CN112230015A - 一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统及方法，其特征在于，包括激波管、传感器座、光纤、光电二极管、数据采集系统和计算机；激波管的顶部设置有至少两传感器座，每一传感器座均通过一光纤连接一光电二极管的输入端，每一光电二极管的输出端分别并联连接一电源和电阻的一端；每一电源和电阻的另一端分别连接数据采集系统，数据采集系统还连接计算机；数据采集系统用于采集各光电二极管转换的电信号及其出现时间；计算机用于确定瓦斯/空气预混气体爆燃的火焰传播速度，本发明能够解决未能准确测试火焰传播速度的问题，可以广泛应用于安全科学与技术领域中。

Description

一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统及方法

技术领域

本发明是关于一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统及方法，属于安全科学与技术领域。

背景技术

预混气体爆燃给安全生产带来极大的灾害，其不止发生在煤矿井下，同样也会发生在化工厂等场地。预混气体爆燃涉及到火焰加速机制、爆燃传播特性以及爆燃转爆轰等学术问题，且爆燃事故多发生在结构复杂的环境内，导致爆燃传播过程十分复杂，其包含的物理和化学机制至今仍未揭示清楚。同时，该类问题也一直是力学学科和安全学科所研究的经典问题和前沿问题，虽然各国家和地区多次立项研究此类问题，但是该类问题造成的事故依旧屡见不鲜，究其原因仍然是对预混气体爆燃流场的演化过程，尤其是火焰微观结构信息认识不清，且不能正确认识爆燃转爆轰的机理，而火焰速度是判定DDT(双对氯苯基三氯乙烷)转化的标准。

以瓦斯/空气预混气体为例，对瓦斯爆燃的火焰传播规律的研究是认识瓦斯爆燃的关键，目前普遍的学术观点是诱导激波后面伴随化学反应区(火焰)，火焰传播的规律直接影响着前驱冲击波的强度和特性，决定着瓦斯爆燃的破坏强度。目前，各国家和地区将较多精力用在研究火焰从弱点火逐渐加速到爆燃转爆轰的整个过程，或研究压力峰值、上升速率和流场温度等参数，并没有过多关注火焰传播速度问题，火焰传播速度是预混气体爆燃过程中的重要特征参数，它决定预混气体的燃烧速率(层流向湍流转化)，反映预混火焰的稳定性，并常被用于验证不同可燃物的化学反应机理。对瓦斯爆燃火焰传播规律的研究是认识瓦斯爆燃流场，尤其是波系演化过程的关键，在研究瓦斯/空气预混气体爆燃机理过程中，火焰前端传播速度是最重要的因素之一。

可燃气体爆燃事故大多发生在储罐群、楼房群、厂房、生产线或地下管网等复杂的几何结构中，且初始时刻可燃气体浓度分布不均，这些因素导致其爆燃过程呈现高度的非定常特性，火焰、高速气流和冲击波在这些障碍物(群)中的传播机理和特性非常复杂，存在几何边界、运动冲击波和化学反应强烈的相互作用。另一方面，由于可燃性气体爆燃过程中包含火焰加速、爆燃甚至爆轰等不同阶段，各个阶段传播特征及机理不尽相同。当激波和火焰面均是以定常的速度向前运动，激波和火焰面之间的距离也是定值，相应的火焰传播速度很容易得到，但是实际中瓦斯/空气预混气体产生爆燃流场是非定常的，瓦斯/空气预混气体爆燃流场的波系结构为前面是诱导激波，后面是化学反应区即火焰区域，激波和火焰面均是以非定常的速度向前运动，结果是激波和火焰面之间的距离也是非定值，对应的激波与火焰面之间的时间差不能精确地给出。当反应开始时火焰的速度还很小，形成的是层流火焰，其厚度大约为一毫米，在这个区域内，压力和比容都会发生急剧的变化，影响进行化学反应预混气的温度。已燃区的温度梯度微元开始裂解，未燃预混气一个微元进入火焰面时发生化学反应，生成自由基或原子，并放出大量热且发出亮光。紧接着，预混气的燃烧加剧，火焰面的速度加快，形成湍流火，流体内将形成大量涡团流动，预混气动量和能量将依靠涡团迅速传播，促使火焰的加速。不同的湍流状态有不同的湍流强度和湍流尺度，对燃烧所起的作用也有所不同，使得火焰的形状以及内部有明显的差异。激波的速度可以通过读取其扫过PCB压电传感器的相应时间和经典激波关系求得，而火焰传播速度这一重要数据则没有很好的测试方法，实验中也不易得到火焰传播速度的准确测量值，因此无法确定瓦斯爆燃中波系演化过程。

作为预混气体爆燃过程中的基本特性，点火和火焰传播性能直接关系到爆燃过程的稳定性、经济性和清洁性，是爆燃设备的理论基础。因此，深入认识和掌握预混气体的点火和火焰传播特性，对于先进爆燃系统的设计和优化具有重要意义。现有技术包括一种用于航空发动机燃烧室测量的火焰热线测速系统，是通过光信号采集模块接收燃烧室内自发辐射的光信号，通过光电倍增及模电转换模块将光信号进行波长选择放大处理以及转换为对应的电压信号，通过燃烧处理模块将电压信号进行运算处理确定火焰传播速度，实现对燃烧室内的火焰传播速度进行实时在线测量。然而，该系统并不能直接通用于煤矿行业，现有技术中也没有能够高效、快速且准确地测试瓦斯/ 空气预混气体在爆燃过程中的火焰传播速度的系统或方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种高效、快速且准确的预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统及方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，包括激波管、传感器座、光纤、光电二极管、数据采集系统和计算机；

所述激波管的顶部设置有至少两所述传感器座，所述激波管用于模拟瓦斯爆燃过程得到瓦斯/空气预混气体爆燃火焰的光信号，每一所述传感器座均通过一所述光纤连接一所述光电二极管的输入端，所述光电二极管用于将光信号转换为电信号，每一所述光电二极管的输出端分别并联连接一电源和电阻的一端，所述电源和电阻用于分流电流；每一所述电源和电阻的另一端分别连接所述数据采集系统，所述数据采集系统还连接所述计算机；

所述数据采集系统用于采集各所述光电二极管转换的电信号及其出现时间；

所述计算机用于根据各所述光电二极管转换的电信号及其出现时间，以及各所述传感器座之间的距离，确定瓦斯/空气预混气体爆燃的火焰传播速度。

进一步地，该测试系统还包括示波器，每一所述电源和电阻的另一端还分别连接所述示波器，所述示波器用于显示各所述光电二极管转换的电信号。

进一步地，每一所述光电二极管、电源和电阻均设置在机箱内。

进一步地，所述计算机内设置有数据获取模块、数据处理模块和数据存储模块；

所述数据获取模块用于获取所述数据采集系统发送的各所述光电二极管转换的电信号及其出现时间，以及各所述传感器座之间的距离；

所述数据处理模块用于根据各所述光电二极管转换的电信号及其出现时间，以及各所述传感器座之间的距离，确定瓦斯/空气预混气体爆燃的火焰传播速度；

所述数据存储模块用于存储获取的各项数据及确定的火焰传播速度。

进一步地，所述激波管上设置有观察窗，所述激波管由若干首尾相连的实验管道构成。

进一步地，每一所述光纤均采用直径为2mm的塑料光纤，并通过SMA905光纤接头与对应所述光电二极管的输入端耦合。

进一步地，每一所述光电二极管均采用型号为GT101的硅PIN光电二极管，每一所述光电二极管的输入端内部均设置有直径为2.5mm、长度为13mm的长孔，每一所述光电二极管的输入端外部均采用螺纹连接所述SMA905光纤接头，每一所述光电二极管的中部两侧均对称设置有两o型密封圈。

进一步地，每一所述光电二极管的峰值波长均为900nm，其光谱响应范围为 400nm～1100nm。

一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试方法，包括以下内容：

1)将各光电二极管和数据采集系统分别连接恒电源，将数据采集系统连接计算机，并为恒流源、数据采集系统和计算机接通电源后，开启恒流源、数据采集系统和计算机；

2)在激波管的顶部设置至少两个传感器座，激波管模拟瓦斯爆燃过程，得到瓦斯/空气预混气体爆燃火焰的光信号；

3)光信号通过各传感器座经对应的光纤传送至对应的光电二极管，各光电二极管分别将光信号转换为电信号，并传输至数据采集系统；

4)数据采集系统采集各光电二极管转换的电信号，并将采集的各电信号及其出现时间发送至计算机；

5)计算机根据各光电二极管转换的电信号及其出现时间，以及各传感器座之间的距离，确定瓦斯/空气预混气体爆燃的火焰传播速度。

进一步地，所述步骤5)的具体过程为：

5.1)数据获取模块获取数据采集系统发送的各光电二极管转换的电信号及其出现时间，以及各传感器座之间的距离；

5.2)数据处理模块根据各光电二极管转换的电信号的出现时间，计算两两光电二极管之间产生的时间差；

5.3)数据处理模块将两传感器座之间的距离s与计算的对应时间差Δt相除，得到对应的火焰传播速度v：

v＝s/Δt。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：在瓦斯/空气预混气体爆燃和惰性气体阻燃的工程中，波系结构前端的诱导激波和跟随其后的化学反应区是表征其过程的重要因素，而火焰的速度、宽度以及变化情况主要是通过光电传感器来采集参数，基于瓦斯空气预混器爆燃火焰光的波长范围，本发明提出将光信号转化为电信号的思想，当瓦斯爆燃火焰到达时进行采集，经光电二极管处理，通过光纤和光电二极管等装置，将爆燃流场中火焰光信号准确地转化为电信号，即将不能精确测试的光信号转化为可以精确测试的电信号，能够解决未能准确测试火焰传播速度的问题，可以广泛应用于安全科学与技术领域中。

附图说明

图1是本发明测试系统的结构示意图；

图2是本发明中型号为GT101的光电二极管的结构示意图；

图3是本发明中型号为GT101的光电二极管的电路示意图；

图4是本发明中型号为GT101的光电二极管总体装配示意图；

图5是本发明实施例中实验装置的结构示意图；

图6是本发明实施例中压力传感器和火焰传感器的布置示意图；

图7是本发明实施例中火焰阵面在各测点处的光电信号示意图，其中，横坐标为时间，纵坐标为光信号电压值；

图8是本发明实施例中火焰阵面位置和火焰平均速度随时间变化的示意图，其中，横坐标为时间，纵坐标为据点火端的距离。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

实施例一

如图1所示，本发明提供的预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统包括激波管1、传感器座2、光纤3、光电二极管4、电源5、电阻6、示波器7、数据采集系统8和计算机9。

激波管1的顶部设置有至少两个传感器座2，激波管1用于模拟煤矿井下的瓦斯爆燃过程得到瓦斯/空气预混气体爆燃火焰的光信号，每一传感器座2均通过一光纤3 连接一光电二极管4的输入端，光电二极管4用于将光信号转换为电信号，光电二极管4是在反向电压作用工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，称为暗电流；有光照时，反向电流迅速增大至几十微安，称为光电流。光照强度越大，则反向电流越大，光照变化引起光电二极管4的电流变化，这就可以将光信号转换成电信号，成为光电传感器件。每一光电二极管4的输出端分别并联连接一电源5和一电阻6的一端，电源5和电阻6用于分流电流以保护光电二极管4，每一电源5和电阻6的另一端分别连接示波器7和数据采集系统8，数据采集系统8还连接计算机9，示波器7用于显示各光电二极管4转换的瓦斯/空气预混气体爆燃火焰的电信号，数据采集系统8用于采集各光电二极管4转换的瓦斯/空气预混气体爆燃火焰的电信号及其出现时间，计算机 9用于根据各光电二极管4转换的电信号及其出现时间，以及各传感器座2之间的距离，确定瓦斯/空气预混气体爆燃的火焰传播速度。

在一个优选的实施例中，激波管1上设置有观察窗，观察窗可以采用K9石英有机玻璃材料。

在一个优选的实施例中，激波管1由若干首尾相连的实验管道构成。

在一个优选的实施例中，每一光电二极管4、电源5和电阻6均设置在机箱10内。

在一个优选的实施例中，每一光纤3均采用直径为2mm的塑料光纤，并通过SMA905光纤接头与对应光电二极管4的输入端耦合。

在一个优选的实施例中，如图2所示，每一光电二极管4均可以采用型号为GT101的硅PIN光电二极管，在反向偏置条件下工作，每一光电二极管4的输入端内部均设置有直径为2.5mm、长度为13mm的长孔，每一光电二极管4的输入端外部均采用螺纹连接SMA905光纤接头，螺纹采用M20*1.5的螺纹，每一光电二极管4的中部两侧均对称设置有两o型密封圈。当激波管1模拟的瓦斯/空气预混气体爆燃火焰光信号到达传感器座2时，光信号从传感器座2的空中传入光纤3，通过光纤3再导入光电二极管4 中。

在一个优选的实施例中，如图3所示，每一光电二极管4的峰值波长均大约为900nm，其光谱响应范围为400nm～1100nm，对于450nm～650nm的光谱有较高的响应。

在一个优选的实施例中，如图4所示，设置光电二极管4的数量为50，将50个光电二极管4通过电路板供电和提供电阻，使得火焰信号能够方便快捷地传输至光电二极管5上，以及通过提供稳定的15v电压和电阻，使得转化的电信号有序的发送至示波器7和数据采集系统8。

在一个优选的实施例中，计算机9内设置有数据获取模块、数据处理模块和数据存储模块。数据获取模块用于获取数据采集系统8发送的各光电二极管4转换的电信号及其出现时间，以及各传感器座2之间的距离。数据处理模块用于根据各光电二极管4转换的电信号及其出现时间，以及各传感器座2之间的距离，确定瓦斯/空气预混气体爆燃的火焰传播速度。数据存储模块用于存储获取的各项数据及确定的火焰传播速度。

实施例二

基于上述预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，本发明还提供一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试方法，包括以下步骤：

1)将各光电二极管4和数据采集系统8分别连接恒电源，将数据采集系统8连接计算机9，并为恒流源、数据采集系统8和计算机9接通电源后，开启恒流源、数据采集系统8和计算机9。

2)在激波管1的顶部设置至少两个传感器座2，激波管1模拟煤矿井下的瓦斯爆燃过程，得到瓦斯/空气预混气体爆燃火焰的光信号。

3)光信号通过各传感器座2经对应的光纤3传送至对应的光电二极管4，各光电二极管4分别将光信号转换为电信号，并传输至示波器7和数据采集系统8。

4)示波器7实时显示各光电二极管4转换的电信号，数据采集系统8采集各光电二极管4转换的电信号，并将采集的各电信号及其出现时间发送至计算机9。

5)计算机9根据各光电二极管4转换的电信号及其出现时间，以及各传感器座2 之间的距离，确定瓦斯/空气预混气体爆燃的火焰传播速度：

5.1)数据获取模块获取数据采集系统8发送的各光电二极管4转换的电信号及其出现时间，以及各传感器座2之间的距离。

5.2)数据处理模块根据各光电二极管4转换的电信号的出现时间，计算两两光电二极管4之间产生的时间差。

5.3)数据处理模块将两传感器座2之间的距离s与计算的对应时间差Δt相除，得到对应的火焰传播速度v：

v＝s/Δt

实施例三

下面通过具体实施例详细验证本发明测试系统的有效性：

设置实验装置如图5所示，在图5中，标号1为激波管、标号2为罐外预混气体供给系统，标号21为预混罐系统，标号211为预混罐，标号212为瓦斯气瓶，标号 213为空压机，标号22为抽真空系统，标号221为真空泵，标号23为控制柜系统，标号231为第一控制柜，标号232为第二控制柜，标号3为压力信号采集系统，标号 4为火焰信号采集系统，标号5为东华数据采集系统，标号6为高压点火系统，标号7 为同步控制系统，标号71为函数信号发生器，标号72为时间延时器，标号73为固态继电器，激波管共包括14个实验管道，每一实验管道的长度均为2500mm，总长为35m，各实验管道均采用截面形状为200mm*200mm的正方形管道。

实验条件为温度10℃～15℃，激波管1内的真空度为200Pa，在激波管1即实验管道沿程布置14个压力传感器即压力信号采集系统和14个火焰传感器即火焰信号采集系统，如图6所示，在同一位置的侧面和顶面分别布置压力传感器和火焰传感器，火焰传感器布置的位置如表1所示：

表1：火焰传感器距点火端的位置

设定多个工况：9.5％的CH₄和空气预混气、5J的点火能量；9.5％的CH₄和空气预混气、1.88J的点火能量、采用BOPP膜泄爆；分别进行多次实验并进行数据对比、分析。点火后，燃烧波将从点火源开始往外传播，火焰依次经过各传感器测点，保存每次实验数据，整理实验管道上的火焰传感器的实验数据。

火焰信号光电盒采集数据，由于实验管道尺寸很大，长度很长，需要分布很多光纤传感器，数据采集系统的响应需要很有效才可以得到高质量的数据，通过实验由图 7可以看出数据采集系统的数据质量很高，火焰信号很直观，经过处理分析能够进一步求得火焰速度等规律。通过实验管道上的火焰传感器得到火焰阵面的传播图，并根据所得数据的完整性，首先选择9.5％的CH₄和空气预混气的火焰阵面的传播图，如图 7所示，进行详细对比和分析，显而易见，火焰阵面在35m的实验管道中传播了约两秒，从图中可以看出，火焰锋面发生褶皱甚至断裂，靠近点火端火焰阵面光强较弱，随后火焰阵面光前变强，化学反应区的反应越来越剧烈。

如图8所示，为火焰阵面经过各测点的时刻和火焰平均速度(与第一个通道的对比)的变化，可以看出，火焰在0s到0.3s时迅速加速至39m/s，在0.3s到0.5s时火焰速度减慢，下降至20m/s左右。从0.5s到1.5s火焰阵面在20m/s的范围内不停的加速和减速。当火焰到达盲板的位置时，由于和反射的压缩波相互作用，火焰速度下降至18m/s。

如下表2所示，为瓦斯/空气预混气体在9.5％的CH₄和空气预混气，激波管1长度为35m，点火电压5000kV、实际点火能量为1.88J的条件下，激波管1不同位置处瓦斯爆燃波前驱冲击波和化学反应区(火焰区)的传播速度：

表2：不同位置处火焰和前驱冲击波速度

冲击波在火焰前方，先于火焰传播，在离点火端较近的位置，传播统一的距离，冲击波和火焰面间的间隔较大，随着爆炸向前方传播，两波之间的间隔越来越小，存在追赶上前驱冲击波的趋势。

通过实验数据分析可知，火焰面宽度和速度有不可重复性特征，说明中尺度管道爆燃火焰呈现了流不稳定性，也验证DDT过程是非定常的，这是在事故后验证实验需要注意的问题。通过上述的分析可知，本发明能够高效、快速、准确地测试瓦斯/空气预混气体爆燃流场中火焰的传播速度。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，其特征在于，包括激波管、传感器座、光纤、光电二极管、数据采集系统和计算机；

所述激波管的顶部设置有至少两所述传感器座，所述激波管用于模拟瓦斯爆燃过程得到瓦斯/空气预混气体爆燃火焰的光信号，每一所述传感器座均通过一所述光纤连接一所述光电二极管的输入端，所述光电二极管用于将光信号转换为电信号，每一所述光电二极管的输出端分别并联连接一电源和电阻的一端，所述电源和电阻用于分流电流；每一所述电源和电阻的另一端分别连接所述数据采集系统，所述数据采集系统还连接所述计算机；

所述数据采集系统用于采集各所述光电二极管转换的电信号及其出现时间；

所述计算机用于根据各所述光电二极管转换的电信号及其出现时间，以及各所述传感器座之间的距离，确定瓦斯/空气预混气体爆燃的火焰传播速度。

2.如权利要求1所述的一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，其特征在于，该测试系统还包括示波器，每一所述电源和电阻的另一端还分别连接所述示波器，所述示波器用于显示各所述光电二极管转换的电信号。

3.如权利要求1所述的一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，其特征在于，每一所述光电二极管、电源和电阻均设置在机箱内。

4.如权利要求1所述的一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，其特征在于，所述计算机内设置有数据获取模块、数据处理模块和数据存储模块；

所述数据获取模块用于获取所述数据采集系统发送的各所述光电二极管转换的电信号及其出现时间，以及各所述传感器座之间的距离；

所述数据处理模块用于根据各所述光电二极管转换的电信号及其出现时间，以及各所述传感器座之间的距离，确定瓦斯/空气预混气体爆燃的火焰传播速度；

所述数据存储模块用于存储获取的各项数据及确定的火焰传播速度。

5.如权利要求1所述的一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，其特征在于，所述激波管上设置有观察窗，所述激波管由若干首尾相连的实验管道构成。

6.如权利要求1所述的一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，其特征在于，每一所述光纤均采用直径为2mm的塑料光纤，并通过SMA905光纤接头与对应所述光电二极管的输入端耦合。

7.如权利要求6所述的一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，其特征在于，每一所述光电二极管均采用型号为GT101的硅PIN光电二极管，每一所述光电二极管的输入端内部均设置有直径为2.5mm、长度为13mm的长孔，每一所述光电二极管的输入端外部均采用螺纹连接所述SMA905光纤接头，每一所述光电二极管的中部两侧均对称设置有两o型密封圈。

8.如权利要求1所述的一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，其特征在于，每一所述光电二极管的峰值波长均为900nm，其光谱响应范围为400nm～1100nm。

9.一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试方法，其特征在于，包括以下内容：

1)将各光电二极管和数据采集系统分别连接恒电源，将数据采集系统连接计算机，并为恒流源、数据采集系统和计算机接通电源后，开启恒流源、数据采集系统和计算机；

2)在激波管的顶部设置至少两个传感器座，激波管模拟瓦斯爆燃过程，得到瓦斯/空气预混气体爆燃火焰的光信号；

3)光信号通过各传感器座经对应的光纤传送至对应的光电二极管，各光电二极管分别将光信号转换为电信号，并传输至数据采集系统；

4)数据采集系统采集各光电二极管转换的电信号，并将采集的各电信号及其出现时间发送至计算机；

5)计算机根据各光电二极管转换的电信号及其出现时间，以及各传感器座之间的距离，确定瓦斯/空气预混气体爆燃的火焰传播速度。

10.如权利要求9所述的一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试方法，其特征在于，所述步骤5)的具体过程为：

5.1)数据获取模块获取数据采集系统发送的各光电二极管转换的电信号及其出现时间，以及各传感器座之间的距离；

5.2)数据处理模块根据各光电二极管转换的电信号的出现时间，计算两两光电二极管之间产生的时间差；

5.3)数据处理模块将两传感器座之间的距离s与计算的对应时间差Δt相除，得到对应的火焰传播速度v：

v＝s/Δt。

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