CN113156045A - 可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，属于可燃气体爆炸安全技术领域，具体为氢气与空气预混气体爆炸过程中阻火和抑爆相关理论研究的实验装置，以及对阻火器阻火性能检测的装置。包括连接在可视化阻火系统两端的引爆段和保护段管道、高频响应抑爆系统、氢气预混配气系统、火焰加速装置、阻火芯温度采集系统、狭缝火焰传播测试系统、高频压力和温度采集系统、火焰传播速度采集系统、爆炸流场结构与火焰形态采集系统。通过点火能和火焰加速装置调控进入阻火器时火焰传播速度，借助同步控制器和程序控制与数据采集系统实现点火、阻爆、抑爆的控制与数据采集，多角度评估阻火器的阻火性能和高频响应抑爆系统的抑爆效能。
Description
技术领域
本发明属于可燃气体爆炸安全技术领域，具体为氢气与空气预混气体爆炸过程中阻火及抑爆相关理论研究的实验装置，以及对阻火器阻火性能进行检测的装置。
背景技术
上世纪中期，发达国家逐步开展氢能源产业研究。目前，我国氢能产业发展进入井喷期，氢气作为高活性清洁能源在工业生产中应用极为广泛，因其具有极易发生燃烧和爆炸的特性备受关注。氢气阻火器在氢气储罐和输送管道的工厂、城市管网系统、加氢站等重要装置设施上已获得了广泛应用，有效地阻止了氢气管道和储罐因回火引起的火灾爆炸的传播。氢气爆炸事故频繁发生，作为阻火和抑爆关键部件，氢气阻火器失效引发的爆炸事故可能会导致严重的人员伤亡和经济损失。因此，氢气阻火器及阻爆性能测试关键技术的研究，对于预防城市生命线和工业生产中氢气火灾爆炸事故具有重要的现实意义，同时研究成果对于不断丰富氢气阻火抑爆理论和技术具有重要的学术价值。
氢气具有燃烧速度快、燃烧温度高、熄灭直径小、爆炸范围宽和爆炸威力大等特点，对其爆炸火焰阻止难度较大。国内在氢气管道内部阻爆燃理论方面研究较少，相关理论研究和测试技术发展缓慢，与欧美国家存在一定的差距，在氢气阻火器产品和性能要求等方面主要依赖于国外进口。同时，相比于国外标准，国内相关测试标准滞后，不能满足日益增长的氢能安全储运和使用要求。目前国内阻火器性能测试的专业型式试验机构和测试系统还有空缺，相关的性能测试方法尚不完善。多采用光敏传感器或火焰传感器探测火焰信号评判该阻火器的阻火性能，然而该方法易发生误判或响应不及时。此外，大部分检测装置和方法尚未有效测定火焰在阻火器内部传播的特性，对阻火芯阻火前、后的温度变化特性也未能有效测定，从而缺乏对阻火特性系统全面分析评判。对于测试中阻火失效情况也未采取有效的防护。因此，本发明提出了一种可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，包括分别连接在阻火器两端的引爆段管道和保护段管道。在引爆段管道安装循环配气系统，实现管道内部氢气预混气体的配制并保证气体浓度的均匀。内部安装点火系统和火焰加速装置，通过改变点火能和火焰湍流强度，实现进入阻火器时火焰传播速度的调控。管道壁面延轴向方向安装可视化钢化玻璃，以实现火焰传播速度的测定。在靠近阻火器前段按照《GBT 13347-2010石油气体管道阻火器》要求布置火焰离子探针，通过安装于引爆段管道的火焰离子探针测定进入阻火器前段的火焰传播速度，通过安装于阻火芯内部的火焰离子探针测定火焰在阻火器内部的阻火距离。在阻火器前后端采用高强度可视化钢化玻璃视窗连接阻火芯，实现阻火器阻火效果的可视化观测。通过安装阻火芯上的金属表面温度传感器测定阻火过程中阻火芯的温升情况，从而获得阻火芯对氢气爆炸火焰的抑制效应和高温爆炸火焰对阻火芯的损伤；通过高速摄像机、高速红外热成像仪、纹影仪等设备获取火焰传播速度、火焰温度分布以及爆炸流场结构等数据；采用高频压力传感器监测阻火器前后和抑爆前后的压降；通过在阻火器前后安装高频热电偶，系统定性定量地对阻火器前后温度特性以及内部火焰传播特性等进行监测分析；靠近阻火器端部安装火焰信号探测器并与惰性气体抑爆系统协同控制，对阻火失效火焰进行有效防护。同时，在末端安装泄爆装置，有效防护实验装置。通过程序化语言实现程序的控制与数据的采集。在上述实验方案中，配气管路均采用单向阀并连接小型阻火器，各项操作均采用自动化远程控制系统，增强测试平台的安全性。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
本测试实验平台采用可视化钢化玻璃视窗并结合高速摄像机、高速红外热成像仪和高速纹影仪系统，可有效获取到爆炸火焰形态演变过程与流场温度分布，更为系统全面的分析阻火器阻火性能。与当前多利用光敏传感器或火焰传感器探测火焰光信号相比，本发明装置通过火焰离子探针检测爆炸反应中的自由基浓度可更为灵敏高效的识别火焰信号，防止误判和响应不及时等情况。通过安插在阻火芯内的火焰离子探针组可有效监测氢气爆炸火焰在阻火芯内部狭缝孔隙中的传播距离和传播特性，实现阻火性能的评判；通过深入阻火芯内部的金属表面温度传感器可精准监测阻火芯阻火介质的温度变化，获得阻火芯对氢气爆炸火焰的吸热效应和高温爆炸火焰对阻火芯的损伤程度。同时，安装在阻火器前后壳体上的高频B型热电偶测定阻火芯前后的火焰温度，结合阻火器后方可视化玻璃视窗内火焰形态和流场微观结构、火焰自由基浓度(火焰离子探针)和温度变化(高频B型热电偶)，多角度评估阻火器的阻火性能。在保护段管道，通过火焰信号探测器和温度热电偶的高温响应，判定阻火成功与否。利用同步控制器协同控制高频响应抑爆系统，喷出惰性抑制剂进行有效的抑制氢气爆炸火焰的传播；利用管道后火焰离子探针和高频压力传感器综合评价高频响应抑爆系统的抑爆效能，并结合保护段管道末端泄爆装置进行有效保护，全面增强氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置的安全性、准确性与全面性。
附图说明
图1可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置；
图2氢气浓度与火焰传播速度的对应关系；
图3火焰离子探针安装结构及感应自由基浓度变化示意图。
其中：1、引爆段管道；2、保护段管道；3、波纹阻火器；4、可调高压点火器；5、火焰加速装置；
6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6、6-7和6-8、火焰离子探针；
7-1、7-2和7-3、高频压力传感器；
8-1、8-2和8-3、可视化钢化玻璃视窗；
9-1和9-2、高频B型热电偶；
10、金属表面温度传感器；11、高精度真空压力表；12、单向阀；13、空压机； 14、循环配气仪；15、真空泵；16、泄爆装置；17、高精度压力表；18、高压抑制剂储罐；19、高压精细喷头；20、排气阀；21、同步控制器；22、程序控制与数据采集系统；23、高速摄像系统；24、高速红外热成像仪；25、高速纹影仪； 26、电磁阀；27、火焰信号探测器。
具体实施方式
本实施适用于氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护，其结构如图所示，包括：引爆段管道1；保护段管道2；波纹阻火器3；可调高压点火器4；火焰加速装置5；火焰离子探针6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6、6-7和6-8；高频压力传感器7-1、7-2和7-3；可视化钢化玻璃视窗8-1、8-2和8-3；高频B型热电偶9-1和9-2；金属表面温度传感器10；高精度真空压力表11；单向阀12；空压机13；循环配气仪14；真空泵15；泄爆装置16；高精度压力表17；高压抑制剂储罐18；高压精细喷头19；排气阀20；同步控制器21；程序控制与数据采集系统22；高速摄像系统23；高速红外热成像仪24；高速纹影仪25；电磁阀 26；火焰信号探测器27。
下面结合附图对本发明创造的具体实施例做详细说明。
图1为可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，装置包括：可视化爆炸管道、可视化阻火系统、高频响应抑爆系统、氢气预混配气系统、同步控制器21、火焰加速装置5、阻火芯温度采集系统、狭缝火焰传播测试系统、高频压力采集系统、高频温度采集系统(高速红外热成像仪和高频B型热电偶)、火焰传播速度采集系统、爆炸流场结构与火焰形态采集系统、爆炸泄放装置、程序控制与数据采集系统22，以及空压机13和真空泵15。
所述可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置上，可视化爆炸管道由可视化引爆段管道1和保护段管道2组成，引爆段管道1左端安装端面法兰密封，右端与连接波纹阻火器3的可视化钢化玻璃视窗8-2左侧端面法兰连接；保护段管道2右端安装爆炸泄放装置，左端与连接阻火器3的可视化钢化玻璃视窗8-3右侧端面法兰连接；引爆段管道1壁面沿轴向安装可视化钢化玻璃视窗8-1，以实现火焰形态的采集与火焰传播速度的测定。
可调高压点火器4安装于引爆段管道1左侧端面法兰中心位置，点火端与法兰端面距离100mm。火焰传播速度是影响阻火器阻火性能的关键参数， Palmer给出了计算火焰穿透阻火器时临界速度的经验公式，如下公式(1)所示，表明火焰进入阻火器的速度小于该速度时能够被有效阻火。同时，火焰传播速度与点火能量成二次函数关系，如下公式(2)-公式(5)所示。通过调节点火电压改变点火能量，进而改变火焰传播速度。
式中，K是可燃气体的热导率，n是阻火器单位面积通道数，Q是单位面积的气体火焰热量损失，Th为阻火器内气体火焰的平均温度，T0是阻火器温度， V是相对于未燃气体的火焰传播速度，v是沿着管道方向的气体速度，x0是在标准燃烧速度下火焰厚度，y是阻火器的厚度。
V＝A1W2+A2W+A3 (2)
A1＝-0.0001lnX+0.0001 (3)
A2＝0.118lnX-0.185 (4)
A3＝40.31lnX-49.99 (5)
式中，W为点火能，A1、A2和A3是与长径比有关的常数；X为管道的长径比。
可视化阻火系统由波纹阻火器3和可视化钢化玻璃视窗8-2和8-3组成，通过可视化钢化玻璃视窗8-2可实现进入阻火芯火焰传播速度的测定；通过可视化钢化玻璃视窗8-3可观测阻火成功与否。阻火器结构参数(如波纹高度、孔隙率、波纹厚度、波纹角度和阻火芯材质等)是影响阻火器阻火性能的关键因素，如公式(6)所示。通过更换波纹阻火器3，可实现阻火器结构参数影响阻火性能的研究，并获得波纹阻火器结构参数对阻火性能的影响规律及机理。
式中，P为压降损失，Re为夹缝通道内的雷诺数，l为阻火单元厚度，d 为夹缝通道的水力直径，ρ为流体密度，V为流动速度。
高频响应抑爆系统由高精度压力表17、高压抑制剂储罐18、高压精细喷头19、电磁阀26、和火焰信号探测器27组成；火焰信号探测器27与同步控制器21和程序控制与数据采集系统22连接。高精度压力表17安装在高压抑制剂储罐18上、高压抑制剂储罐18通过电磁阀26与高压精细喷头19连接；高压精细喷头19伸入到保护段管道2内。当阻火失效时，同步控制器21接收到火焰信号探测器27快速响应的光电信号反馈至程序控制与数据采集系统22，使其联动控制电磁阀26开启，通过高压精细喷头19将高压抑制剂储罐18内储存的惰性抑制剂均匀喷洒并作用于火焰，实现爆炸火焰抑制。
氢气预混配气系统由循环配气仪14、单向阀12和真空泵15组成；循环配气仪14的一端通过单向阀12与引爆段管道1连接；循环配气仪14的另一端分别连接高压氢气瓶和高压空气瓶。真空泵15将爆炸管道内部抽至真空状态(真空度0.095MPa)，调控循环配气仪14实现爆炸管道内部氢气与空气均匀混合并调控氢气与空气的配比。火焰传播速度是影响阻火器阻火性能的关键参数，氢气浓度与火焰传播速度的对应关系如图2所示，通过调节氢气浓度改变火焰传播速度，通过阻火器对不同火焰传播速度的阻火性能测试，分析评价阻火器阻火性能。
火焰加速装置5由沿着引爆段管道1轴向安装并周向分布的四根金属支杆(L＝1000mm，d＝5mm)和安装其上的金属圆形挡板(d＝10mm；δ＝3mm)组成，安装在引爆段管道1的可调高能点火器4引燃氢气预混气体后，火焰沿引爆段管道1轴向方向传播。在通过金属圆形挡板后将发生湍流扰动并增大火焰面积，进而改变火焰传播速度。通过改变金属圆形挡板的数量和尺寸改变火焰传播速度，可实现火焰传播速度的调控。
阻火芯温度采集系统由金属表面温度传感器10、同步控制器21和程序控制与数据采集系统22组成，金属表面温度传感器10安装于波纹阻火器3的阻火芯狭缝通道内表面，采集火焰通过阻火芯后的温度值，并将相应信号反馈至程序控制与数据采集系统22进行数据保存。用于分析评估阻火芯材质的吸热与阻火性能，以及氢气爆炸火焰对阻火芯的损伤评判。
狭缝火焰传播测试系统由火焰离子探针6-5、6-6和6-7，同步控制器21 和程序控制与数据采集系统22组成，火焰离子探针6-5、6-6和6-7沿着波纹阻火器3轴向方向安装于阻火芯壁面，其探针伸入到波纹狭缝孔隙内部，可有效感应氢气爆炸火焰自由基浓度变化，如图3所示。实现爆炸火焰在波纹阻火器狭缝孔道内传播长度，即火焰淬熄长度的测定，对波纹阻火器阻火性能进行分析与评判。
高频压力采集系统由高频压力传感器7-1、7-2和7-3与同步控制器21和程序控制与数据采集系统22组成。高频压力传感器7-1安装于波纹阻火器3前段200±50mm处，通过同步控制器21和程序控制与数据采集系统22，测量氢气爆炸火焰进入波纹阻火器前的爆炸超压；高频压力传感器7-2安装于波纹阻火器3后段200±50mm处，用于测量氢气爆炸火焰通过阻火器后的压降；高频压力传感器7-3安装于保护段管道2高压精细喷头19后方并测定其爆炸压力，评判高频响应抑爆系统对阻火失效的氢气爆炸火焰的抑制效果。
高频温度采集系统由高速红外热成像仪24、高频B型热电偶9-1、9-2与同步控制器21和程序控制与数据采集系统22组成。高速红外热成像仪24可宏观测定氢气爆炸火焰在引爆段管道1和波纹阻火器3中可视化钢化玻璃视窗8-1、 8-2和8-3的火焰温度。高频B型热电偶9-1和9-2分别安装于阻火器前后端可视化钢化玻璃视窗上，通过同步控制器21和程序控制与数据采集系统22对阻火器阻火前后火焰温度变化进行监测采集。
火焰传播速度采集系统由火焰离子探针6-1、6-2、6-3、6-4与同步控制器 21和程序控制与数据采集系统22组成。火焰离子探针6-1、6-2、6-3、6-4沿轴线分别安装引爆段管道1上，火焰离子探针6-4距离波纹阻火器法兰端面200± 50mm，火焰离子探针6-1、6-2、6-3沿着引爆段管道1向左依次安装，且相邻间距为150mm。通过同步控制器21和程序控制与数据采集系统22，对引爆段管道 1内氢气爆炸火焰自由基浓度变化进行测定，通过火焰离子探针6-1、6-2、6-3、 6-4的响应时间(t1、t2、t3和t4)与距离差值计算得到相应火焰传播速度(v1、 v2和v3)，火焰传播速度计算如公式(7)所示。通过计算得到的火焰传播速度与公式(1)中的临界阻火速度对比分析，可初步判断阻火器阻火效应；同时可通过测定的火焰传播速度和阻火效果，可对临界阻火速度公式(1)进行修正。
vi＝150mm/(ti+1-ti) (7)
爆炸流场结构与火焰形态采集系统由高速摄像系统23、高速纹影仪25、同步控制器21和程序控制与数据采集系统22组成。高速摄像系统23可精确捕捉氢气爆炸火焰在引爆段管道1和波纹阻火器3中可视化钢化玻璃视窗8-1、8-2 和8-3的火焰形态演变过程；高速纹影仪25可精确捕捉氢气引爆段管道1和波纹阻火器3中可视化钢化玻璃视窗8-1、8-2和8-3的爆炸流场微观结构演变过程，直观获得阻火器对氢气爆炸火焰的阻火效果和爆炸流场结构的影响过程。
泄爆装置16安装于保护段管道2右侧法兰端面，由爆破片和法兰盘组成。当保护段管道2内压力超过其泄放压力时，泄爆装置开启并迅速释放压力，防止阻爆和抑爆失效产生的超高压力破坏爆炸管道并对其进行保护。
本发明装置的工作过程如下：
(1)安装并调试试验装置，确保可视化爆炸管道、可视化阻火系统、高频响应抑爆系统、氢气预混配气系统、火焰加速装置、阻火芯温度采集系统、狭缝火焰传播测试系统、高频压力采集系统、高频温度采集系统、火焰传播速度采集系统、爆炸流场结构与火焰形态采集系统、爆炸泄放装置、程序控制与数据采集系统以及同步控制器处于良好状态，将波纹阻火器3以法兰连接的方式与可视化钢化玻璃视窗8-2和8-3连接。同时，可视化钢化玻璃视窗8-2和8-3以法兰连接的方式连接引爆段管道1和保护段管道2，使得爆炸管道系统密闭。在开展高频响应抑爆系统实验研究时，保护段管道2上端距离可视化钢化玻璃视窗8-3法兰端面1000mm处安装高压精细喷头19，通过电磁阀26与高压抑制剂储罐18(惰性抑制剂)连接，并连接与检测各路控制系统。
(2)在封闭爆炸管道内进行氢气爆炸阻火器阻火性能测试研究与检测时，保证管道具有良好的气密性，开启阀门使用真空泵15对爆炸管道进行抽真空(真空度0.095MPa)。
(3)通过氢气预混配气系统配置所需浓度的预混可燃气体，将其充入爆炸管道内部。预混气体通入完毕后爆炸管道内部压力为常压，关闭爆炸管道进气阀门。将气体静置约30s，使气体达到稳定静止状态；
(4)通过远程同步控制器21-a控制可调高压点火器4放电引燃预混气体，爆炸火焰通过火焰加速装置5上安装的金属圆形挡板有效改变爆炸火焰传播速度；火焰速度的调控可通过改变金属圆形挡板的尺寸、数量和间距调控。通过改变点火能量和预混气体浓度也可改变火焰传播速。
(5)通过远程同步控制器21-b采集安装在引爆段管道1的火焰离子探针 6-1、6-2、6-3和6-4测量火焰传播速度；通过火焰离子探针6-5、6-6、6-7监测爆炸火焰在阻火芯狭缝通道中火焰自由基离子浓度测定火焰传播距离。通过可视化钢化玻璃视窗8-2可实现进入阻火芯火焰传播速度的测定，通过可视化钢化玻璃视窗8-3可观测阻火成功与否；与当前多利用光敏传感器或火焰传感器探测火焰光信号相比，本发明装置通过火焰离子探针检测爆炸反应中的自由基浓度可更为灵敏高效的识别火焰信号，防止误判和响应不及时等情况。
(6)通过同步控制器21-c协同深入阻火芯内部的金属表面温度传感器10 可精准监测阻火芯阻火介质的温度变化，获得阻火芯对氢气爆炸火焰的吸热效应和高温爆炸火焰对阻火芯的损伤程度。
(7)通过同步控制器21-d，采用可视化玻璃视窗并结合高速摄像机23和高速纹影仪25，可有效获取到爆炸火焰形态演变过程与爆炸流场微观结构，更为系统全面的分析阻火性能。
(8)通过同步控制器21-e，采用高速红外热成像仪24获取氢气爆炸火焰在引爆段管道1和波纹阻火器3前后可视化钢化玻璃视窗8-1、8-2和8-3的火焰温度；同时，采用高频B型热电偶9-1和9-2获取阻火器阻火前后火焰温度。
(9)利用同步控制器21-f协同控制的高频压力传感器7-1和7-2综合评价波纹阻火器3对氢气爆炸阻火器压降的影响。
(10)通过同步控制器21-g协同高频响应抑爆系统，包括火焰信号探测器 27与惰性气体储罐电磁阀。①若火焰信号探测器27和B型温度热电偶9-2接收到火焰信号与高温信号，则判定为阻火失效，并立即反馈信号给程序控制与数据采集系统22，发出指令及时开启高压抑制剂储罐18的电磁阀26。通过高压精细喷头19喷出惰性抑制剂作用于爆炸火焰进行有效抑制。通过同步控制器21-b 协同控制的保护段管道2后端火焰离子探针6-8的电信号强弱及时反馈爆炸火焰被抑制情况，并通过同步控制器21-f协同控制保护段管道2前后的高频压力传感器7-2和7-3，评价惰性气体抑爆系统的抑制效果；如爆炸管道内仍存在过高的压力，则保护段管道2末端的泄爆装置16将及时发生破坏泄压，对爆炸管道实现有效的保护。②若火焰信号探测器27和B型温度热电偶9-2未检测到火焰信号与高温信号，则判定为阻火成功。利用同步控制器21-b协同控制的火焰离子探针和同步控制器21-f协同高频压力传感器7-2和7-3综合评价高频响应抑爆系统的抑爆效能，并结合保护段管道末端泄爆装置进行有效保护，全面增强氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置的安全性、准确性与全面性。
(11)空压机13通过阀门与引爆段管道1；真空泵15通过阀门与保护段管道2。开启排气阀20和空压机13对爆炸管道进行吹扫，完毕后则重复上述操作开始下一次测试。
Claims (10)
1.可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，包括：可视化爆炸管道、可视化阻火系统、高频响应抑爆系统、氢气预混配气系统、同步控制器(21)、火焰加速装置(5)、阻火芯温度采集系统、狭缝火焰传播测试系统、高频压力采集系统、高频温度采集系统、火焰传播速度采集系统、爆炸流场结构与火焰形态采集系统、爆炸泄放装置、程序控制与数据采集系统(22)，以及空压机(13)和真空泵(15)。
2.根据权利要求1可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，其特征在于：可视化爆炸管道由可视化引爆段管道(1)和保护段管道(2)组成，引爆段管道(1)左端安装端面法兰密封，右端与连接波纹阻火器(3)的可视化钢化玻璃视窗(8-2)左侧端面法兰连接；保护段管道(2)右端安装爆炸泄放装置，左端与连接阻火器(3)的可视化钢化玻璃视窗(8-3)右侧端面法兰连接；引爆段管道(1)壁面沿轴向安装可视化钢化玻璃视窗(8-1)；
可调高压点火器(4)安装于引爆段管道(1)左侧端面法兰中心位置，点火端与法兰端面距离100mm；火焰传播速度是影响阻火器阻火性能的关键参数，Palmer给出了计算火焰穿透阻火器时临界速度的经验公式，如下公式(1)所示，表明火焰进入阻火器的速度小于该速度时能够被有效阻火；同时，火焰传播速度与点火能量成二次函数关系，如下公式(2)-公式(5)所示；通过调节点火电压改变点火能量，进而改变火焰传播速度；
式中，K是可燃气体的热导率，n是阻火器单位面积通道数，Q是单位面积的气体火焰热量损失，Th为阻火器内气体火焰的平均温度，T0是阻火器温度，V是相对于未燃气体的火焰传播速度，v是沿着管道方向的气体速度，x0是在标准燃烧速度下火焰厚度，y是阻火器的厚度；
V＝A1W2+A2W+A3 (2)
A1＝-0.0001ln X+0.0001 (3)
A2＝0.118ln X-0.185 (4)
A3＝40.31ln X-49.99 (5)
式中，W为点火能，A1、A2和A3是与长径比有关的常数；X为管道的长径比；
可视化阻火系统由波纹阻火器(3)和可视化钢化玻璃视窗(8-2)、(8-3)组成，通过可视化钢化玻璃视窗(8-2)可实现进入阻火芯火焰传播速度的测定，通过可视化钢化玻璃视窗(8-3)可观测阻火成功与否；阻火器结构参数是影响阻火器阻火性能的关键因素，如公式(6)所示；通过更换波纹阻火器(3)，可实现阻火器结构参数影响阻火性能的研究，并获得波纹阻火器结构参数对阻火性能的影响规律及机理；
式中，P为压降损失，Re为夹缝通道内的雷诺数，l为阻火单元厚度，d为夹缝通道的水力直径，ρ为流体密度，V为流动速度。
3.根据权利要求1可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，其特征在于：高频响应抑爆系统由高精度压力表(17)、高压抑制剂储罐(18)、高压精细喷头(19)、电磁阀(26)、和火焰信号探测器(27)组成；火焰信号探测器(27)与同步控制器(21)和程序控制与数据采集系统(22)连接；高精度压力表(17)安装在高压抑制剂储罐(18)上、高压抑制剂储罐(18)通过电磁阀(26)与高压精细喷头(19)连接；高压精细喷头(19)伸入到保护段管道(2)内；当阻火失效时，同步控制器(21)接收到火焰信号探测器(27)快速响应的光电信号反馈至程序控制与数据采集系统(22)，使其联动控制电磁阀(26)开启，通过高压精细喷头(19)将高压抑制剂储罐(18)内储存的惰性抑制剂均匀喷洒并作用于火焰，实现爆炸火焰抑制；
氢气预混配气系统由循环配气仪(14)、单向阀(12)和真空泵(15)组成；循环配气仪(14)的一端通过单向阀(12)与引爆段管道(1)连接；循环配气仪(14)的另一端分别连接高压氢气瓶和高压空气瓶；真空泵(15)将爆炸管道内部抽至真空状态，真空度0.095MPa；调控循环配气仪(14)实现爆炸管道内部氢气与空气均匀混合并调控氢气与空气的配比；火焰传播速度是影响阻火器阻火性能的关键参数，通过调节氢气浓度改变火焰传播速度，氢气浓度与火焰传播速度的对应关系如图2所示；通过阻火器对不同火焰传播速度的阻火性能测试，分析评价阻火性能；
火焰加速装置(5)由沿着引爆段管道(1)轴向安装并周向分布的四根金属支杆，L＝1000mm，d＝5mm和安装其上的金属圆形挡板，d＝10mm；δ＝3mm组成，安装在引爆段管道(1)的可调高能点火器(4)引燃氢气预混气体后，火焰沿引爆段管道(1)轴向方向传播；在通过金属圆形挡板后将发生湍流扰动并增大火焰面积，进而改变火焰传播速度；通过改变金属圆形挡板的数量和尺寸改变火焰传播速度，可实现火焰传播速度的调控。
4.根据权利要求1可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，其特征在于：阻火芯温度采集系统由金属表面温度传感器(10)、同步控制器(21)和程序控制与数据采集系统(22)组成，金属表面温度传感器(10)安装于波纹阻火器(3)的阻火芯狭缝通道内表面，采集火焰通过阻火芯后的温度值，并将相应信号反馈至程序控制与数据采集系统(22)进行数据保存；用于分析评估阻火芯材质的吸热与阻火性能，以及氢气爆炸火焰对阻火芯的损伤评判。
5.根据权利要求1可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，其特征在于：狭缝火焰传播测试系统由火焰离子探针(6-5)、(6-6)和(6-7)，同步控制器(21)和程序控制与数据采集系统(22)组成，火焰离子探针(6-5)、(6-6)和(6-7)沿着波纹阻火器(3)轴向方向安装于阻火芯壁面，其探针伸入到波纹狭缝孔隙内部，可有效感应氢气爆炸火焰自由基浓度变化，如图3所示；实现爆炸火焰在波纹阻火器狭缝孔道内传播长度，即火焰淬熄长度的测定，对波纹阻火器阻火性能进行分析与评判。
6.根据权利要求1可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，其特征在于：高频压力采集系统由高频压力传感器(7-1)、(7-2)和(7-3)与同步控制器(21)和程序控制与数据采集系统(22)组成；高频压力传感器(7-1)安装于波纹阻火器(3)前段200±50mm处，通过同步控制器(21)和程序控制与数据采集系统(22)，测量氢气爆炸火焰进入波纹阻火器前的爆炸超压；高频压力传感器(7-2)安装于波纹阻火器(3)后段200±50mm处，用于测量氢气爆炸火焰通过阻火器后的压降；高频压力传感器(7-3)安装于保护段管道(2)高压精细喷头(19)后方并测定其爆炸压力，评判高频响应抑爆系统对阻火失效的氢气爆炸火焰的抑制效果；
高频温度采集系统由高速红外热成像仪(24)、高频B型热电偶(9-1)、(9-2)与同步控制器(21)和程序控制与数据采集系统(22)组成；高速红外热成像仪(24)可宏观测定氢气爆炸火焰在引爆段管道(1)和波纹阻火器(3)中可视化钢化玻璃视窗(8-1)、(8-2)和(8-3)的火焰温度；高频B型热电偶(9-1)和(9-2)分别安装于阻火器前后端可视化钢化玻璃视窗上，通过同步控制器(21)和程序控制与数据采集系统(22)对阻火器阻火前后火焰温度变化进行监测采集。
7.根据权利要求1可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，其特征在于：火焰传播速度采集系统由火焰离子探针(6-1)、(6-2)、(6-3)、(6-4)与同步控制器(21)和程序控制与数据采集系统(22)组成；火焰离子探针(6-1)、(6-2)、(6-3)、(6-4)沿轴线分别安装保护段管道上，火焰离子探针(6-4)距离波纹阻火器法兰端面200±50mm，火焰离子探针(6-1)、(6-2)、(6-3)沿着引爆段管道(1)向左依次安装，且相邻间距为150mm；通过同步控制器()21和程序控制与数据采集系统(22)，对引爆段管道(1)内氢气爆炸火焰自由基浓度变化进行测定，通过火焰离子探针(6-1)、(6-2)、(6-3)、(6-4)的响应时间，t1、t2、t3和t4，与距离差值计算得到相应火焰传播速度，v1、v2和v3，火焰传播速度计算如公式(7)所示；通过计算得到的火焰传播速度与公式(1)中的临界阻火速度对比分析，可初步判断阻火器阻火效应；同时可通过测定的火焰传播速度和阻火效果，可对临界阻火速度公式(1)进行修正；
vi＝150mm/(ti+1-ti) (7)。
8.根据权利要求1可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，其特征在于：爆炸流场结构与火焰形态采集系统由高速摄像系统(23)、高速纹影仪(25)、同步控制器(21)和程序控制与数据采集系统(22)组成；高速摄像系统(23)可精确捕捉氢气爆炸火焰在引爆段管道(1)和波纹阻火器(3)中可视化钢化玻璃视窗(8-1)、(8-2)和(8-3)的火焰形态演变过程；高速纹影仪(25)可精确捕捉氢气引爆段管道(1)和波纹阻火器(3)中可视化钢化玻璃视窗(8-1)、(8-2)和(8-3)的爆炸流场微观结构演变过程，直观获得阻火器对氢气爆炸火焰的阻火效果和爆炸流场结构的影响过程。
9.根据权利要求1可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，其特征在于：泄爆装置(16)安装于保护段管道(2)右侧法兰端面，由爆破片和法兰盘组成；当保护段管道(2)内压力超过其泄放压力时，泄爆装置开启并迅速释放压力，防止阻爆和抑爆失效产生的超高压力破坏爆炸管道并对其进行保护。
10.根据权利要求1可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，其特征在于：本装置的工作过程如下：
(1)安装并调试试验装置，确保可视化爆炸管道、可视化阻火系统、高频响应抑爆系统、氢气预混配气系统、火焰加速装置、阻火芯温度采集系统、狭缝火焰传播测试系统、高频压力采集系统、高频温度采集系统、火焰传播速度采集系统、爆炸流场结构与火焰形态采集系统、爆炸泄放装置、程序控制与数据采集系统以及同步控制器处于良好状态，将波纹阻火器3以法兰连接的方式与可视化钢化玻璃视窗(8-2)和(8-3)连接；同时，可视化钢化玻璃视窗(8-2)和(8-3)以法兰连接的方式连接引爆段管道(1)和保护段管道(2)，使得爆炸管道系统密闭；在开展高频响应抑爆系统实验研究时，保护段管道(2)上端距离可视化钢化玻璃视窗(8-3)法兰端面1000mm处安装高压精细喷头(19)，通过电磁阀(26)与高压抑制剂储罐(18)，连接，并连接与检测各路控制系统；
(2)在封闭爆炸管道内进行氢气爆炸阻火器阻火性能测试研究与检测时，保证管道具有良好的气密性，开启阀门使用真空泵(15)对爆炸管道进行抽真空，真空度为0.095MPa，；
(3)通过氢气预混配气系统配置所需浓度的预混可燃气体，将其充入爆炸管道内部；预混气体通入完毕后爆炸管道内部压力为常压，关闭爆炸管道进气阀门；将气体静置约30s，使气体达到静止状态；
(4)通过远程同步控制器(21-a)控制可调高压点火器4放电引燃预混气体，爆炸火焰通过火焰加速装置(5)上安装的金属圆形挡板有效改变爆炸火焰传播速度；火焰速度的调控可通过改变金属圆形挡板的尺寸、数量和间距调控；通过改变点火能量和预混气体浓度也可实现火焰传播速的调控；
(5)通过远程同步控制器(21-b)采集安装在引爆段管道(1)的火焰离子探针(6-1)、(6-2)、(6-3)和(6-4)测量火焰传播速度；通过火焰离子探针(6-5)、(6-6)、(6-7)监测爆炸火焰在阻火芯狭缝通道中火焰自由基离子浓度测定火焰传播距离；通过可视化钢化玻璃视窗(8-2)可实现进入阻火芯火焰传播速度的测定，通过可视化钢化玻璃视窗(8-3)可观测阻火成功与否；与当前多利用光敏传感器或火焰传感器探测火焰光信号相比，本发明装置通过火焰离子探针检测爆炸反应中的自由基浓度可更为灵敏高效的识别火焰信号，防止误判和响应不及时等情况；
(6)通过同步控制器(21-c)协同深入阻火芯内部的金属表面温度传感器()10可精准监测阻火芯阻火介质的温度变化，获得阻火芯对氢气爆炸火焰的吸热效应和高温爆炸火焰对阻火芯的损伤程度；
(7)通过同步控制器(21-d)和可视化钢化玻璃视窗(8-1)、(8-2)、(8-3)，结合高速摄像机(23)和高速纹影仪(25)，可有效获取到爆炸火焰形态演变过程与爆炸流场微观结构，更为系统全面的分析阻火器阻火性能；
(8)通过同步控制器(21-e)，采用高速红外热成像仪(24)获取氢气爆炸火焰在引爆段管道(1)和波纹阻火器(3)前后可视化钢化玻璃视窗(8-1)、(8-2)和(8-3)内部的火焰温度；同时，采用高频B型热电偶(9-1)和(9-2)获取阻火器阻火前后火焰温度；
(9)利用同步控制器(21-f)协同控制的高频压力传感器(7-1)和(7-2)综合评价波纹阻火器(3)对氢气爆炸阻火器压降的影响；
(10)通过同步控制器(21-g)协同高频响应抑爆系统，包括火焰信号探测器(27)与惰性气体储罐电磁阀；①若火焰信号探测器(27)和B型温度热电偶(9-2)接收到火焰信号与高温信号，则判定为阻火失效，并立即反馈信号给程序控制与数据采集系统(22)，发出指令及时开启高压抑制剂储罐(18)的电磁阀(26)；通过高压精细喷头(19)喷出惰性抑制剂作用于爆炸火焰进行有效抑制；通过同步控制器(21-b)协同控制的保护段管道(2)后端火焰离子探针(6-8)的电信号强弱及时反馈爆炸火焰被抑制情况，并通过同步控制器(21-f)协同控制保护段管道(2)前后的高频压力传感器(7-2)和(7-3)评价惰性气体抑爆系统的抑制效果；如爆炸管道内仍存在过高的压力，则保护段管道(2)末端的泄爆装置(16)将及时发生破坏泄压，对爆炸管道实现有效的保护；②若火焰信号探测器(27)和B型温度热电偶(9-2)未检测到火焰信号与高温信号，则判定为阻火成功；利用同步控制器(21-b)协同控制的火焰离子探针和同步控制器(21-f)协同高频压力传感器(7-2)和(7-3)，综合评价高频响应抑爆系统的抑爆效能，并结合保护段管道末端泄爆装置进行有效保护，全面增强氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置的安全性、准确性与全面性；
(11)空压机(13)通过阀门与引爆段管道(1)；真空泵(15)通过阀门与保护段管道(2)；开启排气阀(20)和空压机(13)对爆炸管道进行吹扫，完毕后则重复上述操作开始下一次测试。
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