CN109991277B - 一种湍流预混气体管道爆炸实验测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种湍流预混气体管道爆炸实验测试装置，包括可燃气瓶、空气瓶、质量流量控制器、实验管道、温度传感器、高速摄像机、光电传感器、压力传感器、数据采集卡、混合气管及主控计算机，其中实验管道包括承载机架、有机透明玻璃管、密封板、聚氯乙烯薄膜、高压脉冲点火器、湍流发生器，可燃气瓶、空气瓶均嵌于承载机架内，高速摄像机、光电传感器均与承载机架连接；实验测试方法包括硬件设备组装，设备预制，爆炸试验及循环试验等四个步骤。本发明易于观察实验现象，实验过程稳定，准确测量爆炸压力和记录火焰传播情况。实验装置通过侧向泄爆，可以承受一定压力，同时也有较高的气密性。

Description

一种湍流预混气体管道爆炸实验测试装置及方法

技术领域

本发明涉及气体爆炸安全工程领域，特别涉及一种湍流预混气体管道爆炸实验测试装置及方法。

背景技术

可燃气体在开采、输送和使用过程中常因泄露而引发的爆炸灾害，是目前最受关注的安全问题之一。湍流是输送管道和井下气体最常见的流动状态，尤其在瓦斯爆炸过程中，由于爆炸激波受巷道内障碍物、巷道交叉及尺寸变化等因素的诱导会产生强烈的湍流，可促使爆炸强度增加。国内外学者针对湍流对可燃气体爆炸的影响进行了研究，但由于实验的装置和方法仍存在一些问题，使得研究问题存在局限性。

目前，在研究湍流预混气体爆炸特性的实验中，多在封闭不锈钢球形爆炸容器中，不利于观察火焰的传播结构和计算火焰的传播速度。而在管道中的可燃气体爆炸实验，现有的实验装置可以通过改变管道的形状和在管道内部放置障碍物研究湍流火焰的传播，但只能实现预混气体在静止状态下的爆炸研究，不能在管道中实现由于气体流动形成湍流的点火爆炸实验。

因此，针对这一现状，迫切需要开发一种全新的实验装置及与之相应的实验方法，以满足实际使用的需要。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明提供一种湍流预混气体管道爆炸实验测试装置及方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种湍流预混气体管道爆炸实验测试装置，包括可燃气瓶、空气瓶、质量流量控制器、实验管道、温度传感器、高速摄像机、光电传感器、压力传感器、数据采集卡、混合气管及主控计算机，其中实验管道包括承载机架、有机透明玻璃管、密封板、聚氯乙烯薄膜、高压脉冲点火器、湍流发生器，其中承载机架为框架结构，有机透明玻璃管至少一条，通过定位机构与承载机架上端面相互连接并与水平面平行分布，有机透明玻璃管为横断面呈正圆形的空心管状结构，其前端面和后端面均与密封板相互连接并同轴分布，密封板与有机透明玻璃管端面间另设至少一层聚氯乙烯薄膜，有机透明玻璃管前端面的密封板上设至少一个进气口、一个高压脉冲点火器及至少一个压力传感器，其中高压脉冲点火器位于有机透明玻璃管内，与密封板内表面连接并与有机透明玻璃管同轴分布，进气口和压力传感器均环绕有机透明玻璃管轴线均布，有机透明玻璃管侧壁设至少一个排气口，排气口与有机透明玻璃管后端面间间距不大于20厘米，且排气口轴线与有机透明玻璃管轴线呈30°—90°夹角，湍流发生器至少四个，以有机透明玻璃管中点对称分布在有机透明玻璃管侧表面并环绕有机透明玻璃管轴线均布，且各湍流发生器中，沿有机透明玻璃管轴线方向分布的相邻两个湍流发生器间间距为有机透明玻璃管有效长度的至少1/2，且各湍流发生器轴线与有机透明玻璃管轴线相交并呈15°—90°夹角，温度传感器至少一个，位于有机透明玻璃管中点对应的有机透明玻璃管侧壁上，可燃气瓶、空气瓶均至少一个，均嵌于承载机架内，且可燃气瓶、空气瓶分别通过质量流量控制器与混合气管进气端连通，混合气管出气端与实验管道进气口相互连通，高速摄像机、光电传感器均至少一个，分别位于有机透明玻璃管外侧并与承载机架连接，其中光电传感器轴线与高压脉冲点火器轴线相交并呈0°—60°夹角，且交点位于高压脉冲点火器前端面，光电传感器和高压脉冲点火器轴线均位于与承载机架上端面平行的同一平面内，高速摄像机轴线与有机透明玻璃管轴线垂直并相交，且交点位于有机透明玻璃管中点位置，主控计算机嵌于承载机架上端面，并分别与质量流量控制器、数据采集卡、高速摄像机及实验管道的各湍流发生器电气连接，数据采集卡分别与温度传感器、光电传感器、压力传感器电气连接。

进一步的，所述的湍流发生器与有机透明玻璃管侧壁通过转台机构连接，且所述转台机构上设至少一个角度传感器，所述转台机构和角度传感器均与主控计算机电气连接。

进一步的，所述的定位机构为卡箍、弹性支座、滑轨及螺栓中的任意一种。

进一步的，所述的聚氯乙烯薄膜厚度为0.5—3毫米，且密封板处的聚氯乙烯薄膜不大于5层，总厚度不大于20毫米。

一种湍流预混气体管道爆炸实验测试方法，包括以下步骤：

S1，硬件设备组装，首先根据试验需要，将可燃气瓶、空气瓶、质量流量控制器、实验管道、温度传感器、高速摄像机、光电传感器、压力传感器、数据采集卡、混合气管及主控计算机进行组装备用；

S2，设备预制，完成S1步骤后，将高速摄像机，压力传感器、温度传感器、光电传感器及主控计算机均接通电源并开机运行，然后对主控计算机软件进行调试，并对高速摄像机，压力传感器、温度传感器、光电传感器运行参数设定，最后调整摄像机相机位置和焦距，使其镜头正对有机透明玻璃管，调整相机镜头焦距，并进行1—3次抓拍测试，并在测试图像分辨率满足使用需要时停机备用，然后通过质量流量控制器对可燃气瓶、空气瓶内气体调节并在混合气管内进行气体混合，然后将混合气通入到实验管道的有机透明玻璃管内，且通入有机透明玻璃管内气体体积为有机透明玻璃管容积的2—5倍，然后关闭有机透明玻璃管的进气口和排气口，对有机透明玻璃管内混合气体进行保压；

S3，爆炸试验，由完成S2步骤后，由主控计算机驱动实验管道的各湍流发生器运行，一方面调整湍流发生器的工作角度，另一方面调整湍流发生器的驱动功率，并在完成湍流发生器运行调整后，并使湍流发生器稳定运行1—3分钟后，由主控计算机驱动高压脉冲点火器运行，对有机透明玻璃管内混合气体进行引燃，同时由光电传感器捕捉点火电极发出的电火花并转换成电信号，触发高速摄像机工作，同时利用温度传感器、压力传感器监测火焰温度及爆炸压力变化，并将检测到的参数及高速摄像机抓拍图像传递至主控计算机进行识别并保存；

S4，循环试验，完成S3步骤后，一方面由主控机算计对S3步骤时间采集的数据进行识别并保存，另一方面关闭湍流发生器，同时打开有机透明玻璃管的排气口并使有机透明玻璃管自然冷却至常温，然后通过质量流量控制器对可燃气瓶、空气瓶内气体调节并在混合气管内进行气体混合，然后将混合气通入到实验管道的有机透明玻璃管内，且通入有机透明玻璃管内气体体积为有机透明玻璃管容积的2—5倍，然后关闭有机透明玻璃管的进气口和排气口，对有机透明玻璃管内混合气体进行保压，完成保压作业后再次返回至S3步骤进行爆炸试验即可，且每次爆炸试验获取的数据均独立存放。

本发明的湍流预混气体管道爆炸实验装置使用全透明有机玻璃管，易于观察实验现象，实验过程稳定。可以通过调节风扇的转速和圆形多孔板的形状来研究不同气体湍流强度下的爆炸压力和火焰传播情况。实验装置由电脑控制，点火、测量同时触发，准确测量爆炸压力和记录火焰传播情况。实验装置通过侧向泄爆，可以承受一定压力，同时也有较高的气密性。操作简单，成本低廉，安装方便，安全性能高，易于推广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明实验方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1所述一种湍流预混气体管道爆炸实验测试装置，包括可燃气瓶1、空气瓶2、质量流量控制器3、实验管道4、温度传感器5、高速摄像机6、光电传感器7、压力传感器8、数据采集卡9、混合气管10及主控计算机11，其中实验管道4包括承载机架41、有机透明玻璃管42、密封板43、聚氯乙烯薄膜44、高压脉冲点火器45、湍流发生器46，其中承载机架41为框架结构，有机透明玻璃管42至少一条，通过定位机构47与承载机架41上端面相互连接并与水平面平行分布，有机透明玻璃管42为横断面呈正圆形的空心管状结构，其前端面和后端面均与密封板43相互连接并同轴分布，密封板43与有机透明玻璃管42端面间另设至少一层聚氯乙烯薄膜44，有机透明玻璃管42前端面的密封板43上设至少一个进气口48、一个高压脉冲点火器45及至少一个压力传感器8，其中高压脉冲点火器45位于有机透明玻璃管42内，与密封板43内表面连接并与有机透明玻璃管42同轴分布，进气口48和压力传感器8均环绕有机透明玻璃管42轴线均布，有机透明玻璃管42侧壁设至少一个排气口49，排气口49与有机透明玻璃管42后端面间间距不大于20厘米，且排气口49轴线与有机透明玻璃管42轴线呈30°—90°夹角，湍流发生器46至少四个，以有机透明玻璃管42中点对称分布在有机透明玻璃管42侧表面并环绕有机透明玻璃管42轴线均布，且各湍流发生器46中，沿有机透明玻璃管42轴线方向分布的相邻两个湍流发生器46间间距为有机透明玻璃管42有效长度的至少1/2，且各湍流发生器46轴线与有机透明玻璃管42轴线相交并呈15°—90°夹角，温度传感器5至少一个，位于有机透明玻璃管42中点对应的有机透明玻璃管42侧壁上。

本实施例中，所述可燃气瓶1、空气瓶2均至少一个，均嵌于承载机架41内，且可燃气瓶1、空气瓶2分别通过质量流量控制器3与混合气管10进气端连通，混合气管10出气端与实验管道4进气口48相互连通，高速摄像机6、光电传感器7均至少一个，分别位于有机透明玻璃管42外侧并与承载机架41连接，其中光电传感器7轴线与高压脉冲点火器45轴线相交并呈0°—60°夹角，且交点位于高压脉冲点火器45前端面，光电传感器7和高压脉冲点火器45轴线均位于与承载机架41上端面平行的同一平面内，高速摄像机6轴线与有机透明玻璃管42轴线垂直并相交，且交点位于有机透明玻璃管42中点位置，主控计算机11嵌于承载机架41上端面，并分别与质量流量控制器3、数据采集卡9、高速摄像机6及实验管道4的各湍流发生器46电气连接，数据采集卡9分别与温度传感器5、光电传感器7、压力传感器8电气连接。

其中，所述的湍流发生器46与有机透明玻璃管42侧壁通过转台机构12连接，且所述转台机构12上设至少一个角度传感器13，所述转台机构12和角度传感器13均与主控计算机11电气连接。

此外，所述的定位机构47为卡箍、弹性支座、滑轨及螺栓中的任意一种。

进一步优化的，所述的聚氯乙烯薄膜44厚度为0.5—3毫米，且密封板43处的聚氯乙烯薄膜44不大于5层，总厚度不大于20毫米。

如图2所示，一种湍流预混气体管道爆炸实验测试方法，包括以下步骤：

S1，硬件设备组装，首先根据试验需要，将可燃气瓶、空气瓶、质量流量控制器、实验管道、温度传感器、高速摄像机、光电传感器、压力传感器、数据采集卡、混合气管及主控计算机进行组装备用；

S2，设备预制，完成S1步骤后，将高速摄像机，压力传感器、温度传感器、光电传感器及主控计算机均接通电源并开机运行，然后对主控计算机软件进行调试，并对高速摄像机，压力传感器、温度传感器、光电传感器运行参数设定，最后调整摄像机相机位置和焦距，使其镜头正对有机透明玻璃管，调整相机镜头焦距，并进行1—3次抓拍测试，并在测试图像分辨率满足使用需要时停机备用，然后通过质量流量控制器对可燃气瓶、空气瓶内气体调节并在混合气管内进行气体混合，然后将混合气通入到实验管道的有机透明玻璃管内，且通入有机透明玻璃管内气体体积为有机透明玻璃管容积的2—5倍，然后关闭有机透明玻璃管的进气口和排气口，对有机透明玻璃管内混合气体进行保压；

S3，爆炸试验，由完成S2步骤后，由主控计算机驱动实验管道的各湍流发生器运行，一方面调整湍流发生器的工作角度，另一方面调整湍流发生器的驱动功率，并在完成湍流发生器运行调整后，并使湍流发生器稳定运行1—3分钟后，由主控计算机驱动高压脉冲点火器运行，对有机透明玻璃管内混合气体进行引燃，同时由光电传感器捕捉点火电极发出的电火花并转换成电信号，触发高速摄像机工作，同时利用温度传感器、压力传感器监测火焰温度及爆炸压力变化，并将检测到的参数及高速摄像机抓拍图像传递至主控计算机进行识别并保存；

S4，循环试验，完成S3步骤后，一方面由主控机算计对S3步骤时间采集的数据进行识别并保存，另一方面关闭湍流发生器，同时打开有机透明玻璃管的排气口并使有机透明玻璃管自然冷却至常温，然后通过质量流量控制器对可燃气瓶、空气瓶内气体调节并在混合气管内进行气体混合，然后将混合气通入到实验管道的有机透明玻璃管内，且通入有机透明玻璃管内气体体积为有机透明玻璃管容积的2—5倍，然后关闭有机透明玻璃管的进气口和排气口，对有机透明玻璃管内混合气体进行保压，完成保压作业后再次返回至S3步骤进行爆炸试验即可，且每次爆炸试验获取的数据均独立存放。

本发明的湍流预混气体管道爆炸实验装置使用全透明有机玻璃管，易于观察实验现象，实验过程稳定。可以通过调节风扇的转速和圆形多孔板的形状来研究不同气体湍流强度下的爆炸压力和火焰传播情况。实验装置由电脑控制，点火、测量同时触发，准确测量爆炸压力和记录火焰传播情况。实验装置通过侧向泄爆，可以承受一定压力，同时也有较高的气密性。操作简单，成本低廉，安装方便，安全性能高，易于推广。

本发明系统构成简单，数据通讯交互效率和安全性高，且操作便捷，一方面可有效满足对钢筋加工设备运行状态进行远程监控管理作业的需要，另一方面可实现对钢筋加工设备运行故障进行远程诊断、指导故障排除，从而极大的提高了对钢筋加工设备管理、维护及故障排除作业的工作质量和效率。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制。上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进。这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种湍流预混气体管道爆炸实验测试装置，其特征在于：所述的湍流预混气体管道爆炸实验测试装置包括可燃气瓶、空气瓶、质量流量控制器、实验管道、温度传感器、高速摄像机、光电传感器、压力传感器、数据采集卡、混合气管及主控计算机，其中所述实验管道包括承载机架、有机透明玻璃管、密封板、聚氯乙烯薄膜、高压脉冲点火器、湍流发生器，其中所述承载机架为框架结构，所述有机透明玻璃管至少一条，通过定位机构与承载机架上端面相互连接并与水平面平行分布，所述有机透明玻璃管为横断面呈正圆形的空心管状结构，其前端面和后端面均与密封板相互连接并同轴分布，所述密封板与有机透明玻璃管端面间另设至少一层聚氯乙烯薄膜，所述有机透明玻璃管前端面的密封板上设至少一个进气口、一个高压脉冲点火器及至少一个压力传感器，其中所述高压脉冲点火器位于有机透明玻璃管内，与密封板内表面连接并与有机透明玻璃管同轴分布，所述进气口和压力传感器均环绕有机透明玻璃管轴线均布，所述有机透明玻璃管侧壁设至少一个排气口，所述排气口与有机透明玻璃管后端面间间距不大于20厘米，且排气口轴线与有机透明玻璃管轴线呈30°—90°夹角，所述湍流发生器至少四个，以有机透明玻璃管中点对称分布在有机透明玻璃管侧表面并环绕有机透明玻璃管轴线均布，且各湍流发生器中，沿有机透明玻璃管轴线方向分布的相邻两个湍流发生器间间距为有机透明玻璃管有效长度的至少1/2，且各湍流发生器轴线与有机透明玻璃管轴线相交并呈15°—90°夹角，所述温度传感器至少一个，位于有机透明玻璃管中点对应的有机透明玻璃管侧壁上，所述可燃气瓶、空气瓶均至少一个，均嵌于承载机架内，且所述可燃气瓶、空气瓶分别通过质量流量控制器与混合气管进气端连通，所述混合气管出气端与实验管道进气口相互连通，所述高速摄像机、光电传感器均至少一个，分别位于有机透明玻璃管外侧并与承载机架连接，其中所述光电传感器轴线与高压脉冲点火器轴线相交并呈0°—60°夹角，且交点位于高压脉冲点火器前端面，所述光电传感器和高压脉冲点火器轴线均位于与承载机架上端面平行的同一平面内，所述高速摄像机轴线与有机透明玻璃管轴线垂直并相交，且交点位于有机透明玻璃管中点位置，所述的主控计算机嵌于承载机架上端面，并分别与质量流量控制器、数据采集卡、高速摄像机及实验管道的各湍流发生器电气连接，所述数据采集卡分别与温度传感器、光电传感器、压力传感器电气连接；

所述的湍流预混气体管道爆炸实验测试装置的测试方法，包括以下步骤：

S1，硬件设备组装，首先根据试验需要，将可燃气瓶、空气瓶、质量流量控制器、实验管道、温度传感器、高速摄像机、光电传感器、压力传感器、数据采集卡、混合气管及主控计算机进行组装备用；

S2，设备预制，完成S1步骤后，将高速摄像机，压力传感器、温度传感器、光电传感器及主控计算机均接通电源并开机运行，然后对主控计算机软件进行调试，并对高速摄像机，压力传感器、温度传感器、光电传感器运行参数设定，最后调整摄像机相机位置和焦距，使其镜头正对有机透明玻璃管，调整相机镜头焦距，并进行1—3次抓拍测试，并在测试图像分辨率满足使用需要时停机备用，然后通过质量流量控制器对可燃气瓶、空气瓶内气体调节并在混合气管内进行气体混合，然后将混合气通入到实验管道的有机透明玻璃管内，且通入有机透明玻璃管内气体体积为有机透明玻璃管容积的2—5倍，然后关闭有机透明玻璃管的进气口和排气口，对有机透明玻璃管内混合气体进行保压；

S3，爆炸试验，由完成S2步骤后，由主控计算机驱动实验管道的各湍流发生器运行，一方面调整湍流发生器的工作角度，另一方面调整湍流发生器的驱动功率，并在完成湍流发生器运行调整后，并使湍流发生器稳定运行1—3分钟后，由主控计算机驱动高压脉冲点火器运行，对有机透明玻璃管内混合气体进行引燃，同时由光电传感器捕捉点火电极发出的电火花并转换成电信号，触发高速摄像机工作，同时利用温度传感器、压力传感器监测火焰温度及爆炸压力变化，并将检测到的参数及高速摄像机抓拍图像传递至主控计算机进行识别并保存；

S4，循环试验，完成S3步骤后，一方面由主控机算计对S3步骤时间采集的数据进行识别并保存，另一方面关闭湍流发生器，同时打开有机透明玻璃管的排气口并使有机透明玻璃管自然冷却至常温，然后通过质量流量控制器对可燃气瓶、空气瓶内气体调节并在混合气管内进行气体混合，然后将混合气通入到实验管道的有机透明玻璃管内，且通入有机透明玻璃管内气体体积为有机透明玻璃管容积的2—5倍，然后关闭有机透明玻璃管的进气口和排气口，对有机透明玻璃管内混合气体进行保压，完成保压作业后再次返回至S3步骤进行爆炸试验即可，且每次爆炸试验获取的数据均独立存放。

2.根据权利要求1所述的一种湍流预混气体管道爆炸实验测试装置，其特征在于：所述的湍流发生器与有机透明玻璃管侧壁通过转台机构连接，且所述转台机构上设至少一个角度传感器，所述转台机构和角度传感器均与主控计算机电气连接。

3.根据权利要求1所述的一种湍流预混气体管道爆炸实验测试装置，其特征在于：所述的定位机构为卡箍、弹性支座、滑轨及螺栓中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种湍流预混气体管道爆炸实验测试装置，其特征在于：所述的聚氯乙烯薄膜厚度为0.5—3毫米，且密封板处的聚氯乙烯薄膜不大于5层，总厚度不大于20毫米。

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