一种用于观测开敞空间浓度分层条件下可燃气体爆炸火焰传播行为的实验系统及实验方法

1.一种用于观测开敞空间浓度分层条件下可燃气体爆炸火焰传播行为的实验系统及实验方法，属于爆炸安全科学领域。


背景技术：

2.化工生产活动通过复杂化学工艺改变物质结构、成分和形态以生产化学制品，在生产加工过程中极易产生可燃气体，例如氢气、丙烷、天然气等。上述气体在制备、运输、存储和使用过程中，由于设备损坏或人员操作失误，极易发生泄漏形成可燃气云，遇到热源后（机械摩擦或撞击、高温热表面或明火），引发气体爆炸事故。在气体爆炸过程中，火焰受湍流扰动不断加速膨胀，释放大量的热，并产生爆燃或爆轰压力波，严重威胁人民生命和财产安全。因此，研究气体爆炸火焰产生和发展机理，为事故灾害预防和减灾措施发展提供科学依据，保障人们生活和生产活动安全进行是亟待解决的关键问题。
3.在开敞空间气体爆炸实验过程中，通常借助薄膜等低强度材料形成可燃气云，以减少边界材料破碎对火焰产生的扰动影响。kim利用气泡形成可燃气云，搭建了小尺度开敞空间气体爆炸实验装置。dobashi和bao利用聚乙烯薄膜形成可燃气云，搭建了大尺度开敞空间爆炸实验系统。上述研究主要针对均匀浓度的可燃气云。然而，在实际爆炸过程中，可燃气体与空气存在密度差，使得可燃气云内部具有明显的浓度梯度。传统实验装置难以在开敞空间条件下形成浓度分层的可燃气云，无法得到浓度梯度对爆炸火焰传播机理的影响。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：如何利用薄膜或气泡等低强度材料形成具有浓度分层特性的开敞空间可燃气云，提供用于观测不同浓度分层条件下可燃气体爆炸火焰传播行为的实验系统。
5.为解决上述技术问题，克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于观测开敞空间浓度分层条件下可燃气体爆炸火焰传播行为的实验系统。实现如下目的：（1）通过预混气供给系统，利用分压配气法于预混罐内配置内外层不同浓度的可燃气体，以此解决内外层气泡不同浓度气体的供给问题。
6.（2）通过双层气泡吹制系统，利用外层气泡吹制器生成外层大尺度气泡，再通过电动升降推杆抬升内层气泡吹制器，利用内层气泡吹制器生成内层小尺度气泡，气泡中心均位于点火中心，以此实现可燃气云的浓度分层特性。
7.（4）通过改变内外层环形锯齿片尺寸，以此改变内外层气泡尺度大小。
8.本发明采用的技术方案：一种用于观测开敞空间浓度分层条件下可燃气体爆炸火焰传播行为的实验系统，所述实验系统包括时序控制器，还包括预混气供给装置、点火装置和双层气泡吹制装置；
所述预混气供给装置包含外层气体预混罐、内层气体预混罐、第一压力表、第二压力表、第一针阀和第二针阀，外层气体预混罐的气体进口管道上设置第一压力表，内层气体预混罐的气体进口管道上设置第二压力表；所述点火装置包含点火电极、高压点火器和铁架台，两个点火电极的内端相对并保持适当间隙，外端分别固定在铁架台上，高压点火器电连接点火电极；所述双层气泡吹制装置包含外层气泡吹制器、内层气泡吹制器、电动升降推杆和支撑杆，外层气泡吹制器包含内锥形输气装置和第一环形锯齿片，第一环形锯齿片设在内锥形输气装置的顶部，内锥形输气装置通过两个支撑杆分别固定在铁架台上，第一输气管的一端通过第一针阀连接外层气体预混罐的气体出口，另一端插入内锥形输气装置内与连通锥形内腔的气体通道连接，内层气泡吹制器包含锥形输气装置、第二环形锯齿片和输气直管，锥形输气装置的顶部设置第二环形锯齿片，底部连接输气直管的上端，输气直管的下端以滑动的结构穿过内锥形输气装置与电动升降推杆连接，第二输气管的一端连通输气直管，另一端通过第二针阀、软管连接内层气体预混罐的气体出口；所述时序控制器电连接高压点火器。
9.所述第一环形锯齿片和第二环形锯齿片分别通过螺钉固定在内锥形输气装置和锥形输气装置的顶部，第一环形锯齿片和第二环形锯齿片的内侧设置锯齿。
10.所述一种用于观测开敞空间浓度分层条件下可燃气体爆炸火焰传播行为的实验方法，包含如下步骤：s1）基于分压配气法，通过第一压力表和第二压力表分别在外层气体预混罐和内层气体预混罐内配置不同浓度的可燃气体；s2）将气泡液膜敷于第二环形锯齿片的顶部，利用电动升降推杆降低内层气泡吹制器的高度，直至第二环形锯齿片低于第一环形锯齿片不少于5mm；s3）再将气泡液膜敷于第一环形锯齿片的顶部，缓慢开启第一针阀吹制外层气泡，直至外层气泡中心位于点火电极的点火中心；s4）利用电动升降推杆抬升内层气泡吹制器，缓慢开启第二针阀吹制内层气泡，直至内层气泡中心位于点火电极的点火中心；s5）通过时序控制器控制点火电极点火，点燃可燃气云，由高速摄影装置记录可燃气云爆炸火焰的传播过程。
11.本发明的有益效果：这种用于观测开敞空间浓度分层条件下可燃气体爆炸火焰传播行为的实验系统包括时序控制器、预混气供给装置、点火装置和双层气泡吹制装置。该实验系统通过预混气供给装置于预混罐内配置不同浓度的可燃气体用以吹制内外层气泡，通过双层气泡吹制装置生成内外层不同尺度、不同气体浓度的气泡，通过不同尺寸的环形锯齿片改变内外层气泡尺度，从而实现观测开敞空间浓度分层条件下可燃气体爆炸火焰传播行为，可以用于研究不同种类可燃气体在多种浓度分层条件下的爆炸火焰传播行为。这种实验系统属于小尺度开敞空间气体爆炸装置，可燃气体总量少，可在保证实验安全的同时，借助高速摄影和纹影系统拍摄火焰形态。
附图说明
12.图1是一种用于观测开敞空间浓度分层条件下可燃气体爆炸火焰传播行为的实验
系统的结构示意图。
13.图2是图1中双层气泡吹制器的结构示意图。
14.图中：1、外层气体预混罐；2、内层气体预混罐；3、第一压力表；4、第二压力表；5、第一针阀；6、第二针阀；7、软管；8、点火电极；9、高压点火器；10、铁架台；11、外层气泡吹制器；12、内层气泡吹制器；13、电动升降推杆；14、支撑杆；15、内锥形输气装置；15a、气体通道；16、第一环形锯齿片；17、第一输气管； 18、锥形输气装置；19、第二环形锯齿片；20、输气直管，21、第二输气管。
具体实施方式
15.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，使得本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
16.图1示出了一种用于观测开敞空间浓度分层条件下可燃气体爆炸火焰传播行为的实验系统的结构示意图。图中，这种用于观测开敞空间浓度分层条件下可燃气体爆炸火焰传播行为的实验系统包括时序控制器、预混气供给装置、点火装置和双层气泡吹制装置。
17.所述双层气泡吹制装置包含外层气泡吹制器（11）、内层气泡吹制器（12）、电动升降推杆（13）和支撑杆（14），外层气泡吹制器（11）包含内锥形输气装置（15）和第一环形锯齿片（16），第一环形锯齿片（16）设在内锥形输气装置（15）的顶部，内锥形输气装置（15）通过两个支撑杆（14）分别固定在铁架台（10）上，第一输气管（17）的一端通过第一针阀（5）连接外层气体预混罐（1）的气体出口，另一端插入内锥形输气装置（15）内与连通锥形内腔的气体通道（15a）连接，内层气泡吹制器（12）包含锥形输气装置（18）、第二环形锯齿片（19）和输气直管（20），锥形输气装置（18）的顶部设置第二环形锯齿片（19），底部连接输气直管（20）的上端，输气直管（20）的下端以滑动的结构穿过内锥形输气装置（15）与电动升降推杆（13）连接，第二输气管（21）的一端连通输气直管（20），另一端通过第二针阀（6）、软管（7）连接内层气体预混罐（2）的气体出口；所述时序控制器电连接高压点火器（9）。
18.预混气供给装置包含外层气体预混罐1、内层气体预混罐2、第一压力表3、第二压力表4、第一针阀5和第二针阀6，外层气体预混罐1的气体进口管道上设置第一压力表3，内层气体预混罐2的气体进口管道上设置第二压力表4。
19.点火装置包含点火电极8、高压点火器9和铁架台10，两个点火电极8的一端相对，另一端分别固定在铁架台10上，高压点火器9电连接点火电极8。
20.双层气泡吹制装置包含外层气泡吹制器11、内层气泡吹制器12、电动升降推杆13和支撑杆14，外层气泡吹制器11包含内锥形输气装置15和第一环形锯齿片16，第一环形锯齿片16设在内锥形输气装置15的顶部，内锥形输气装置15通过两个支撑杆14分别固定在铁架台10上，第一输气管17的一端通过第一针阀5连接外层气体预混罐1的气体出口，另一端插入内锥形输气装置（15）内与连通锥形内腔的气体通道（15a）连接，内层气泡吹制器12包含锥形输气装置18、第二环形锯齿片19和输气直管20，锥形输气装置18的顶部设置第二环形锯齿片19，底部连接输气直管20的上端，输气直管20的下端以滑动的结构穿过内锥形输气装置15与电动升降推杆13连接，第二输气管21的一端连通输气直管20，另一端通过第二
针阀6、软管7连接内层气体预混罐2的气体出口；时序控制器电连接高压点火器9。
21.第一环形锯齿片16和第二环形锯齿片19分别通过螺钉固定在内锥形输气装置15和锥形输气装置18的顶部，第一环形锯齿片16和第二环形锯齿片19的内侧设置锯齿。
22.这种用于观测开敞空间浓度分层条件下可燃气体爆炸火焰传播行为的实验系统的实验方法，包含如下步骤：s1）基于分压配气法，通过第一压力表3和第二压力表4分别在外层气体预混罐1和内层气体预混罐2内配置不同浓度的可燃气体。
23.s2）将气泡液膜敷于第二环形锯齿片19的顶部，利用电动升降推杆13降低内层气泡吹制器12的高度，直至第二环形锯齿片19低于第一环形锯齿片16不少于5mm。
24.s3）再将气泡液膜敷于第一环形锯齿片16的顶部，缓慢开启第一针阀5吹制外层气泡，直至外层气泡中心位于点火电极8的点火中心。
25.s4）利用电动升降推杆13抬升内层气泡吹制器12，缓慢开启第二针阀6吹制内层气泡，直至内层气泡中心位于点火电极8的点火中心。
26.s5）通过时序控制器控制点火电极8点火，点燃可燃气云，由高速摄影装置记录可燃气云爆炸火焰的传播过程。
27.本发明的预混气供给装置包含外层气体预混罐1和内层气体预混罐2，外层气体预混罐1和内层气体预混罐2为容积1l的不锈钢气体储罐，上游出口分别与第一压力表3和第二压力表4连接，下游通过第一针阀5和第二针阀6与双层气泡吹制系统连接。利用分压配气法，在内外层气体预混罐内分别配置不同浓度的可燃气体，用以吹制不同气体浓度的内外层气泡。两个点火电极8的一端相对，另一端分别固定在铁架台10上，高压点火器9电连接点火电极8，用以点燃可燃气体。
28.内锥形输气装置15通过两个支撑杆14固定在铁架台10上。内层气泡吹制器12通过输气直管20以滑动结构贯穿内锥形输气装置15，下端与电动升降推杆13连接，并可通过电动升降推杆13上下滑动。输气直管20与内锥形输气装置15接触的部分涂抹机油，保证连接处气密性良好。第一环形锯齿片16和第二环形锯齿片19分别通过螺钉固定在内锥形输气装置15和锥形输气装置18的顶部，第一环形锯齿片16和第二环形锯齿片19的环内侧设置锯齿，内环锯齿结构用于增大气泡吹制稳定性，其尺寸可更换以此改变内外层气泡尺度。内锥形输气装置15和锥形输气装置18的内部锥形结构可减小气泡吹制前装置内空气体积，以保证预混气浓度恒定。第一输气管17通过气体通道15a连接于内锥形输气装置15侧部，上游与第二针阀5连接，用于吹制外层气泡；输气直管20下游与锥形输气装置18连接，上游通过第二输气管21与第二针阀6连接，用于吹制内层气泡。
29.这种用于观测开敞空间浓度分层条件下可燃气体爆炸火焰传播行为的实验系统的工作过程：基于分压配气法，通过第一压力表3于外层气体预混罐1内配置一定浓度的外层气体预混气，通过第二压力表4于外层气体预混罐2内配置一定浓度的内层气体预混气。缓慢开启第一针阀5，外层气体预混气从外层气泡预混罐1输出至外层气泡吹制器11，生成外层气泡，直至气泡中心位于点火中心；通过电动升降推杆13抬升内部气泡吹制器12，缓慢开启第二针阀6，内层气体预混气从内层气泡预混罐2输出至内层气泡吹制器12，生成内层气泡，直至气泡中心位于点火中心。双层气泡既满足同心要求，又可实现浓度分层。点火电极8通过高压点火器9于尖端放电，点火与触发开启和关闭时间由时序控制器控制。
30.本发明的实验系统属于小尺度开敞空间气体爆炸装置，可燃气体总量少，可在保证实验安全的同时，借助高速摄影和纹影系统拍摄火焰形态。本发明可以用于研究不同种类可燃气体在多种浓度分层条件下的爆炸火焰传播行为，包括工业制氢过程中所产生的氢气以及煤、石油、化肥、合成纤维等化工生产活动中产生的天然气、丙烷、乙烯等可燃气体。本发明实现了利用气泡在开敞空间形成浓度分层的可燃气云，提供了深入研究浓度梯度影响下的气体爆炸火焰传播行为的实验平台。
31.以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。