高压氢气管道激波与静电耦合测量系统的制作方法

本实用新型涉及氢气自燃的机理测试技术领域，特别涉及高压氢气管道激波与静电耦合测量系统。

背景技术：

氢气作为清洁能源其使用范围不断扩大，但由于氢气本身爆炸极限区间广，最小点火能低，因此一旦失控泄漏极易引起火灾爆炸事故。不同于其他可燃气体，高压氢气泄漏后极易自燃，目前对于高压氢气泄漏自燃的机理主要限于逆焦耳汤姆逊效应，静电点火理论，扩散点火理论以及其他点火理论，其中扩散点火理论研究最为广泛，以中国科学技术大学为代表的相关国内外科研机构对扩散点火理论进行了大量的实验研究，分析了不同激波强度和不同释放环境下扩散点火理论符合情况，证明了扩散点火理论的可行性。以美国桑迪亚国家实验室为代表的相关科研机构对静电点火机理也有大量的实验和理论研究，对氢气管道中不同杂质引起的静电释放过程进行了研究，相关实验也证实了静电点火理论的可行性。然而在扩散点火理论和静电点火理论的实验研究中都存在一些各自单一理论无法解释的实验现象，即在不满足各自理论预测的自燃条件下，氢气依然发生了自燃。在通过理论分析后分析发现不同机理之间可能存在着相互耦合的作用，因为激波、静电、逆焦耳汤姆逊效应和瞬时绝热压缩等因素同时存在于氢气泄漏的过程中，其中逆焦耳汤姆逊效应的作用是存在于任意一种氢气泄漏扩散过程中的，但其带来的温度上升不足以引发氢气自燃，瞬时绝热压缩也仅在少部分情况下会出现，在大部分情况下激波和静电是导致氢气自燃的主要能量来源，在目前的研究中仅对激波或静电其中一种因素进行研究，仍不能完整的揭示氢气自燃的机理，因此需要一个综合实验平台，可以耦合激波和静电等主要因素进行同时研究，从而全面的观察全要素情况下氢气的自燃过程。但是目前的各类实验装置仅能实现单一因素不同水平的测试，难以进行多种机理的耦合实验。本实用新型主要功能便是可以对氢气泄漏过程中产生的激波和静电同时测量，可以观测激波和静电的耦合效果，从而分析研究扩散点火理论和静电点火理论的耦合机制及其影响因素。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本实用新型旨在提供一种可以检验高压氢气泄放过程中激波与静电耦合作用效果的实验装置，可以同时测量激波和静电对氢气自燃过程的作用效果，实现对多因素不同水平影响结果的量化分析。。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

高压氢气管道激波与静电耦合测量系统及方法，包括储氢装置、氮气吹扫装置、释放装置、静电诱导装置、压力传感器阵列、光电传感器阵列、静电传感器阵列、信号采集装置和计算机，所述储氢装置和所述氮气吹扫装置分别通过其对应的进气管道与缓冲罐的前端连接，所述进气管上分别设有进气阀门，所述缓冲罐的末端设有放空装置和所述释放装置，所述释放装置上分别设有与静电检测平台连接的所述静电传感器阵列以及所述信号采集装置连接的所述压力传感器阵列和光电传感器阵列，所述释放装置的末端设有所述静电诱导装置及拍摄装置，所述拍摄装置、所述信号采集装置和所述静电监测平台均与所述计算机连接。

进一步改进，所述释放装置包括梯形平台释放装置、管道主体、上游释放装置和下游释放装置，所述管道主体包括依次设置的上游释放管、下游释放管和喷嘴，所述上游释放管末端通过所述上游释放装置与所述下游释放管连接，所述下游释放管末端通过所述下游释放装置与所述喷嘴连接，所述上游释放管内依次设有所述梯形平台释放装置和位于其末端的释放开关。

进一步改进，所述释放开关为爆破片夹持器或气动球阀。

进一步改进，所述静电传感器阵列包括沿所述管道主体依次设置的1号静电传感器、2号静电传感器、3号静电传感器和4号传感器，所述1号传感器设在所述管道主体内并位于所述上游释放装置的末端，所述2号静电传感器和所述3号静电传感器均位于所述管道主体内并分别设在所述下游释放装置的两端，所述喷嘴末端设有所述4号静电传感器。

进一步改进，所述光电传感器阵列包括依次设在管道主体外壁上的3个光电传感器，所述压力传感器阵列包括依次设在所述管道主体外壁上的并分别与3个光电传感器对应的湿度传感器、温度传感器和压力传感器，所述缓冲罐下方设有三通导管，所述湿度传感器、所述温度传感器、所述压力传感器和3个所述光电传感器分别通过导线与信号采集装置及三通导管连接。

进一步改进，所述静电诱导装置包括静电板、静电探针、绝缘夹具和支撑杆，静电板设在所述静电传感器阵列末端，所述静电板通过所述绝缘夹具与其下方的所述支撑杆连接，所述静电板的末端设有所述静电探针，所述静电探针接地。

采用上述测量系统，其对氢气泄露过程中产生的激波和静电耦合作用效果进行测量的步骤为:

1) 根据测试目的，向上游释放装置或下游释放装置中添加经过测量的颗粒物；

2）完成颗粒物添加后，将各装置连接成测试系统，然后对组装好的系统进行气密性测试，确认气密性良好；

3）开启氮气吹扫装置排出缓冲罐内空气，然后开启储氢装置向缓冲罐内注入高压氢气，到达指定压力后启动释放开关，氢气带动颗粒物沿管道主体穿过静电传感器阵列冲击静电诱导装置产生电火花放电，静电传感器阵列及压力传感器阵列将监测到的数据分别通过静电检测平台及信号采集装置传至计算机，拍摄装置将观察到的管外点火情况传至计算机；

4）停止供应氢气，开启氮气吹扫装置熄灭射流火焰，并冷却该测量系统。

本实用新型的有益效果是：1.首次建立了高压氢气管道的激波和静电耦合实验平台，可以在一次实验中同时测量高压氢气泄放过程中的激波产生、传递过程以及静电的积累、释放过程，不需要改变装置或重复多次测量，从根本上保证了实验的准确性，提高了实验效率；2.通过管内静电传感器阵列、管外静电传感器、诱导静电起电装置和接地探针的结合，可以清晰完整的了解颗粒物在伴随气体流动过程中静电的产生、积累以及释放的过程，相较早期装置仅能测量管道外部静电释放时的放电能量，观测过程更完整；

3.通过不同类型释放开关和释放压力，可以产生不同强度的激波；通过不同的颗粒物添加位置及添加量，可以产生不同强度的静电。进而通过研究两种因素的定量变化过程中氢气自燃的发生频次，可以分析出不同因素对氢气自燃的影响程度，进而可以通过对比单一因素的实验结果分析两种因素的耦合效果。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为梯形平台释放装置结构示意图。

图3为喷嘴剖面结构示意图。

其中：1-储氢装置，11-进气管道，12-进气阀门，2-氮气吹扫装置，3-释放装置，31-梯形平台释放装置，311-颗粒物，32-管道主体, 321-上游释放管，322-下游释放管，323-喷嘴，33-上游释放装置，34-下游释放装置，35-释放开关，351-爆破片，4-静电诱导装置，41-静电板，42-静电探针，43-绝缘夹具，44-支撑杆，5-压力传感器阵列，51-湿度传感器，52-温度传感器，53-压力传感器，6-静电传感器阵列，61-1号静电传感器，62-2号静电传感器，63-3号静电传感器，64-4号传感器，7-信号采集装置，8-缓冲罐，81-三通导管，82-光电传感器阵列，9-放空装置，10-拍摄装置，101-高速摄像机，102-红外照相装置。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的描述。

参照附图1所示的高压氢气管道激波与静电耦合测量系统，包括储氢装置1、氮气吹扫装置2、释放装置3、静电诱导装置4、压力传感器阵列5、静电传感器阵列6、信号采集装置7、光电传感器阵列82、静电检测平台、拍摄装置10和计算机，所述储氢装置1和所述氮气吹扫装置2分别通过其对应的进气管道11连接在缓冲罐8的前端，所述进气管11上设有控制进气管开启或关闭的进气阀门12，所述缓冲罐8的末端设有放空装置9和所述释放装置3，所述释放装置3包括梯形平台释放装置31、管道主体32、上游释放装置33和下游释放装置34，所述管道主体32包括依次设置的上游释放管321、下游释放管322和喷嘴323，所述上游释放管321的末端通过所述上游释放装置33与所述下游释放管322连接，所述下游释放管322的末端通过所述下游释放装置34与所述喷嘴323连接，所述喷嘴前端开口大，其直径AB为0.15m，其末端开口小，直径CD为0.032m，用于控制气流喷射形态；所述上游释放管321内依次设有所述梯形平台释放装置31和位于其末端的释放开关35。

所述氮气吹扫装置为商业氮气钢瓶，气瓶压力为12.5MPa，所述储氢装置为氢气钢瓶，所述进气管道和缓冲罐均由304不锈钢构成，其最大工作压力均为14MPa，储氢罐内长度0.25m,罐内直径0.12m，与氢气钢瓶相连的进气管道长度为1.5m，内径0.15m，进气管道及罐体壁厚均为0.015m，放空管由球阀手动控制开启和关闭，在泄放装置发生故障时高压气体可通过放空管排放到外界环境中；所述释放开关为爆破片夹持器或气动球阀，在研究不同的工况时，下游分别对接不同的释放开关；释放管道的长度可为0.36m或1.2m或3.05m，上游释放装置和下游释放装置分别为三通状的连接管道，其长度均为0.04m，内径为0.015m，在其T型凸出部分可作为添加颗粒物的放置场所，同时释放装置也作为连接上下游管道的一个固定装置，在研究不同工况时，在上游释放装置或下游释放装置中放置颗粒物311。

所述光电传感器阵列82包括依次设在管道主体外壁上的3个光电传感器， 所述压力传感器阵列5包括分别与3个光电传感器对应依次设在所述管道主体32外壁上的湿度传感器51、温度传感器52和压力传感器53，所述缓冲罐8的下方设有与其连通的三通导管81，所述湿度传感器51、所述温度传感器52、所述压力传感器53和3个所述光电传感器的两端分别通过导线与信号采集装置7及三通导管10连接，以时刻记录管内气体的状态变化。

所述静电传感器阵列6包括沿所述管道主体32依次设置的环状的1号静电传感器61、2号静电传感器62、3号静电传感器63和4号传感器64，在上游释放装置下游0.01m处安装有所述1号静电传感器61，在所述下游释放装置34的两端分别设有所述2号静电传感器62和所述3号静电传感器63，所述1-3号静电传感器上均设有绝缘图层，其镶嵌在管道主体内侧壁中，保证了释放管道内壁的光滑平直；所述喷嘴323下游0.5m处设有所述直径为0.4m的环形4号静电传感器64，所述1至4号静电传感器均与所述静电检测平台连接。

所述静电诱导装置4包括静电板41、静电探针42、绝缘夹具43和支撑杆44，在距离喷嘴下游1.5m处放置静电板41，所述静电板41为直径0.25m，厚度0.01m的圆形镀锡铜板，其通过所述绝缘夹具43与其下方的所述支撑杆44连接，在圆形镀锡铜板中心处下游0.005m布置有所述静电探针42，所述静电探针42接地，该静电探针由于探测镀锡铜板在经过含有杂质的气流冲刷过程中产生的静电电量，进而计算出火花放电过程中释放的能量。

在距离喷嘴10cm处设置所述拍摄装置10，所述拍摄装置10包括高速摄像机101和红外照相装置102，以检测管外点火情况和分析点火位置。

所述拍摄装置、所述信号采集装置和所述静电监测平台均与所述计算机连接，本实用新型中静电监测平台型号可为ETS-624静电监测平台。

利用上述高压氢气管道激波与静电耦合测量系统进行测量的方法，其步骤为:

1)将上述各装置放置在水平实验台上，除静电诱导装置外所有装置均需静电接地，根据测试目的，向上游释放装置或下游释放装置中添加经过测量的颗粒物；

2）将管道各部门连接牢固，然后对组装好的系统进行气密性测试，可采用肥皂水涂抹各连接部分，以检查装置的气密性，确认气密性良好；

为模拟氢气管道中可能的金属颗粒物，可添加的物质有氧化铁，氧化亚铁，氧化亚铅，二氧化硅，各类物质的颗粒物质量范围为0.1-5g，粒径D90＜30μm。在需要测量释放开关对静电产生过程的影响时，可以在释放开关上游的梯形平台添加颗粒物；在研究不同释放方式下，管道主体的长度和激波强度静电强度的影响时，可以在下游释放管道的上游，接近释放开关处的上游释放装置中添加颗粒；在研究喷口射流与空气混合过程中静电的产生情况时，可以在下游释放装置中添加颗粒物。

3）在完成颗粒物添加后，开启氮气吹扫装置排出缓冲罐内空气后，关闭氮气吹扫装置阀门，然后开启储氢装置向缓冲罐内注入高压氢气，待压力表显示缓冲罐内氢气即将到达指定压强时，减少氢气流量；高压氢气在下游释放管道中形成激波并伴随着高压氢气的快速流动；氢气带动颗粒物沿管道主体穿过静电传感器阵列冲击静电诱导装置产生电火花放电，静电传感器阵列及压力传感器阵列将监测到的数据分别通过静电检测平台及信号采集装置传至计算机，拍摄装置将观察到的管外点火情况传至计算机；

4）在发生点火后即可关闭氢气钢瓶阀门，停止供应氢气，开启氮气吹扫装置，熄灭喷射火，降低装置温度，准备下一轮实验。

在释放开关为启动球阀时，缓冲罐达到指定压强即可停止注入氢气；在释放开关为爆破片时，需不断注入氢气直至爆破片达到指定压强发生破裂，带气动球阀开启或爆破片破裂后，高压氢气射流便快速从缓冲罐出口向管道主体的下游流动，在流经放置颗粒物的上游释放装置或下游释放装置时，会将装置内放置的颗粒物卷吸入高速气流中，沿着管道前进并最终与气流一同经过喷嘴释放到外部环境中；经过喷嘴整流的高速气流穿过外置的4号环形静电传感器，直接冲击诱导静电起电的静电板（即镀锡铜盘），静电板发生冲击起电，由于已绝缘因此积累了大量静电，当静电积累到一定程度时会与右侧的接地静电探针形成足够大的电位差从而发生电火花放电，此时接地静电探针周围已被氢气及空气的混合可燃气体包围，电火花放电释放的能量将会点燃周围气体，电火花释放的能量会被静电检测平台记录。

在此过程中可以通过压力传感器阵列检测激波的强度和传播速度，若在管内发生自燃亦可以通过压力传感器检测爆燃产生的超压压力波，同时光电传感器可以检测管内是否发生点火以及点火发生的位置；静电传感器阵列可以检测管道内不同截面处金属颗粒物的带电，从而分析出静电的积累和释放过程；在气流夹杂着金属颗粒经过喷嘴释放到外部空间后，可以通过高速摄像和红外成像观察到气流与静电诱导金属盘的作用以及静电火花放电点火的过程。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。