一种湍流条件下的受限空间可燃气体燃爆同步测量装置

本发明涉及可燃气体实验测量，特别涉及一种湍流条件下的受限空间可燃气体燃爆同步测量装置。

背景技术：

1、在可燃气体的制、储、运、用等过程中，常常会在受限空间内发生泄漏，一旦泄露的可燃气得以引燃将会发生燃爆事故。为了评估燃爆事故的危害后果以及提供相应的预防方法，需要对可燃气体在受限空间内的燃爆特性进行实验测量。

2、现有的受限空间可燃气体燃爆特性测量装置一般为层流燃爆特性测量装置，主要包括定容燃烧弹腔体、进排气系统、高速纹影系统、压力采集系统以及温控系统等。燃烧弹腔体一般为球形密闭腔体，有时为了实现火焰可视化目的会在腔体两侧开设光学视窗。实验过程中，可燃气体和氧化剂先在球形腔体内进行预混，由中心的电极进行火花点火，再利用高速纹影系统拍摄火焰传播过程的瞬时图像，以及通过压力传感器采集密闭空间内的瞬时压力变化。执行完上述操作，可完成一次可燃气体燃爆过程的实验测量。

3、对于现有的可燃气体燃爆特性测量装置，可燃气体进入燃烧弹腔体后仅能进行静态预混，缺少湍流场营造设备。因此，现有的装置只能实现层流条件下的燃爆特性测量。而真实的燃爆事故中，由于火焰-流场的相互作用以及外界障碍物的扰动，最终均会发展成湍流燃爆过程，其燃爆威力比层流燃爆过程明显增强。所以，现有的层流燃爆测量结果与真实的湍流燃爆事故过程相差较远，测量结果的参考意义有限。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种湍流条件下的受限空间可燃气体燃爆同步测量装置，通过增加湍流场发生系统，结合高速纹影系统和瞬时压力采集系统，最终实现湍流条件下的燃爆特性同步测量，从而拓展可燃气体燃爆测量的工况范围，使得燃爆测量结果更具有实际意义。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种湍流条件下的受限空间可燃气体燃爆同步测量装置，包括定容燃烧弹腔体、湍流发生系统、高速纹影系统、瞬时压力采集系统、进排气系统和温控系统；所述定容燃烧弹腔体为球形，前后左右对称开设光学窗口，定容燃烧弹腔体内部中心安装一对点火电极，且内壁呈正四面体开设四个湍流发生系统的固定点，定容燃烧弹腔体上开设若干数量的螺纹孔；所述湍流发生系统安装在定容燃烧弹腔体内壁开设的四个固定点上；所述高速纹影系统布置于定容燃烧弹腔体左右对称开设的光学窗口形成水平线上；所述瞬时压力采集系统安装在定容燃烧弹腔体下方；所述进排气系统通过定容燃烧弹腔体上开设的螺纹孔与定容燃烧弹腔体连接；所述的温控系统通过导线与定容燃烧弹腔体内部连接。

4、进一步的，所述定容燃烧弹腔体为不锈钢材质。腔体内径为50cm，前后左右对称开设的光学窗口直径为25cm。

5、进一步的，所述湍流发生系统包括湍流风扇、驱动电机、机械连接轴和转速控制器；四个湍流发生系统中的湍流风扇大小形状相同，且呈正四面体布置在腔体内壁；湍流风扇与驱动电机之间通过机械连接轴进行密封刚性连接；驱动电机与转速控制器用导线相连接，驱动电机的转速范围为0～10,000转/秒。

6、进一步的，所述高速纹影系统包括点光源、凸透镜、纹影刀口、光学导轨和高速摄影仪；所述点光源、凸透镜、纹影刀口、光学导轨和高速摄影仪与定容燃烧弹腔体左右对称开设的光学窗口布置在同一水平线上，点光源布置于定容燃烧弹腔体光学窗口一侧，点光源与光学窗口间布置一个凸透镜，点光源对侧的光学窗口旁布置另一个凸透镜，凸透镜旁布置纹影刀口和高速摄影仪，点光源、凸透镜、纹影刀口和高速摄影仪通过光学导轨限制光线路径，点光源经第一个凸透镜后变为平行光穿过燃烧弹腔体的光学窗口，经第二个凸透镜之后汇聚于纹影刀口处，进而在高速摄影仪中进行成像；所述高速摄影仪的拍摄频率为0～20000次/秒。

7、进一步的，所示瞬时压力采集系统包括压力传感器、电荷放大器和ni数据采集卡；所述压力传感器为压电式，压力传感器布置于定容燃烧弹腔体底部，通过导线与电荷放大器和ni数据采集卡连接，压力传感器在燃爆气体的压力作用下会产生电信号，经电荷放大器放大后由ni采集卡进行采集，最后转变为压力数据显示输出；所述瞬时压力采集频率上限为100000hz。

8、进一步的，所述的点火电极通过导线连接点火高压包，所述的点火高压包、高速摄影仪和ni数据采集卡均采用相同的导线连接同步触发控制器。

9、进一步的，所述进排气系统包括进气管、排气管、静态压力表、真空泵和阀门组成；进气管、排气管和真空泵通过定容燃烧弹腔体上开设的螺纹孔与定容燃烧弹腔体连接，进气管与排气管上均安装控制气体流动的阀门，排气管端安装静态压力表。

10、进一步的，所述温控系统包括温度传感器、电磁继电器和pid数字显示表；所述温度传感器安装于定容燃烧弹腔体内部，温度传感器通过导线与电磁继电器和pid数字显示表连接。

11、进一步的，本装置的初始压力范围是0.05mpa～1mpa，瞬时燃爆压力上限为10mpa，初始温度范围是273k～473k。

12、本发明的有益效果：

13、本发明的优点在于，实现了湍流条件下受限空间可燃气体燃爆特性的同步测量。通过湍流发生系统可营造均匀各向同性的湍流场，湍流场的脉动速度、积分尺度等特性参数可通过风扇转速和风扇形状进行控制。通过同步控制触发器结合高速纹影系统和瞬时压力采集系统可同步测量火焰形态演化和瞬时压力积聚行为。相比于现有装置，本发明将燃爆特性实验测量范围由层流拓宽到湍流条件，且同步测量数据有助于研究火焰形态和压力积聚之间的协同演化过程，从而使得测量结果对真实燃爆事故的评估更具有实际指导意义。

技术特征：

1.一种湍流条件下的受限空间可燃气体燃爆同步测量装置，其特征在于，包括定容燃烧弹腔体、湍流发生系统、高速纹影系统、瞬时压力采集系统、进排气系统和温控系统；所述定容燃烧弹腔体为球形，前后左右对称开设光学窗口，定容燃烧弹腔体内部中心安装一对点火电极，且内壁呈正四面体开设四个湍流发生系统的固定点，定容燃烧弹腔体上开设若干数量的螺纹孔；所述湍流发生系统安装在定容燃烧弹腔体内壁开设的四个固定点上；所述高速纹影系统布置于定容燃烧弹腔体左右对称开设的光学窗口形成水平线上；所述瞬时压力采集系统安装在定容燃烧弹腔体下方；所述进排气系统通过定容燃烧弹腔体上开设的螺纹孔与定容燃烧弹腔体连接；所述的温控系统通过导线与定容燃烧弹腔体内部连接。

2.根据权利要求1所述的一种湍流条件下的受限空间可燃气体燃爆同步测量装置，其特征在于，所述定容燃烧弹腔体为不锈钢材质；腔体内径为50cm，前后左右对称开设的光学窗口直径为25cm。

3.根据权利要求1所述的一种湍流条件下的受限空间可燃气体燃爆同步测量装置，其特征在于，所述湍流发生系统包括湍流风扇、驱动电机、机械连接轴和转速控制器；四个湍流发生系统中的湍流风扇大小形状相同，且呈正四面体布置在腔体内壁；湍流风扇与驱动电机之间通过机械连接轴进行密封刚性连接；驱动电机与转速控制器用导线相连接，驱动电机的转速范围为0～10,000转/秒。

4.根据权利要求3所述的一种湍流条件下的受限空间可燃气体燃爆同步测量装置，其特征在于，所述高速纹影系统包括点光源、凸透镜、纹影刀口、光学导轨和高速摄影仪；所述点光源、凸透镜、纹影刀口、光学导轨和高速摄影仪与定容燃烧弹腔体左右对称开设的光学窗口布置在同一水平线上，点光源布置于定容燃烧弹腔体光学窗口一侧，点光源与光学窗口间布置一个凸透镜，点光源对侧的光学窗口旁布置另一个凸透镜，凸透镜旁布置纹影刀口和高速摄影仪，点光源、凸透镜、纹影刀口和高速摄影仪通过光学导轨限制光线路径，点光源经第一个凸透镜后变为平行光穿过燃烧弹腔体的光学窗口，经第二个凸透镜之后汇聚于纹影刀口处，进而在高速摄影仪中进行成像；所述高速摄影仪的拍摄频率为0～20000次/秒。

5.根据权利要求4所述的一种湍流条件下的受限空间可燃气体燃爆同步测量装置，其特征在于，所示瞬时压力采集系统包括压力传感器、电荷放大器和ni数据采集卡；所述压力传感器为压电式，压力传感器布置于定容燃烧弹腔体底部，通过导线与电荷放大器和ni数据采集卡连接，压力传感器在燃爆气体的压力作用下会产生电信号，经电荷放大器放大后由ni采集卡进行采集，最后转变为压力数据显示输出；所述瞬时压力采集频率上限为100000hz。

6.根据权利要求5所述的一种湍流条件下的受限空间可燃气体燃爆同步测量装置，其特征在于，所述的点火电极通过导线连接点火高压包，所述的点火高压包、高速摄影仪和ni数据采集卡均采用相同的导线连接同步触发控制器。

7.根据权利要求1所述的一种湍流条件下的受限空间可燃气体燃爆同步测量装置，其特征在于，所述进排气系统包括进气管、排气管、静态压力表、真空泵和阀门组成；进气管、排气管和真空泵通过定容燃烧弹腔体上开设的螺纹孔与定容燃烧弹腔体连接，进气管与排气管上均安装控制气体流动的阀门，排气管端安装静态压力表。

8.根据权利要求1所述的一种湍流条件下的受限空间可燃气体燃爆同步测量装置，其特征在于，所述温控系统包括温度传感器、电磁继电器和pid数字显示表；所述温度传感器安装于定容燃烧弹腔体内部，温度传感器通过导线与电磁继电器和pid数字显示表连接。

9.根据权利要求1所述的一种湍流条件下的受限空间可燃气体燃爆同步测量装置，其特征在于，本装置的初始压力范围是0.05mpa～1mpa，瞬时燃爆压力上限为10mpa，初始温度范围是273k～473k。

技术总结
一种湍流条件下的受限空间可燃气体燃爆同步测量装置，包括定容燃烧弹腔体、湍流发生系统、高速纹影系统、瞬时压力采集系统、进排气系统和温控系统；所述定容燃烧弹腔体为球形，前后左右对称开设光学窗口，定容燃烧弹腔体内部中心安装一对点火电极，所述湍流发生系统安装在定容燃烧弹腔体内壁开设的四个固定点上，且呈正四面体布置在腔体内壁；所述高速纹影系统布置于定容燃烧弹腔体左右对称开设的光学窗口形成水平线上；所述瞬时压力采集系统安装在定容燃烧弹腔体下方；所述进排气系统通过螺纹孔与定容燃烧弹腔体连接；所述的温控系统通过导线与定容燃烧弹腔体连接。本发明实现了湍流条件下受限空间可燃气体燃爆特性的同步测量。

技术研发人员：赵浩然,李刚,苑春苗
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15