CN113567496A - 可视化密闭容器内气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明可视化密闭容器内部气体‑粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置和方法，属于气体粉尘两相复合爆炸安全技术防护领域，包括：可视化气固复合爆炸系统、点火系统、抑爆系统、阻爆系统、配气系统、喷粉系统（哈特曼喷粉或薄板铺粉）、高频压力采集系统、高频温度采集系统、高速红外热成像系统、高速摄像系统、高速纹影系统、程序控制与数据采集系统。该装置可以进行气体和粉尘两相复合爆炸特性，及其抑爆、阻爆相关理论研究。
Description
技术领域
本发明属于气体-粉尘复合爆炸安全技术防护领域，具体为气体和粉尘复合爆炸特性，及其抑爆、阻爆相关理论研究的实验装置。
背景技术
近年来，国家高度重视化工生产过程中频繁发生的可燃气体、粉尘及其复合爆炸事故，一旦发生爆炸，将造成巨大的人员伤亡和经济损伤。随着经济的快速发展，企业生产安全措施日益完善，严重的安全事故大幅度减少。但由于企业工艺复杂，影响因素众多，使得气体-粉尘爆炸事故仍频繁生。因此，开展气体-粉尘复合爆炸及其防护机理研究，对于预防工业生产中气体-粉尘复合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气体-粉尘复合爆炸与防护理论具有重要的学术价值。
为了有效降低气体-粉尘复合爆炸产生的影响，我国从“六五”开始不断进行抑爆、阻爆技术的研究，并研制出被动式隔爆水槽、隔爆水袋和自动喷粉抑爆装置等一系列隔、抑爆装备。然而，在管道内部抑爆、阻爆理论方面研究相对较少，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。在阻爆、抑爆产品和性能要求等方面，主要依赖于国外进口，不能完全自主地发明阻爆、抑爆装置，且现阶段的爆炸防护装置多集中于单一防护方法。因此，在已有发明的基础上，本发明提出了一种集气固两相复合爆炸特性研究、并集抑爆、阻爆于一体的可视化防护实验装置。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种可视化密闭容器内部气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置。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密闭容器内部气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置，包括：可视化气固复合爆炸系统、抑爆系统、阻爆系统、点火系统、配气系统、喷粉系统（哈特曼喷粉或薄板铺粉）、高频压力采集系统、高频温度采集系统、高速摄像系统、高速红外热成像系统、程序控制与数据采集系统。
可视化管道1从右往左依次包括：引爆管道1-1、抑爆管道1-2和阻爆管道1-3。三段管道壁面延轴向方向均安装高强度钢化玻璃作为可视化视窗（32-1、32-2和32-3），以实现气固复合爆炸、抑爆、阻爆过程的可视化实验。在引爆管道1-1中开展气固复合爆炸特性研究，在抑爆管道1-2中开展抑爆机理研究，结合抑爆管道1-2和阻爆管道1-3开展阻爆机理研究。
（1）在研究气体-粉尘复合爆炸特性机理研究方面。
为了研究粉尘存在状态对气固两相复合爆炸的影响规律，本发明采用气流携带和冲击波扬尘式两种方法实现气固复合爆炸。在气流携带式中采用哈特曼喷粉装置（2-1、2-2），通过高压预混罐11中预混气体实现喷粉过程，对应的引爆管道1-1底部沿长度方向均布安装哈特曼喷粉装置（2-1、2-2）。煤尘置于哈特曼喷粉装置（2-1、2-2）槽内，底端管束喷出的高速预混气体气流经过哈特曼喷粉装置（2-1、2-2）时，由于半球形“蘑菇帽”的阻挡，形成自下而上的涡流，将凹槽中的粉尘扬起并形成粉尘云，该种喷粉结构能够实现相对均匀的粉尘云浓度。在冲击波扬尘式中采用设有障碍物的薄板进行铺设粉尘并开展冲击波扬尘爆炸实验。通过改变障碍物的阻塞比、数量和间距，研究有无障碍物及障碍物的参数对气固复合爆炸特性的影响规律。在此，粉尘铺粉采用筛粉装置和可调输送带传动方式实现，如图1所示。此方法能够保证铺粉厚度和粉尘的均匀分布，通过调节传输速度和筛粉量调节铺粉量及浓度。
气流携带式中，在程序控制与数据采集系统21的控制下，通过开启与关闭电磁阀3-1实现预混气体储罐11内高压气体通入哈特曼喷粉装置（2-1、2-2），并实现粉尘槽内粉尘均匀扬尘。冲击波扬尘中，在引爆管道1-1和抑爆管道1-2的法兰中间安装PVC膜27，以实现引爆管道1-1内预混气体的配置。实验时采用真空泵（16-1、16-2）对引爆管道1-1和左侧管道（抑爆管道1-2与阻爆管道1-3）两部分同时进行抽真空，真空速率通过真空泵（16-1、16-2）功率调节。之后引爆管道1-1通入预混气体，抑爆管道1-2与阻爆管道1-3通入空气以实现两侧压力平衡。通过改变粉尘参数（粒径、浓度、粉尘存在状态等）和障碍物参数（阻塞比、数量、间距等）对气固复合爆炸过程的影响规律及影响机理进行研究。
（2）在气固复合爆炸抑制机理研究方面。
抑爆管道1-2上安装超细水雾抑爆装置和粉体抑爆装置，通过安装靠近引爆管道1-1侧的火焰信号探测器20，感应爆炸火焰信号，控制超细水雾抑爆装置和粉体抑爆装置抑爆剂的喷洒。通过改变抑爆剂种类和喷雾压力，实现气体、粉尘及其气固复合爆炸抑制的研究。通过抑爆前后压力传感器（6-2、6-3）和温度传感器（5-2、5-3），分析抑爆前后压力与温度的变化规律。结合可视化管道内火焰形态和火焰速度（高速摄像机17）、火焰温度（高速红外热成像仪18）以及流场微观结构（高速纹影仪19）发展演变规律，分析抑爆剂种类和浓度对气体、粉尘及其气固复合爆炸的抑制规律及机理。
（3）在气固复合爆炸的抑爆、阻爆防护机理方面。
在抑爆管道1-2和阻爆管道1-3的法兰中间安装阻火器23，用于研究阻火器23对气体、粉尘及气固复合爆炸火焰，以及抑爆系统未能实现有效抑制火焰的阻爆机理。阻火器前后抑爆管道1-2和阻爆管道1-3分别安装高频压力传感器（6-3、6-4）和高频热电偶（5-3、5-4），用于研究阻爆前后压力和温度变化特征。同时，结合可视化管道内火焰形态和火焰速度（高速摄像机17）、火焰温度（高速红外热成像仪18）以及流场微观结构（高速纹影仪19）发展演变规律，分析阻火器结构参数（孔隙率、波纹高度、阻火单元厚度等）对气体、粉尘及气固复合爆炸的阻爆规律及机理。同时，在阻爆管道1-3末端安装泄爆口25，有效保护实验主体装置。爆炸管道内部安装气体浓度分析仪8，用于检测气固复合爆炸后产生的气体组分。在上述实验方案中，配气管路均配有单向阀，各项操作均由程序控制与数据采集系统21控制，增强测试系统的可靠性与同步性。
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视窗，集气体-粉尘复合爆炸、抑爆、阻爆于一体的实验装置，并结合高速摄像机、高速红外热成像仪和高速纹影仪系统，以及高频压力传感器和高频热电偶，可有效获取在爆炸、抑爆和阻爆过程中的爆炸参数，如爆炸压力、火焰温度分布、火焰传播速度、火焰形态变化、微观流场结构等。更为系统全面的分析气体-粉尘复合爆炸机理及其防护装置的抑爆、阻爆性能。与当前气体-粉尘复合爆炸实验装置相比，本发明实验装置在具有研究气体-粉尘复合爆炸机理功能的基础上，添加了超细水雾抑爆系统、粉体抑爆系统和阻火器阻爆系统。（1）通过安装在引爆管道1-1中的哈特曼喷粉装置和薄板铺粉装置，实现粉尘存在状态和湍流强度、粉尘浓度、粉尘粒径对气体-粉尘复合爆炸的影响规律及影响机理；（2）通过安装在抑爆管道1-2中的超细水雾抑爆系统和粉体抑爆系统，实现两种抑爆方式及不同种类抑爆剂对气体-粉尘复合爆炸抑制效果的对比优化以及抑制机理的研究；（3）通过安装在抑爆管道1-2和阻爆管道1-3间的阻爆系统，实现阻火器结构参数对气体、粉尘及气体-粉尘复合爆炸过程中阻爆效果及阻爆机理的可视化研究。通过安装在引爆管道1-1、抑爆管道1-2和阻爆管道1-3上的高频压力传感器和高频B型热电偶，测定气体、粉尘及气固复合爆炸、抑爆、阻爆前、后的压力和火焰温度变化规律，结合可视化容器内部火焰形态和火焰传播速度、流场微观结构、爆炸流场火焰温度，多角度评估防护装置的抑爆、阻爆特性，可实现抑爆、阻爆装置的性能测试和机理研究。利用火焰信号探测器连接抑爆装置上的电磁阀，联合同步控制器协同控制高频响应抑爆系统，喷出超细水雾、抑爆粉体进行有效的抑爆防护。如抑爆失败后，通过阻火器进一步对爆炸火焰进行有效阻爆，该实验装置可研究阻火器的孔隙率、阻火单元厚度、波纹高度、波纹角度等对阻火器阻爆性能的影响。在双重抑爆、阻爆装置下并结合阻爆管道末端的泄爆装置，全面增强本发明装置的安全防护性能，以及实验测试装置的可靠性与全面性。
附图说明
图1粉尘铺粉装置；
图2为可视化密闭容器内部气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置；
图3水雾浓度对甲烷爆炸压力的影响；
图4不同阻火单元厚度的氢气临界淬熄火焰速度；
图5 哈特曼喷粉装置图。
其中：1-1引爆管道；1-2抑爆管道；1-3阻爆管道；2-1、2-2哈特曼喷粉装置；3-1、3-2、3-3电磁阀；4、单向阀；5-1、5-2、5-3、5-4高频B型热电偶；6-1、6-2、6-3、6-4高频压力传感器；7-1、7-2、7-3精细水雾喷头；8、气体浓度分析仪；9、可燃气体气瓶；10-1、10-2空气气瓶；11、预混气体储罐；12-1、12-2进气管道；13-1、13-2障碍物；14、可调高压点火器；15-1、15-2、15-3真空压力表；16-1、16-2真空泵；17、高速红外热成相仪；18、高速摄像机；19、高速纹影仪；20、火焰信号探测器；21、程序控制与数据采集系统；22、同步控制器；23、阻火器；24、空气压缩机；25、泄爆口；26、气粉两相阀；27、PVC膜；28-1、28-2、28-3、28-4法兰；29、储粉罐；30、水罐；31-1、31-2、质量流量计；32-1、32-2、32-3可视化视窗；A：不锈钢板障碍物。
具体实施方式
本实施适用于可视化密闭容器内部气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置，其结构如图2所示，包括1-1：引爆管道；1-2：抑爆管道；1-3：阻爆管道；2-1、2-2哈特曼喷粉装置；3-1、3-2、3-3电磁阀；4、单向阀；5-1、5-2、5-3、5-4高频B型热电偶；6-1、6-2、6-3、6-4高频压力传感器；7-1、7-2、7-3精细水雾喷头；8、气体浓度分析仪；9、可燃气体气瓶；10-1、10-2空气气瓶；11、预混气体储罐；12-1、12-2进气管道；13-1、13-2障碍物；14、可调高压点火器；15-1、15-2、15-3真空压力表；16-1、16-2真空泵；17、高速红外热成相仪；18、高速摄像机；19、高速纹影仪；20、火焰信号探测器；21、程序控制与数据采集系统；22、同步控制器；23、阻火器；24、空气压缩机；25、泄爆口；26、气粉两相阀；27、PVC膜；28-1、28-2、28-3、28-4法兰；29、储粉罐；30、水罐；31-1、31-2、质量流量计；32-1、32-2、32-3可视化视窗；A：不锈钢板障碍物。
下面结合附图对本发明创造的具体实施例做详细说明。
图2为可视化密闭容器内部气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置。包括：可视化气体-粉尘复合爆炸系统、抑爆系统、阻爆系统、点火系统、配气系统、喷粉系统（哈特曼喷粉或薄板铺粉）、高频压力采集系统、高频温度采集系统、高速摄像系统、高速红外热成像系统、高速纹影系统、程序控制与数据采集系统。
可视化密闭容器内部气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置，主体结构从右往左依次包括：引爆管道1-1，抑爆管道1-2和阻爆管道1-3，三段管道安装可视化视窗32-1、32-2、32-3，能够实现气固复合爆炸特性可视化研究。包括气流携带粉尘爆炸特性、冲击波扬尘并引发爆炸过程的研究，抑爆与阻爆过程中的爆炸火焰传播形态演变过程，爆炸温度场分布变化特征等。
所述可视化气体-粉尘复合爆炸系统，引爆段管道1-1右侧安装端面法兰28-4密封。①在研究预混气体爆炸冲击波扬尘复合爆炸时，法兰端面连接真空泵16-1，以实现容器内部的真空度。同时，法兰端面28-4安装预混气体进气管道12-1并通过质量流量计31-1与预混气体储罐11连接，预混气体储罐11下端与空气气瓶10-1和可燃气体气瓶9连接。粉尘铺设于带有障碍物的不锈钢薄板A上，通过粉尘铺粉装置图1所示实现铺粉量和铺粉位置的设定；通过改变障碍物的阻塞比、数量和间距等工况参数，实现障碍物对气固复合爆炸特性影响规律及机理研究；②在研究气流携带粉尘爆炸特性时，通过引爆管道1-1底端安装的哈特曼喷粉装置2-1、2-2实现喷粉过程。哈特曼喷粉装置2-1、2-2前端装有单向阀4、电磁阀3-1、质量流量计31-1并与预混气体储罐11相连，通过程序控制与数据采集系统21控制电磁阀3-1的开启，实现喷粉时间与喷粉压力的调控。引爆管道1-1与抑爆管道1-2通过法兰28-3连接，且法兰端面安装PVC膜27，以实现引爆管道1-1内部的配气过程。引爆段管道1-1上端面安装气体浓度分析仪8，用于气固复合爆炸后产生检测。同时，安装高频压力传感器6-1、高频B型热电偶5-1，实现气固复合爆炸压力和火焰温度的采集。通过改变粉尘参数（粒径、浓度、存在状态等），研究气固复合爆炸的影响因素、规律和机理。可调高压点火器14点火后气固两相发生复合爆炸，通过高速摄像机18和高速红外热成像仪17实现火焰形态、火焰传播速度的采集与爆炸温度场分布的测定。通过高速纹影仪19采集爆炸流场微观结构变化规律。
点火系统由可调高压点火器14、程序控制与数据采集系统21和同步控制器22组成。可调高压点火器14安装于引爆管道1-1靠近右端法兰28-4管道上侧，点火位置为管道中心处。研究气固复合爆炸的最小点火能，以及点火能量对气固复合爆炸的影响规律。点火能量对爆炸强度有显著的影响，公式（1）和（2）为10%甲烷体积浓度下点火能量与最大爆炸压力和压力上升速率的拟合函数关系：
式中：
为最大爆炸压力； (dP/dt) max 为最大爆炸压力上升速率；
为点火能量。
抑爆系统安装于抑爆管道1-2上端处，由超细水雾抑爆装置、粉体抑爆装置、程序控制与数据采集系统21、火焰信号探测器20组成。其中超细水雾抑爆装置由水罐30、真空压力表15-3、电磁阀3-2、精细水雾喷头7-1、7-2、7-3组成。电磁阀3-2与火焰信号探测器20连接，通过火焰信号探测器20感应火焰信号并输入与反馈信号，控制电磁阀3-2的开启与关闭，进而调控精细雾化喷头（7-1、7-2、7-3）喷雾，实现水雾参数（水雾粒径、浓度、速度以及含添加剂超细水雾）对爆炸抑制效果的影响研究。水雾参数能够明显影响爆炸强度，图3为不同水雾浓度下爆炸压力变化曲线。粉体抑爆装置由空气气瓶10-2、电磁阀3-3、储粉罐29、气粉两相阀26和火焰信号探测器20组成。空气气瓶10-2为储粉罐29提供压力，通过火焰信号探测器20感应火焰信号并输入与反馈信号，控制电磁阀3-3的开启与关闭，进而调控气粉两相阀26喷晒粉体抑制剂，实现不同种类抑制剂抑爆效果对比优化研究。
阻爆系统主要部分为阻火器23，安装于抑爆管道1-2和阻爆管道1-3法兰28-2连接处。同时配有安装于其前后的高频压力传感器6-3和6-4，高频B型热电偶5-3和5-4，测定阻爆前后压力与温度的变化情况，即阻爆效果的评定。通过安装于抑爆管道1-2和阻爆管道1-3的可视化视窗32-2、32-3观测阻爆成功与否，以及阻爆前后火焰形态和流场微观结构的变化规律，并对抑爆失效的火焰进行有效的阻火。阻火器结构参数是影响阻火器阻火性能的关键因素，公式（3）为阻火单元厚度对阻火器性能的影响。通过更换阻火器23型号，研究阻火器的孔隙率、阻火单元厚度、波纹高度、波纹角度等阻火器结构参数对气固复合爆炸阻爆过程的影响，获得波纹阻火器结构参数对阻火性能的影响规律及机理。图4为不同阻火单元厚度对应的氢气临界淬熄火焰速度。
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为火焰流动速度。
配气系统由可燃气体气瓶9、空气气瓶10-1、预混气体储罐11、真空泵16-1、16-2、空气压缩机24、电磁阀3-1和单向阀4组成；采用真空泵16-1、16-2对PVC膜分隔的引爆管道1-1及左侧的抑爆管道1-2和阻爆管道1-3内部抽至真空状态（真空度：0.095MPa）并保证两侧压力平衡。可燃气体气瓶9和空气气瓶10-1分别与预混气体储罐11连接，预混气体储罐11配置一定浓度且均匀的预混气体。预混气体储罐11分成两路，一路为哈特曼喷粉装置2-1、2-2提供喷粉动力，一路通过法兰端面实现引爆管道1-1内部进气。PVC膜27分隔两侧通过质量流量计31-1、31-2调控进气速率并保证两侧的压力平衡。
哈特曼喷粉装置结构如图（5）所示。预混气体储罐11通过配气管道与电磁阀3-1和单向阀4连接，之后分别与哈特曼喷粉装置2-1、2-2连接。粉尘置于哈特曼喷粉装置槽内，底端管束喷出的高速预混气体气流经过哈特曼喷粉装置时，此时将不锈钢板障碍物A移出。由于半球形“蘑菇帽”的阻挡，形成自下而上的涡流，将凹槽中的粉尘扬起并形成粉尘云，该种喷粉结构能够实现相对均匀的粉尘云浓度。通过程序控制与数据采集系统21调控喷粉时间，通过预混气体储罐11内部压力调控喷粉压力。
薄板铺粉装置是带有障碍物A的不锈钢板铺设于引爆管道1-1的底部。采用筛粉装置和可调输送带传动方式实现薄板铺粉过程，如上图1所示。此种方法能够保证铺粉的均匀性，调控输送带输送速度和筛粉装置振动频率，可改变铺粉浓度和厚度。在设有障碍物的工况下进行气体爆炸冲击波诱导粉尘扬尘复合爆炸实验。通过改变障碍物的间距、数量和阻塞比，研究有无障碍物及障碍物参数对气固复合爆炸特性的影响规律和机理。
高频压力采集系统由高频压力传感器6-1、6-2、6-3、6-4与程序控制与数据采集系统21、同步控制器22组成。高频压力传感器6-1安装于引爆管道1-1上端面中间处，测定在引爆管道1-1中气固复合爆炸的压力；高频压力传感器6-2、6-3安装于抑爆装置左右两侧，用于测量抑爆装置对气固复合爆炸压力的降低程度；高频压力传感器6-4安装于阻火器23左侧阻爆管道1-3上，与阻火器距离100±50mm，用于测量爆炸火焰通过阻火器23后的压降，综合评判抑爆、阻爆系统对气固复合爆炸过程的抑制作用。
高频温度采集系统由高频B型热电偶5-1、5-2、5-3、5-4、程序控制与数据采集系统21、同步控制器22组成。高频B型热电偶5-1安装在引爆管道1-1上端面中心位置，用于宏观测定引爆管道1-1中气固复合爆炸火焰温度；高频B型热电偶5-2、5-3安装于抑爆装置左右两侧，用于测量抑爆前后火焰温度变化；高频B型热电偶5-4安装于阻火器23左侧阻爆管道1-3上，与阻火器距离100±50mm，用于测量爆炸火焰通过阻火器23后的温度变化，综合评判抑爆、阻爆系统对气固复合爆炸温度场的影响。
同时，高速红外热成像系统由高速红外热成像仪17、程序控制与数据采集系统21、同步控制器22组成。通过高速红外热成像仪17能够采集爆炸火焰在引爆管道1-1、抑爆1-2和阻爆管道1-3中（气固复合爆炸、抑爆和阻爆）爆炸流场温度的变化规律。
高速摄像系统由高速摄像机18、程序控制与数据采集系统21、同步控制器22组成。通过高速摄像机18能够采集爆炸火焰在引爆管道1-1、抑爆1-2和阻爆管道1-3中（气固复合爆炸、抑爆和阻爆）火焰形态、火焰传播速度的变化规律。
高速纹影系统由高速纹影仪19、程序控制与数据采集系统21、同步控制器22组成。通过高速纹影仪19能够采集爆炸火焰在引爆管道1-1、抑爆1-2和阻爆管道1-3中（气固复合爆炸、抑爆和阻爆）爆炸流场微观结构演变过程，直观获得气固复合爆炸火焰在抑爆、阻爆过程中爆炸流场微观结构的变化过程。
在使用该装置进行系列试验时，包括以下使用步骤：
（1）在气体-粉尘复合爆炸特性机理研究实验时的使用步骤
①检查可视化气体-粉尘复合爆炸实验研究及其防护装置，保障各系统及管线连接完好。
②当开展薄板铺粉实验时，采用筛粉装置和可调输送带实现一定粉尘厚度的均匀铺设，如上图1所示。将铺设粉尘的带有障碍物不锈钢板A置于管道底端，如图2所示。通过改变铺设粉尘量获得引爆管道1-1内部不同粉尘扬尘浓度。
③采用真空泵16-1、16-2分别对引爆管道1-1和左侧（抑爆管道1-2与阻爆管道1-3）两部分管道进行抽真空并保证两侧的压差平衡，抽至真空度为0.095MPa。
④打开可燃气体气瓶9、空气气瓶10-1的阀门，配置一定浓度的预混气体于预混气体储罐11，再由进气管道12-1通过质量流量计31-1将预混气体通入引爆管道1-1中。同时，通过质量流量计31-2向抑爆管道1-2与阻爆管道1-3内部同时通入空气以实现两侧压差平衡。
⑤当开展哈特曼喷粉实验时，将粉尘置于哈特曼喷粉装置2-1、2-2槽内，预混气体储罐11通过配气管道与电磁阀3-1和单向阀4连接，为哈特曼喷粉装置提供喷粉气源。
⑥检查高频压力传感器（6-1、6-2、6-3、6-4）和高频B型热电偶（5-1、5-2、5-3、5-4）的连接，打开程序控制与数据采集系统21，安装高速红外热成像仪17、高速摄像机18、高速纹影仪19，并与程序控制与数据采集系统21、同步控制器22连接。
⑦薄板铺粉实验时：打开可调高压点火器14对引爆管道1-1中的可燃气体进行引爆，气体爆炸冲击波诱导沉积粉尘扬尘发生气固复合爆炸；哈特曼喷粉实验时：启动电磁阀3-1实现喷粉过程，喷粉时间与时刻通过电磁阀3-1的开启与关闭控制。通过可调高压点火器14对引爆管道1-1中的气体-粉尘复合物进行引爆。
⑧同时，触发程序控制和数据采集系统21开始采集压力、温度的数据，通过触发高速红外热成像仪17、高速摄像机18和高速纹影仪19，同步采集可视化管道中气体-粉尘复合爆炸过程中温度场、火焰传播形态和流场微观结构。
⑨对气体-粉尘复合爆炸过程的数据进行综合分析和处理，获得气体-粉尘复合爆炸各特征参数的演化规律及影响因素。
（2）在气体-粉尘复合爆炸抑爆机理实验研究的使用步骤
①在研究气体-粉尘复合爆炸特性机理研究实验基础上，检查抑爆管道1-2上的超细水雾抑爆装置和粉体抑爆装置，连接与安装火焰信号探测器20，并装入相应的抑制剂。
②超细水雾抑爆装置和粉体抑爆装置可进行气体爆炸冲击波诱导沉积粉尘扬尘发生气固复合爆炸的抑制，也可进行哈特曼喷粉过程的气固复合爆炸的抑制。通过火焰信号探测器20感受爆炸火焰信号，实现抑爆装置的开启。
③超细水雾抑爆实验时：程序控制和数据采集系统21通过控制电磁阀3-2开启水罐30上的精细水雾喷头7-1、7-2、7-3，喷出超细水雾进行爆炸火焰抑制；粉体抑爆实验时：程序控制和数据采集系统21通过控制电磁阀3-3开启气粉两相阀26，由空气气瓶10-2提供动力将储粉罐29中的抑爆粉体（如碳酸氢钠粉体、碳酸氢钾粉体、硅酸盐矿物粉体等）喷入可视化装置中进行爆炸抑制。
④同时，触发程序控制和数据采集系统21开始采集压力、温度的数据，通过触发高速红外热成像仪17、高速摄像机18和高速纹影仪19，同步采集可视化管道中气体-粉尘复合爆炸过程中温度场、火焰传播形态和流场微观结构。研究两种不同的抑爆方式对气体-粉尘复合爆炸的抑爆效果。
（3）在研究气体-粉尘复合爆炸的抑爆、阻爆防护机理实验时的使用步骤
①当抑爆管道1-2中火焰未能被抑爆装置完全抑制时，阻火器23将对爆炸火焰进行阻爆过程，通过改变阻火器23的孔隙率、阻火单元厚度、波纹高度、波纹角度等对爆炸火焰的阻爆效果，研究阻火器结构参数对阻爆效果的影响规律和影响机理。
②同时，触发程序控制和数据采集系统21开始采集压力、温度的数据，通过触发高速红外热成像仪17、高速摄像机18和高速纹影仪19，同步采集阻爆前后可视化管道中气体-粉尘复合爆炸过程中温度场、火焰传播形态和流场微观结构。研究阻火器23对气体-粉尘复合爆炸的阻爆规律及阻爆机制。
本发明的有益效果是：
（1）本发明能够可视化定性的研究气体-粉尘复合爆炸各特征参数及粉尘存在状态（沉积粉尘式和气流携带式）对复合爆炸的影响规律，多参数分析气固复合爆炸特性、冲击波诱导沉积粉尘爆炸及弥散粉尘气固复合爆炸特性。
（2）本发明能够实现不同种类抑爆剂对气固复合爆炸抑制效果的对比优化研究，通过可视化手段掌握不同抑爆剂抑爆前后表现出的宏观参数变化。
（3）本发明集抑爆和阻爆装置于一体，进行气固复合爆炸抑制，相比于传统单一防护方法，本发明在气固复合爆炸的防护方面具有更大的可靠性与全面性。
（4）相比于传统实验装置，本发明具有方案设计新颖性、实验内容多样性，即可变参数多、对比效果好、实验结果直观展现等特点。
（5）本发明构造简单、性能稳定，易操控、便于开展气体-粉尘复合爆炸特性、抑爆、阻爆性能的影响因素和影响机理研究。
Claims (13)
1.可视化密闭容器内气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置，其特征在于，包括：可视化气体-粉尘复合爆炸系统、抑爆系统、阻爆系统、点火系统、配气系统、喷粉系统、高频压力采集系统、高频温度采集系统、高速摄像系统、高速红外热成像系统、高速纹影系统、程序控制与数据采集系统；
主体结构从右往左依次包括：引爆管道(1-1)，抑爆管道(1-2)和阻爆管道(1-3)，三段管道安装可视化视窗(32-1)、(32-2)、(32-3)，能实现气固复合爆炸特性可视化研究。
2.根据权利要求1所述的可视化密闭容器内气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置，其特征在于，所述可视化气体-粉尘复合爆炸系统中引爆段管道(1-1)右侧安装端面法兰(28-4)密封；①在研究预混气体爆炸冲击波扬尘复合爆炸时，法兰端面连接真空泵(16-1)，以实现容器内部的真空度；同时，法兰端面(28-4)安装预混气体进气管道(12-1)并通过质量流量计(31-1)与预混气体储罐(11)连接，预混气体储罐(11)下端与空气气瓶(10-1)和可燃气体气瓶(9)连接；粉尘铺设于带有障碍物的不锈钢薄板A上，通过粉尘铺粉装置实现铺粉量和铺粉位置的设定；通过改变障碍物的阻塞比、数量和间距等工况参数，实现障碍物对气固复合爆炸特性影响规律及机理研究；②在研究气流携带粉尘爆炸特性时，通过引爆管道(1-1)底端安装的哈特曼喷粉装置(2-1)、(2-2)实现喷粉过程；哈特曼喷粉装置(2-1)、(2-2)前端装有单向阀(4)、电磁阀(3-1)、质量流量计(31-1)并与预混气体储罐(11)相连，通过程序控制与数据采集系统(21)控制电磁阀(3-1)的开启，实现喷粉时间与喷粉压力的调控；引爆管道(1-1)与抑爆管道(1-2)通过法兰(28-3)连接，且法兰端面安装PVC膜(27)，以实现引爆管道(1-1)内部的配气过程；引爆段管道(1-1)上端面安装气体浓度分析仪(8)，用于气固复合爆炸后产生检测；同时，安装高频压力传感器(6-1)、高频B型热电偶(5-1)，实现气固复合爆炸压力和火焰温度的采集；通过改变粉尘参数，研究气固复合爆炸的影响因素、规律和机理；可调高压点火器(14)点火后气固两相发生复合爆炸，通过高速摄像机(18)和高速红外热成像仪(17)实现火焰形态、火焰传播速度的采集与爆炸温度场分布的测定；通过高速纹影仪(19)采集爆炸流场微观结构变化规律。
3.根据权利要求1所述的可视化密闭容器内气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置，其特征在于，所述点火系统由可调高压点火器(14)、程序控制与数据采集系统(21)和同步控制器(22)组成；可调高压点火器(14)安装于引爆管道(1-1)靠近右端法兰(28-4)管道上侧，点火位置为管道中心处；研究气固复合爆炸的最小点火能，以及点火能量对气固复合爆炸的影响规律；点火能量对爆炸强度有显著的影响，公式（1）和（2）为10%甲烷体积浓度下点火能量与最大爆炸压力和压力上升速率的拟合函数关系：
式中：
为最大爆炸压力； (dP/dt) max 为最大爆炸压力上升速率；
为点火能量。
4.根据权利要求1所述的可视化密闭容器内气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置，其特征在于，所述抑爆系统安装于抑爆管道(1-2)上端处，由超细水雾抑爆装置、粉体抑爆装置、程序控制与数据采集系统(21)、火焰信号探测器(20)组成；其中超细水雾抑爆装置由水罐(30)、真空压力表(15-3)、电磁阀(3-2)、精细水雾喷头(7-1)、(7-2)、(7-3)组成；电磁阀(3-2)与火焰信号探测器(20)连接，通过火焰信号探测器(20)感应火焰信号并输入与反馈信号，控制电磁阀(3-2)的开启与关闭，进而调控精细雾化喷头（7-1、7-2、7-3）喷雾，实现水雾参数对爆炸抑制效果的影响研究；粉体抑爆装置由空气气瓶(10-2)、电磁阀(3-3)、储粉罐(29)、气粉两相阀(26)和火焰信号探测器(20)组成；空气气瓶(10-2)为储粉罐(29)提供压力，通过火焰信号探测器(20)感应火焰信号并输入与反馈信号，控制电磁阀(3-3)的开启与关闭，进而调控气粉两相阀(26)喷晒粉体抑制剂，实现不同种类抑制剂抑爆效果对比优化研究。
5.根据权利要求1所述的可视化密闭容器内气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置，其特征在于，所述阻爆系统主要部分为阻火器(23)，安装于抑爆管道(1-2)和阻爆管道 (1-3)法兰(28-2)连接处；同时配有安装于其前后的高频压力传感器(6-3)和(6-4)，高频B型热电偶(5-3)和(5-4)，测定阻爆前后压力与温度的变化情况，即阻爆效果的评定；通过安装于抑爆管道(1-2)和阻爆管道(1-3)的可视化视窗(32-2)、(32-3)观测阻爆成功与否，以及阻爆前后火焰形态和流场微观结构的变化规律，并对抑爆失效的火焰进行有效的阻火；阻火器结构参数是影响阻火器阻火性能的关键因素，公式（3）为阻火单元厚度对阻火器性能的影响；通过更换阻火器(23)型号，研究阻火器的孔隙率、阻火单元厚度、波纹高度、波纹角度等阻火器结构参数对气固复合爆炸阻爆过程的影响，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为火焰流动速度。
6.根据权利要求1所述的可视化密闭容器内气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置，其特征在于，所述配气系统由可燃气体气瓶(9)、空气气瓶(10-1)、预混气体储罐(11)、真空泵(16-1)、(16-2)、空气压缩机(24)、电磁阀(3-1)和单向阀(4)组成；采用真空泵(16-1)、 (16-2)对PVC膜分隔的引爆管道(1-1)及左侧的抑爆管道(1-2)和阻爆管道(1-3)内部抽至真空状态，真空度：0.095MPa，并保证两侧压力平衡；可燃气体气瓶(9)和空气气瓶(10-1)分别与预混气体储罐(11)连接，预混气体储罐(11)配置一定浓度且均匀的预混气体；预混气体储罐 (11)分成两路，一路为哈特曼喷粉装置(2-1)、(2-2)提供喷粉动力，一路通过法兰端面实现引爆管道 (1-1)内部进气；PVC膜 (27)分隔两侧通过质量流量计(31-1)、(31-2)调控进气速率并保证两侧的压力平衡。
7.根据权利要求1所述的可视化密闭容器内气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置，其特征在于，所述喷粉系统包括哈特曼喷粉系统和薄板铺粉系统；所述哈特曼喷粉系统中：预混气体储罐(11)通过配气管道与电磁阀(3-1)和单向阀(4)连接，之后分别与哈特曼喷粉装置(2-1)、 (2-2)连接；粉尘置于哈特曼喷粉装置槽内，底端管束喷出的高速预混气体气流经过哈特曼喷粉装置时，此时将不锈钢板障碍物A移出；由于半球形“蘑菇帽”的阻挡，形成自下而上的涡流，将凹槽中的粉尘扬起并形成粉尘云，该种喷粉结构能够实现相对均匀的粉尘云浓度；通过程序控制与数据采集系统(21)调控喷粉时间，通过预混气体储罐(11)内部压力调控喷粉压力；
所述哈特曼喷粉系统中：薄板铺粉装置是带有障碍物A的不锈钢板铺设于引爆管道(1-1)的底部；采用筛粉装置和可调输送带传动方式实现薄板铺粉过程，此种方法能够保证铺粉的均匀性，调控输送带输送速度和筛粉装置振动频率，能改变铺粉浓度和厚度；在设有障碍物的工况下进行气体爆炸冲击波诱导粉尘扬尘复合爆炸实验；通过改变障碍物的间距、数量和阻塞比，研究有无障碍物及障碍物参数对气固复合爆炸特性的影响规律和机理。
8.根据权利要求1所述的可视化密闭容器内气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置，其特征在于，所述高频压力采集系统由高频压力传感器 (6-1)、(6-2)、(6-3)、(6-4)与程序控制与数据采集系统(21)、同步控制器(22)组成；高频压力传感器(6-1)安装于引爆管道 (1-1)上端面中间处，测定在引爆管道(1-1)中气固复合爆炸的压力；高频压力传感器(6-2)、 (6-3)安装于抑爆装置左右两侧，用于测量抑爆装置对气固复合爆炸压力的降低程度；高频压力传感器 (6-4)安装于阻火器(23)左侧阻爆管道(1-3)上，与阻火器距离100±50mm，用于测量爆炸火焰通过阻火器(23)后的压降，综合评判抑爆、阻爆系统对气固复合爆炸过程的抑制作用。
9.根据权利要求1所述的可视化密闭容器内气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置，其特征在于，所述高频温度采集系统由高频B型热电偶(5-1、5-2、5-3、5-4)、程序控制与数据采集系统(21)、同步控制器(22)组成；高频B型热电偶(5-1)安装在引爆管道(1-1)上端面中心位置，用于宏观测定引爆管道(1-1)中气固复合爆炸火焰温度；高频B型热电偶(5-2、5-3)安装于抑爆装置左右两侧，用于测量抑爆前后火焰温度变化；高频B型热电偶()5-4安装于阻火器(23)左侧阻爆管道(1-3)上，与阻火器距离100±50mm，用于测量爆炸火焰通过阻火器 (23)后的温度变化，综合评判抑爆、阻爆系统对气固复合爆炸温度场的影响。
10.根据权利要求1所述的可视化密闭容器内气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验装置，其特征在于，所述高速红外热成像系统由高速红外热成像仪 (17)、程序控制与数据采集系统(21)、同步控制器(22)组成；通过高速红外热成像仪(17)能够采集爆炸火焰在引爆管道(1-1)、抑爆(1-2)和阻爆管道(1-3)中的气固复合爆炸、抑爆和阻爆的，爆炸流场温度的变化规律；
高速摄像系统由高速摄像机(18)、程序控制与数据采集系统(21)、同步控制器(22)组成；通过高速摄像机(18)能够采集爆炸火焰在引爆管道(1-1)、抑爆(1-2)和阻爆管道(1-3)中的气固复合爆炸、抑爆和阻爆的，火焰形态、火焰传播速度的变化规律；
高速纹影系统由高速纹影仪(19)、程序控制与数据采集系统(21)、同步控制器(22)组成；通过高速纹影仪(19)能够采集爆炸火焰在引爆管道(1-1)、抑爆(1-2)和阻爆管道(1-3)中的气固复合爆炸、抑爆和阻爆的，爆炸流场微观结构演变过程，直观获得气固复合爆炸火焰在抑爆、阻爆过程中爆炸流场微观结构的变化过程。
11.可视化密闭容器内气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验方法，其特征在于，
在气体-粉尘复合爆炸特性机理研究实验时的使用步骤如下：
①检查可视化气体-粉尘复合爆炸实验研究及其防护装置，保障各系统及管线连接完好；
②当开展薄板铺粉实验时，采用筛粉装置和可调输送带实现一定粉尘厚度的均匀铺设，如上图1所示；将铺设粉尘的带有障碍物不锈钢板A置于管道底端，通过改变铺设粉尘量获得引爆管道(1-1)内部不同粉尘扬尘浓度；
③采用真空泵(16-1、16-2)分别对引爆管道(1-1)和左侧抑爆管道(1-2)与阻爆管道(1-3)两部分管道进行抽真空并保证两侧的压差平衡，抽至真空度为0.095MPa；
④打开可燃气体气瓶(9)、空气气瓶(10-1)的阀门，配置一定浓度的预混气体于预混气体储罐(11)，再由进气管道(12-1)通过质量流量计(31-1)将预混气体通入引爆管道(1-1)中；同时，通过质量流量计(31-2)向抑爆管道(1-2)与阻爆管道(1-3)内部同时通入空气以实现两侧压差平衡；
⑤当开展哈特曼喷粉实验时，将粉尘置于哈特曼喷粉装置(2-1、2-2)槽内，预混气体储罐11通过配气管道与电磁阀(3-1)和单向阀(4)连接，为哈特曼喷粉装置提供喷粉气源；
⑥检查高频压力传感器（6-1、6-2、6-3、6-4）和高频B型热电偶（5-1、5-2、5-3、5-4）的连接，打开程序控制与数据采集系统(21)，安装高速红外热成像仪(17)、高速摄像机(18)、高速纹影仪(19)，并与程序控制与数据采集系统(21)、同步控制器(22)连接；
⑦薄板铺粉实验时：打开可调高压点火器(14)对引爆管道(1-1)中的可燃气体进行引爆，气体爆炸冲击波诱导沉积粉尘扬尘发生气固复合爆炸；哈特曼喷粉实验时：启动电磁阀(3-1)实现喷粉过程，喷粉时间与时刻通过电磁阀(3-1)的开启与关闭控制；通过可调高压点火器 (14)对引爆管道 (1-1)中的气体-粉尘复合物进行引爆；
⑧同时，触发程序控制和数据采集系统(21)开始采集压力、温度的数据，通过触发高速红外热成像仪(17)、高速摄像机(18)和高速纹影仪(19)，同步采集可视化管道中气体-粉尘复合爆炸过程中温度场、火焰传播形态和流场微观结构；
⑨对气体-粉尘复合爆炸过程的数据进行综合分析和处理，获得气体-粉尘复合爆炸各特征参数的演化规律及影响因素。
12.根据权利要求11所述的可视化密闭容器内气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验方法，其特征在于，在气体-粉尘复合爆炸的抑爆机理实验研究的使用步骤如下：
①在研究气体-粉尘复合爆炸特性机理研究实验基础上，检查抑爆管道(1-2)上的超细水雾抑爆装置和粉体抑爆装置，连接与安装火焰信号探测器(20)，并装入相应的抑制剂；
②超细水雾抑爆装置和粉体抑爆装置可进行气体爆炸冲击波诱导沉积粉尘扬尘发生气固复合爆炸的抑制，也可进行哈特曼喷粉过程的气固复合爆炸的抑制；通过火焰信号探测器 (20)感受爆炸火焰信号，实现抑爆装置的开启；
③超细水雾抑爆实验时：程序控制和数据采集系统(21)通过控制电磁阀(3-2)开启水罐 (30)上的精细水雾喷头(7-1、7-2、7-3)，喷出超细水雾进行爆炸火焰抑制；粉体抑爆实验时：程序控制和数据采集系统(21)通过控制电磁阀(3-3)开启气粉两相阀(26)，由空气气瓶(10-2)提供动力将储粉罐(29)中的抑爆粉体,如碳酸氢钠粉体、碳酸氢钾粉体、硅酸盐矿物粉体,喷入可视化装置中进行爆炸抑制；
④同时，触发程序控制和数据采集系统(21)开始采集压力、温度的数据，通过触发高速红外热成像仪(17)、高速摄像机(18)和高速纹影仪(19)，同步采集可视化管道中气体-粉尘复合爆炸过程中温度场、火焰传播形态和流场微观结构；研究两种不同的抑爆方式对气体-粉尘复合爆炸的抑爆效果。
13.根据权利要求11所述的可视化密闭容器内气体-粉尘复合爆炸特性及其防护研究实验方法，其特征在于，在研究气体-粉尘复合爆炸的抑爆、阻爆防护机理实验时的使用步骤如下：
①当抑爆管道(1-2)中火焰未能被抑爆装置完全抑制时，阻火器(23)将对爆炸火焰进行阻爆过程，通过改变阻火器(23)的孔隙率、阻火单元厚度、波纹高度、波纹角度等对爆炸火焰的阻爆效果，研究阻火器结构参数对阻爆效果的影响规律和影响机理；
②同时，触发程序控制和数据采集系统 (21)开始采集压力、温度的数据，通过触发高速红外热成像仪(17)、高速摄像机(18)和高速纹影仪(19)，同步采集阻爆前后可视化管道中气体-粉尘复合爆炸过程中温度场、火焰传播形态和流场微观结构；研究阻火器(23)对气体-粉尘复合爆炸的阻爆规律及阻爆机制。
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