一种直接观测纳米粒子对爆轰极限影响的管道系统的制作方法

本发明涉及爆轰试验技术领域，特别是指一种直接观测纳米粒子对爆轰极限影响的管道系统。

背景技术：

爆轰波的自持燃烧特性曾给许多可燃气体场所带来严重的安全防爆问题，研究爆轰的传播机理意义重大。边界条件对爆轰存在影响，在远离临界极限时爆轰波能够0.8vcj以上速度稳定传播，在趋近爆轰极限时，通常观察到突然的速度下降。爆轰在非光滑管中衰减的原因在于边界对横波有减弱作用，横波在爆轰自持传播中的影响不可忽略。实际中爆轰波具有一定厚度，其内部结构复杂，爆轰波的波阵面是扭曲的和不均匀的，分布着较弱的入射激波和较强的马赫杆。横波扫过爆轰波阵面，并与其他的横波碰撞。在这种碰撞过程中，三波点的运动可以在烟膜上留下鱼鳞状的图案，称为胞格。前人的研究结果表明胞格的尺寸是多维非稳态爆轰波的一个重要的特征参量，其可用于描述爆轰波传播特性。如上文所述，非光滑边界对横波有明显的削弱作用。与此同时，爆轰在传播过程中与边界碰撞，而此时爆轰波反射也会被减弱，可观测到明显的爆轰衰减现象。

纳米材料可与气体混合而形成气凝胶，其具有高空隙、低密度等特点，而在爆轰中加入气凝胶材料以高效的抑制爆轰成为研究人员关注的问题。与改变边界处条件不同，气凝胶材料的微小粒子可直接在爆轰反应中充当惰性粒子的角色，吸收化学反应热、减少分子有效碰撞，从而削弱爆轰传播。粒子的热力学参数不同，而在爆轰反应中吸热量也不同，密度与比热容大的粒子在一定程度上抑爆效果优于密度与比热容小的粒子。另外，粒子直径也是影响抑爆效果的重要参数之一。粒子直径与爆轰浓度极限有关，粒子直径减小，极限爆轰浓度也随之下降。此外，水汽浓度梯度诱导区长度在同一数量级时前导激波可能会与反应面解耦。与传统抑爆方式不同，纳米粒子可以在气体中形成气凝胶而直接深入爆轰波内部影响爆轰反应，这种抑爆方式比以往更为高效。而纳米粒子自身物理性质与浓度、直径、分布等对爆轰的衰减作用尚不明朗，而在纳米粒子的影响下现有的失效准则是否仍然适用，以及纳米粒子对于爆轰的抑制机理仍需要进一步分析。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种直接观测纳米粒子对爆轰极限影响的管道系统，课直接观测纳米粒子对爆轰极限的影响，记录不同预混气在不同纳米粒子影响下的爆轰行为。

该系统包括高压点火系统、高速摄像机、遮光片、凸透镜、凹面镜、数据盒、数显记录仪、传感器、观察窗、磁珠吹入装置、磁场发生系统、平行光源和爆轰管，爆轰管前端为预混气入口，预混气入口处设置高压点火系统，爆轰管上开口安装传感器，传感器通过数据盒连接数显记录仪，爆轰管侧面设观察窗，爆轰管两侧对称安设凹面镜，爆轰管上方设置凸透镜，凸透镜和高速摄像机之间设置遮光片，利用高速摄像机、遮光片、凸透镜、凹面镜和平行光源通过纹影法直接观测爆轰波结构；爆轰管下部设置磁珠吹入装置，磁珠吹入装置连接磁场发生系统，平行光源照射爆轰管。

其中，磁珠吹入装置中的磁珠为纳米磁珠，纳米磁珠由不同比热容材料制成，直径为1-1000nm，纳米磁珠不与实验预混气发生化学反应。

磁珠吹入装置设置在爆轰管的末端，磁珠吹入装置能够根据不同直径、质量的磁珠，控制磁珠吹入速度，保证迅速、均匀地“吹”入纳米磁珠，在管道中形成纳米粒子环境，避免因速度过大或过小而导致磁珠被管壁吸附。另外，因爆轰实验的高密封要求，所述磁珠吹入装置密封良好，且仅能够单方向允许磁珠通过，且磁珠吹入装置耐高温高压，可以多次经受爆轰波的高温高压。

磁场发生系统设置在爆轰管的末端，磁场发生系统能够控制不同位置的磁场强度和频率。磁场发生系统既可令纳米磁珠在爆轰管中静止、均匀分布，又可调节磁场频率，控制纳米磁珠匀速、匀加速或周期往复运动。磁场发生系统设有不同频道，可控制不同位置的磁场强度、频率等，实验中可根据需求令爆轰管中不同位置的纳米磁珠作不同方式的运动，以探究其对爆轰的影响效果。

在应用中，使用不同材料、直径纳米磁珠进行实验，在磁场发生装置中设定磁场频率与强度，控制不同位置纳米磁珠的运动状态。之后，进行爆轰实验，测量爆轰波瞬间压力、速度等参数，同时记录爆轰波结构，分析不同纳米磁珠对爆轰极限的影响效果。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，该系统用于爆轰实验中，可测量近极限条件下加入不同种类、浓度与分布情况的纳米粒子时的爆轰波传播速度、瞬间压力峰值并记录爆轰波结构。通过改变气体配比，结合气体稳定性，可得到贫燃料、化学计量比以及富燃料条件下的爆轰动力学参数以及爆轰结构。另外，该系统还可通过磁场发生系统设定不同位置的磁场频率以控制纳米磁珠的运动，比较不同运动状态的纳米粒子对爆轰的影响效果。本发明可直接观测纳米粒子对爆轰传播的影响，对于纳米材料的抑爆机理及失效准则建立具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的直接观测纳米粒子对爆轰极限影响的管道系统结构示意图。

其中：1—预混气入口；2—高压点火系统；3—高速摄像机；4—遮光片；5—凸透镜；6—凹面镜；7—数据盒；8—数显记录仪；9—传感器；10—观察窗；11—磁珠吹入装置；12—磁场发生系统；13—平行光源；14—爆轰管。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种直接观测纳米粒子对爆轰极限影响的管道系统。

如图1所示，该系统包括高压点火系统2、高速摄像机3、遮光片4、凸透镜5、凹面镜6、数据盒7、数显记录仪8、传感器9、观察窗10、磁珠吹入装置11、磁场发生系统12、平行光源13和爆轰管14，爆轰管14前端为预混气入口1，预混气入口1处设置高压点火系统2，爆轰管14上开口安装传感器9，传感器9通过数据盒7连接数显记录仪8，爆轰管14侧面设观察窗10，利用高速摄像机3、遮光片4、凸透镜5、凹面镜6和平行光源13可通过纹影法直接观测爆轰波结构。爆轰管14下部设置磁珠吹入装置11，并安装连接磁场发生系统12。

该系统可直接观测不同种类、浓度与分布情况的纳米粒子对爆轰极限的影响效果，并记录爆轰波传播速度、瞬间压力峰值与爆轰波结构。

磁珠吹入装置11中的磁珠为纳米磁珠，纳米磁珠由不同比热容材料制成，直径为1-1000nm，纳米磁珠不与实验预混气发生化学反应。

磁珠吹入装置11设置在爆轰管14的末端，实验中磁珠吹入装置11可根据磁珠类型设定吹入速度，可迅速、均匀地“吹”入纳米磁珠，在爆轰管14管道中形成纳米粒子环境，避免因速度过大或过小而导致磁珠被管壁吸附。磁珠吹入装置密封良好，仅能够单方向允许磁珠通过，而且可以多次经受爆轰波的高温高压。

磁场发生系统12设置在爆轰管14的末端，可根据设定产生不同强度的磁场，可使得纳米磁珠在爆轰管中静止、均匀分布。另外，磁场发生系统还可调节磁场频率，控制纳米磁珠匀速、匀加速或周期往复运动。磁场发生系统设有不同频道，可控制不同位置的磁场强度、频率等，实验中可根据需求令爆轰管中不同位置的纳米磁珠作不同方式的运动，以探究其对爆轰的影响效果。

在具体应用中，爆轰管左侧的预混气入口1充入预混气，经高压点火系统2直接引爆之后形成稳定爆轰。爆轰管14上开口，可安设传感器9记录爆轰波压力、速度等。同时开有透明观察窗10，使用高速摄像机3记录爆轰波结构。实验开始前先将爆轰管14中抽空，之后注入一定量预混气；接下来将预先选定的纳米磁珠迅速均匀地“吹”入管中；然后，调节磁场发生系统12，设置不同频道的电流频率以控制纳米磁珠分布状态；最后，点火，形成爆轰完成实验，记录爆轰波速度、压力峰值及结构。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。