)的开闭，由于涉及高压以及可燃性气体，整套试验装置需要有良好的气密性。
2.根据权利要求1所述的一种高压可燃性气体泄漏自燃及激波诱导点火的试验装置，其特征在于，该装置的工作过程如下：
(一)高压可燃性气体泄漏自燃点火研究
1、根据实验要求将爆破片安装到夹持器内，爆破片夹持器前后两端分别与高压储罐、一定规格的下游管道进行装配连接，下游管道另一端与防护箱相连，管口处于防护箱观察窗视野范围内，第一压力传感器和光电二极管分别安装到下游管道的上下两侧；2、打开氮气瓶开关阀门以及中间电磁阀，向高压储罐内充装氮气至一定压力，检查装置的气密性；3、若气密性良好，打开备用电磁阀排除装置内氮气，之后利用第一真空泵系统抽取高压储罐以及通气管道内的氮气，当实验管道和高压储罐内达到一定真空度后，关闭真空泵；4、开启数据采集仪、高速摄像机，打开纹影仪光源，经反射镜和凹面镜形成一束平行光，该平行光经过防护箱观察窗，保证管道出口在纹影仪拍摄视野内；5、打开高压可燃性气体气瓶阀门，调节稳压阀出口压力至爆破片设计压力值，然后开启上端电磁阀连续稳定的向高压储罐内充装可燃性气体，高压储罐内达到一定压力时，爆破片破裂，可燃性气体射流或射流火焰喷射到防护箱内，此时迅速关闭上端电磁阀和可燃性气体气瓶开关阀；6、压力变送器检测到高压储罐内压力骤降或第一压力传感器侦测到压力突变后产生触发信号，启动测量设备开始工作，记录激波、自燃点火、射流火焰实验现象；7、实验测量结束后，打开氮气瓶开关阀门和中间电磁阀向试验装置内通入氮气，用以稀释防护箱内可燃性气体浓度；并打开防护箱上排气口的电磁阀开关将防护箱内可燃性气体通过排气口排到室外，经过一段时间后，打开空压机及其电磁阀开关向防护箱内鼓吹空气彻底排净防护箱内的可燃性气体；
(二)激波诱导点火过程研究
1、根据实验要求安装爆破片，爆破片夹持器前后两端分别与高压储罐、下游管道进行装配连接，下游管道另一端与防护箱相连，管口处于防护箱观察窗视野范围内，第一压力传感器和光电二极管分别安装到下游管道的上下两侧；2、打开氮气瓶开关阀门以及中间电磁阀，向高压储罐内充装氮气至一定压力，检查装置的气密性；3、若气密性良好，打开备用电磁阀排除装置内氮气，之后利用第一真空泵系统抽取高压储罐以及通气管道内的氮气，当实验管道和高压储罐处于真空状态时，关闭真空泵；4、检查防护箱的密封性，通过进气口向防护箱内充入一定量的氮气，保持一段时间，观察箱体内压力变化情况，若无显著变化，表明防护箱装置气密性良好；5、打开防护箱上控制排气口开关的电磁阀，排出箱体内氮气，然后利用第二真空泵系统抽取箱体内气体至真空，关闭真空泵；6、通过进气口向防护箱内充入一定量的可燃性预混气体；7、开启数据采集仪、高速摄像机，打开纹影仪光源，经反射镜和凹面镜形成的平行光束经过防护箱观察窗；8、打开高压试验气体气瓶开关阀门，调节稳压阀出口压力至爆破片设计压力值，然后开启上端电磁阀连续稳定的向高压储罐内充装试验气体，高压储罐内达到一定压力时，爆破片破裂，气体射流喷射到防护箱内，此时迅速关闭上端电磁阀和气瓶开关阀；9、压力变送器检测到高压储罐内压力骤降或第一压力传感器侦测到压力突变后产生触发信号，启动测量设备开始工作，记录激波、点火实验现象以及利用第二压力传感器记录防护箱内压力变化；10、实验测量结束后，打开氮气瓶开关阀门和中间电磁阀向试验装置内通入氮气，用以稀释防护箱内可燃性气体浓度；并打开防护箱上排气口的电磁阀开关将防护箱内可燃性气体通过排气口排到室外，经过一段时间后，打开空压机及其电磁阀开关向防护箱内鼓吹空气彻底排净防护箱内的可燃性气体。
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