CN103940850A - 一种粉尘爆炸实验测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粉尘爆炸实验测试装置，在爆炸腔上设置透视镜，在爆炸腔两侧设置聚焦纹影系统，对爆炸腔内测试区的爆炸流场进行拍摄，光源发射的光线经过狭缝装置转变为发散光束，发散光束经第一反射镜投射到第一抛物面镜变为平行光束，平行光束穿过第一透视镜、测试区和第二透视镜投射到第二抛物面镜，平行光束经第二抛物面镜转变为汇聚光束，汇聚光束投射到第二反射镜经过刀口系统到达数码成像设备。通过设置在爆炸腔上的透视镜可以观测到腔体内部粉尘爆炸实验的流场结构，对称设置的第一透视镜和第二透视镜使得聚焦纹影系统的光线可以穿过其中的测试区，并将测试区内部粉尘爆炸流场影像投射到高速数码成像设备之上并记录下来供研究使用。
Description
技术领域
本发明属于实验测试装置，具体涉及一种能够捕捉粉尘云中单个粒子燃烧状态和过程，并通过高速摄影与高速纹影图像可清晰再现粉尘爆炸火焰内部流场结构与变化的粉尘爆炸实验测试装置。
背景技术
现有常用的爆炸实验测试装置的构造主要有五个部分组成：密闭装置主体、配气配粉排气系统、点火系统、实验数据采集系统、主控制系统。现有研究大多利用该装置来研究爆炸灾害及其破坏效应的宏观参数，如爆炸压力、火焰速度等。很少研究爆炸灾害发生早期的火焰传播特性，比如火焰传播过程中的火焰结构的变化与失稳机理、湍流形成的本质及可燃气与未燃气界面的不稳定性对火焰加速的影响以及预混火焰传播过程中，火焰阵面的微观结构与燃烧反应区特征等。但是爆炸灾害一旦发生，难以控制，因此研究早期火焰加速传播特性和规律，有助于更好地预防和抑制粉尘爆炸灾害的发生。
目前，国际上通用的20L球形爆炸实验测试装置等爆炸实验装置无法反映爆炸火焰流场局部区域(某个流场截面)的流场信息，不能对三维流及其它复杂流场进行有效地显示，结果导致无法从预混火焰加速传播过程的内在动力学机理、火焰传播过程的不稳定性特征、火焰微观结构等方面对粉尘爆炸进行深入研究。
发明内容：
为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种粉尘爆炸实验测试装置，该装置在爆炸腔上设置透视镜，在爆炸腔两侧设置聚焦纹影系统，对爆炸腔内测试区的爆炸流场进行拍摄。
为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案是：
一种粉尘爆炸实验测试装置，包括带有爆炸腔的爆炸实验装置，还包括设置在爆炸腔腔壁上的一对透视镜，以及设置于爆炸腔外部的聚焦纹影系统；一对透视镜在爆炸腔中心线两侧的腔壁上对称设置，分别记为第一透视镜和第二透视镜，在第一透视镜和第二透视镜之间的爆炸腔腔体即为测试区；聚焦纹影系统包括光源、狭缝装置、第一反射镜和第一抛物面镜、第二抛物面镜、第二反射镜、刀口系统和速数码成像设备；光源发射的光线经过狭缝装置转变为发散光束，发散光束经第一反射镜投射到第一抛物面镜变为平行光束，平行光束穿过第一透视镜、测试区和第二透视镜投射到第二抛物面镜，平行光束经第二抛物面镜转变为汇聚光束，汇聚光束投射到第二反射镜经过刀口系统到达数码成像设备。
较佳地，爆炸腔上设有用于安装透视镜的开口，开口处设有透视镜底座，透视镜底座与爆炸腔固定联接，透视镜底座上安装透视镜，透视镜上方设有压盖，压盖与底盖通过螺柱和螺母连接。
较佳地，底座与透视镜之间设有密封圈，透视镜与压盖之间设有密封圈。
较佳地，透视镜底座与爆炸腔体通过焊接固定连接。
较佳地，爆炸腔、透视镜底座、螺柱、螺母和压盖的材质相同。
较佳地，透视镜采用二氧化硅玻璃制成。
较佳地，光源和第一反射镜之间设有用于安装狭缝装置的导轨，狭缝装置沿导轨长度方向在光源和第一反射镜之间做直线运动。
较佳地，在爆炸腔外部设有用于安装光源、第一反射镜、第一抛物面镜、第二透视镜、第二抛物面镜、第二反射镜、刀口系统和数码成像设备的支架。
较佳地，该测试装置包括两套刀口系统和数码成像设备，在第二反射镜之后设置有分束镜，分束镜将经由第二反射镜反射过来的汇聚光束分别投射到刀口系统并最终到达数码成像设备。
较佳地，数码成像设备为高速数码成像设备。
本发明的有益效果在于通过设置在爆炸腔上的透视镜可以观测到腔体内部粉尘爆炸实验的流场结构，对称设置的第一透视镜和第二透视镜使得聚焦纹影系统的光线可以穿过其中的测试区，并将测试区内部粉尘爆炸流场影像投射到高速数码成像设备之上并记录下来供研究使用；通过聚焦纹影系统角度的调整，本测试装置可以对测试区内的某个平面聚焦，在数码成像设备得到的信息主要反映该平面的密度梯度变化，其它平面的信息以均匀背景的形式进行记录，从而更能反映流场的细节结构。爆炸腔、透视镜底座、螺柱、螺母和压盖的材质相同，可以在安装透镜时，更好的对透镜进行固定，配合密封圈达到更好的密封效果。
附图说明
图1为本发明实施例光路原理图
图2为本发明实施例透视镜在爆炸腔上的安装结构示意图
图3为本发明实施例爆炸试验装置的结构示意图
图中：
1、第一透视镜2、第二透视镜3、爆炸腔4、光源5、狭缝装置6、第一反射镜7、第一抛物面镜8、第二抛物面镜9、第二反射镜10、刀口系统11、数码成像设备12、透视镜底座13、压盖14、螺柱15、螺母16、密封圈17、测试区
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
本实施例的一种粉尘爆炸实验测试装置，包括带有爆炸腔3的爆炸实验装置，还包括设置在爆炸腔3腔壁上的至少一对透视镜，以及设置于爆炸腔3外部的聚焦纹影系统；
本实施例的爆炸实验装置是以20L球形密闭爆炸装置为主体的爆炸实验装置，爆炸腔3为一球体，附件设备有电火花点火电极、压力传感器、安全阀门和进出口弯管等，三个弯管分别是气体配气弯管、粉尘喷放管道和抽真空及排气气管。由于各配件之间通过金属管连接，实验中难免存在气密性问题。因此，为使实验装置保证较好的气密性，在球形装置同各管道连接装配时需要采用生料带、密封胶等密封材料来使其密封，减小漏气，保证实验误差最小化。经过计算和查阅资料，在密闭球罐内，若发生气体、粉尘爆炸，其爆炸压力最大不超过1.5MPa，远低于本实验装置的设计压力6MPa，而且在球形装置上装设的安全阀，具有过压自泄放功能，完全能够保证装置的完好性和实验的安全性。实践中除了采用20L球形密闭爆炸装置为主体的爆炸实验装置，还可以采用其他结构形式的带有爆炸罐的爆炸实验装置。
本实施例在爆炸腔3上安装一对透视镜，一对透视镜在爆炸腔3中心线两侧的腔壁上对称设置，分别记为第一透视镜1和第二透视镜2，爆炸腔3上设有用于安装透视镜的开口，开口处设有透视镜底座12，透视镜底座12与爆炸腔3体焊接连接，实践中还可以采用一体成型结构，透视镜安装在底座上，透视镜上方设有压盖13，底座与透视镜之间设有密封圈16，透视镜与压盖13之间设有密封圈16，压盖13与底盖螺柱14连接，通过螺柱14压紧压盖13将透视镜固定在底座上。
在第一透视镜1和第二透视镜2之间的爆炸腔3腔体即为爆炸实验的测试区17；本实施例中光源4由24V、25W的卤(碘)钨灯作为组成；爆炸腔3、透视镜底座12、螺柱14、螺母15和压盖13的材质相同，均为40CrMo钢，其常温许用应力为：[σ]b＝196Mpa，设计温度250℃下许用应力为[σ]f b＝162Mpa，采用相同材质的材料制成可以更好的将其连接或固定在一起；透视镜采用二氧化硅玻璃制成，直径为60mm，其耐温可达1700℃，抗压强度为84-126MPa。
聚焦纹影系统包括设置在第一透视镜1一侧的光源4、狭缝装置、第一反射镜6和第一抛物面镜7，以及设置在第二透视镜2一侧的第二抛物面镜8、第二反射镜9、刀口系统10和数码成像设备11；在爆炸腔3外部设有用于安装光源4、第一反射镜6、第一抛物面镜7、第二透视镜2、第二抛物面镜8、第二反射镜9、刀口系统10和数码成像设备11的支架。本实施例中，光源4、第一反射镜6安装在第一支架的两端，中间设有导轨，狭缝装置安装在导轨上，可以推动其沿导轨长度方向在光源4和第一反射镜6之间来回移动。
接通电源后光源4发出光线，此时移动狭缝装置开大产生罚三光束，光源4发出的光线经过狭缝装置转变为发散光束，发散光束投射到第一反射镜6，此时调整第一反射镜6将发散光束投射到第一抛物面镜7产生大于第一抛物面镜7的椭圆光斑，调节第一反射镜6和第一抛物面镜7的距离，此时第一抛物面镜7将发散光束转变为平行光束；平行光束穿过第一透视镜1、测试区17和第二透视镜2投射到第二抛物面镜8，平行光束经第二抛物面镜8转变为汇聚光束，汇聚光束投射到第二反射镜9投射到刀口系统10的物镜一侧，调整刀口系统10使光斑汇聚到刀口的刀刃一侧，最后到达数码成像设备11得到气流变化的纹影图像，本实施例的数码成像设备11为高速数码成像设备，连接于爆炸装置的同步控制器，将影像数据传送至同步控制器。
作为本实施例的一种改进，在第二透视镜2一侧的聚焦纹影系统包括数码成像设备11和刀口系统10，还包括有分束镜，分束镜设置于第二反射镜9之后，分束镜将经由第二反射镜9反射过来的汇聚光束分别投射到刀口系统10，最终分别到达高速数码成像设备11。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种粉尘爆炸实验测试装置，包括带有爆炸腔(3)的爆炸实验装置，其特征在于：还包括设置在爆炸腔(3)腔壁上的一对透视镜，以及设置于爆炸腔(3)外部的聚焦纹影系统；
所述一对透视镜在所述爆炸腔(3)中心线两侧的腔壁上对称设置，分别记为第一透视镜(1)和第二透视镜(2)，在所述第一透视镜(1)和所述第二透视镜(2)之间的所述爆炸腔(3)腔体即为测试区(17)；
所述聚焦纹影系统包括光源(4)、狭缝装置(5)、第一反射镜(6)、第一抛物面镜(7)、第二抛物面镜(8)、第二反射镜(9)、刀口系统(10)以及数码成像设备(11)；所述光源(4)发射的光线经过所述狭缝装置(5)转变为发散光束，所述发散光束经所述第一反射镜(6)投射到所述第一抛物面镜(7)变为平行光束，所述平行光束穿过所述第一透视镜(1)、所述测试区(17)和所述第二透视镜(2)投射到所述第二抛物面镜(8)，所述平行光束经所述第二抛物面镜(8)转变为汇聚光束，所述汇聚光束投射到所述第二反射镜(9)经过所述刀口系统(10)到达数码成像设备(11)。
2.根据权利要求1所述的一种粉尘爆炸实验测试装置，其特征在于：所述爆炸腔(3)上设有用于安装所述透视镜的开口，所述开口处设有透视镜底座(12)，所述透视镜底座(12)与所述爆炸腔(3)固定联接，所述透视镜底座(12)上安装所述透视镜，所述透视镜上方设有压盖(13)，所述压盖(13)与所述底盖通过螺柱(14)和螺母(15)连接。
3.根据权利要求2所述的一种粉尘爆炸实验测试装置，其特征在于：所述底座与所述透视镜之间设有密封圈(16)，所述透视镜与所述压盖(13)之间设有密封圈(16)。
4.根据权利要求2所述的一种粉尘爆炸实验测试装置，其特征在于：所述透视镜底座(12)与所述爆炸腔(3)体通过焊接固定连接。
5.根据权利要求2所述的一种粉尘爆炸实验测试装置，其特征在于：所述爆炸腔(3)、所述透视镜底座(12)、所述螺柱(14)、所述螺母(15)和所述压盖(13)的材质相同。
6.根据权利要求1所述的一种粉尘爆炸实验测试装置，其特征在于：所述透视镜采用二氧化硅玻璃制成。
7.根据权利要求1所述的一种粉尘爆炸实验测试装置，其特征在于：所述光源(4)和所述第一反射镜(6)之间设有用于安装所述狭缝装置(5)的导轨，所述狭缝装置(5)沿所述导轨长度方向在所述光源(4)和所述第一反射镜(6)之间做直线运动。
8.根据权利要求1所述的一种粉尘爆炸实验测试装置，其特征在于：在所述爆炸腔(3)外部设有用于安装所述光源(4)、所述第一反射镜(6)、所述第一抛物面镜(7)、所述第二透视镜(2)、所述第二抛物面镜(8)、所述第二反射镜(9)、所述刀口系统(10)和所述数码成像设备(11)的支架。
9.根据权利要求1所述的一种粉尘爆炸实验测试装置，其特征在于：该测试装置包括两套所述刀口系统和两套所述高速数码成像设备，在所述第二反射镜(9)之后设置有分束镜，所述分束镜将经由所述第二反射镜(9)反射过来的所述汇聚光束分别投射到两套所述刀口系统，最终分别到达两套所述数码成像设备。
10.根据权利要求1所述的一种粉尘爆炸实验测试装置，其特征在于：所述数码成像设备为高速数码成像设备。
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