CN114354688A - 超低温氢气爆炸流场试验监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超低温氢气爆炸流场试验监测系统，属于试验领域。该系统的预处理系统存在两个状态，设计由氢氧配气装置、液氮冷凝箱、气动四通球阀、气动阀门、真空泵、玻璃管、软管等组成，通过气动四通球阀实现管路状态切换；状态一通过气动阀门等装置调节反应气体参数并控制反应环境处于真空状态；状态二将预设状态反应气体通入玻璃管，利用超低温环境下超导体粉末的迈斯纳效应和量子锁定现象实现局部扰动的可控性；反应监测系统由点火器、纹影系统、局部扰动系统、防爆片等组成，通过纹影技术实现对爆炸流场的监测。本发明能在小范围内实现超低温氢气(‑200℃)的爆炸与流场的动态监测，具有较高精度，同时保证了装置的可靠性与安全性。

Description

超低温氢气爆炸流场试验监测系统

技术领域

本发明涉及一种超低温氢气爆炸流场试验监测系统，具体涉及一种可在小范围内实现冷氢气爆炸并对冷氢气爆炸反应后射流浓度场进行监测的装置，属于试验领域。

背景技术

在“节能减排”、“低碳经济”、“碳中和”战略发展规划指导下，我国清洁能源产业逐步兴起，氢能在新能源消费结构中的比重快速增加。但氢具有点火能小、燃烧爆炸极限范围宽等特点，极易引发泄漏爆炸事故。因此，对氢爆炸进行定量、可视化研究在氢气的应用领域具有重要意义。

由于液氢超低温、易相变的特点以及无法上路运输等限制，国内尚未开展相关研究，液氢泄漏后，低温氢气爆炸演化机理尚不明确，爆炸超压、火焰结构等特征仍无定量描述。

气体爆轰是目前爆炸领域研究的热点问题，湍流火焰在不同扰动条件下的演变规律至今没有得出很好的描述。在现有技术中，扰动往往通过小风扇、反应机构运动等手段实现，其自身对反应产生的影响不可忽略。

由于氢爆炸火焰发展初期处于紫外波段，常规高速摄影技术不能有效捕捉爆炸发展过程。

发明内容

本发明的目的是为了克服技术壁垒，提供一种超低温氢气爆炸流场试验监测系统，该系统能在小范围内实现超低温氢气的爆炸反应与监测，能精确的控制反应气体参数，对射流浓度场进行监测；具有较高精度的同时保证了装置的可靠性与安全性。

本发明的目的是通过下式技术方案实现的。

超低温氢气爆炸流场试验监测系统，由预处理系统和反应监测系统构成；

所述预处理系统包括：气动四通球阀、液氮冷凝箱、真空泵和氢氧配气装置；气动四通球阀一路与反应室连接，将待测试气体输送至反应室；一路经过液氮冷凝箱与氢氧配气装置连接；一路与真空泵连接用于制造真空环境；另一路用于尾气排放；

所述反应监测系统包括：玻璃管反应室、纹影系统和局部扰动系统；局部扰动系统置于玻璃管反应室外部，用于提供扰动，影响爆炸流场的爆炸特性且还原爆炸现实；纹影系统用于监测爆炸反应流场；

所述局部扰动系统位于玻璃管反应室的进气口处，即在反应的初始阶段提供扰动；

所述局部扰动系统包括：超导体粉末、电磁线圈组、导线和信号处理器；超导体粉末置于玻璃管反应室中；所述电磁线圈组为平行的环形结构，两环之间固定安装多个电磁线圈；通过控制电磁线圈电流强度，提供不同强度的磁场；电磁线圈与信号处理器通过导线连接；信号处理器调节电磁线圈组内各电磁线圈产生的磁场强弱变化，产生的变化磁场因量子锁定现象使在超低温下处于超导态悬浮于玻璃管反应室中的超导体粉末进行两种运动：绕着玻璃管轴线旋转和沿着玻璃管轴线运动；运动的超导体粉末带动玻璃管反应室中静止气体运动，产生局部涡流，涡结构的存在为预混气体提供可控扰动。

所述纹影系统包括：包括光源、聚光透镜组、狭缝、准直主反射镜、纹影主反射镜、刀口、高速摄影机和控制机构；所述控制机构可沿平面方向滑动，垂直方向升高或降低，包括滑台、丝杆、丝杠、升降螺母；光源发射的激光依次经过聚光透镜组、狭缝后被准直主反射镜反射，准直主反射镜反射光经过待监测的玻璃管反应室射入纹影主反射镜，纹影主反射镜再次反射后，光线经刀口被高速摄影机捕捉；准直主反射镜和纹影主反射镜与控制机构固定连接，实现水平和垂直方向的移动。

试验监测方法，包括如下步骤：

步骤一、调节反应监测系统中的纹影系统，使其中心处于同一水平高度，依次调节LED光源、聚光透镜组、狭缝、准直主反射镜、纹影主反射镜、刀口、高速摄影机和控制机构，使高速摄影机能获取适当的图像质量；

步骤二、调节气动四通球阀使其处于状态一，气动四通球阀a端与b端连通，此时通过控制a端、b端管路中气动截止阀及真空泵，保证玻璃管反应室内处于真空状态；气动四通球阀c端与d端连通，此时通过控制c端、d端管路中气动截止阀、压力调节阀，根据c端管路中压力传感器与温度传感器示数，保证氢氧配气装置中设置好比例浓度的预混气体经过液氮冷凝箱冷凝后的冷氢气满足预设条件状态；

步骤三、调节气动四通球阀使其处于状态二，气动四通球阀a端与d端连通，依次打开a端管路中气动截止阀、d端管路中气动截止阀；气动四通球阀b端与c端连通；

步骤四、调节信号处理器使电磁线圈组产生稳定磁场；

步骤五、静置一段时间，待所述超导体粉末在超低温氢气作用下冷却进入超导态，由于迈斯纳效应和量子锁定现象，超导体粉末逐渐悬浮于玻璃管反应室中；

步骤六、调节信号处理器使电磁线圈组产生变化的磁场，超导体粉末由于量子锁定现象随着变化的磁场运动，在超低温氢气爆炸反应初始阶段引入扰动，同时传给点火器一个点火信号；

步骤七、反应监测系统中点火器收到点火信号后通过对称打孔放置的两个点火电极引燃预混气体；

步骤八、通过纹影系统实现对冷氢气爆炸产生的射流浓度场的监测。

优选地，所述超导体粉末选用钇钡铜氧，在超低温氢气进入所述玻璃管反应室时冷却进入超导态，转变温度会发生迈斯纳效应；在95K或低于95K时，钇钡铜氧变为抗磁性，内部磁通量为零，磁力线无法进入超导体，超导体排斥体内的磁场，超导体粉末悬浮于玻璃管反应室中。

优选地，所述液氮冷凝箱中铜管管路为螺旋状结构。

优选地，气动四通球阀四个端口均与DN20硬管管路相连；

优选地，气动四通球阀c端硬管管路末端留有氢气吹除接口，硬管管路末端通过卡扣与软管连接；

优选地，所述玻璃管反应室右端法兰间采用橡胶圈密封；所述玻璃管反应室左端的法兰与夹持器之间通过强力粘胶密封连接。

优选地，纹影系统中准直主反射镜与纹影镜分别通过升降螺母固定在不同丝杠上，丝杠分别固定在两个滑台上表面，两个滑台分别装载于不同丝杆上。

有益效果

1、利用气动四通球阀结合液氮冷凝箱、真空泵、气动阀门等装置小范围内控制参与反应冷氢气的初始状态，获得准确的实验数据，实验精度更高；同时利用各机构的组合关系降低了对装置的精度要求，成本低，经济效益较好。

2、利用超低温环境及超导体特性，实现超导体粉末进入超导态；反应监测系统中局部扰动系统创新性的应用超导体在变化磁场中的运动产生局部涡流，为爆炸反应引入可控扰动条件，实现爆燃转爆轰(DDT)等多种爆炸流场条件的可能；同时超导体粉末自身不参与反应，对气体爆炸反应的影响可以忽略，可操作性强、使用效果好。

3、本发明涉及的预处理系统中，对未参与反应冷氢气通过氢气吹除接口和软管接富养氢预燃室进行二次处理，同时设有安全阀确保管路内部压力、玻璃管反应室中防爆片防止爆炸反应超压对玻璃管反应室造成伤害，系统的稳定性高、安全性强。

4、纹影技术作为流场的定性观察和分析手段，能较好的在小范围内监测爆炸流场的变化以及超低温条件下的火焰结构。

附图说明

图1为本发明的超低温氢气爆炸流场试验监测系统的结构示意图；

图2为预处理系统中状态一气动四通球阀内部的结构示意图；

图3为预处理系统中状态二气动四通球阀内部的结构示意图；

图4为反应监测系统局部扰动系统的结构示意图；

图5为反应监测系统纹影系统的结构示意图；

图6为玻璃管反应室的实际管路布置图。

其中，1—氢氧配气装置、2—液氮冷凝箱、3—气动四通球阀、4—真空泵、5—玻璃管反应室、6—软管、71—气动截止阀、72—气动截止阀、73—气动截止阀、74—气动截止阀、81—压力传感器、82—压力传感器、91—气动压力调节阀、92—气动压力调节阀、93—气动压力调节阀、10—温度传感器、11—氢气吹除接口、12—安全阀、131—法兰、132—法兰、14—夹持器、15—爆破片、16—点火器、17—纹影系统、171—LED光源、172—聚光透镜组、173—狭缝、174—准直主反射镜、175—纹影主反射镜、176—刀口、177—高速摄影机、181—滑台、182—滑台、191—丝杠、192—丝杠、20—局部扰动系统、201—电磁线圈组、202—导线、203—信号处理器、21—超导体粉末、22—卡扣、231—升降螺母、232—升降螺母、241—丝杆、242—丝杆、25—橡胶圈。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作详细说明。

本发明提供一种超低温氢气爆炸流场试验监测系统，如图1所示，包括预处理系统和反应监测系统，其中预处理系统主要部件包括氢氧配气装置1、液氮冷凝箱2、气动四通球阀3、真空泵4、玻璃管反应室5，软管6，部件之间通过DN20硬管管路相连；

气动四通球阀3中有a、b、c、d四端，a端通过气动截止阀71与玻璃管反应室5连接、b端依次连有压力传感器81、气动压力调节阀91、气动截止阀72、真空泵4；c端依次连有温度传感器10、压力传感器82、气动压力调节阀92、气动截止阀73、氢气吹除接口11、软管6；d端依次连有气动截止阀74、液氮冷凝箱2、安全阀12、气动压力调节阀93、氢氧配气装置1；管路中所有连接均采用密封连接；

反应监测系统中玻璃管反应室5右端通过法兰131和橡胶圈25与预处理系统中气动四通球阀3的a端管路密封连接、左端通过法兰132连有夹持器14，夹持器14装载有爆破片15；点火器16点火头连接于玻璃管反应室5右端，同时与信号处理器203相连；

反应监测系统中局部扰动系统如图4所示，有超导体粉末21置于玻璃管反应室5右端，电磁线圈组201环绕在玻璃管反应室5右端外侧，电磁线圈组201中的每个电磁线圈通过导线202与信号处理器203相连；

反应监测系统中纹影系统如图5所示，有LED光源171、聚光透镜组172、狭缝173、准直主反射镜174位于玻璃管反应室5一侧；有纹影主反射镜175、刀口176、高速摄影机器177位于玻璃管反应室5另一侧；准直主反射镜174通过升降螺母231固定于丝杠191上，丝杠191下端固定在滑台181上，滑台181装载于丝杆241上；纹影主反射镜175通过升降螺母232固定于丝杠192上，丝杠192下端固定在滑台182上，滑台182装载于丝杆242上。

软管6与气动四通球阀3的c端管路采取卡扣22连接；压力传感器82、温度传感器10、气动压力调节阀92、气动截止阀73均位于所述气动四通球阀3的c端硬管管路上，硬管管路末端留有氢气吹除接口11，对未参与反应冷氢气通过氢气吹除接口11和软管6接富养氢预燃室进行二次处理。

具体实施过程：

试验开始之前，根据预设的爆炸反应试验工况调整氢氧配气装置1混合气体浓度参数，选取试验所需管径、管长玻璃管，将爆破片15装载于夹持器14上，夹持器14通过法兰132连接玻璃管反应室5左端；将玻璃管反应室5右端通过法兰131与橡胶圈25密封接入预处理系统中气动四通球阀3的c端管路中；玻璃管反应室的部分实际管路布置如图6所示；

检验装置的气密性；

通过调整升降螺母231、滑台181、丝杆241位置控制准直主反射镜174位置；通过调整升降螺母232、滑台182、丝杆242位置控制纹影主反射镜175位置，使准直主反射镜174和纹影主反射镜175的中心线与玻璃管反应室5与隔离段中心线在处于同一水平面上；

依次调节LED光源171、聚光透镜组172、狭缝173、准直主反射镜174、纹影主反射镜175、刀口176、高速摄影机177，使高速摄影机177能获取适当的图像质量；

试验准备阶段，调节气动四通球阀3，如图2所示，使其处于状态一；

处于状态一时，气动四通球阀3的a端与b端连通，此时开启气动截止阀71与气动截止阀72，观察压力传感器81示数，用真空泵4将玻璃管反应室5内空气抽真空后，依次关闭气动截止阀71、气动截止阀72、真空泵4，保证玻璃管反应室5内处于真空状态；

根据压力传感81示数调节气动压力调节阀91，保证气动四通球阀3的b端管路内压力处于安全范围内；

处于状态一时，气动四通球阀3的c端与d端连通，此时开启气动截止阀74与气动截止阀73，设置好比例浓度的预混气体从氢气配气系统1中传入管路，经过压力调节阀93、安全阀12后进入液氮冷凝箱2，冷凝后冷氢气通过气动四通球阀3的d端进入气动四通球阀3的c端管路，观察压力传感器82与温度传感器10示数，调节气动压力调节阀92，当该管路中压力传感器82与温度传感器10示数满足预设条件时，依次关闭气动截止阀74、气动截止阀73，预设工况待反应冷氢气准备就绪；

调节气动四通球阀3，如图3所示，使所述预处理系统处于状态二，此时气动四通球阀3的a端与d端连通，依次打开气动截止阀71、气动截止阀74，调节信号处理器203使电磁线圈组201产生稳定磁场；

待一定时间后，超导体粉末21在超低温氢气作用下冷却进入超导态，由于迈斯纳效应，超导体粉末21内部磁通量为零，磁力线无法进入超导体粉末21，超导体粉末21排斥体内的磁场；由于量子锁定现象，当排斥作用达到一定程度时，超导体粉末21内部存在的晶阵缺陷使其被磁场锁定，其逐渐悬浮于玻璃管反应室5内电磁线圈组201产生的稳定磁场中,预混气均匀分布于玻璃管反应室5中，依次关闭气动截止阀71、气动截止阀74，预设爆炸反应条件准备就绪；

此时反应监测系统中，调节局部扰动系统20中信号处理器203使电磁线圈201组产生变化的磁场，超导体粉末21由于量子锁定现象随着变化的磁场进行绕着玻璃管轴线旋转或沿着玻璃管轴线运动，运动产生局部涡流，在超低温氢气爆炸反应初始阶段引入涡结构的扰动，扰动的存在使流场中产生局部热点，局部热点积聚热量进而影响爆炸流场；同时传给点火器16一个点火信号；

点火器16通过对称打孔放置的两个点火电极引燃预混气体；通过纹影系统17中高速摄影机177捕获图像实现对冷氢气爆炸产生的射流浓度场的监测。

对未参与反应冷氢气依次通过氢气吹除接口11、通过卡扣22相连软管6接富养氢预燃室进行二次处理；

包括预处理系统处于状态二时，此时气动四通球阀3的b端与c端连通，管路中未参与反应氢气。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.超低温氢气爆炸流场试验监测系统，其特征在于：由预处理系统和反应监测系统构成；

所述预处理系统包括：气动四通球阀、液氮冷凝箱、真空泵和氢氧配气装置；气动四通球阀一路与反应室连接，将待测试气体输送至反应室；一路经过液氮冷凝箱与氢氧配气装置连接；一路与真空泵连接用于制造真空环境；另一路用于尾气排放；

所述反应监测系统包括：玻璃管反应室、纹影系统和局部扰动系统；局部扰动系统置于玻璃管反应室外部，用于提供扰动，影响爆炸流场的爆炸特性且还原爆炸现实；纹影系统用于监测爆炸反应流场。

2.如权利要求1所述超低温氢气爆炸流场试验监测系统，其特征在于：所述局部扰动系统位于玻璃管反应室的进气口处，即在反应的初始阶段提供扰动。

3.如权利要求1所述超低温氢气爆炸流场试验监测系统，其特征在于：所述局部扰动系统包括：超导体粉末、电磁线圈组、导线和信号处理器；超导体粉末置于玻璃管反应室中；所述电磁线圈组为平行的环形结构，两环之间固定安装多个电磁线圈；通过控制电磁线圈电流强度，提供不同强度的磁场；电磁线圈与信号处理器通过导线连接；信号处理器调节电磁线圈组内各电磁线圈产生的磁场强弱变化，产生的变化磁场因量子锁定现象使在超低温下处于超导态悬浮于玻璃管反应室中的超导体粉末进行两种运动：绕着玻璃管轴线旋转和沿着玻璃管轴线运动；运动的超导体粉末带动玻璃管中静止气体运动，产生局部涡流，涡结构的存在为预混气体提供可控扰动。

4.如权利要求1所述超低温氢气爆炸流场试验监测系统，其特征在于：所述纹影系统包括：包括光源、聚光透镜组、狭缝、准直主反射镜、纹影主反射镜、刀口、高速摄影机和控制机构；所述控制机构可沿平面方向滑动，垂直方向升高或降低，包括滑台、丝杆、丝杠、升降螺母；光源发射的激光依次经过聚光透镜组、狭缝后被准直主反射镜反射，准直主反射镜反射光经过待监测的玻璃管反应室射入纹影主反射镜，纹影主反射镜再次反射后，光线经刀口被高速摄影机捕捉；准直主反射镜和纹影主反射镜与控制机构固定连接，实现水平和垂直方向的移动。

5.采用如权利要求1所述系统进行试验监测的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、调节反应监测系统中的纹影系统，使其中心处于同一水平高度，依次调节LED光源、聚光透镜组、狭缝、准直主反射镜、纹影主反射镜、刀口、高速摄影机和控制机构，使高速摄影机能获取适当的图像质量；

步骤二、调节气动四通球阀使其处于状态一，气动四通球阀a端与b端连通，此时通过控制a端、b端管路中气动截止阀及真空泵，保证玻璃管反应室内处于真空状态；气动四通球阀c端与d端连通，此时通过控制c端、d端管路中气动截止阀、压力调节阀，根据c端管路中压力传感器与温度传感器示数，保证氢氧配气装置中设置好比例浓度的预混气体经过液氮冷凝箱冷凝后的冷氢气满足预设条件状态；

步骤三、调节气动四通球阀使其处于状态二，气动四通球阀a端与d端连通，依次打开a端管路中气动截止阀、d端管路中气动截止阀；气动四通球阀b端与c端连通；

步骤四、调节信号处理器使电磁线圈组产生稳定磁场；

步骤五、静置一段时间，待所述超导体粉末在超低温氢气作用下冷却进入超导态，由于迈斯纳效应和量子锁定现象，超导体粉末逐渐悬浮于玻璃管反应室中；

步骤六、调节信号处理器使电磁线圈组产生变化的磁场，超导体粉末由于量子锁定现象随着变化的磁场运动，在超低温氢气爆炸反应初始阶段引入扰动，同时传给点火器一个点火信号；

步骤七、反应监测系统中点火器收到点火信号后通过对称打孔放置的两个点火电极引燃预混气体；

步骤八、通过纹影系统实现对冷氢气爆炸产生的射流浓度场的监测。

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