一种模拟可燃气体瞬时燃爆的实验装置及使用方法与流程

本发明涉及火灾消防领域，特别涉及一种模拟可燃气体瞬时燃爆的实验装置及使用方法，用于动态模拟可燃气体云团瞬时泄放的动作，开展各种可燃气体在不同工况下的瞬时燃爆实验研究。

背景技术：

在工业生产、储存、运输和使用可燃气体过程中，可能由于各种状况而导致瞬时泄漏的发生，如：生产过程中反应容器遭受高温高压、故障运行、过度反应、过容等问题突然破裂；储存过程中储罐因本质安全问题、自然灾害（地震、洪水、飓风）、意外打击、次生衍生灾害等发生破裂；运输过程中发生交通事故撞击、翻倒而破裂；使用过程中管道遭挖断而意外破裂等。

可燃气体在很短的时间内泄漏到外界环境中聚集形成云团，此时一旦遇到点火源，如果在其爆炸极限范围内则会立刻发生爆燃或爆轰，形成极大地破坏效应。然而，尽管人们都能认识到瞬时燃爆的危险性，但对于各种事故场景下究竟造成多严重的事故后果、影响机制、内在机理等尚缺乏更深入的认识和评判。现有技术中模拟瞬时燃爆危险性的实验装置，如20l爆炸球，1立方米爆炸仓，利用聚乙烯膜充满可燃气体点火发生燃爆等，存在其各自的优势及不足之处，如20l爆炸球容积固定，尺度小；而1立方米爆炸仓在扩大尺度的同时也伴随着危险程度的上升，此两者在固有装置的局限性下可调整的研究参数受限，且均处于密闭不透明的装置中不便于观察，测试手段受限；利用聚乙烯膜充满可燃气体点火发生燃爆虽然实验尺度、研究参数等均较前两者易于调整改变，也便于观察测试，但处于开放空间具有一定的危险性，实验重复性也容易受到外界环境因素的影响，同时它与前两者其模拟瞬时燃爆的可燃气体云团均呈稳定且固定的球形形态，不能呈现瞬时泄漏中形成可燃气体云团的动态过程，有别于实际瞬时泄漏事故场景，无法研究瞬时燃爆的动力学过程。综上所述，现有技术或受到尺度局限性，或受到危险程度可控性、参数可调性、实验可重复性等的限制而各自存在一些不足之处。因此，本发明提出了一种新的可用于模拟可燃气体瞬时燃爆的实验装置。

技术实现要素：

本发明针对可燃气体瞬时燃爆问题，弥补现有实验装置的不足，研发一种模拟可燃气体瞬时燃爆的实验装置及使用方法，该装置可动态模拟可燃气体云团瞬时泄放的动作，可调整设置可燃气体与空气预混的当量比、可燃气体进气速率与时间、云团泄放时间、点火位置等参数，实验具有可重复性，安全可控。基于本发明的实验装置，可模拟开展各种可燃气体在不同工况下的瞬时燃爆实验，获得温度、压力、热辐射、速度场、流场和火焰结构等参数，从而分析和揭示可燃气体瞬时燃爆的过程、事故后果、影响机制及内在机理等，加深对可燃气体瞬时燃爆事故的认识和评判。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种模拟可燃气体瞬时燃爆的实验装置，包括点火针、顶出气缸、回转电机、感应传感器ⅰ、感应传感器ⅱ，其特征在于：还包括可燃气体仓室、单片式可弹出密封盖板、支柱、底板、电气装配箱；

所述可燃气体仓室包括组合法兰、圆筒仓、环状托板、运动活塞、o型圈ⅰ；

所述组合法兰包括上法兰、下法兰、法兰隔板条、o型圈ⅱ；

所述法兰隔板条的外侧面和内侧面均为半圆形；

所述上法兰和下法兰均为环状体；

在下法兰的圆周面上固定一个轴架，在下法兰环状体面凹槽ⅰ内设有o型圈ⅱ，所述上法兰与下法兰固定在一起，在上法兰与下法兰之间面的一侧，设有法兰隔板条，法兰隔板条内侧面一侧的上法兰面与下法兰面之间构成夹层；

所述运动活塞上面为圆面，下面为凸起柱，在运动活塞的圆面上，设有与凸起柱上的可燃气体进口相通的可燃气体出口，在运动活塞圆面的外壁上设有两圈凹槽ⅱ，在凸起柱的端面上设有盲孔，两圈凹槽ⅱ中分别设有一个o型圈ⅱ；

所述圆筒仓上端与组合法兰的下法兰固定在一起，圆筒仓下端与环状托板固定在一起，所述运动活塞设置在圆筒仓内，运动活塞在圆筒仓内可上下活动；

所述电气装配箱内设有回转电机、点火包、气缸换向阀和可燃气体电磁阀，伸出电气装配箱顶面的回转电机轴连接旋转盘，在旋转盘圆周面上设有一个凸起，在旋转盘两侧的电气装配箱顶面上分别设有感应传感器ⅰ、感应传感器ⅱ，感应传感器ⅰ和感应传感器ⅱ对应设置；

在电气装配箱的外侧面板上分别设有点火包接线口、电机及传感器接线口、空气进口、预混可燃气体进口，在电气装配箱的内侧面板上固定一个点火针支架；

所述底板上分别固定有电气装配箱、顶出气缸和四个支柱，四个支柱上端与组合法兰的下法兰底面固定，伸出组合法兰环状托板外的凸起柱与顶出气缸杆连接；

所述点火针固定在点火针支架上，点火针在点火针支架上可上下移动，点火针头部设置在上法兰上方并朝向圆筒仓内；

所述单片式可弹出密封盖板为圆形盖板，圆形盖板的一侧为条状板，单片式可弹出密封盖板通过条状板和轴ⅰ的配合设置在轴架上，连接片一端通过轴ⅱ与条状板连接，连接片另一端通过轴ⅲ与电气装配箱上的

旋转盘连接；

所述点火针通过点火包与点火包接线口连接，所述回转电机、感应传感器ⅰ、感应传感器ⅱ气缸换向阀、可燃气体电磁阀分别与电机及传感器接线口连接，所述顶出气缸与空气进口连接，所述预混可燃气体进口与可燃气体进口连接；

回转电机顺时针旋转，单片式可弹出密封盖板插入上法兰与下法兰的夹层中，将可燃气体仓室密封住；

回转电机逆时针旋转，单片式可弹出密封盖板从法兰和下法兰的夹层中横向摆出。

一种模拟可燃气体瞬时燃爆的实验装置使用方法，其特征在于，步骤如下：

首先，将点火包接线口、电机及传感器接线口用数据线连接至数据采集及控制系统的控制柜，空气进口用气管与空气储气瓶相连接，预混可燃气体进口用气管与配气系统出口相连接，配气系统实现可燃气体与空气以一定的当量比进行动态预混配气，控制系统采用电磁阀和质量流量计进行流量的调节控制，可设置进气速率和时间；

在实验装置上方布置若干热电偶、压力传感器，根据实验现场条件在数米外布置好红外热像仪，在可燃气体云团瞬时燃爆的光路切面上布置好3d粒子测速仪、高速摄像纹影系统等测试装置，所有外接测试装置与其对应的数据采集及控制系统相连接好，测试系统准备就绪；

实验准备工作，控制柜发出可燃气体仓室排气指令时，气缸换向阀控制顶出气缸运动活塞在圆筒仓内向上移动，同时回转电机带动旋转盘逆时针旋转，使单片式可弹出密封盖板从上法兰与下法兰的夹层中横向摆出，当旋转盘凸起转到感应传感器ⅱ时，单片式可弹出密封盖板到达摆出的位置，感应信号回传给控制柜，说明可燃气体仓室已打开；当控制柜发出可燃气体仓室密封指令时，回转电机带动旋转盘顺时针旋转，使单片式可弹出密封盖板插入上法兰与下法兰的夹层中，当旋转盘凸起转到感应传感器ⅰ，单片式可弹出密封盖板到达位置，感应信号回传给控制柜，说明可燃气体仓室已密封，此时，控制柜发出气缸换向阀控制顶出气缸运动活塞在圆筒仓内向下移动的命令，使可燃气体仓室达到相对真空状态。

重复数次上述运动活塞的上或下移动、单片式可弹出密封盖板横向摆出或插入动作，将可燃气体仓室圆筒仓内的空气排尽，空气排尽后，可燃气体仓室处于密封状态，顶出气缸运动活塞处于下位，实验准备工作就绪；

开始实验，控制系统发出指令，可燃气体电磁阀工作，预混好的可燃气体经过气路充满可燃气体仓室圆筒仓；

气缸换向阀控制顶出气缸运动活塞在圆筒仓内向上移动，到达可燃气体仓室内的单片式可弹出密封盖板位置处，此时间定义为可燃气体云团泄放的时间，可进行调节设置，同时回转电机带动旋转盘逆时针旋转，使单片式可弹出密封盖板从上法兰与下法兰的夹层中横向摆出，释放出可燃气体形成云团；

位于可燃气体仓室圆筒仓上方的点火针通过控制柜控制点火包高圧点火，点火位置可通过手动调整点火针在点火针支架上的位置进行上下变换，可燃气体云团若处在爆炸极限范围内则发生瞬时爆燃；

在实验装置周围布置的热电偶、压力传感器、红外热像仪、3d粒子测速仪、高速摄像纹影系统等测试装置，采集获得温度、压力、热辐射、速度场、流场和火焰结构等参数，从而分析和揭示可燃气体瞬时燃爆的过程、事故后果、影响机制及内在机理，加深对可燃气体瞬时燃爆事故的认识和评判。

本发明的有益效果是：

本发明可动态模拟可燃气体云团瞬时泄放的动作，此特点区别于已有技术中可燃气体云团呈稳定且固定的球形形态，更接近于实际瞬时泄漏事故场景；实验装置参数变量可调可控性高，包括可燃气体与空气预混的当量比、可燃气体进气速率与时间、云团泄放时间、点火位置等参数均可改变，极大地拓宽了实验工况的研究范围；实验全程可视化，且可通过各种外部测试系统采集实验的有效数据信息，有利于对可燃气体瞬时燃爆事故进行深入研究分析；利用本发明的实验装置开展实验具有可重复性高、危险性可控的优点。

本发明可模拟开展各种可燃气体在不同工况下的瞬时燃爆实验，获得温度、压力、热辐射、速度场、流场和火焰结构等系列参数，研究范围广，获得信息量大，有利于对可燃气体瞬时燃爆的过程、事故后果、影响机制及内在机理等的深入分析和认识。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明可燃气体仓室与顶出气缸及单片式可弹出密封盖板的连接示意图；

图5为本发明法兰隔板条与下法兰连接的示意图；

图6为本发明的电路连接框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

如图1至图6所示，一种模拟可燃气体瞬时燃爆的实验装置，包括点火针2、顶出气缸3、回转电机4、感应传感器ⅰ5、感应传感器ⅱ6，其特征在于：还包括可燃气体仓室1、单片式可弹出密封盖板7、支柱8、底板9、电气装配箱10。

可燃气体仓室1包括组合法兰1-1、圆筒仓1-2、环状托板1-3、运动活塞1-4、o型圈ⅰ1-5。

组合法兰1-1包括上法兰1-11、下法兰1-12、法兰隔板条1-13、o型圈ⅱ1-14。

法兰隔板条1-13的外侧面和内侧面均为半圆形。

上法兰1-11和下法兰1-12均为环状体。

在下法兰1-12的圆周面上固定一个轴架14-1，在下法兰1-12环状体面凹槽ⅰ1-121内嵌有o型圈ⅱ1-14，上法兰1-11与下法兰1-12固定在一起，在上法兰1-11与下法兰1-12之间面的一侧，固定有法兰隔板条1-13，法兰隔板条1-13内侧面一侧的上法兰1-11面与下法兰1-12面之间构成夹层1-15。

运动活塞1-4上面为圆面，下面为凸起柱1-41，在运动活塞1-4的圆面上，设有与凸起柱1-41上的可燃气体进口1-42相通的可燃气体出口1-43，在运动活塞1-4圆面的外壁上设有两圈凹槽ⅱ1-44，在凸起柱1-41的端面上设有盲孔1-45，两圈凹槽ⅱ1-44中分别设有一个o型圈ⅱ1-14。

圆筒仓1-2上端与组合法兰1-1的下法兰1-12螺接在一起，圆筒仓1-2下端与环状托板1-3连接在一起，将运动活塞1-4设置在圆筒仓1-2内，在圆筒仓1-2内壁与运动活塞1-4两圈凹槽ⅱ1-44中设有两个o型圈ⅱ1-14，运动活塞1-4在圆筒仓1-2内可上下活动。

电气装配箱10内设有回转电机4、点火包10-5、气缸换向阀10-6和可燃气体电磁阀10-7，伸出电气装配箱10顶面的回转电机4轴连接有旋转盘4-1，在旋转盘4-1圆周面上设有一个凸起（4-11），在旋转盘4-1两侧的电气装配箱10顶面上分别设有感应传感器ⅰ5、感应传感器ⅱ6，感应传感器ⅰ5和感应传感器ⅱ6对应设置。

在电气装配箱10的外侧面板上分别设有点火包接线口10-1、电机及传感器接线口10-2、空气进口10-3、预混可燃气体进口10-4，在电气装配箱10的内侧面板上固定一个点火针支架2-1。

在底板9上分别螺接固定电气装配箱10、顶出气缸3和四个支柱8，四个支柱8上端与组合法兰1-1的下法兰1-12底面焊接固定，伸出组合法兰1-1环状托板1-3外的凸起柱1-41与顶出气缸3杆螺接在一起。

点火针2通过螺钉固定在点火针支架2-1上，点火针2在点火针支架2-1上可上下移动，点火针2头部设置在上法兰1-11上方并朝向圆筒仓1-2内。

单片式可弹出密封盖板7为圆形盖板，圆形盖板的一侧为条状板，单片式可弹出密封盖板7通过条状板和轴ⅰ14的配合设置在轴架14-1上，连接片11一端通过轴ⅱ12与条状板连接，连接片11另一端通过轴ⅲ13与电气装配箱10上的

旋转盘4-1连接。

点火针2通过点火包10-5与点火包接线口10-1连接，回转电机4、感应传感器ⅰ5、感应传感器ⅱ6气缸换向阀10-6、可燃气体电磁阀10-7分别与电机及传感器接线口10-2连接，顶出气缸3与空气进口10-3连接，预混可燃气体进口10-4与可燃气体进口1-42连接。

回转电机4顺时针旋转，单片式可弹出密封盖板7插入上法兰1-11与下法兰1-12的夹层1-15中，将可燃气体仓室1密封住。

回转电机4逆时针旋转，单片式可弹出密封盖板7从法兰1-11和下法兰1-12的夹层1-15中横向摆出。

一种模拟可燃气体瞬时燃爆的实验装置使用方法，步骤如下：

首先，将点火包接线口（10-1）、电机及传感器接线口（10-2）用数据线连接至数据采集及控制系统的控制柜，空气进口（10-3）用气管与空气储气瓶相连接，预混可燃气体进口（10-4）用气管与配气系统出口相连接，专业文丘里配气系统实现可燃气体与空气以一定的当量比进行动态预混配气，控制系统采用电磁阀和质量流量计进行流量的调节控制，可设置进气速率和时间。

在实验装置上方布置若干热电偶、压力传感器，根据实验现场条件在数米外布置好红外热像仪，在可燃气体云团瞬时燃爆的光路切面上布置好3d粒子测速仪、高速摄像纹影系统等测试装置，所有外接测试装置与其对应的数据采集及控制系统相连接好，测试系统准备就绪。

实验准备工作，控制柜发出可燃气体仓室1排气指令时，气缸换向阀10-6控制顶出气缸3运动活塞1-4在圆筒仓1-2内向上移动，同时回转电机4带动旋转盘4-1逆时针旋转，使单片式可弹出密封盖板7从上法兰1-11与下法兰1-12的夹层1-15中横向摆出，当旋转盘4-1凸起4-11转到感应传感器ⅱ6时，单片式可弹出密封盖板7到达摆出的位置，感应信号回传给控制柜，说明可燃气体仓室1已打开；当控制柜发出可燃气体仓室1密封指令时，回转电机4带动旋转盘4-1顺时针旋转，使单片式可弹出密封盖板7插入上法兰1-11与下法兰1-12的夹层1-15中，当旋转盘4-1凸起4-11转到感应传感器ⅰ5，单片式可弹出密封盖板7到达位置，感应信号回传给控制柜，说明可燃气体仓室1已密封，此时，控制柜发出气缸换向阀10-6控制顶出气缸3运动活塞1-4在圆筒仓1-2内向下移动的命令，使可燃气体仓室1达到相对真空状态。

重复数次上述运动活塞1-4的上或下移动、单片式可弹出密封盖板7横向摆出或插入动作，将可燃气体仓室1圆筒仓1-2内的空气排尽，空气排尽后，可燃气体仓室1处于密封状态，顶出气缸3运动活塞1-4处于下位，实验准备工作就绪。

开始实验，控制系统发出指令，可燃气体电磁阀10-7工作，预混好的可燃气体经过气路充满可燃气体仓室1圆筒仓1-2。

气缸换向阀10-6控制顶出气缸3运动活塞1-4在圆筒仓1-2内向上移动，到达可燃气体仓室1内的单片式可弹出密封盖板7位置处，此时间定义为可燃气体云团泄放的时间，可进行调节设置，同时回转电机4带动旋转盘4-1逆时针旋转，使单片式可弹出密封盖板7从上法兰1-11与下法兰1-12的夹层1-15中横向摆出，释放出可燃气体形成云团。

位于可燃气体仓室1圆筒仓1-2上方的点火针2通过控制柜控制点火包10-5高圧点火，点火位置可通过手动调整点火针2在点火针支架2-1上的位置进行上下变换，可燃气体云团若处在爆炸极限范围内则发生瞬时爆燃。

在实验装置周围布置的热电偶、压力传感器、红外热像仪、3d粒子测速仪、高速摄像纹影系统等测试装置，采集获得温度、压力、热辐射、速度场、流场和火焰结构等参数，从而分析和揭示可燃气体瞬时燃爆的过程、事故后果、影响机制及内在机理，加深对可燃气体瞬时燃爆事故的认识和评判。