开敞空间不同湿度预混气云爆燃火焰与压力耦合测试系统的制作方法

本实用新型开敞空间不同湿度预混气云爆燃火焰与压力耦合测试系统涉及的是气体燃爆测试技术领域，具体涉及不同湿度条件下开敞空间可燃预混气云爆燃火焰与压力耦合测试系统。

背景技术：

可燃气体在生产、加工、使用、运输和储存过程中当发生意外泄漏时会在开敞空间中形成可燃气云，遇到具有足够能量的外部火源就会发生爆炸，具有极大的危害。由于人们对可燃气体爆炸机理、规律以及影响可燃气云爆炸因素的研究还不够，而且蒸气云爆炸会产生极大的破坏性，所以在可燃气云爆炸事件发生后，防爆抑爆装置并没有取得预期的效果。到当前为止，许多专家学者对可燃云的燃烧爆炸问题进行了较为深入的探究和研讨。但是，由于可燃气云爆炸较复杂，且具有一定的危险性。针对可燃气云研究的热点和难点仍然是其在不同条件下的爆炸规律。设计可燃气体预混气云爆炸试验系统，有助于人们了解可燃气体爆炸规律，为提前防止可燃气体爆炸提供了有力依据。

中国专利号CN200810224143.5中提出一种开敞空间存在浓度梯度气云爆燃的实验方法，将圆形梯度板上由内而外覆盖多层薄膜，将每层薄膜之间的空气抽走，再向梯度板与薄膜以及每两层薄膜之间注入不同浓度的预混气云，不同浓度是薄膜最内层注入14％预混甲烷气云，向外每层之间浓度为1—2％递减，在某一浓度的预混气云点火浓度区域点火点点火引爆，由数据采集系统将压力变送器的电信号转换成数据信号输送到计算机记录并比较。

所述专利实验方法虽然可以测得气云不同浓度梯度对气云燃爆的影响，但是实际气云燃爆的过程中还是存在有很多的影响因素，比如混合空气湿度对气云爆炸的影响，湿度是指一定体积的气体在一定温度条件下所含的水蒸气含量，这是判断气体干燥程度的一个重要物理量。一定量的水蒸气可以减小甲烷气体的燃烧速度，削减其燃烧和爆炸的强度；当水蒸气量含量到达某一临界值时，它可以阻止甲烷气体点火；还可以降低了系统燃烧温度和H、O和OH等高活性自由基的浓度，增大了混合气体点火延迟时间和关键自由基的出现时间，从而达到抑爆的效果，空气中是存在一定湿度的，在实际工业开采可燃气体过程中，必定可燃气体会与外界空气接触，因此提前测得预混空气湿度下抑制爆炸的临界值，能够最大程度上降低工业开采中的危险，因此，解决这个问题是非常有价值的。

技术实现要素：

本实用新型目的是针对上述不足之处，提供一种开敞空间不同湿度预混气云爆燃火焰与压力耦合测试系统，是一种不同湿度条件下开敞空间可燃预混气云爆燃火焰与压力耦合测试方法及其测试系统，通过对不同湿度可燃预混气体爆燃后的火焰温度分布、爆燃压力以及温度和压力的耦合关系来研究空气湿度对开场空间可燃预混气云爆燃的影响。

本实用新型开敞空间不同湿度预混气云爆燃火焰与压力耦合测试系统通过以下技术方案予以实现：

开敞空间不同湿度预混气云爆燃火焰与压力耦合测试系统由主体部分、配气装置、点火装置、测试装置和计算机组成，所述主体部分为半球形气云装置，半球形气云装置由聚乙烯薄膜气云罩(聚乙烯薄膜罩)、阻燃橡胶圆环板和16Mn钢制圆环板组成，所述聚乙烯薄膜气云罩两侧对称设置有阻燃橡胶圆环板，所述阻燃橡胶圆环板两侧对称设置有16Mn钢制圆环板，所述阻燃橡胶圆环板内的聚乙烯薄膜上安装了温度传感器和电阻丝，所述16Mn钢制圆环板的外环四周均匀分布有夹具，所述温度传感器和电阻丝与温控器相连接，所述聚乙烯薄膜气云罩底部开有点火点和注气孔，所述点火点位于聚乙烯薄膜气云罩的底部圆心处，且点火点与点火装置连接。

所述配气装置主要由甲烷气瓶、压缩空气瓶、氯化钙容器瓶、湿度传感器、湿度发生器、加热管、气体预混罐、排水口、气体导流器组成，所述甲烷气瓶直接与气体预混罐连接，所述压缩空气瓶经过氯化钙容器瓶、加热管连接于气体预混罐，所述氯化钙容器瓶与加热管之间设置有湿度发生器，所述湿度发生器与湿度传感器相连，所述气体预混罐下方设有排水口，所述气体预混罐内部设置有蛇管型加热器，所述气体预混罐通过气体导流器、注气孔将气体导入半球形气云装置的聚乙烯薄膜气云罩内。

所述测试装置由压力变送器、湿度传感器、温度传感器、数据采集仪、高速摄像机、高速红外热成像仪和高速纹影系统组成，所述测试系统与计算机连接。

优选的，所述配气装置所用的气体是由空气与99.99%浓度纯甲烷预混而成。

优选的，所述点火装置为高压脉冲电子点火，工作电压为8kV，电流强度为5mA，点火能量约20mJ，点火电极材料为金属铂丝。

优选的，所述测试装置中压力变送器为Kistler 211B5型压力变送器，温度传感器的热电偶是直径不大于25μm的铂铑合金制成，数据采集仪为日置8860（配备4通道高速温度采集卡和4通道高速压力采集卡），高速摄像仪为High-SpeedStar4G型高速摄像仪，高速红外热成像仪为FASTM200型红外热成像仪。计算机（5）要求配置中端以上显卡，显存不低于1G，采用Intel I3以上处理器，内存不低于4G，硬盘不低于64G。

优选的，所述测试装置中的冲击波超压采用Z形布置的高速纹影系统获取，该系统由一个25W碘钨灯光源、两个焦距为2.0m的凹面镜、小反射镜、光强调节器、聚焦凸透镜、控制刀口和高速摄像机组成。

优选的，所述测试装置中的热辐射分别通过火球温度、火球直径和目标至爆心距离三个参数计算，火球温度采用红外热成像法即通过红外热成像仪测得，火球直径采用高速红外热成像仪和高速摄像机相结合的方法测得，目标至爆心距离在测试中自行设置。

本实用新型开敞空间不同湿度预混气云爆燃火焰与压力耦合测试系统的有益效果为：

开敞空间不同湿度预混气云爆燃火焰与压力耦合测试系统，是一种不同湿度条件下开敞空间可燃预混气云爆燃火焰与压力耦合测试系统，通过对不同湿度可燃预混气体爆燃后的火焰温度分布、爆燃压力以及温度和压力的耦合关系来研究空气湿度对开场空间可燃预混气云爆燃的影响。

本系统装置通过改进前人实验中主体部分的设计，提高气云爆炸测试的效率和准确度，通过增加测试装置的测量参数，增加热辐射的检测量，大大增加测试结果的准确度；同时也能够测试得到预混空气中湿度对于气云爆炸的影响，得到一个能够抑制气云爆炸的临界湿度值，不仅是一个测试实验的结果，本测试的结果也有利于帮助人们降低实际工业生产中可燃气体开采中所存在的危险。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的测试系统整体布局示意图；

图2是本实用新型的半球形气云装置主视结构示意图；

图3是本实用新型的半球形气云装置连接结构示意图；

图4是本实用新型的测试系统中Z形布置的纹影测试原理图；

图5是本实用新型的气体预混罐内部结构示意图。

图中：1、半球形气云装置，101、聚乙烯薄膜气云罩（聚乙烯薄膜罩），102、阻燃橡胶圆环板，103、16Mn钢制圆环板，104、温度传感器，105、电阻丝，106、夹具，107、温控器，108、点火点，109、注气孔；

2、配气装置，201、甲烷气瓶，202、压缩空气瓶，203、氯化钙容器瓶，204、湿度传感器，205、湿度发生器，206、加热管，207、气体预混罐，2071、蛇管型加热器，208、排水口，209、气体导流器，210、氯化钙容器瓶；

3、点火装置，4、测试装置，401、光源，402、凸透镜，403、光强调节器，404、小反射镜，405、凹面镜，406、控制刀口，407、高速摄像机，5、计算机。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参照图1-5所示：开敞空间不同湿度预混气云爆燃火焰与压力耦合测试方法及其测试系统，所设计系统由主体部分1、配气装置2、点火装置3、测试装置4和计算机5组成，主体部分1为半球形气云装置，半球形气云装置由聚乙烯薄膜气云罩（聚乙烯薄膜罩）101、阻燃橡胶圆环板102和16Mn钢制圆环板103组成，聚乙烯薄膜气云罩101两侧对称设置有阻燃橡胶圆环板102，阻燃橡胶圆环板102两侧对称设置有16Mn钢制圆环板103，阻燃橡胶圆环板102内的聚乙烯薄膜101上安装了温度传感器104和电阻丝105，16Mn钢制圆环板103的外环四周均匀分布有夹具106，温度传感器103和电阻丝104与温控器107相连接，聚乙烯薄膜气云罩（聚乙烯薄膜罩）101底部开有点火点108和注气孔109，点火点108位于聚乙烯薄膜气云罩101的底部圆心处，且点火点108与点火装置3连接。

所述的夹具106内侧附有阻燃橡胶皮层，螺栓可以贯穿夹具与阻燃橡胶圆环板（102）上预设的空洞，通过螺母可以调节夹具（106）的松紧。

配气装置2主要由甲烷气瓶201、压缩空气瓶202、氯化钙容器瓶203、湿度传感器204、湿度发生器205、加热管206、气体预混罐207、排水口208、气体导流器209、氯化钙容器瓶210组成，甲烷气瓶201直接与气体预混罐207连接，压缩空气瓶202经过氯化钙容器瓶203、加热管206连接于气体预混罐207，氯化钙容器瓶203与加热管206之间设置有湿度发生器205，湿度发生器205与湿度传感器204相连，气体预混罐207下方设有排水口208，气体预混罐207内部设置有蛇管型加热器2071，气体预混罐207通过气体导流器209、注气孔109将气体导入半球形气云装置的聚乙烯薄膜气云罩内。所述的湿度发生器205采用omega RHCL-2湿度发生器。所述的湿度传感器204采用市售耐高温高精度湿度传感器（如奥松AM2305）。气体导流器209采用市售气体导流器。

测试装置4由压力变送器、湿度传感器、温度传感器、数据采集仪、高速摄像机、高速红外热成像仪和高速纹影系统组成，测试装置4与计算机5连接。

具体的，配气装置2所用的气体是由空气与99.99%浓度纯甲烷预混而成；点火系统3为高压脉冲电子点火，工作电压为8kV，电流强度为5mA，点火能量约20mJ，点火电极材料为金属铂丝；测试装置4中压力变送器为Kistler 211B5压力变送器，温度测量所用热电偶是直径25μm的铂铑合金制成，数据采集仪为日置8860数据采集仪，配备4通道高速温度采集卡和4通道高速压力采集卡，高速摄像仪为High-SpeedStar4G型高速摄像仪，高速红外热成像仪为FASTM200型红外热成像仪；测试装置4中的冲击波超压采用Z形布置的高速纹影系统获取，该高速纹影系统由一个25W碘钨灯光源401、两个焦距为2.0m的凹面镜405、小反射镜404、光强调节器403、聚焦凸透镜402、控制刀口406和高速摄像机407组成；测试装置4中的热辐射分别通过火球温度、火球直径和目标至爆心距离三个参数计算，火球温度采用红外热成像法即通过红外热成像仪测得，火球直径采用高速红外热成像仪和高速摄像机相结合的方法测得，目标至爆心距离在测试中自行设置。

本实用新型使用测试前做以下准备：甲烷减压后经过氯化钙容器瓶210干燥处理后，可以得到不含水分的的干甲烷气体后通入预混罐207。湿度传感器204和湿度发生器205相连，湿度传感器204 放在气云中测试湿度后再反馈给湿度发生器205，当达到预定湿度时湿度发生器205停止加湿。压缩空气减压后经过氯化钙容器瓶203干燥处理后，可以得到不含水分的的干气体混合物，经过湿度发生器205加湿，气体中的水雾经过加热管206汽化进入气体预混罐207（当湿度发生器205和加热管206开关关闭时可以得到干燥的气体），半球形气云装置1中均安装有温度传感器104和电阻丝105，温度传感器104和电阻丝105与温控器106相连接，起到控制气云中温度的作用，当气体温度一定时饱和蒸气压一定，气体中的含水量也一定，就可以定量的测试气体中的含水量。同时，气体经过加热管206进入气云时温度会降低，饱和蒸气压减小，有一部分水蒸气会液化，水滴在主体板上会对点火装置3造成损坏，所以在气体预混罐207内铺设蛇管型加热器2071，控制气体预混罐207内气体温度与半球形气云装置1内的气体温度相同，并加一排水口209，当结束实验操作后应先排尽装置内气体再排液体。

开敞空间不同湿度预混气云爆燃火焰与压力耦合测试方法如下：

（1）使用甲烷与压缩空气，压缩空气和压缩甲烷减压后经过CaCl2干燥处理，配置甲烷最危险爆炸浓度预混气体，甲烷体积浓度为10%（占预混气体），充装进直径为1m的气云半球装置1中，使用装置内部中的点火系统3，引爆气云。获得气云湿度为0时的爆燃火焰温度、压力和热辐射。

（2）使用甲烷与自然环境中的空气，即吸附自然空气中的水蒸气，得到的气体湿度与外界环境相同，配置甲烷最危险爆炸浓度预混气体，甲烷体积浓度为10%（占预混气体），充装进直径为1m的气云半球装置1中，使用装置内部的点火装置3，引爆气云。同时根据测点，测试气云爆炸压力和热辐射。测得数据为空气湿度为环境湿度时的爆炸压力、温度、热辐射数据。

（3）使用甲烷与自然环境中的空气，采用具有超声雾化单元的湿度发生器205产生水蒸气进行气体加湿，达到设定的湿度值后停止，从而获得指定高湿度的爆炸性气体，配置甲烷最危险爆炸浓度预混气体，甲烷体积浓度为10%（占预混气体），充装进直径为1m的气云半球装置1中，使用装置内部中的点火装置3，引爆气云。同时根据测点，测试气云爆燃压力和热辐射、火焰内部温度。测得数据为一定空气湿度下预混气云的爆燃温度、压力和热辐射数据。

通过测试装置4获得的爆炸数据，传输至计算机5中进行统一分析处理，得出测试结果。

①开敞空间气云爆炸压力场与温度场耦合规律测试

首先，利用半球形气云装置1围制一定直径半球形气云，从注气孔（109）抽真空。利用配气装置2控制甲烷气瓶201、压缩空气瓶202比例，两气体在气体预混罐207混合均匀后，通过注气孔109注入混合后的气体。在气云半径方向上按照气云半径R、1.2R、1.4R、1.6R、1.8R布点，布点处设置压力传感器、热电偶，通过点火系统107点火，同时使用高速红外热成像仪采集火焰热辐射分布，利用纹影系统记录火焰纹影数据（纹影系统只能测试20厘米爆炸范围图像，可分段多次测试）。

②开敞空间气云爆燃压力与火焰温度受空气湿度影响测试

首先，利用半球形气云装置1围制一定直径半球形气云，从注气孔109抽真空。利用配气系统2控制甲烷气瓶201、压缩空气瓶202比例，通过氯化钙容器瓶203干燥处理空气和氯化钙容器瓶（210）甲烷后，可以得到干燥的混合气体；湿度发生器（205）的微波作用产生过饱和湿空气在加热套管（206）的加热后，进入气体混合罐（207），气体混合罐内设置有湿度传感器（204），湿度传感器（204）与蛇管型加热器（2071）有反馈控制，可以通过控制温度得到相应湿度的预混气体，温度传感器103和电阻丝104与温控器107相连接，保证气云内部温度高于混合罐内温度，在气云半径方向上按照气云半径R、1.2R、1.4R、1.6R、1.8R布点，布点处设置压力传感器、热电偶，通过点火装置的点火点108点火，采集布点处温度和压力数据，同时使用高速红外热成像仪采集火焰热辐射分布，利用纹影系统记录火焰纹影数据。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。