本发明涉及一种气体爆炸特性结构效应的测试系统，尤其是涉及一种研究气体爆炸特性尺寸效应的测试系统，基于本发明测试系统可以较为系统的研究连通容器内气体爆炸传播特性及规律，为工业生产及设备的安全设计提供数据支撑，对气体爆炸事故的预防具有重要意义。
背景技术：
在工业生产过程中，圆柱形容器和管道单独使用或者组合使用的情况极为普遍，若反应失控、日常监管疏漏、容器、管道存在缺陷，则可能会引发火灾爆炸等事故，造成人员伤亡、财产损失和环境破坏。不同工艺过程中，随着容器形状、管道形状的改变，反应器与管道连接结构往往也不同，若发生事故，造成的后果也会不同。在工程上，气体或者粉尘爆炸特性随容器的形状、反应器与管道连接结构形式变化而变化的现象称为气体爆炸特性的结构效应。
目前，世界各国对容器或管道内气体爆炸进行了较为系统的研究，研究主要针对特定的几何条件下障碍物、爆炸过程规律、气体爆源性质等方面对爆炸过程的影响，而对于连通容器内气体爆炸结构效应的研究较少，连通容器内气体爆炸结构效应的研究是目前化工设备安全设计亟待解决的课题之一。从气体爆炸研究现状来看，国内外学者的研究对象大多是单一管道或容器，且多集中于压力测试。部分学者对连通容器的结构效应也有所涉及，但研究不够深入。气体爆炸虽已研究多年，但目前可燃气体在各种不同工况下的传播规律仍然存在很多问题。以往的结论并没有清楚阐释不同工况下气体爆炸机理和影响规律。部分学者通过研究发现，气体爆炸波在管道中传播时会产生衰减效应。此外，和长直管道不同，气体爆炸在变截面的管道中传播时，其变化前后的气流紊乱程度会被改变，这会产生较大的爆炸压力变化，即压力累积效应。如果在弯曲管道内发生爆炸还会产生拐角效应。目前常用来指导化工容器安全设计的主要有传统理论计算模型、实验数据、模拟数据等，但都忽略了结构对连通容器内气体爆炸的影响。
因此，研制一套可以系统研究气体爆炸尺寸效应的测试系统，开展多种结构条件下气体爆炸传播特性与规律的研究，揭示气体爆炸结构效应的产生机理，寻找气体爆炸强度的结构效应影响规律，建立较准确的气体爆炸强度预测模型等问题亟待解决。
技术实现要素：
本发明目的是针对现有的可燃气体爆炸特性测试装置不能系统地研究一系列形状结构条件下可燃气体的爆炸特性及爆炸特性的结构效应，研究结果没有广泛应用性，现有实验测试系统下做出的研究无法解决实际工况等问题，提供一种气体爆炸特性结构效应的测试系统，该测试系统可以系统全面地研究气体爆炸特性结构效应。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种气体爆炸特性结构效应的测试系统包括配气系统、点火装置、爆炸装置、数据采集分析装置和高速数字摄像机。
所述的爆炸装置包括容器和/或管道，容器和管道之间通过法兰对接；所述的容器设有第一进/出气口、至少一个第一点火枪安装口、第一高频压力传感器安装口、第一火焰传感器安装口、第一温度传感器安装口、第一压力表安装口、至少一个第一有机玻璃观察窗；所述的管道设有第二进/出气口、至少一个第二点火枪安装口、第二高频压力传感器安装口、第二火焰传感器安装口、第二温度传感器安装口、至少一个第二有机玻璃观察窗；
所述的数据采集分析装置包括高频压力变送器、温度传感器、火焰传感器、信号放大器、数据采集仪和计算机；所述的高频压力变送器、温度传感器和火焰传感器分别安装在容器和/或管道对应的安装口内；所述的高频压力变送器、温度传感器和火焰传感器分别经信号放大器与数据采集仪相连，数据采集仪的输出端与计算机相连。
所述的高速数字摄像机的镜头正对有机玻璃观察窗，用于拍摄容器和/或管道内可燃气体爆炸时的火焰图像，高速数字摄像机的信号输出端与计算机相连。
所述的配气系统由配气仪、配气控制箱、空压机、可燃气体气源、真空泵和配气气源构成；所述的可燃气体气源的输出端与配气仪的一个输入端相连，所述的配气气源的输出端与配气仪的另一个输入端相连；配气仪与配气控制箱通过信号电线相连；所述的配气仪的输出端与爆炸装置的气体输入口（容器和/或管道的进/出气口）相连。配气系统主机是通过专用电缆来进行连接的，并且为了控制气体的流量，采用了精度较高的质量流量控制器进行实时监控，最终使配气系统实现科学化和自动化。配气的操作界面主要集中于电脑客户端。
所述的配气气源为洁净空气，由空压机产生；所述的可燃气体可采用甲烷、丙烷、氢气等。
所述的点火装置由点火器和点火枪组成，点火器和点火枪之间通过高压电缆进行连接；点火枪安装在爆炸装置的点火枪安装口上。
所述的高速数字摄像机最高分辨率＠拍摄速率：800×600＠6688帧/秒；最高拍摄速率＠分辨率：190476帧/秒＠32×8；最小曝光时间：2μs；像素数：480000；通讯接口：千兆以太网；灵敏度（iso-12232sat）：4800（黑白）；1200（彩色）；镜头：尼康afzoom80-200mmf/2.8ded；软件触发；帧同步：独立fsyncbnc同步端口，支持内部时钟源、外部时钟源、irig-8时间码及移相irig-b。
所述的第一、第二点火枪安装口，第一、第二高频压力传感器安装口，第一、第二火焰传感器安装口，第一、第二温度传感器安装口和第一、第二压力表安装口均为螺纹口。技术人员可以根据试验需要调整点火枪、高频压力传感器、火焰传感器、温度传感器和压力表的安装位置。
所述的容器底部设有第一支架，所述的管道设有第二支架，第一支架和第二支架分别安装有隐藏式万向轮。所述的第一支架和第二支架为钢架支撑。
所述的容器为球形容器或圆柱形容器。容器除形状不同外，容器体积大小和内部结构、容器材质等因素均相同。
所述的圆柱形容器中部设有两段带法兰的水平导管。所述的圆柱形容器在顶部、侧壁中部和底部分别设有1个第一点火枪安装口，将点火枪安装在容器的不同位置，可实现不同位置的点火；点火枪有多种长度，根据点火枪长度的不同，可以实现容器内的壁面或者内部点火。在圆柱形容器的底部设有第一进/出气口、压力表安装口，在顶部设有第一高频压力变送器安装口、第一火焰传感器安装口，第一温度传感器安装口；在所述的圆柱形容器侧壁的中间位置以及两个水平导管上分别设有第一有机玻璃观察窗；在压力表安装口设有压力表用于监测圆柱形容器内的气体压力。
所述的球形容器沿直径方向分别设有一段带法兰的水平导管和一段带法兰的竖直导管；所述的球形容器分别设有2个第一点火枪安装口、第一进/出气口、第一高频压力变送器安装口、第一火焰传感器安装口，第一温度传感器安装口和第一压力表安装口；其中，第一点火枪安装口分别位于球形容器肩部和水平导管上，第一进/出气口位于球形容器下部；沿水平直径在球形容器的中部以及水平导管、竖直导管分别设有第一有机玻璃观察窗。
所述的管道为直线形管道、十字形管、t形管、y形管道、弯形管道；在所述的管道的端侧设有法兰。管道除形状结构不同外，截面积等其他因素均相同。
在所有进/出气口端均安装有进气阀，通过进气阀可控制气体的进出气，保证装置的气密性。
直线型管道上设有3处观察口，分别位于管道的两端和中间位置。
所述的十字形管道设有5处观察口，分别位于管道的4处连接处边缘和管道十字交叉的位置；
t形管道设有4处观察口，分别位于管道的3个边缘和管道相互交叉的位置；
y形管道设有4处观察口，分别位于管道的3处边缘和管道相互交叉的位置；
所述的弯形管道的弯曲角度为30°、45°、60°、90°或120°。弯形管道设有3处观察口，分别位于2处管道边缘和管道相互交叉的位置。
管道上均有传感器接口，对于直线型管道，传感器接口位置在管道的两端和中间点；对于其他形状的管道，传感器接口分别设置在管道的边缘处和管道相互交叉的中心点处。
所述的有机玻璃观察窗采用最大承受压力为10mpa的高强度有机玻璃。
本发明研究在初始压力、点火能量、甲烷浓度、环境温度等条件不变的情况下，改变连接容器的管道结构，研究管道结构对连通容器气体爆炸的影响；改变容器本身几何结构，连通容器气体爆炸特性与容器形状对之间的规律；改变容器与管道的连接方式，研究多种状态下连通容器气体爆炸规律。通过安装在爆炸装置上的压力传感器、温度传感器、火焰传感器和高速数字摄像机，可测得研究连通容器中气体爆炸结构效应所需要的爆炸压力、爆炸温度、火焰传播速率和火焰图像等参数。具体操作步骤为：
1、打开空压机、数据采集仪、配气仪和计算机，将空压机内空气压缩至0.4mpa以上备用；
2、将爆炸装置的两端用盲板封堵，打开进气阀，将真空泵管道插入进气阀开始抽气，同时打开压力检测软件，观察管道或容器内的压力变化；压力降到-0.01mpa时，关闭进气阀，关闭真空泵;
3、打开可燃气体气瓶、空压机，利用配气仪进行配气；配气完成后，将管道连接至进气阀，打开进气阀，待管道或容器内的压力升至常压，关闭进气阀，关闭配气仪；
4、打开点火器电源，开始点火，点火完毕后，等待压力监测软件输出压力变化曲线；
5、关闭点火器，实验结束。
本发明的有益效果是：
1、本发明实验设施齐全，不同形状的管道和不同形状的容器之间可连接组合成多种不同结构的测试装置，以期还原工业生产模型，可研究多种不同结构对连通容器中气体爆炸产生的结构效应。
2、本发明可以用于研究可燃气体在容器、管道中爆炸过程中湍流、射流火焰、爆炸波反射与能量变化等动力学特征以及气体流动、爆炸波和爆炸火焰之间的关系。
3、本发明可开展多种结构条件下气体爆炸传播特性与规律的研究，揭示气体爆炸结构效应的产生机理，寻找气体爆炸强度的结构效应影响规律，建立较准确的气体爆炸强度预测模型，对于预防和控制特殊结构的连通容器中气体爆炸事故具有重要的理论价值和实际意义。
附图说明
图1为本发明气体爆炸特性结构效应的测试系统示意图；
图2为本发明圆柱形容器连接管道结构示意图；
图3为本发明爆炸装置中的球形容器主视图；
图4为本发明弯形管道俯视图；
图5为本发明t型管道俯视图；
图6为本发明十字形管道俯视图；
图7为本发明y形管俯视图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明作进一步说明：
实施例1
如附图1~2所示，一种气体爆炸特性结构效应的测试系统，由配气系统、点火装置、爆炸装置、数据采集分析装置和高速数字摄像机组成。
所述的爆炸装置包括圆柱形容器1和直线形管道3组成，在圆柱形容器1的两端设有两段带法兰21的水平导管，直线形管道3的两端设有法兰21，所述的圆柱形容器1经其中一段水平导管与直线形管道3通过法兰21连接，圆柱形容器1另一段水平导管的法兰21用盲板20封堵，直线形管道3的另一端也用盲板20封堵法兰21。
所述的圆柱形容器1在顶部、侧壁中部和底部分别设有1个第一点火枪安装口101，将点火枪安装在容器不同位置以实现不同位置的点火；在圆柱形容器1的底部设有第一进/出气口102、压力表安装口106，在顶部设有第一高频压力变送器安装口103、第一火焰传感器安装口104，第一温度传感器安装口105；在所述的圆柱形容器1设有3处第一有机玻璃观察窗107，分别位于圆柱形容器侧壁的中间位置以及两个水平导管上；在压力表安装口106设有压力表用于监测圆柱形容器内的气体压力。
所述的直线形管道3的顶部设有第二点火枪安装口301、第二高频压力变送器安装口302、第二火焰传感器安装口303，第二温度传感器安装口304，在直线形管道3的底部近端侧设有第二进/出气口305；位于直线形管道3的两端和中间位置分别设有第二有机玻璃观察窗306。
所述的球形容器1的体积为55l；直线形管道3两端法兰21之间的管长为2m。
所述的圆柱形容器1底部设有第一支架18，所述的直线形管道3底部设有第二支架19，第一支架18和第二支架19分别安装有隐藏式万向轮。实验时，可开启万向轮隐藏开关，使支架直接支撑在地面上，防止实验管道和容器发生移动；需要移动、拆解或组装时，关闭万向轮隐藏开关，进行容器和管道的移动、拆解或组合。
所述的配气系统包括配气仪9、可燃气体气源17、空压机8、真空泵10构成；配气仪9与计算机16通过信号电线相连；所述的配气仪9的输出端与爆炸装置的进/出气口相连。具体的，所述的配气仪9包括可燃气体管路、配气管路和混合气管路，可燃气体气源17的输出端与配气仪9的可燃气体管路的输入端相连，空压机8的输出端与配气仪9的配气管路输入端相连；可燃气体管路和配气管路的输出端分别与混合气管路的输入端连接，混合气管路的输出端与爆炸装置的进气口连接；容器或管道相互连接时，进/出气口为某一容器或管道的进/出气口，其他进/出气口关闭。
所述的点火系统由可调节点火能量的高能点火器和不同长度的点火枪组成。点火枪安装在爆炸装置的第一点火枪安装口101、第二点火器安装口301上，点火器和点火枪之间通过高压电缆进行连接。
所述的数据采集分析装置包括高频压力变送器11、火焰传感器12、温度传感器13、数据采集仪14和计算机16；高频压力变送器11、火焰传感器12、温度传感器13安装在圆柱形容器1、直线形管道3对应的安装口上。高频压力变送器11、火焰传感器12和温度传感器13分别与各自数据采集仪的输入端相连，数据采集14的输出端与计算机相连16。
所述的高速数字摄像机15为高速数字摄像机。高速数字摄像仪15的摄像头正对着需要观察的透明高强度有机玻璃观察窗，用于观测到圆柱形容器1和直线形管道3中的爆炸火焰；高速数字摄像仪15的输出端与计算机16相连。
实施例2
将实施例1的圆柱形容器1替换为如附图3所示的球形容器2，球形容器2沿直径方向分别设有一段带法兰21的水平导管和一段带法兰21的竖直导管，球形容器2经水平导管与直线形管道3通过法兰21连接，球形容器2竖直导管的法兰21用盲板20封堵。
球形容器2分别设有2个第一点火枪安装口201、第一进/出气口202、第一高频压力变送器安装口203、第一火焰传感器安装口204，第一温度传感器安装口205和第一压力表安装口；其中，第一点火枪安装口201分别位于球形容器2肩部和水平导管上，第一进/出气口202和第一高频压力变送器安装口203分别位于球形容器2下部，第一火焰传感器安装口204位于球形容器2中部，第一温度传感器安装口205位于球形容器2肩部；沿水平直径在球形容器2的中部以及水平导管、竖直导管分别设有第一有机玻璃观察窗206。
所述的球形容器2底部设有第一支架18，第一支架18安装有隐藏式万向轮。
所述的球形容器2的体积为55l。
实施例3
将实施例1的直线形管道3替换为如附图4所示的弯形管道4，所述的弯形管道有30°、45°、60°、90°和120°5种不同的角度。
弯形管道4的两端分别设有法兰；在所述的弯形管道4的其中一近端侧设有进/出气口401，并在弯形管道上设有高频压力变送器安装口403和温度传感器安装口404；在弯形管道4近拐角处设有火焰传感器安装口402，在弯形管道4管道近端侧和拐角分别设有机玻璃观察窗405，并设有点火器安装口406。
实施例4
将实施例1的直线形管道3替换为如附图5所示的t形管道5，所述的t形管道5上设有进气口501、高频压力变送器安装口503、火焰传感器安装口502，温度传感器安装口504和机玻璃观察窗505，并设有点火器安装口506。
实施例5
将实施例1的直线形管道3替换为如附图6所示的十字形管道，所述的十字形官道设有进气口601、高频压力变送器安装口603、火焰传感器安装口602、温度传感器安装口604和机玻璃观察窗605，并设有点火器安装口606。
实施例6
将实施例1的直线形管道3替换为如附图7所示的y形管道，所述的y形管道开口角度为60°，管道上设有进气口701、高频压力变送器安装口702、火焰传感器安装口703、温度传感器安装口704和机玻璃观察窗705，并设有点火器安装口706。
也可以将实施例3、4、5、6中的圆柱形容器1替换为球形容器2。