CN115266825A - 动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置，包括可拼接爆炸管道、配气系统、点火系统、控制系统、光谱测试系统和一体化高速摄像机；可拼接爆炸管道包括多个可通过法兰相互连接的管道单元，配气系统包括配气气囊、配气总管路和多条配气分管路；点火系统包括点火电极和脉冲点火器；控制系统包括计算机、数据采集卡和时间同步控制器，光谱气体检测系统和一体化高速摄像机均与计算机相接。本发明还公开了一种动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验方法。本发明能够更加精准的研究气体燃爆过程前后气体成分，能够更加精确的测量爆炸的真实过程。可燃气体组分浓度的细微变化，对整个气体燃爆特性的结果是相当显著的。
Description
技术领域
本发明属于可燃气体爆炸抑爆实验装置技术领域，具体涉及一种动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置及方法。
背景技术
可燃气体，如煤气天然气等是已成为人类日常生活生产中基础能源，燃气的服务功能和作用也日益突出，使用的规模与应用范围也越来越大。然而在其生产、储运及使用过程中，可燃气体燃爆事故频有发生。可燃气体泄漏是其爆炸灾害的主要原因，在遇到点火源时被火源点燃，逐步形成湍流燃烧、爆燃甚至爆轰，造成人员伤亡及财产损失。基于燃气爆炸的巨大破坏性，研究燃烧爆炸的发生机制、破坏模式以及有效的惰化抑爆方法，对其防灾减灾措施的需求愈来愈强烈。由于其破坏性与危险性的缘故，进行现场工业实验不仅需耗费巨大的人力、财力，还存在诸多不安全因素。根据相似原理搭建小尺寸的燃烧爆炸实验系统进行相关研究，有助于揭示其发生、发展的复杂机制及抑制原理。
在进行相关研究的过程中，诸多单位的学者们搭建了各式的爆炸/抑爆实验装置，然而现有的装置主要以钢质或有机玻璃材质为实验管道主体，以测温、测压为主要技术手段，通过测量温度、压力等参数揭示可燃性气体/粉体的宏观爆炸/抑爆特性。。
由于现有实验装置设计的局限以及测试手段的限制，不能利用它们实现测量具有动态浓度梯度及不同点火位置的燃气爆炸、抑爆特性的研究，因而无法更加接近实际真实情况的去揭示燃爆发生、发展的复杂机制。
孙金华等发明了一种较为先进的可燃气与空气预混气体爆炸过程中火焰传播及抑制试验装置(专利号CN201310435470.6)，整个装置包括燃烧管道、细水雾发生装置、金属网阻火装置、高速摄像机、纹影系统、压力测试系统、自动配气系统、温度测试系统、离子探针探测系统、数据采集仪、高压点火系统以及同步控制器。其中燃烧管道包括上游管道与下游管道，两者均为水平放置的横截面为正方形的直管，管道上下两侧壁面和两端壁面采用不锈钢板制成，其中上游管道左侧壁面钢板可采用不同的开口面积，用以研究开口率对对火焰传播的影响。下游管道上预留两个配气阀门，通过真空泵与自动配气系统配制预混气体。可燃性预混气体配气时可通过加入阻化剂来研究阻化剂对火焰温度、传播速度、反应强度及压力上升特性的影响，揭示其抑制效应和机理。上游与下游管道的连接处可安装细水雾喷头和金属网阻火装置，以研究不同抑爆介质对火焰的抑制作用。此外，还可在金属网表面涂抹化学阻燃剂，以研究耦合物理化学作用的金属网阻燃系统对火焰的抑制效果。利用由高频动态压力传感器和数据采集仪组成的压力测试系统记录管道内部的压力变化；运用高速纹影摄像系统测量火焰在传播过程中的形状、结构、速度等特性变化。与之类似，王成等发明了一种微尺度瓦斯爆燃转爆轰管道式实验装置(专利号201510056125.X)，可通垂直平行的两侧过钢化玻璃面板实现爆炸传播的可视化，以及通过压力传感器实现爆炸过程中的压力信号采集。
吉爱红等一种高速图像与力数据同步采集系统(专利号CN201210054671.7)，这个整个装置包括信号发生器、力传感器采集装置和两个触发采集方式不同的高速摄像机采集装置。力传感器采集装置包括力传感器、信号调理模块和力学数据采集及处理计算机，其中，力传感器通过力传感器信号线连接信号调理模块，将信号输出至信号调理模块进行调理；所述信号调理模块通过力学信号输入线连接力学数据采集及处理计算机，由力学数据采集及处理计算机进行数据的采集、处理和保存；第一高速摄像机采集装置包括藉由图像信号传输线连接的第一高速摄像机与图像信号采集和存储计算机，通过图像信号采集和存储计算机设置第一高速摄像机的工作模式为外部触发模式；第二高速摄像机采集装置包括工作在边沿触发模式的第二高速摄像机；信号发生器分别通过信号线连接力学数据采集及处理计算机、图像信号采集和存储计算机和第二高速摄像机，并发送脉冲信号，从而触发力传感器、第一高速摄像机和第二高速摄像机的采集动作。
现有技术还存在以下缺陷和不足：
1、无法呈现动态过程中可燃气体泄露过程中的爆炸特性及传播规律；
2、多组分混合气体精度不够，误差较大；
3、对爆炸测试前后气体检测研究的缺失；
4、无法满足多种测试设备复合研究的需要；
5、点火点固定无法满足不同位置点火的需求；
6、高速摄像机无法实现一体化采集与处理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置，其特征在于：包括可拼接爆炸管道、配气系统、点火系统、控制系统、光谱测试系统和一体化高速摄像机；
所述可拼接爆炸管道包括多个可通过法兰相互连接的管道单元，所述管道单元上开有视窗，相邻两个管道单元之间设置有能够打开、关闭或开到任意位置处的活动隔板；所述可拼接爆炸管道放置在支撑骨架上，所述支撑骨架上设置有多个分别用于对多个管道单元进行定位的定位卡槽；每个所述管道单元上均布设有温度传感器接口、压力传感器接口、气路接口和喷粉装置接口，其中一个所述管道单元上设置有点火电极接口，位于末端的所述管道单元上设置有泄爆片接口，所述泄爆片接口上连接有泄爆片；
所述配气系统包括配气气囊，所述配气气囊上设置有多个用于连接配气气瓶的气瓶接口，所述配气气囊的出气口上连接有配气总管路，所述配气总管路上连接有气体循环泵、真空泵、真空度表和放空阀，以及多条分别连接到多个管道单元的配气分管路，每条所述配气分管路上均连接有流量控制阀和进气控制阀；
所述点火系统包括连接在所述点火电极接口上的点火电极和与点火电极连接的脉冲点火器；
所述控制系统包括计算机以及与计算机相接的数据采集卡和时间同步控制器，所述数据采集卡的输入端接有连接在每个管道单元上的传感器组，所述数据采集卡和脉冲点火器均与时间同步控制器连接；
所述光谱气体检测系统和一体化高速摄像机均与计算机相接。
上述的动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置，其特征在于：所述管道单元的横截面的形状为矩形，所述管道单元和支撑骨架均由钢材料制成，所述管道单元的三个面上均开有矩形的视窗，所述视窗为由熔融石英玻璃制成的玻璃视窗。
上述的动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置，其特征在于：所述活动隔板为快门开合式、单叶开合式或双叶开合式的开合式隔板。
上述的动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置，其特征在于：所述活动隔板为破坏式。
上述的动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置，其特征在于：所述传感器组包括压力传感器和温度传感器。
本发明还公开了一种动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、调试实验装置的各个子单元，保证可拼接爆炸管道、配气系统、点火系统、控制系统、光谱测试系统和一体化高速摄像机均处于良好状态；并检查所述可拼接爆炸管道连接的气密性，检查各单元连接完好；
步骤二、配置实验所需组分配比的混合可燃气体，并进行可燃气体成分检测，确保各组分气体浓度的精确性；
步骤三、设定实验条件边界；
步骤四、开启所有管道单元之间的活动隔板，启动真空泵，将管道单元内部抽成真空状态，然后关闭所有活动隔板；
步骤五、系统根据实验条件边界来控制各个管道气路电磁阀打开与关闭的时间，即可燃性气体浓度高的管道电磁阀关闭较晚，浓度低的关闭较早。做惰化抑爆实验时，对多管路多气囊的控制方法也是一样的；所有管道进气完成后，就形成了实验条件边界的浓度梯度状态。
步骤六、打开空气阀，将每个小管道的内部压力恢复至一个大气压；静止3-5分钟，使各个管道内可燃气体与空气混合均匀，且气体静止稳定；并对实验气体进行光谱检测，确定实际气体浓度，确保实验精确性；
步骤七、打开所有隔断，使整个小管道形成一个畅通的长管道；做障碍物与泄爆实验时可根据需要控制部分隔断开合来实现；随后可根据需要静置30s-90s，使得各个不同浓度的气体之间梯度突变程度减少，形成更接近实际情况的浓度变化；
步骤八、将高压脉冲点火器调至所需点火能量，开启数据采集单元，在同步控制器中设定点火、数据采集单元、高速摄像机等光学测量单元的开启时序，在实验过程中记录所需温度、压力、火焰传播特征变化等参数；
步骤九、实验完成后将采集到的数据进行存储，使用光谱检测爆炸管道残气后清理爆炸管道，排除残余气体，进入第二次实验流程。
上述的方法，其特征在于：步骤八中采用高速摄像机进行数据采集与分析处理的具体过程为：
步骤801、调试高速摄像机，将高速摄像机与实验装置进行时序同步设定，使得高速摄像机能够在点火时或者之前运行，保证将整个燃爆过程采集完整。
步骤802、设定高速摄像机拍摄频率、曝光时间、分辨率等，设置高速摄像机拍摄角度与被拍摄物体的距离等，系统自动计算出照片与实际尺寸的比例。
步骤803、实验开始，高速摄像机开始同步采集并将数据传输至PC，PC对这些数据进行分析并存储所有拍摄到的画面。
步骤804、在简单的分析之后，根据图片的实际情况使用增强、去燥、边缘检测等图像处理技术进行处理，并将电极设定为基准点，将管道边缘设定为外定标。对各个时刻的火焰形状进行分析、分类并存储。
步骤805、依据高速摄像机帧数及燃爆过程所用时间，得到火焰传播过程中的时间-位移变化数据并绘制出其图像；
步骤806、同时得到时间-位移导数及二次导数，即火焰传播速度及加速度数据并绘制图像，以及跟多不同横纵坐标的数据图形。很多实验视窗多为不连贯的，需要对火焰传播过程中的时间-位移变化进行平滑处理，得到不看见区域的位移、速度、加速度随时间的变化情况。
步骤807、对于球形燃爆过程依据现有公式计算得到火焰拉伸长度、火焰厚度、卡洛维茨数、路易斯数、马赫数、马特斯坦长度等参数。
步骤808、存储各个所需的传播数据，整个过程同步完成。
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明基于多组分气体光谱检测分析的一体化气体成分检测技术，通过对气体成分浓度的较为精确的检测方式，检测可燃气体发生燃爆前后的气体成分，进而达到精准实验及尾气分析的目的。与传统的实验测试方式相比，能够更加精准的研究气体燃爆过程前后气体成分，能够更加精确的测量爆炸的真实过程。可燃气体组分浓度的细微变化，对整个气体燃爆特性的结果是相当显著的。基于一体化高速摄像机技术，通过高速摄像机与pc的结合，实现实验数据的同步采集分析及处理过程，从而减少巨量的实验数据后处理过程，减轻科研负担。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置的结构示意图。
附图标记说明:
1—支撑骨架； 2—管道单元； 3—点火电极；
4—视窗； 5—控制柜； 6—配气气囊；
7—计算机； 8—光谱气体检测系统； 9—放空阀；
10—真空泵； 11—气瓶接口； 12—传感器组；
12-1—压力传感器； 12-2—温度传感器； 13—进气控制阀。
具体实施方式
如图1所示，本发明的动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置，包括可拼接爆炸管道、配气系统、点火系统、控制系统、光谱测试系统和一体化高速摄像机；
所述可拼接爆炸管道包括多个可通过法兰相互连接的管道单元2，所述管道单元2上开有视窗4，相邻两个管道单元2之间设置有能够打开、关闭或开到任意位置处的活动隔板；所述可拼接爆炸管道放置在支撑骨架1上，所述支撑骨架1上设置有多个分别用于对多个管道单元2进行定位的定位卡槽；每个所述管道单元2上均布设有温度传感器接口、压力传感器接口、气路接口和喷粉装置接口，其中一个所述管道单元2上设置有点火电极接口，位于末端的所述管道单元2上设置有泄爆片接口，所述泄爆片接口上连接有泄爆片；
通过设置可拼接爆炸管道，能够满足多种光学测试设备例如平面激光诱导荧光测试系统-PLIF、粒子成像测速系统-PIV、光谱仪、红外检测仪、纹影仪、高速摄像机等同时使用的需求。通过设置活动隔板，能够在实验中根据需要打开或关闭，还能够开合到任意位置，满足对障碍物实验及泄爆实验的研究需求。支撑骨架1上通过设置定位卡槽，能够实现管道单元2的正确对接。连接泄爆片后，当压力达到一定值会进行泄压，保证实验安全。
所述配气系统包括配气气囊6，所述配气气囊6上设置有多个用于连接配气气瓶的气瓶接口11，所述配气气囊6的出气口上连接有配气总管路14，所述配气总管路14上连接有气体循环泵、真空泵10、真空度表和放空阀9，以及多条分别连接到多个管道单元2的配气分管路，每条所述配气分管路上均连接有流量控制阀和进气控制阀13；
所述流量控制阀用于控制进入配气分管路的气体流量，进气控制阀13负责配气分管路的开启与关闭；所述真空泵10用于将配气总管路14和配气分管路抽至真空状态，以便进行实验气体配制；通过在配气气囊6上设置有多个用于连接配气气瓶的气瓶接口11，能够实现单种或者多种惰化抑爆气体的惰化抑爆实验。
所述点火系统包括连接在所述点火电极接口上的点火电极3和与点火电极3连接的脉冲点火器；
具体实施时，所述脉冲点火器为点火能量可调式脉冲点火器；
所述控制系统包括计算机7以及与计算机7相接的数据采集卡和时间同步控制器，所述数据采集卡的输入端接有连接在每个管道单元2上的传感器组12，所述数据采集卡和脉冲点火器均与时间同步控制器连接；
具体实施时，所述数据采集卡和时间同步控制器均设置在控制柜5内；
所述光谱气体检测系统8和一体化高速摄像机均与计算机相接。
具体实施时，通过时间同步控制器实现数据采集卡采集数据和脉冲点火器触发点火电极点火的同步，数据采集卡采集的数据包括爆炸/抑爆过程中的温度变化信息、压力变化信息和光谱气体检测系统8采集的信号，数据采集卡采集的数据存储到计算机7；所述光谱气体检测系统8能够对所述可拼接爆炸管道和配气气囊6内的气体进行在线检测，确保试验组分气体的精确度，同时能够分析实验结束后的气体组成。
具体实施时，所述一体化高速摄像机由高速摄像机和主控程式组成，主控程式能够控制高速摄像机运行，同时可以采集、分析及处理高速摄像机拍到的火焰传播特征参数，整个过程同步运行。
另外，具体实施时，还可以由时间同步控制器发出的点火信号外触发其它光学诊断测量系统，并可实现提前、同步或延迟触发，进行爆炸瞬间的光学信息采集。
本实施例中，所述管道单元2的横截面的形状为矩形，所述管道单元2和支撑骨架1均由钢材料制成，所述管道单元2的三个面上均开有矩形的视窗4，所述视窗4为由熔融石英玻璃制成的玻璃视窗。
所述视窗4采用熔融石英玻璃制成，透光率高，便于清晰地看到管道单元2内的工况。
本实施例中，所述活动隔板为快门开合式、单叶开合式或双叶开合式的开合式隔板。
具体实施时，所述开合式隔板为硬质隔断，具有一定的抗压性，配气时不考虑各个腔体之间压差带来的各种问题，打开后对气体有一定的带动作用而引起轻微湍流，但打开缓慢，对实验结果无明显影响。快门式设计能够较快完成开合过程，且占用面积较小，当小管道较多时颇有具有一定的经济性。单叶式设计能够满足各种障碍物的要求，且其只需一个电机，成本较低。双叶开合式设计能够快速的完成开合过程，且其接口设有气密垫片，能够保证气密性。
本实施例中，所述活动隔板为破坏式。
具体实施时，破坏式是指两个管道之间用薄膜隔断，其设备设计与生产较为容易实现，经济成本较低。
本实施例中，所述传感器组12包括压力传感器12-1和温度传感器12-2。
本发明的动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆实验方法，包括以下步骤：
步骤一、调试实验装置的各个子单元，保证可拼接爆炸管道、配气系统、点火系统、控制系统、光谱测试系统和一体化高速摄像机均处于良好状态；并检查所述可拼接爆炸管道连接的气密性，检查各单元连接完好；
步骤二、配置实验所需组分配比的混合可燃气体，并进行可燃气体成分检测，确保各组分气体浓度的精确性；
步骤三、设定实验条件边界；所述实验条件边界包括可燃气体及惰化抑爆气体变化范围及幅度；
步骤四、开启所有管道单元2之间的活动隔板，启动真空泵10，将管道单元2内部抽成真空状态，然后关闭所有活动隔板；
步骤五、系统根据实验条件边界来控制各个管道气路电磁阀打开与关闭的时间，即可燃性气体浓度高的管道电磁阀关闭较晚，浓度低的关闭较早。做惰化抑爆实验时，对多管路多气囊的控制方法也是一样的。所有管道进气完成后，就形成了实验条件边界的浓度梯度状态。
步骤六、打开空气阀，将每个小管道的内部压力恢复至一个大气压。静止3-5分钟，使各个管道内可燃气体与空气混合均匀，且气体静止稳定。并对实验气体进行光谱检测，确定实际气体浓度，确保实验精确性。
步骤七、打开所有隔断，使整个小管道形成一个畅通的长管道。做障碍物与泄爆实验时可根据需要控制部分隔断开合来实现。随后可根据需要静置30s-90s，使得各个不同浓度的气体之间梯度突变程度减少，形成更接近实际情况的浓度变化。
步骤八、将高压脉冲点火器调至所需点火能量，开启数据采集单元，在同步控制器中设定点火、数据采集单元、高速摄像机等光学测量单元的开启时序，在实验过程中记录所需温度、压力、火焰传播特征变化等参数。
步骤九、实验完成后将采集到的数据进行存储，使用光谱检测爆炸管道残气后清理爆炸管道，排除残余气体，进入第二次实验流程。
本实施例中，步骤八中采用高速摄像机进行数据采集与分析处理的具体过程为：
步骤801、调试高速摄像机，将高速摄像机与实验装置进行时序同步设定，使得高速摄像机能够在点火时或者之前运行，保证将整个燃爆过程采集完整。
步骤802、设定高速摄像机拍摄频率、曝光时间、分辨率等，设置高速摄像机拍摄角度与被拍摄物体的距离等，系统自动计算出照片与实际尺寸的比例。
步骤803、实验开始，高速摄像机开始同步采集并将数据传输至PC，PC对这些数据进行分析并存储所有拍摄到的画面。
步骤804、在简单的分析之后，根据图片的实际情况使用增强、去燥、边缘检测等图像处理技术进行处理，并将电极设定为基准点，将管道边缘设定为外定标。对各个时刻的火焰形状进行分析、分类并存储。
步骤805、依据高速摄像机帧数及燃爆过程所用时间，得到火焰传播过程中的时间-位移变化数据并绘制出其图像；
步骤806、同时得到时间-位移导数及二次导数，即火焰传播速度及加速度数据并绘制图像，以及跟多不同横纵坐标的数据图形。很多实验视窗多为不连贯的，需要对火焰传播过程中的时间-位移变化进行平滑处理，得到不看见区域的位移、速度、加速度随时间的变化情况。
步骤807、对于球形燃爆过程依据现有公式计算得到火焰拉伸长度、火焰厚度、卡洛维茨数、路易斯数、马赫数、马特斯坦长度等参数。
步骤808、存储各个所需的传播数据，整个过程同步完成。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置，其特征在于：包括可拼接爆炸管道、配气系统、点火系统、控制系统、光谱测试系统和一体化高速摄像机；
所述可拼接爆炸管道包括多个可通过法兰相互连接的管道单元(2)，所述管道单元(2)上开有视窗(4)，相邻两个管道单元(2)之间设置有能够打开、关闭或开到任意位置处的活动隔板；所述可拼接爆炸管道放置在支撑骨架(1)上，所述支撑骨架(1)上设置有多个分别用于对多个管道单元(2)进行定位的定位卡槽；每个所述管道单元(2)上均布设有温度传感器接口、压力传感器接口、气路接口和喷粉装置接口，其中一个所述管道单元(2)上设置有点火电极接口，位于末端的所述管道单元(2)上设置有泄爆片接口，所述泄爆片接口上连接有泄爆片；
所述配气系统包括配气气囊(6)，所述配气气囊(6)上设置有多个用于连接配气气瓶的气瓶接口(11)，所述配气气囊(6)的出气口上连接有配气总管路(14)，所述配气总管路(14)上连接有气体循环泵、真空泵(10)、真空度表和放空阀(9)，以及多条分别连接到多个管道单元(2)的配气分管路，每条所述配气分管路上均连接有流量控制阀和进气控制阀(13)；
所述点火系统包括连接在所述点火电极接口上的点火电极(3)和与点火电极(3)连接的脉冲点火器；
所述控制系统包括计算机(7)以及与计算机(7)相接的数据采集卡和时间同步控制器，所述数据采集卡的输入端接有连接在每个管道单元(2)上的传感器组(12)，所述数据采集卡和脉冲点火器均与时间同步控制器连接；
所述光谱气体检测系统(8)和一体化高速摄像机均与计算机相接。
2.按照权利要求1所述的动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置，其特征在于：所述管道单元(2)的横截面的形状为矩形，所述管道单元(2)和支撑骨架(1)均由钢材料制成，所述管道单元(2)的三个面上均开有矩形的视窗(4)，所述视窗(4)为由熔融石英玻璃制成的玻璃视窗。
3.按照权利要求1所述的动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置，其特征在于：所述活动隔板为快门开合式、单叶开合式或双叶开合式的开合式隔板。
4.按照权利要求1所述的动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置，其特征在于：所述活动隔板为破坏式。
5.按照权利要求1所述的动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆管道式实验装置，其特征在于：所述传感器组(12)包括压力传感器(12-1)和温度传感器(12-2)。
6.一种利用如权利要求1所述实验装置进行动态浓度梯度可燃气体爆炸抑爆实验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、调试实验装置的各个子单元，保证可拼接爆炸管道、配气系统、点火系统、控制系统、光谱测试系统和一体化高速摄像机均处于良好状态；并检查所述可拼接爆炸管道连接的气密性，检查各单元连接完好；
步骤二、配置实验所需组分配比的混合可燃气体，并进行可燃气体成分检测，确保各组分气体浓度的精确性；
步骤三、设定实验条件边界；
步骤四、开启所有管道单元(2)之间的活动隔板，启动真空泵(10)，将管道单元(2)内部抽成真空状态，然后关闭所有活动隔板；
步骤五、系统根据实验条件边界来控制各个管道气路电磁阀打开与关闭的时间，即可燃性气体浓度高的管道电磁阀关闭较晚，浓度低的关闭较早。做惰化抑爆实验时，对多管路多气囊的控制方法也是一样的；所有管道进气完成后，就形成了实验条件边界的浓度梯度状态。
步骤六、打开空气阀，将每个小管道的内部压力恢复至一个大气压；静止3-5分钟，使各个管道内可燃气体与空气混合均匀，且气体静止稳定；并对实验气体进行光谱检测，确定实际气体浓度，确保实验精确性；
步骤七、打开所有隔断，使整个小管道形成一个畅通的长管道；做障碍物与泄爆实验时可根据需要控制部分隔断开合来实现；随后可根据需要静置30s-90s，使得各个不同浓度的气体之间梯度突变程度减少，形成更接近实际情况的浓度变化；
步骤八、将高压脉冲点火器调至所需点火能量，开启数据采集单元，在同步控制器中设定点火、数据采集单元、高速摄像机等光学测量单元的开启时序，在实验过程中记录所需温度、压力、火焰传播特征变化等参数；
步骤九、实验完成后将采集到的数据进行存储，使用光谱检测爆炸管道残气后清理爆炸管道，排除残余气体，进入第二次实验流程。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤八中采用高速摄像机进行数据采集与分析处理的具体过程为：
步骤801、调试高速摄像机，将高速摄像机与实验装置进行时序同步设定，使得高速摄像机能够在点火时或者之前运行，保证将整个燃爆过程采集完整；
步骤802、设定高速摄像机拍摄频率、曝光时间、分辨率等，设置高速摄像机拍摄角度与被拍摄物体的距离等，系统自动计算出照片与实际尺寸的比例；
步骤803、实验开始，高速摄像机开始同步采集并将数据传输至PC，PC对这些数据进行分析并存储所有拍摄到的画面；
步骤804、在简单的分析之后，根据图片的实际情况使用增强、去燥、边缘检测等图像处理技术进行处理，并将电极设定为基准点，将管道边缘设定为外定标。对各个时刻的火焰形状进行分析、分类并存储；
步骤805、依据高速摄像机帧数及燃爆过程所用时间，得到火焰传播过程中的时间-位移变化数据并绘制出其图像；
步骤806、同时得到时间-位移导数及二次导数，即火焰传播速度及加速度数据并绘制图像，以及跟多不同横纵坐标的数据图形。很多实验视窗多为不连贯的，需要对火焰传播过程中的时间-位移变化进行平滑处理，得到不看见区域的位移、速度、加速度随时间的变化情况；
步骤807、对于球形燃爆过程依据现有公式计算得到火焰拉伸长度、火焰厚度、卡洛维茨数、路易斯数、马赫数、马特斯坦长度等参数；
步骤808、存储各个所需的传播数据，整个过程同步完成。
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|---|---|---|---|---|
| CN116448472A (zh) * | 2023-03-23 | 2023-07-18 | 南京工业大学 | 一种可关闭式气体-粉尘复合爆炸环向无焰泄/抑爆及其性能测试装置 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5676712A (en) * | 1995-05-16 | 1997-10-14 | Atmi Ecosys Corporation | Flashback protection apparatus and method for suppressing deflagration in combustion-susceptible gas flows |
| CN107121453A (zh) * | 2017-05-25 | 2017-09-01 | 西安科技大学 | 适用多种光学诊断方法的气体、粉尘爆炸及抑爆实验系统 |
| CN111678947A (zh) * | 2020-07-26 | 2020-09-18 | 宁波工程学院 | 一种可燃气体爆燃泄放实验装置的设计与应用 |
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2022
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5676712A (en) * | 1995-05-16 | 1997-10-14 | Atmi Ecosys Corporation | Flashback protection apparatus and method for suppressing deflagration in combustion-susceptible gas flows |
| CN107121453A (zh) * | 2017-05-25 | 2017-09-01 | 西安科技大学 | 适用多种光学诊断方法的气体、粉尘爆炸及抑爆实验系统 |
| CN111678947A (zh) * | 2020-07-26 | 2020-09-18 | 宁波工程学院 | 一种可燃气体爆燃泄放实验装置的设计与应用 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| ZHENMIN LUO: "The flammability limits and explosion behaviours of hydrogen-enriched methane-air mixtures", 《EXPERIMENTAL THERMAL AND FLUID SCIENCE》, 31 March 2021 (2021-03-31) * |
| 罗振敏: "CF3I和CO2抑制甲烷-空气爆炸实验研究", 《爆炸与冲击》, 5 June 2022 (2022-06-05) * |
| 罗振敏: "不同位置多孔障碍物对预混火焰传播的影响", 《中国安全科学学报》, 15 November 2020 (2020-11-15) * |
| 蒋新生;杜扬;高建丰;杨双;钱海兵;薛楠;: "受限空间可燃气体爆炸抑爆实验系统研究", 后勤工程学院学报, no. 02, 15 April 2007 (2007-04-15) * |
| 蔡周全;李永怀;罗振敏;: "CNG加气站抑爆系统研制", 天然气工业, no. 04, 25 April 2009 (2009-04-25) * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116448472A (zh) * | 2023-03-23 | 2023-07-18 | 南京工业大学 | 一种可关闭式气体-粉尘复合爆炸环向无焰泄/抑爆及其性能测试装置 |
| CN116448472B (zh) * | 2023-03-23 | 2023-10-27 | 南京工业大学 | 一种可关闭式气体-粉尘复合爆炸环向无焰泄/抑爆及其性能测试装置 |
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