CN111678947A - 一种可燃气体爆燃泄放实验装置的设计与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种研究可燃气体爆燃泄放的实验装置及应用方法，整个实验装置包括泄爆容器、配气预混装置、可调式点火系统和高速纹影摄像及数据采集系统。该实验装置及方法可用于预混可燃气体爆燃泄放的实验研究，通过分析破膜压力（P v ）、障碍物（O bs ）、泄爆面积（A v ）、泄放系数（K v ）、泄爆导管（R s ）、气体组分浓度（φ）、静态动作压力（P stat ）、初始湍流程度（Initur）、点火能量（E d ）、点火位置（Ignloc）等因素对可燃气体爆燃泄放超压瞬变和火焰行为的影响，探究典型超压峰值（泄爆开启形成的峰值P b ，外部爆炸形成的峰值P ext ，爆室最大火焰面积形成的峰值P red ，爆室结构与声波相互作用引起燃烧火焰震荡形成的峰值P ac ）与爆燃火焰的协同效应。
Description
技术领域
本发明涉及一种可燃气体爆燃泄放实验装置的设计与应用，属于可燃气体泄爆安全性研究技术领域。
背景技术
工业生产过程，特别是化工和石油化工生产中，可燃性气体得到了广泛应用。绝大多数情况下，可燃性气体会密封在密闭空间中，如反应器、反应釜、贮罐、管道等装置通常可用来储存或输送这类气体。一旦装置设备本身存在缺陷或人为因素导致装置内混入空气，形成可燃气体混合物并达到爆炸极限，遇引燃源就会发生气体爆炸事故，导致严重的财产损失和人员伤亡。如能在事前对工业气体爆炸有正确的认识及掌握爆炸事故规律，采取正确的预防和避灾方法，对工业安全生产具有重要的现实意义。
可燃气体爆燃泄放是通过固定的泄爆装置，及时将腔室或容器内已燃高压混合气体导入到外部环境中，使内部压力迅速降低的一种技术，能有效避免因爆炸超压导致腔室或容器爆裂而衍生更大灾害，保证设备设施本身安全。可燃气体爆燃泄放是一个耦合了湍流流动与可燃介质振荡燃烧的复杂非定常过程，且在爆燃泄放过程中容易形成多个超压峰值结构，给爆燃泄放设计及防护带来一定困难。因此，研究爆燃泄放过程中火焰不稳定和爆炸超压的耦合机制，不仅可以揭示可燃气体的爆炸传播规律，而且还能预防和控制燃烧爆炸事故，为工程防爆安全设计提供参考。
发明内容
本发明目的是提供一种研究可燃气体爆燃泄放超压瞬变和火焰行为的实验装置及方法，通过实验可分析破膜压力（P v ）、障碍物（O bs ）、泄爆面积（A v ）、泄放系数（K v ）、泄爆导管（R s ）、气体组分浓度（φ）、静态动作压力（P stat ）、初始湍流程度（Initur）、点火能量（E d ）、点火位置（Ignloc）等因素对可燃气体爆燃泄放的超压瞬变和火焰行为的影响，揭示受限空间内预混可燃气体爆燃泄放超压峰值的分布特征和峰结构的形成机理，探究典型超压峰值（泄爆开启形成的峰值P b ，外部爆炸形成的峰值P ext ，爆室最大火焰面积形成的峰值P red ，爆室结构与声波相互作用引起燃烧火焰震荡形成的峰值P ac ）与爆燃火焰的协同效应。
本发明采取的技术方案如下：一种研究可燃气体爆燃泄放的实验装置，其特征在于，它包括一泄爆容器、一配气预混装置、一可调式点火系统和一高速纹影摄像及数据采集系统。所述泄爆容器包括一圆柱形抗爆容器和若干个法兰盖。分别在圆柱形抗爆容器壁面的底部、中部和上部位置开设了可连接高能点火杆、高频压力传感器和火焰传感器的3个螺孔，与其成90度圆心角壁面的底部位置设置抽/充气阀，用于对圆柱形抗爆容器抽真空及充入预混可燃气体；利用高强度螺栓把不同破膜压力的泄爆膜片夹设在圆柱形抗爆容器与不同泄爆面积的法兰盖之间，并在顶部法兰盖开口外侧塞上橡胶塞，确保圆柱形抗爆容器能够完全密封；圆柱形抗爆容器顶部可完全打开，其内壁面的底面和壁面分别预留了若干个用于固定障碍物的小孔，通过加设各种类型的障碍物附件，真实模拟类似反应器内搅拌桨等对可燃气体爆燃泄放过程的影响；圆柱形抗爆容器预设螺孔正对壁面的中间位置接有泄爆短管，并配有多个泄爆面积不同的法兰片，可进行可燃气体侧向导管泄爆的实验研究。所述配气预混装置由标准气和平衡气的专用数显质量流量计和预混腔组成，通过流量控制开关配制指定浓度组分的可燃气体以及与惰性气体混合的预混可燃气体，通过抽/充气阀充入到圆柱形抗爆容器内。所述可调式点火系统利用交流电对内置电容进行充电，通过调节电容电压来改变高能点火杆的点火能量，根据高能点火杆在圆柱形抗爆容器壁面位置点火和内部中间位置点火的两种情况，分别设计了长度不同的两种高能点火杆。高速纹影摄像及数据采集系统包括一高速摄像机和纹影光学装置以及一同步数据采集仪，将纹影光学装置的一对纹影凹凸镜面布置在圆柱形抗爆容器顶部泄爆口的外流场，通过纹影光源经过聚焦镜片1，再经过凹凸镜面后穿过纹影刀口，最后经聚焦镜片2进入高速摄像机，可拍摄泄爆射流火焰等外部流场的时序纹影图；同步数据采集仪连接高频压力传感器和火焰传感器，可实时采集可燃气体泄爆过程中的压力动态和火焰信号数据，高频压力传感器和火焰传感器根据实验需要，可将其安装在圆柱形抗爆容器的任意预留螺孔位置。
所述圆柱形抗爆容器的承压能力强，安全系数高，可对标NFPA 68、EN 14994等国内外安全工程标准开展可燃气体爆燃泄放的实验研究。在圆柱形抗爆容器与顶部法兰盖之间加设不同破膜压力（P v ）的泄爆膜片，用高强度螺栓进行连接，并在顶部法兰盖开口外侧塞上橡胶塞，确保圆柱形抗爆容器能够完全密封；利用真空泵连接圆柱形抗爆容器底部的抽/充气阀进行抽真空，用高频压力传感器监测真空度和密封性。通过拆卸顶部法兰盖，圆柱形抗爆容器顶部可完全开启，在其内部加设各种类型的障碍物附件，可进行障碍物（O bs ）对可燃气体爆燃泄放影响的实验研究；设计的顶部泄爆法兰盖具有多个开口尺寸，能够进行可燃气体在不同泄爆面积（A v ）和泄放系数（K v ）条件下的泄爆实验研究；通过在顶部法兰盖的外壁面上设置预留小浅孔，固定高频压力传感器和火焰传感器，监测泄爆外流场的压力动态和火焰信号；通过在圆柱形抗爆容器壁面的中间位置设计泄爆短管，将其连接不同尺寸的泄爆导管，开展泄爆导管（R s ）对可燃气体爆燃泄放影响的实验研究。
所述配气预混装置选用专用的数显质量流量计，通过调节标准气和平衡气的流量开度，将所需多组分浓度的可燃气体在预混腔内提前进行混合，通过抽/充阀气充入不同抽真空程度的圆柱形抗爆容器内，直至圆柱形抗爆容器处于常压/过压/低压状态，改变可燃气体在圆柱形抗爆容器内的静置时间，可形成不同初始湍流程度的可燃气体，开展不同气体组分浓度（φ）、静态动作压力（P stat ）、初始湍流程度（Initur）对可燃气体爆燃泄放影响的实验研究。
所述可调式点火系统采用交流电对内置电容进行充电，通过调节电压输入，实现点火能量可调，将不同长度的高能点火杆加设在圆柱形抗爆容器的不同螺孔处，根据高能点火杆伸入长度，实现不同点火能量（E d ）、点火位置（Ignloc）对可燃气体爆燃泄放影响的实验研究。
所述高速纹影摄像系统由高速摄像机和纹影光学装置组成，与可调式点火系统同步控制，当可燃气体泄爆外流场密度不均匀时，由纹影光源发出的光通过流场发生偏折，高速摄像机物镜上照度随之改变，进而显示流场密度变化，高速摄像机记录流场密度一阶导数分布图像，从而记录泄爆外流场火焰及压力波的形状和位置；数据采集系统包括利用高频压力传感器和火焰传感器，通过同步数据采集仪对可燃气体泄爆内外的压力和火焰进行实时采集记录。因此，所述的高速纹影摄像及数据采集系统可获得火焰时序纹影图、泄爆压力曲线、火焰强度信号，这些图像数据可用来分析可燃气体爆燃泄放过程中火焰区结构及燃烧爆炸特征，表征燃烧反应区流场结构变化，探究可燃气体爆燃泄放过程中泄爆超压和火焰的双重耦合机制。
一种研究可燃气体爆燃泄放的实验装置，其特征在于，包括利用上述实验装置进行可燃气体的爆燃泄放实验。
所述的可燃气体的爆燃泄放实验，包括如下步骤。
步骤一：根据预先设定好的实验方案，将泄爆膜片夹设在顶部法兰盖与圆柱形抗爆容器之间，在顶部法兰盖开口外侧塞上橡胶塞，根据实验目的安装调试好包括高频压力传感器、火焰传感器、纹影光学装置、高能点火杆，并将其分别与同步数据采集仪、高速摄像机、可调式点火系统进行连接。
步骤二：检查圆柱形抗爆容器的气密性，开启高频压力传感器的压力监测窗口，并进行调零，利用真空泵将圆柱形抗爆容器抽至一定真空（将绝对真空状态定为-0.10 MPa），关上抽/充气阀，静置2分钟，观察圆柱形抗爆容器内压力参数波动情况，若压力回升较快，说明圆柱形抗爆容器未实现完全密封，必须进行调整；若读数稳定，说明气密性良好，能够开展实验。
步骤三：根据圆柱形抗爆容器的抽真空程度，按照道尔顿分压原理和配气预混装置的配气方法，配制所需浓度组分的预混可燃气，待数显质量流量计显示稳定后，将其接入抽/充气阀，并缓慢打开，让稳定的预混可燃气充入圆柱形抗爆容器中，通过观察压力监测窗口，最终将其充至所需常压/过压/低压状态。充气完毕后，根据实验方案让圆柱形抗爆容器内的可燃气体静置一段时间，使可燃气体达到不同的初始混合程度。
步骤四：取下橡胶塞，将压力和火焰监测窗口再次调零，并让其处于采集记录状态，将高速摄像机调整至能够拍摄泄爆外流场纹影图像的状态，调节可调式点火系统电压，启动可调式点火系统的触发开关，进行点火引爆。
步骤五：在一次可燃气体爆燃泄放实验完成后，储存高速摄像机拍摄捕获的泄爆外流场时序纹影图像和数据采集仪记录的压力动态、火焰信号数据，打开抽/充气阀，利用真空泵进行吹扫换气，然后进入下一实验程序。
所述的一种研究可燃气体爆燃泄放的实验方法，其特征在于，通过高频压力传感器、火焰探测器以及高速摄像机配合纹影光学装置，对圆柱形抗爆容器爆燃泄放过程的压力、火焰及外流场等进行数据图像采集，可获得P v 、O bs 、A v 、K v 、R s 、φ、P stat 、Initur、E d 、Ignloc等因素对可燃气体爆燃泄放超压和火焰的影响特征，为可燃气体爆燃泄爆实验研究提供思路方法。
本发明的有益效果是。
（1）本发明提供了一种用于研究可燃气体爆燃泄放的实验装置及应用方法，能够对可燃气体爆燃泄放过程中的压力、火焰等重要特征参数及图像进行采集记录，且本发明的实验装置具有较好的扩展性，可根据需要人为控制实验环境及实验条件。
（2）本发明利用高频压力传感器监测爆燃泄放过程中的压力动态上升特性，火焰传感器获得爆燃泄放过程中火焰燃烧强度，并结合高速摄像机配合纹影光学装置捕获的纹影图像，分析可燃气体爆燃泄放超压和火焰耦合作用关系，对可燃气体爆燃泄放过程的超压峰值和火焰传播动力学等方面进行深入研究。
（3）本发明设计的圆柱形抗爆容器、提出的可燃气浓度组分调配方法以及数据图像采集系统，并根据操作步骤，能够开展破膜压力、障碍物、泄爆面积、泄放系数、泄爆导管、气体组分浓度、静态动作压力、初始湍流程度、点火能量、点火位置等因素对可燃气体爆燃泄放的超压瞬变和火焰行为的影响研究。
附图说明
图1是本发明的整体实验装置示意图。
图2是本发明的圆柱形抗爆容器的主视图和俯视图。
其中：1-圆柱形抗爆容器；2-法兰盖；3-高能点火杆；4-高频压力传感器；5-火焰传感器；6-抽/充气阀；7-泄爆膜片；8-橡胶塞；9-泄爆短管；10-法兰片；11-配气预混装置；12-可调式点火系统；13-高速摄像机；14-同步数据采集仪；15-纹影凹凸镜面；16-纹影光源；17-聚焦镜片1；18-纹影刀口；19-聚焦镜片2。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明公开的一种研究气体爆燃泄放的实验装置及应用方法，整个实验装置包括泄爆容器、配气预混装置、可调式点火系统和高速纹影摄像及数据采集系统。本发明中的泄爆容器采用Q345R钢材，设计承压能力20 MPa，包括一个圆柱形抗爆容器及其若干个顶部开口法兰盖。圆柱形抗爆容器的内直径为250 mm，高为350 mm，长径比D/L=1.4。在圆柱形抗爆容器壁面右侧竖直方向的底部、中部和上部位置开设了M 20×1.5的3个螺孔，分别距离底部50 mm、120 mm和200 mm，可任意连接高能点火杆、高频压力传感器和火焰传感器，与其成90度圆心角的壁面上开设M 14×1.5的螺孔，连接DN5的角式截止阀作为抽/充气阀，其距离底部50 mm，该抽/充气阀用于对圆柱形抗爆容器抽真空及充入预混可燃气体。顶部开口法兰盖的开口尺寸包括有φ=200 mm、φ=175 mm、φ=150 mm、φ=125 mm、φ=100 mm、φ=75mm、φ=50 mm、φ=20 mm的8个平板法兰盖，并在顶部法兰盖的盖面（即泄爆口周边）预留了φ=5 mm的浅孔，用于固定高频压力传感器和火焰传感器。利用高强度螺栓把不同破膜压力的泄爆膜片，如PVC薄片，夹设在圆柱形抗爆容器与不同泄爆面积的法兰盖之间，并在顶部法兰盖开口外侧塞上橡胶塞，橡皮塞根据开口尺寸同步加工，确保圆柱形抗爆容器能够完全密封。在圆柱形抗爆容器左侧壁面的中间位置接有泄爆短管，长L=75 mm，直径φ=50mm，配有开口尺寸φ=50 mm、φ=40 mm、φ=30 mm、φ=20 mm、φ=10 mm的5个法兰片，该泄爆短管可接入不同长度尺寸的泄爆导管。圆柱形抗爆容器顶部法兰盖可完全打开，其内壁面的底面和壁面分别预留了若干φ=5 mm的浅孔，用于固定不同结构尺寸的障碍物，用于真实模拟类似反应器内搅拌桨等场景。
配气预混装置由标准气和平衡气的专用数显质量流量计和预混腔组成，通过流量控制开关配制指定浓度组分的可燃气体以及与惰性气体混合的预混可燃气体，通过抽/充气阀充入到圆柱形抗爆容器内。选用标准气（即可燃气体，如甲烷、一氧化碳、氢气等）的量程为0~1 SLPM（标准状态下，升/每分钟），平衡气（即载气，如空气、氮气、抑制剂等）的量程为0~3 SLPM，流量调节精度为0.1，可配比的可燃气体浓度举例进行说明：如甲烷与空气进行混合，形成甲烷/空气的预混气体，甲烷浓度可调范围：当甲烷控制0.1 SLPM的流量输出，空气控制3 SLPM的流量输出，那么甲烷与空气混合后，输出的最低甲烷浓度φ=0.1/（0.1+3）=3.23%；反之，当甲烷控制1 SLPM的流量输出，空气控制0.3 SLPM的流量输出，那么甲烷与空气混合后，输出的最高甲烷浓度φ=1/（1+0.3）)=76.92%；因此，甲烷/空气所能配比的甲烷浓度在3.23%~76.92%，涵盖了甲烷的爆炸极限范围，并采用道尔顿分压原理，根据圆柱形抗爆容器抽真空程度及最终实验所需可燃气体浓度，调控配气预混装置标准气和平衡气的流量开关，充入至负压状态的圆柱形抗爆容器内。
所述可调式点火系统通过交流电对内置电容进行充电，采用调节电容电压来改变高能点火杆的点火能量，点火能量按照E=0.5CU2进行计算（E是点火能量J，C是电容量F，U是电压V），可调式点火系统选用KTD-A点火装置，点火能力在3~20 J范围内可调，并设置了同步控制接口，与高速摄像机相连，高能点火杆包括长度为125 mm和20 mm两种规格，可在圆柱形抗爆容器的壁面位置和内部空间位置点火。高速纹影摄像及数据采集系统由高速摄像机和纹影光学装置以及同步数据采集仪组成，高速摄像机选用Phantom V7.3型，最高拍摄速率190476 fps，高速摄像机由可调式点火系统的触发开关实现同步控制。纹影光学装置采用标准的“Z”型光路布置，将纹影凹凸镜面的光路布置在圆柱形抗爆容器的顶部泄爆口外流场，纹影光源为碘钨灯，光源发出的光经过小孔后形成光源，通过聚焦镜片1，再经过凹凸镜面后穿过纹影刀口，最后经聚焦镜片2进入高速摄像机。同步数据采集仪连接高频压力传感器和火焰传感器，同步数据采集仪选用TS-HP6300动态信号采集仪，能够采集爆燃泄放过程中压力动态数据和火焰信号数据。由于预混可燃气在爆燃泄放过程中的燃烧爆炸速度快，实验持续时间短，因此选用快速响应的高频压力传感器；同时由于燃烧爆炸具有瞬间较高温度，因此选用防高温燃烧的火焰探测器。本实验装置中的高频压力传感器选用CY400型压力传感器来监测爆燃泄放的动态超压，其量程为0~5MPa，非线性度FS< ±0.5 %，固有频率>400 KHz；火焰传感器选用CKG100型火焰传感器探测爆燃火焰传播信号，其可见光响应光谱340 nm~980 nm，响应时间≤100 μs，通过TS-HP6300动态信号采集仪及配套软件实时记录实验数据。高频压力传感器和火焰传感器根据实验需要，可将其安装在圆柱形抗爆容器的任意预留螺孔位置。
本发明的工作过程如下：（1）根据预先设定好的实验方案，将泄爆膜片夹设在顶部法兰盖与圆柱形抗爆容器之间，在顶部法兰盖开口外侧塞上橡胶塞，根据实验目的安装调试好包括高频压力传感器、火焰传感器、纹影光学装置、高能点火杆，并将其分别与同步数据采集仪、高速摄像机、可调式点火系统进行连接；（2）检查圆柱形抗爆容器的气密性，开启高频压力传感器的压力监测窗口，并进行调零，利用真空泵将圆柱形抗爆容器抽至一定真空（将绝对真空状态定为-0.10 MPa），关上抽/充气阀，静置2分钟，观察圆柱形抗爆容器内压力参数波动情况，若压力回升较快，说明圆柱形抗爆容器未实现完全密封，必须进行调整；若读数稳定，说明气密性良好，能够开展实验；（3）根据圆柱形抗爆容器的抽真空程度，按照道尔顿分压原理和配气预混装置的配气方法，配制所需浓度组分的预混可燃气，待数显质量流量计显示稳定后，将其接入抽/充气阀，并缓慢打开，让稳定的预混可燃气充入圆柱形抗爆容器中，通过观察压力监测窗口，最终将其充至所需常压/过压/低压状态。充气完毕后，根据实验方案让圆柱形抗爆容器内的可燃气体静置一段时间，使可燃气体达到不同的初始混合程度；（4）取下橡胶塞，将压力和火焰监测窗口再次调零，并让其处于采集记录状态，将高速摄像机调整至能够拍摄泄爆外流场纹影图像的状态，调节可调式点火系统电压，启动可调式点火系统的触发开关，进行点火引爆；（5）在一次可燃气体爆燃泄放实验完成后，储存高速摄像机拍摄捕获的泄爆外流场时序纹影图像和数据采集仪记录的压力动态、火焰信号数据，打开抽/充气阀，利用真空泵进行吹扫换气，然后进入下一实验程序。
本发明提供了一种研究可燃气体爆燃泄放的超压瞬变和火焰行为的实验装置及应用方法，通过高频压力传感器、火焰传感器以及高速摄像机配合纹影光学装置，对圆柱形抗爆容器爆燃泄放过程的压力、火焰及外流场等进行数据图像的采集记录。利用高频压力传感器和火焰传感器监测圆柱形抗爆容器爆燃泄放过程中内外压力动态和火焰信号参数，结合高速摄像机和纹影光学装置捕获的外流场纹影时序图，可分析可燃气体爆燃泄放过程中泄爆超压和火焰的耦合机制，包括Helmholtz共振引起的超压、火焰的Rayleigh-Taylor不稳定等。利用该装置可进行诸多影响因素下可燃气体爆燃泄放超压和火焰特征方面研究，例如可开展不同破膜压力（P v ）条件下的爆燃泄放实验，还可分别研究障碍物（O bs ）、泄爆面积（A v ）、泄放系数（K v ）、泄爆导管（R s ）、气体组分浓度（φ）、静态动作压力（P stat ）、初始湍流程度（Initur）、点火能量（E d ）、点火位置（Ignloc）等因素对可燃气体爆燃泄放的超压瞬变和火焰行为的影响，分析预混可燃气体爆燃泄放超压峰值的分布特征和峰结构的形成机理，探索典型超压峰值（泄爆开启形成的峰值P b ，外部爆炸形成的峰值P ext ，爆室最大火焰面积形成的峰值P red ，爆室结构与声波相互作用引起燃烧火焰震荡形成的峰值P ac ）与爆燃火焰的协同效应。
以上显示和描述了本发明的实施方式、基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种研究可燃气体爆燃泄放的实验装置，其特征在于，它包括一泄爆容器、一配气预混装置、一可调式点火系统和一高速纹影摄像及数据采集系统；所述泄爆容器包括一圆柱形抗爆容器（1）和若干个法兰盖（2），分别在圆柱形抗爆容器（1）壁面的底部、中部和上部位置开设了可连接高能点火杆（3）、高频压力传感器（4）和火焰传感器（5）的3个螺孔，与其成90度圆心角壁面的底部位置设置抽/充气阀（6），用于对圆柱形抗爆容器（1）抽真空及充入预混可燃气体；利用高强度螺栓把不同破膜压力的泄爆膜片（7）夹设在圆柱形抗爆容器（1）与不同泄爆面积的法兰盖（2）之间，并在顶部法兰盖开口外侧塞上橡胶塞（8），确保圆柱形抗爆容器（1）能够完全密封；圆柱形抗爆容器（1）顶部可完全打开，其内壁面的底面和壁面分别预留了若干个用于固定障碍物的小孔，通过加设各种类型的障碍物附件，真实模拟类似反应器内搅拌桨等对可燃气体爆燃泄放过程的影响；圆柱形抗爆容器（1）预设螺孔正对壁面的中间位置接有泄爆短管（9），并配有多个泄爆面积不同的法兰片（10），可进行可燃气体侧向导管泄爆的实验研究；所述配气预混装置（11）由标准气和平衡气的专用数显质量流量计和预混腔组成，通过流量控制开关配制指定浓度组分的可燃气体以及与惰性气体混合的可燃气体，通过抽/充气阀（6）充入到圆柱形抗爆容器（1）内；所述可调式点火系统（12）通过交流电对内置电容进行充电，利用调节电容电压来改变高能点火杆（3）的点火能量，根据高能点火杆（3）在圆柱形抗爆容器（1）壁面位置点火和内部中间位置点火的两种情况，分别设计了长度不同的两种高能点火杆（3）；高速纹影摄像及数据采集系统包括一高速摄像机（13）和纹影光学装置以及一同步数据采集仪（14），将纹影光学装置的一对纹影凹凸镜面（15）布置在圆柱形抗爆容器顶部泄爆口的外流场，通过纹影光源（16）经过聚焦镜片1（17），再经过凹凸镜面后穿过纹影刀口（18），最后经聚焦镜片2（19）进入高速摄像机，可拍摄泄爆射流火焰等外部流场的时序纹影图；同步数据采集仪（16）连接高频压力传感器（4）和火焰传感器（5），可实时采集可燃气体泄爆过程中的压力动态和火焰信号数据，高频压力传感器（4）和火焰传感器（5）根据实验需要，可将其安装在圆柱形抗爆容器（1）的任意预留螺孔位置。
2.根据权利要求1所述的一种研究可燃气体爆燃泄放的实验装置，其特征在于，所述圆柱形抗爆容器（1）的承压能力强，安全系数高，可对标NFPA 68、EN 14994等国内外安全工程标准开展可燃气体爆燃泄放的实验研究；在圆柱形抗爆容器（1）与顶部法兰盖（2）之间加设不同破膜压力（P v ）的泄爆膜片（7），用高强度螺栓进行连接，并在顶部法兰盖（2）开口外侧塞上橡胶塞（8），确保圆柱形抗爆容器（1）能够完全密封；利用真空泵连接圆柱形抗爆容器（1）底部的抽/充气阀（6）进行抽真空，用高频压力传感器（4）监测真空度和密封性；通过拆卸顶部法兰盖（2），圆柱形抗爆容器（1）顶部可完全开启，在其内部加设各种类型的障碍物附件，可进行障碍物（O bs ）对可燃气体爆燃泄放影响的实验研究；设计的顶部泄爆法兰盖（2）具有多个开口尺寸，能够进行可燃气体在不同泄爆面积（A v ）、泄放系数（K v ）条件下的泄爆实验研究；通过在顶部法兰盖（2）的外壁面上设置预留小浅孔，固定高频压力传感器（4）和火焰传感器（5），监测泄爆外流场的压力动态和火焰信号；通过在圆柱形抗爆容器壁面的中间位置设计泄爆短管（9），将其连接不同尺寸的泄爆导管，开展泄爆导管（R s ）对可燃气体爆燃泄放影响的实验研究。
3.根据权利要求1所述的一种研究可燃气体爆燃泄放的实验装置，其特征在于，所述配气预混装置（11）选用专用的数显质量流量计，通过调节标准气和平衡气的流量开度，将所需多组分浓度的可燃气体在预混腔内提前进行混合，通过抽/充气阀（6）充入不同抽真空程度的圆柱形抗爆容器（1）内，直至圆柱形抗爆容器（1）处于常压/过压/低压状态，改变可燃气体在圆柱形抗爆容器（1）内的静置时间，可形成不同初始湍流程度的可燃气体，开展不同气体组分浓度（φ）、静态动作压力（P stat ）、初始湍流程度（Initur）对可燃气体爆燃泄放影响的实验研究。
4.根据权利要求1所述的一种研究可燃气体爆燃泄放的实验装置，其特征在于，所述可调式点火系统（12）采用交流电对内置电容进行充电，通过调节电压输入，实现点火能量可调；将不同长度的高能点火杆（3）加设在圆柱形抗爆容器（1）的不同螺孔处，根据高能点火杆伸入长度，实现不同点火能量（E d ）、点火位置（Ignloc）对可燃气体爆燃泄放影响的实验研究。
5.根据权利要求1所述的一种研究可燃气体爆燃泄放的实验装置，其特征在于，所述高速纹影摄像系统由高速摄像机（13）和纹影光学装置组成，与可调式点火系统（12）同步控制；当可燃气体泄爆外流场密度不均匀时，由纹影光源（16）发出的光通过流场发生偏折，高速摄像机物镜上照度随之改变，进而显示流场密度变化，高速摄像机（13）记录流场密度一阶导数分布图像，从而记录泄爆外流场火焰及压力波的形状和位置；数据采集系统包括利用高频压力传感器（4）和火焰传感器（5），通过同步数据采集仪（14）对可燃气体泄爆内外的压力和火焰进行实时采集记录；因此，所述的高速纹影摄像及数据采集系统可获得火焰时序纹影图、泄爆压力曲线、火焰强度信号，这些图像数据可用来分析可燃气体爆燃泄放过程中火焰区结构及燃烧爆炸特征，表征燃烧反应区流场结构变化，探究可燃气体爆燃泄放过程中泄爆超压和火焰的双重耦合机制。
6.一种研究可燃气体爆燃泄放的实验装置，其特征在于，包括利用权利要求1-5所述的实验装置进行可燃气体的爆燃泄放实验；所述的可燃气体的爆燃泄放实验，包括如下步骤：
步骤一：根据预先设定好的实验方案，将泄爆膜片夹设在顶部法兰盖与圆柱形抗爆容器之间，在顶部法兰盖开口外侧塞上橡胶塞，根据实验目的安装调试好包括高频压力传感器、火焰传感器、纹影光学装置、高能点火杆，并将其分别与同步数据采集仪、高速摄像机、可调式点火系统进行连接；
步骤二：检查圆柱形抗爆容器的气密性，开启高频压力传感器的压力监测窗口，并进行调零，利用真空泵将圆柱形抗爆容器抽至一定真空（将绝对真空状态定为-0.10MPa），关上抽/充气阀，静置2分钟，观察圆柱形抗爆容器内压力参数波动情况，若压力回升较快，说明圆柱形抗爆容器未实现完全密封，必须进行调整；若读数稳定，说明气密性良好，能够开展实验；
步骤三：根据圆柱形抗爆容器的抽真空程度，按照道尔顿分压原理和配气预混装置的配气方法，配制所需浓度组分的预混可燃气，待数显质量流量计显示稳定后，将其接入抽/充气阀，并缓慢打开，让稳定的预混可燃气充入圆柱形抗爆容器中，通过观察压力监测窗口，最终将其充至所需常压/过压/低压状态；充气完毕后，根据实验方案让圆柱形抗爆容器内的可燃气体静置一段时间，使可燃气体达到不同的初始混合程度；
步骤四：取下橡胶塞，将压力和火焰监测窗口再次调零，并让其处于采集记录状态，将高速摄像机调整至能够拍摄泄爆外流场纹影图像的状态，调节可调式点火系统电压，启动可调式点火系统的触发开关，进行点火引爆；
步骤五：在一次可燃气体爆燃泄放实验完成后，储存高速摄像机拍摄捕获的泄爆外流场时序纹影图像和数据采集仪记录的压力动态、火焰信号数据，打开抽/充气阀，利用真空泵进行吹扫换气，然后进入下一实验程序。
7.根据权利要求6所述的一种研究可燃气体爆燃泄放的实验方法，其特征在于，通过高频压力传感器、火焰传感器以及高速摄像机配合纹影光学装置，对圆柱形抗爆容器爆燃泄放过程的压力、火焰及外流场等进行数据图像采集，可获得P v 、O bs 、A v 、K v 、R s 、φ、P stat 、Initur、E d 、Ignloc等因素对可燃气体爆燃泄放超压和火焰的影响特征，为可燃气体爆燃泄爆实验研究提供思路方法。
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|---|---|
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112345589A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-02-09 | 应急管理部天津消防研究所 | 一种燃气爆燃实验模拟平台 |
| CN112834567A (zh) * | 2021-01-26 | 2021-05-25 | 南京工业大学 | 一种初始流态预混可燃气体/粉尘爆炸实验装置及方法 |
| CN112881465A (zh) * | 2021-01-13 | 2021-06-01 | 北京理工大学 | 一种多初始态燃料瞬态反应流场参数测试系统 |
| CN113533430A (zh) * | 2021-07-05 | 2021-10-22 | 西安近代化学研究所 | 一种电爆炸与含能材料协同爆炸效应的试验观测方法 |
| CN114813405A (zh) * | 2022-05-06 | 2022-07-29 | 南京工业大学 | 一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置和方法 |
| CN115266825A (zh) * | 2021-07-16 | 2022-11-01 | 西安科技大学 | 动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103454396A (zh) * | 2013-09-06 | 2013-12-18 | 中国科学技术大学 | 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 |
| CN103454308A (zh) * | 2013-09-23 | 2013-12-18 | 中国科学技术大学 | 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 |
| CN107870180A (zh) * | 2018-01-10 | 2018-04-03 | 南京工业大学 | 气体爆炸特性结构效应的测试系统 |
| CN108627404A (zh) * | 2018-08-03 | 2018-10-09 | 南京工业大学 | 泄爆火焰诱发蒸气云爆炸的测试系统及其测试方法 |
| CN111272817A (zh) * | 2020-03-19 | 2020-06-12 | 太原理工大学 | 激光辐照下热粉尘引燃可燃气体爆炸特性参数测试装置 |
| CN212568571U (zh) * | 2020-07-26 | 2021-02-19 | 宁波工程学院 | 一种研究可燃气体爆燃泄放的实验装置 |
-
2020
- 2020-07-26 CN CN202010726852.4A patent/CN111678947A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103454396A (zh) * | 2013-09-06 | 2013-12-18 | 中国科学技术大学 | 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 |
| CN103454308A (zh) * | 2013-09-23 | 2013-12-18 | 中国科学技术大学 | 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 |
| CN107870180A (zh) * | 2018-01-10 | 2018-04-03 | 南京工业大学 | 气体爆炸特性结构效应的测试系统 |
| CN108627404A (zh) * | 2018-08-03 | 2018-10-09 | 南京工业大学 | 泄爆火焰诱发蒸气云爆炸的测试系统及其测试方法 |
| CN111272817A (zh) * | 2020-03-19 | 2020-06-12 | 太原理工大学 | 激光辐照下热粉尘引燃可燃气体爆炸特性参数测试装置 |
| CN212568571U (zh) * | 2020-07-26 | 2021-02-19 | 宁波工程学院 | 一种研究可燃气体爆燃泄放的实验装置 |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112345589A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-02-09 | 应急管理部天津消防研究所 | 一种燃气爆燃实验模拟平台 |
| CN112881465A (zh) * | 2021-01-13 | 2021-06-01 | 北京理工大学 | 一种多初始态燃料瞬态反应流场参数测试系统 |
| CN112834567A (zh) * | 2021-01-26 | 2021-05-25 | 南京工业大学 | 一种初始流态预混可燃气体/粉尘爆炸实验装置及方法 |
| CN113533430A (zh) * | 2021-07-05 | 2021-10-22 | 西安近代化学研究所 | 一种电爆炸与含能材料协同爆炸效应的试验观测方法 |
| CN113533430B (zh) * | 2021-07-05 | 2023-08-11 | 西安近代化学研究所 | 一种电爆炸与含能材料协同爆炸效应的试验观测方法 |
| CN115266825A (zh) * | 2021-07-16 | 2022-11-01 | 西安科技大学 | 动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置及方法 |
| CN115266825B (zh) * | 2021-07-16 | 2024-05-17 | 西安科技大学 | 动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置及方法 |
| CN114813405A (zh) * | 2022-05-06 | 2022-07-29 | 南京工业大学 | 一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置和方法 |
| CN114813405B (zh) * | 2022-05-06 | 2023-06-30 | 南京工业大学 | 一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置和方法 |
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