CN114894421B - 用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道爆炸模拟技术领域，涉及一种用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试系统及测试方法，测试系统包括模型隧道、点火子系统、数据采集子系统、高速摄影子系统、配气子系统；本发明通过数据采集子系统实时采集爆炸过程中的火焰、温度、压力、浓度、应力和应变参数；高速摄影子系统采用激光发射器和高速摄影仪记录爆炸过程的影像，对研究分析狭长模型隧道内油气泄漏诱发火灾爆炸的全过程多场多源信息智能同步探测技术，实现模型隧道内油气爆炸过程中压力场、温度场、浓度场的同步动态测试，对基于小尺度试验验证的隧道薄弱部位的防火抗爆性安全评估方法，以及对实现隧道关键部位在油气火灾爆炸条件下防火抗爆安全性评估具有重大意义。

Description

用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于隧道爆炸模拟技术领域，涉及一种用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试系统及测试方法。

背景技术

随着交通隧道建设的不断发展，隧道内火灾事故发生的数量与频率不断增加，燃气泄漏导致的爆燃事故作为火灾事故的一种在隧道中也常有发生，一旦发生所造成的后果也极其严重。而监测爆炸后产生的参数与隧道内结构响应对稳定隧道结构、降低损失程度有极为重要的作用。目前，对这些数据的获取主要通过数值模拟、理论计算、现场实验和室内实验。数值模拟和理论计算仅仅通过计算机模拟很难与现场实际情况相匹配；现场试验的成本高、规模大、影响隧道的正常运行并且存在一定的危险性。

室内实验的优点在于模拟燃气泄漏程度的选择和实验装置及方法的设计，公开号为CN209264108U的中国实用新型专利，提供了一种爆炸冲击波在隧道中传播规律实验用组装式模型，由一节以上结构相同的中空箱体拼接而成，用于模拟研究爆炸冲击波在隧道中的传播规律。公开号为CN105424704A的中国发明专利，提供了一种用于模拟矿井防爆墙的测试系统及测试方法，用于研究瓦斯爆炸情况下井下密闭墙的稳定性和可靠性。公开号为CN108801577A的中国发明专利，提供了一种模拟深层隧道爆炸的试验装置，用于模拟隧道爆炸对隧道四周及顶部的应力、应变的作用。公开号为CN108593468A的中国发明专利，提供了一种爆炸作用荷载对建筑物及隧道影响的模型试验装置，能够有效地模拟不同爆炸强度，不同爆炸地点以及不同爆炸类型，用于模拟隧道及建筑所受到的爆炸冲击力。公开号为CN11257022A的中国发明专利，提供了地下综合管廊空间内燃气爆炸模拟试验装置和系统，可以实现多种工况下试验模拟，获取实验管道内燃气爆炸的载荷以及连接试验管廊测得管廊结构响应。

综上所述发现现有技术存在以下不足：

1.CN209264108U提供的组装式模型与CN108801577A提供的模拟深层隧道爆炸的试验装置为长方体与现实中隧道的实际形状不同，不能用于模拟隧道的真实情况。CN105424704A提供的测试系统只测定一个方向上的稳定性和可靠性，而隧道中需要测定各个方向的冲击载荷。CN108593468A提供的爆炸作用载荷对建筑物及隧道影响的模型试验装置以气球爆炸实现爆炸载荷模拟，而现实中爆炸以可燃气体爆炸居多。CN11257022A提供的地下综合管廊空间内燃气爆炸模拟试验装置和系统中的不能自由的控制可燃气体浓度以及其爆炸发生位置固定不能精确的模拟出隧道内发生燃气爆炸的真实情况。

2.现有的专利中起爆点都为固定的位置不可移动，而像油罐车是在行驶的过程中发生爆炸，并且气球爆炸与燃气爆炸是存在较大差异的。室外开展的爆炸实验对安全性要求较高，具有可重复性差、成本高的缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种安全性高、稳定性强且较为接近真实情况、可重复性强的模拟隧道燃气泄漏爆燃的测试系统及测试方法，用于模拟隧道内由于燃气泄漏导致爆燃的情况，测量并研究隧道内燃气爆炸的多场参数及结构响应。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试系统，包括模型隧道、点火子系统、数据采集子系统、高速摄影子系统；

所述模型隧道内设有爆炸球；所述爆炸球内填充有按设定比例配置的爆炸物；

所述点火子系统包括点火探针、点火器和点火遥控器，所述点火探针设于所述爆炸球内，所述点火探针与点火器连接；所述点火器与点火遥控器通讯连接，通过点火遥控器遥控点燃所述爆炸球中的爆炸物；

所述数据采集子系统包括数据采集器、若干个设于模型隧道中的传感器；所述传感器与数据采集器连接；通过所述传感器获取爆炸过程中的信息参数，并由数据采集器进行数据收集存储；

所述高速摄影子系统包括第一高速摄影仪、第二高速摄影仪、激光发射器、扩束镜和第一透镜、第二透镜；所述第一高速摄影仪设于模拟隧道的一侧，用于获取模拟隧道长度方向的影像；所述模拟隧道的一端设有所述激光发射器，另一端设有第二高速摄影仪；所述激光发射器与模拟隧道之间设有第一透镜；所述第二高速摄影仪与模拟隧道之间设有第二透镜；所述激光发射器与第一透镜之间设有扩束镜；所述激光发射器发出的激光经过所述扩束镜扩束后由所述第一透镜折射为平行光，垂直射入所述模型隧道内，平行光穿过爆炸形成的烟雾后经第二透镜折射，被所述第二高速摄影仪捕捉并记录。

进一步，还包括配气子系统，所述配气子系统包括自动配气仪、燃气瓶、空气瓶，所述燃气瓶、空气瓶均通过管道与自动配气仪连接，所述自动配气仪与所述爆炸球连通；所述自动配气仪抽取所述燃气瓶中的燃气和所述空气瓶中的空气，按设定的比例配制后泵入所述爆炸球中。

进一步，所述模拟隧道内设有小车，所述爆炸球设于小车上；所述小车上设有车厢，所述配气子系统设于所述车厢内。

进一步，所述小车上连接有钢丝绳，所述模拟隧道外设有电机；所述电机与钢丝绳连接，通过钢丝绳牵引小车以模拟行驶过程中的油罐车。

进一步，所述模型隧道内的两端均设有假人；所述假人身上也设有传感器。

进一步，所述传感器为温度传感器和/或火焰传感器和/或应力传感器和/或压力传感器和/或浓度传感器。

进一步，所述数据采集子系统还包括上位计算器、同步控制器；所述同步控制器与上位计算器连接；所述点火子系统、第一高速摄影仪、第二高速摄影仪、激光发射器均与同步控制器连接。

进一步，所述模拟隧道呈拱形，其设有第二高速摄影仪的一侧采用耐高温透明材料覆盖。

一种用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试方法，采用如上述的用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试系统进行测试，包括以下步骤：

步骤S1，通过电机牵引小车在模型隧道内缓慢前进，小车带着未充气的爆炸球到达指定位置；

步骤S2，通过配气子系统将燃气和空气按照设定的爆炸比例配制后泵入所述爆炸球中；

步骤S3，气体泵入完成后，通过所述点火遥控器远程点火，引起燃气爆炸；并通过数据采集子系统在燃气爆炸发生的同时获取所述模型隧道中的火焰、温度、压力、浓度、应力和应变参数信息。

进一步，在点火的同时，通过所述高速摄影子系统中的所述同步控制器在爆炸发生时控制着所述激光发射器发射激光，通过第二高速摄影仪在垂直于所述模型隧道的方向录制爆炸时激光通过烟雾粒子表面散射后的烟雾影像；同时控制第一高速摄影仪在平行于所述模型隧道长度方向上透过微晶玻璃录制爆炸时的影像；通过上位计算器存储并对所述第一高速摄影仪和第二高速摄影仪录制的影像进行处理和分析。

本发明的有益效果在于：

本发明中的模拟隧道可采用一侧安装不锈钢板材，另一侧安装透明耐高温的微晶玻璃，在满足摄影的同时避免光学对摄影成像的干扰；通过移动小车模拟油罐车的行驶状态，爆炸球内气体通过配气子系统进行控制，同时配气子系统安装在车厢内，防止爆炸时对其造成破坏，从而可实现重复使用。

本发明采用数据采集子系统实时采集爆炸过程中的火焰、温度、压力、浓度、应力和应变参数；并采用激光发射器，利用激光通过烟雾粒子表面产生散射，来得出烟雾的影像，两个方向上均通过高速摄影仪进行摄影，高速摄影子系统通过同步控制器同步控制高速摄影仪和激光发射器记录爆炸过程的影像，并由上位计算器进行存储、处理和分析，对研究分析狭长模型隧道内油气泄漏诱发火灾爆炸的全过程多场多源信息智能同步探测技术，实现模型隧道内油气爆炸过程中压力场、温度场、浓度场的同步动态测试，对基于小尺度试验验证的隧道薄弱部位的防火抗爆性安全评估方法，以及对实现隧道关键部位在油气火灾爆炸条件下防火抗爆安全性评估具有重大意义。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明实施例提供的用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中小车及爆炸球的局部结构示意图。

附图标记：101-爆炸球；102-小车；103-电机；104-假人；105-模型隧道；201-燃气瓶；202-空气瓶；203-第一解压阀；204-第二解压阀；205-第一电磁阀；206-第二电磁阀；207-第一流量计；208-第二流量计；209-自动配气仪；210-进气阀门；301-点火器；302-点火探针；303-点火遥控器；401-数据采集器；402-温度传感器；403-浓度传感器；404-应变花；405-火焰传感器；406-应力传感器；407-压力传感器；501-上位计算器；502-同步控制器；503-第一高速摄影仪；504-激光发射器；505-第二高速摄影仪；506-扩束镜；507-第一透镜；508-第二透镜。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～2，为用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试系统，该测试系统包括模型隧道105、配气子系统、点火子系统、数据采集子系统和高速摄影子系统。

模型隧道105为拱形结构，其一侧采用不锈钢板封盖，另一侧采用耐高温的透明微晶玻璃覆盖，其内部放置有爆炸球101、小车102，外部安装有电机103，小车102连接着爆炸球101，电机103通过钢丝绳牵引沿着模型隧道105向前移动，同时模型隧道105内的两端各放置一个假人104。

小车102上有设置有车厢，车厢内安装有配气子系统，配气子系统包括燃气瓶201、空气瓶202、自动配气仪209，燃气瓶201和空气瓶202均通过管道和自动配气仪209连接。燃气瓶201的连接管道上依次设有第一解压阀203、第一电磁阀205和第一流量计207。连接空气瓶202的管道上依次设有第二解压阀204、第二电磁阀206和第二流量计208。燃气和空气混合气体进入自动配气仪209，自动配气仪209根据设定的燃气和空气比例控制第一电磁阀205和第二电磁阀206开启，以调整进入自动配气仪209中的燃气和空气的量。配置好设定的燃气比例后再通过管道泵入的爆炸球101，管道上设有进气阀门210。

点火子系统包括点火器301、点火探针302、点火遥控器303，点火探针302安装在爆炸球101内，点火器301和点火探针302通过线缆连接，点火遥控器303通过远程控制点火器301点火，点火探针302产生电火花，从而引爆爆炸球101。

数据采集子系统包括数据采集器401、多个温度传感器402、多个浓度传感器403、多个应变花404、多个火焰传感器405、多个应力传感器406以及多个压力传感器407，所有传感器均与数据采集器401相连接，温度传感器和浓度传感器各2个安装在模型隧道105的顶部，浓度传感器1个和压力传感器1个贴在爆炸球101内，应变花4个、火焰传感器2个和应力传感器2个均安装在模型隧道105的侧面，应变花2个和压力传感器2个安装在假人104身上。以上所有的传感器在燃气空气混合气体爆炸时获取模型隧道105内各个方位的火焰、温度、压力、浓度、应力和应变参数信息，数据采集器401接收到传感器传来的电信号后，生成并存储记录所有信息的表格文件。

高速摄影子系统包括上位计算器501、同步控制器502、第一高速摄影仪503、激光发射器504、第二高速摄影仪505、扩束镜506、第一透镜507、第二透镜508。同步控制器502与第一高速摄影仪503、激光发射器504、第二高速摄影仪505通过线缆连接。上位计算器501连接第一高速摄影仪503和第二高速摄影仪505，并且对影像进行存储。在爆炸发生时，同步控制器502控制第一高速摄影仪503开始工作在与模型隧道105平行的位置记录爆炸影像，与此同时，同步控制器502还控制激光发射器504发射激光，第二高速摄影仪505从垂直于模型隧道100的方向录制爆炸影像。激光发射器504发出的激光经过扩束镜506扩束后由第一透镜507折射为平行光射入模型隧道105内，从模型隧道105的烟雾裂隙中射出的光经过第二透镜508折射后被第二高速摄影仪505记录。

用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试方法，利用本实施例中的用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试系统进行测试，包括以下步骤：

步骤S1，通过电机103牵引小车102在模型隧道105内缓慢前进，小车102带着爆炸球101到达指定位置；

步骤S2，配气子系统将燃气和空气按照设定的爆炸比例配制后泵入爆炸球101；

步骤S3，气体泵入完成后，点火子系统通过点火遥控器303远程点火，引起燃气爆炸；数据采集子系统在燃气爆炸发生的同时获取模型隧道105中的火焰、温度、压力、浓度、应力和应变参数信息；高速摄影子系统中的同步控制器502在爆炸发生时控制着激光发射器504发射激光，并同步控制第二高速摄影仪505在垂直于模型隧道105的方向录制爆炸的影像，同时控制第一高速摄影仪503在平行于模型隧道105长度方向的上，透过微晶玻璃录制爆炸影像；

步骤S4，高速摄影子系统中的上位计算器501存储并对第一高速摄影仪503和第二高速摄影仪505录制的影像进行处理和分析。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试系统，其特征在于：包括模型隧道、点火子系统、数据采集子系统、高速摄影子系统、配气子系统；

所述模型隧道内设有爆炸球；所述爆炸球内填充有按设定比例配置的爆炸物；

所述点火子系统包括点火探针、点火器和点火遥控器，所述点火探针设于所述爆炸球内，所述点火探针与点火器连接；所述点火器与点火遥控器通讯连接，通过点火遥控器遥控点燃所述爆炸球中的爆炸物；

所述数据采集子系统包括上位计算器、同步控制器、数据采集器、若干个设于模型隧道中的传感器；所述传感器与数据采集器连接；通过所述传感器获取爆炸过程中的信息参数，并由数据采集器进行数据收集存储；所述同步控制器与上位计算器连接；所述点火子系统、第一高速摄影仪、第二高速摄影仪、激光发射器均与同步控制器连接；

所述高速摄影子系统包括第一高速摄影仪、第二高速摄影仪、激光发射器、扩束镜和第一透镜、第二透镜；所述第一高速摄影仪设于模拟隧道的一侧，用于获取模拟隧道长度方向的影像；所述模拟隧道的一端设有所述激光发射器，另一端设有第二高速摄影仪；所述激光发射器与模拟隧道之间设有第一透镜；所述第二高速摄影仪与模拟隧道之间设有第二透镜；所述激光发射器与第一透镜之间设有扩束镜；所述激光发射器发出的激光经过所述扩束镜扩束后由所述第一透镜折射为平行光，垂直射入所述模型隧道内，平行光穿过爆炸形成的烟雾后经第二透镜折射，被所述第二高速摄影仪捕捉并记录；

所述配气子系统包括自动配气仪、燃气瓶、空气瓶，所述燃气瓶、空气瓶均通过管道与自动配气仪连接，所述自动配气仪与所述爆炸球连通；所述自动配气仪抽取所述燃气瓶中的燃气和所述空气瓶中的空气，按设定的比例配制后泵入所述爆炸球中。

2.根据权利要求1所述的用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试系统，其特征在于：所述模拟隧道内设有小车，所述爆炸球设于小车上；所述小车上设有车厢，所述配气子系统设于所述车厢内。

3.根据权利要求2所述的用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试系统，其特征在于：所述小车上连接有钢丝绳，所述模拟隧道外设有电机；所述电机与钢丝绳连接，通过钢丝绳牵引小车以模拟行驶过程中的油罐车。

4.根据权利要求1所述的用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试系统，其特征在于：所述模型隧道内的两端均设有假人；所述假人身上也设有传感器。

5.根据权利要求4所述的用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试系统，其特征在于：所述传感器为温度传感器和/或火焰传感器和/或应力传感器和/或压力传感器和/或浓度传感器。

6.根据权利要求1所述的用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试系统，其特征在于：所述模拟隧道呈拱形，其设有第二高速摄影仪的一侧采用耐高温透明材料覆盖。

7.一种用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试方法，其特征在于：采用如权利要求1～6任一项所述的用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试系统进行测试，包括以下步骤：

步骤S1，通过电机牵引小车在模型隧道内缓慢前进，小车带着未充气的爆炸球到达指定位置；

步骤S2，通过配气子系统将燃气和空气按照设定的爆炸比例配制后泵入所述爆炸球中；

步骤S3，气体泵入完成后，通过所述点火遥控器远程点火，引起燃气爆炸；并通过数据采集子系统在燃气爆炸发生的同时获取所述模型隧道中的火焰、温度、压力、浓度、应力和应变参数信息。

8.根据权利要求7所述的用于模拟隧道燃气泄漏爆燃的多参数测试方法，其特征在于：在点火的同时，通过所述高速摄影子系统中的所述同步控制器在爆炸发生时控制着所述激光发射器发射激光，通过第二高速摄影仪在垂直于所述模型隧道的方向录制爆炸时激光通过烟雾粒子表面散射后的烟雾影像；同时控制第一高速摄影仪在平行于所述模型隧道长度方向上透过微晶玻璃录制爆炸时的影像；通过上位计算器存储并对所述第一高速摄影仪和第二高速摄影仪录制的影像进行处理和分析。

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