预混可燃气体湍流与燃爆过程特征参数测试装置及方法与流程

1.本发明涉及可燃气体爆炸防护领域，特别涉及用于测试预混可燃气体在一定温度、压力条件下的湍流状态与燃爆过程的特性参数、火焰形态、流场结构等的装置及方法。


背景技术：

2.氢气、甲烷等可燃气体的安全贯穿于其生产、存储、运输和使用等各个环节，可燃气体普遍具有分子量低、点火能量小、爆炸极限范围宽等特点，很容易泄漏引发火灾爆炸事故。特别是在工艺装置的高温、高压条件下，可燃气体容易发生燃烧、爆炸，给操作人员、设备产生严重威胁，因此，有必要充分了解可燃气体发生燃爆的诱发条件和后果参数，为认识可燃气体燃爆机理和开发安全防护技术提供基础。
3.目前关于可燃气体爆炸极限、爆炸压力等燃爆特性参数的研究主要是采用标准的20l或1m3爆炸球、激波管等设备，考察点火条件、爆炸演变过程及其各种影响因素。cn 108627608 a公开了一种流动状态下可燃气体着火敏感性管式测试装置及测试方法，能够测试流动气体的最小点火能和着火敏感性。cn205643223u公开了一种受限空间气体燃爆扰流测试装置，能够测试多种情况下受限空间内气体燃爆扰流情况。然而，当前可燃气体燃爆特性试验装置和测试方法存在以下问题：(1)实验装置一般只能测试静止的可燃气体在不同初始条件下的燃爆参数，而对火焰结构、射流流场等燃爆过程的精细结构不能有效捕捉，无法准确反映气体流动与燃烧之间的相互作用机理；(2)实验装置只能针对常温、常压下可燃气体在空气中的燃爆行为开展测试，不能研究不同温度、压力下可燃气体的燃爆规律；(3)目前实验测试主要针对间歇性气体射流或静止的气体，这与实际中连续流动且处于湍流状态的状况有很大区别。
4.针对当前可燃气体燃爆参数测试装置和方法仅针对静止气体，测试温度、压力范围有限(一般0～200℃，0～5mpa)，因此，亟需一种不同压力、温度下流动可燃气体燃爆过程特征参数实验测试装置及方法，同时能够精确捕捉湍流状态下可燃气体燃爆过程中火焰和流场结构，以实现揭示气体流动与火焰传播之间的相互作用关系，研究不同压力、温度、湍流状态下可燃气体的流场分布、浓度分布、火焰传播速度以及爆炸极限和爆炸压力等燃爆参数。
5.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种不同压力、温度下预混可燃气体的湍流状态与燃爆过程特征参数实验测试装置及方法，从而精确捕捉连续流动且处于湍流状态下可燃气体燃爆过程中火焰和流场结构。
7.为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种预混可燃气体湍流与燃爆过程特征参数测试装置，包括：流动燃烧管，其中空结构为预混可燃气体的流动和燃
烧提供空间，中空结构内设有产生湍流的障碍物，该流动燃烧管的管体进气侧插设点火电极，远离管体进气侧一端设开口；粒子影像测速单元，其用于测量湍流状态的预混可燃气体燃烧过程中的流场特征参数；激光诱导荧光成像单元，其用于同步测量湍流状态的预混可燃气体流动过程中的火焰特征参数。
8.进一步，上述技术方案中，还包括：气体混合器，其设于流动燃烧管的进气前端，用于将可燃气体与空气或氧气进行混合；进气喷嘴，其将来自气体混合器的混合气体喷入流动燃烧管。
9.进一步，上述技术方案中，还包括：压力传感器，其设置在流动燃烧管管体表面的测量孔中，用于检测流动燃烧管内湍流状态下可燃气体燃烧后的压力变化并将数据发送至控制单元；温度传感器，其设置在流动燃烧管管体表面的测量孔中，用于检测流动燃烧管内湍流状态下可燃气体燃烧后的温度变化并将数据发送至控制单元；火焰传感器，其设置在流动燃烧管管体表面的测量孔中，用于检测流动燃烧管内湍流状态下可燃气体燃烧后的光电数据并将数据发送至控制单元。
10.进一步，上述技术方案中，进气喷嘴前端可设置阻火器，用于防止可燃气体提前点火或火焰反串至上游管路。
11.进一步，上述技术方案中，流动燃烧管外侧可缠绕玻璃纤维电加热带，该电加热带被隔热棉包裹。
12.进一步，上述技术方案中，流动燃烧管的管体上可设有透明玻璃视窗。同步测量可具体为：将粒子影像测速单元和激光诱导荧光成像单元的探测平面聚焦到同一测量区域，同步调整两者的激光脉冲频率、摄像机快门宽度以及探测时间间隔参数，并透过透明玻璃视窗进行数据采集。
13.进一步，上述技术方案中，流场特征参数包括但不限于：速度场分布信息、漩涡结构信息、激波信息和/或剪切层信息。
14.进一步，上述技术方案中，火焰特征参数包括但不限于：火焰传播过程的火焰形态信息和/或火焰阵面结构信息。
15.进一步，上述技术方案中，进气管路位置处可设有氮气吹扫管路。
16.进一步，上述技术方案中，产生湍流的障碍物可以采用流动挡板，该流动挡板可以为方形或圆形。
17.根据本发明的第二方面，本发明提供了一种预混可燃气体湍流与燃爆过程特征参数测试方法，包括如下步骤：将来自不同进气管路的可燃气体与空气或氧气进行混合；将混合气体调节至测试工况设定的温度和压力，混合气体经进气喷嘴进入流动燃烧管并形成湍流；混合气体在点火电极的作用下燃烧并在流动燃烧管内传播；同步测量湍流状态下可燃气体燃烧后的流场特征参数和火焰特征参数并将数据发送至控制单元。
18.进一步，上述技术方案中，测试工况设定的温度范围可以为室温至500℃；压力范围可以为0.1至20mpa。
19.进一步，上述技术方案中，保持流动气体的雷诺数达到5000以上即可形成湍流。
20.进一步，上述技术方案中，通过调整流动燃烧管的入口气速、进气喷嘴直径和/或障碍物间距，可使流动气体的雷诺数达到5000以上。
21.进一步，上述技术方案中，同步测量具体为：将粒子影像测速单元和激光诱导荧光
成像单元的探测平面聚焦到同一测量区域，同步调整两者的激光脉冲频率、摄像机快门宽度以及探测时间间隔参数。
22.进一步，上述技术方案中，还包括：检测流动燃烧管内湍流状态下可燃气体燃烧后的压力变化数据、温度变化数据和/或光电数据，并将数据发送至控制单元。
23.进一步，上述技术方案中，在测试之前对测试装置的管路整体进行氮气吹扫，排除测试装置内的残留气体，并检测测试装置的气密性。
24.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
25.1、本发明的测试装置及方法可精确捕捉湍流状态下可燃气体燃爆过程中火焰和流场结构；
26.2、可实现气体湍流与燃爆过程的流场、浓度场、火焰形态等信息的可视化；
27.3、可测试不同压力、温度、湍流状态下可燃气体的流场分布、浓度分布、火焰传播速度以及爆炸极限和爆炸压力等燃爆参数；
28.4、气体流动燃烧管前端设置的阻火器可防止气体提前点火或火焰反串至上游管路；
29.5、在进气管路的气源处设置氮气吹扫管路，可在正式测试前有效清洗管路和设备；
30.6、在气体进入燃烧管前设置气体混合器，能够保证可燃气体与氧化性气体充分混合。
31.上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。
附图说明
32.图1是本发明预混可燃气体湍流状态与燃爆过程测试装置的连接示意图。
33.主要附图标记说明：
34.1-可燃气体进气管路；2-氮气吹扫管路；3-空气或氧气进气管路，4-气体混合器，5-电加热器；6-温度表；7-阻火器；8-压力调节阀；9-进气喷嘴；10-压力表；11-点火电极；12-温度传感器；13-压力传感器；14-火焰传感器；15-安全阀；16-截止阀；17-真空泵；18-数据采集与控制电脑；19-粒子影像测速单元；20-激光诱导荧光成像单元；21-加热带和保温层；22-气体流动燃烧管；23-流动挡板。
具体实施方式
35.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
36.除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。
37.在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理
解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在所述元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。
38.在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。
39.本发明可在不同压力、温度下测试可燃气体连续流动且处于湍流状态与燃爆过程特征参数，能够精确捕捉湍流状态下可燃气体燃爆过程中火焰和流场结构，研究不同压力、温度、湍流状态下可燃气体的流场分布、浓度分布、火焰传播速度以及爆炸极限和爆炸压力等燃爆参数。并能实现气体湍流状态与燃爆过程的流场、浓度场、火焰形态等信息的可视化。
40.如图1所示，本发明的测试装置包括气体混合器4、进气喷嘴9和气体流动燃烧管22，气体流动燃烧管22的中空结构为可燃气体的流动和燃烧提供空间，中空结构内设有用于产生湍流的流动挡板23，也可以采用其他结构形式的障碍物。通过调整流动燃烧管22的入口气速、进气喷嘴9的直径和/或流动挡板23之间的间距，使流动气体的雷诺数达到5000以上，即可形成湍流。流动燃烧管22的管体进气侧插设点火电极11。远离管体进气侧一端设开口(图中未示出)，管体的非封闭状态使得测试气体保持一种连续流动的状态，可更好地模拟实际工况。气体混合器4设于流动燃烧管22的进气前端，用于将可燃气体与空气或氧气进行混合(即可燃气体进气管路1与空气或氧气进气管路3分别连接至气体混合器4。进气管路连接气瓶或压缩机，图中未示出)。进气喷嘴9将来自气体混合器4的混合气体喷入流动燃烧管22。具体地，来自气瓶或压缩机的可燃气体与空气或氧气通过流量或压力控制进入气体混合器4，在其内完成混合后进入电加热器5升温至待测工况温度，温度范围为室温～500℃，压力范围为0.1至20mpa。一定温度的可燃气体通过压力调节阀8(起减压作用)和进气喷嘴9以一定的入口压力和速度进入气体流动燃烧管22。优选而非限制性地，在进气喷嘴9前端设置阻火器7，阻火器7可防止气体提前点火或火焰反串至上游管路。进气喷嘴9入口直径范围在5mm～100mm内可更换。在进入气体流动燃烧管22前记录并控制气体的压力和温度。
41.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，气体流动燃烧管22可加工为不同长度、不同管径的管道，长度范围1m～10m，管径范围10mm～500mm，用于考察不同长度、管径的管道内可燃气体湍流与燃爆过程。管体两侧利用同材质的法兰板、垫片和螺母进行密封，并在其中进气侧的法兰板上预留点火孔，方便插入点火电极11，点火电极11通过电脑控制，能够调节电压实现不同的点火能量。为了实现管内的湍流状态，流动挡板23均匀间隔布置在气体流动燃烧管22的中空结构内，流动挡板23可以采用方形或圆形的设计。进一步如图1所示，在气体流动燃烧管22的外侧缠绕一层玻璃纤维电加热带，并用隔热棉对加热带进行全面包裹，形成加热带和保温层21，以减少热量向周围空气中散发。
42.在气体流动燃烧管22的管体表面均匀设置若干测量孔，在测量孔内布置温度传感器12、压力传感器13、火焰传感器14等。在气体流动燃烧管22上通过法兰连接一段透明玻璃视窗管道，用于粒子影像测速单元19、激光诱导荧光成像单元20的测量。粒子影像测速单元
19用于采集湍流状态下的可燃气体燃烧后的速度场特征参数并将数据发送至控制单元，激光诱导荧光成像单元20用于采集湍流状态下的可燃气体燃烧后的火焰特征参数并将数据发送至控制单元。粒子影像测速单元19和激光诱导荧光成像单元20采用同步测量的方式，具体地，将粒子影像测速单元19和激光诱导荧光成像单元20的探测平面聚焦到同一测量区域，同步调整两者的激光脉冲频率、摄像机快门宽度、探测时间间隔等参数。通过同时聚焦到透明玻璃视窗内的测量区域，设置二者的激光发光频率相同，以同时记录气体流动过程的速度场分布、漩涡结构、激波和/或剪切层等流动信息，以及火焰传播过程的火焰形态和/或火焰阵面结构等信息。通过同步测量，可同步精确捕捉湍流状态下可燃气体燃爆过程中火焰和流场结构，以实现揭示气体流动与火焰传播之间的相互作用关系。
43.进一步如图1所示，温度传感器12、压力传感器13以及火焰传感器14，设置在气体流动燃烧管22管体表面的测量孔中，用于检测流动燃烧管22内可燃气体燃烧后的温度变化、压力变化以及光电数据，并将数据发送至控制单元，本发明的控制单元具体为数据采集与控制电脑18，控制单元也可采用单片机或可编程控制器等。管路上的温度、压力、光电等数据，以及前述湍流流场信息数据和火焰测量数据均可发送至数据采集与控制系统18，进行数据记录和控制。
44.优选而非限制性地，本发明的气体流动燃烧管22前端还设有温度表6和压力表10，可实时观察进气侧的温度和压力。在气体流动燃烧管22的管体上设有安全阀15，用于防止气体燃爆过程超压损坏设备。在可燃气体进气管路1的气源处设置氮气吹扫管路2，用于清洗管路和设备。气体流动燃烧管22的管体末端与截止阀16和真空泵17相连，用于排除本发明测试装置内的空气或残留气体。
45.需要说明的是，本发明的测试装置也可以不对可燃气体点火，直接模拟可燃气体泄漏扩散过程，研究气体在管道内以一定压力和流速射流时湍流状态或流场分布。
46.本发明通过在测试装置中设置电加热器5、压力调节阀8和进气喷嘴9等，可实现不同初温度、压力条件下可燃气体的湍流状态与燃爆特性测试，也可考察不同气体湍流状态下的燃爆特性。使用本发明的测试装置除能测量可燃气体燃爆过程的温度、压力等参数外，还能通过粒子影像测速单元19精确测量速度场分布，通过激光诱导荧光成像单元20捕捉火焰阵面微观结构等。
47.本发明的测试方法具体如下：
48.测试准备阶段，首先通过氮气吹扫管路2对整个测试装置进行吹扫，排出装置内的残留气体；然后打开截止阀14和真空泵15，关闭氮气吹扫管路2，排干装置内氮气；然后关闭截止阀16和真空泵17，通过压力表10判断装置的气密性。
49.测试阶段，根据需要的工况条件，首先通过气体混合器4将可燃气体与空气或氧气混合，然后将混合气体通过电加热器5加热至设定温度，混合气体经过阻火器7后经压力调节阀8控制压力，由进气喷嘴9喷入气体流动燃烧管22，进气侧管路内气体的温度和压力数据由温度表6、压力表10采集后发送至数据采集与控制电脑18。
50.气体流动燃烧管22内的温度可设置与电加热器5相同，也可设置为不同温度。可燃气体与空气或氧气的混合气体进入流动燃烧管22后，在流动挡板的作用下形成湍流，经点火电极11点火，气体发生燃烧并在管内传播，管体上均匀布置的温度传感器12、压力传感器113和火焰传感器14分别采集温度、压力和光电数据，粒子影像测速单元19记录湍流气体的
流场特征参数，包括但不限于速度场分布、流场结构等信息，激光诱导荧光成像单元20采集火焰形态、结构等信息，以上数据由各传感器以及各单元的数据采集卡传输到控制电脑18，可得到不同初始条件下湍流状态的可燃气体的爆炸极限、爆炸压力、燃烧温度、火焰传播速度、火焰结构与形态、速度场分布等数据信息。
51.可燃气体湍流状态与燃爆过程特征参数数据包括但不限于：可燃气体最大爆炸压力及压力上升速率、可燃气体燃烧温度、可燃气体速度场分布、可燃气体火焰传播速度以及火焰前锋阵面的微观结构。通过压力传感器实现对可燃气体最大爆炸压力及压力上升速率的采集；通过粒子影像测速单元测试气体在气体流动燃烧管管路内的速度场分布和火焰传播速度；通过激光诱导荧光成像单元观察并研究可燃气体燃爆过程的火焰前锋阵面的微观结构。管路内待测混合气体点燃的同时触发爆炸特性参数数据的采集。
52.另外，可燃气体进入气体流动燃烧管22后，也可不经点火，直接由粒子影像测速单元19记录气体的流场信息，从而实现对可燃气体湍流流动过程的实验模拟。
53.实验测试结束后，关闭可燃气体进气管路1和空气或氧气进气管路3，排空测试装置内气体后用氮气进行吹扫。
54.下面以具体的实施例进行说明如下：
55.实施例1
56.可燃气体使用氢气，待测气体为氢气和空气的混合物，初始温度设置为20℃，初始压力设置为0.5mpa，进气喷嘴入口直径为50mm，气体流动燃烧管的管道长度为2m，管径为200mm。首先用氮气对整个装置进行吹扫，然后关闭所有阀门，对装置抽真空，抽真空完毕后在1分钟内管路内压力变化≤1kpa时，认定系统气密性良好。
57.氢气进气管路设置入口流量为10l/min，空气流速为15l/min，设定电加热器温度为20℃，通过压力调节阀控制进气压力为0.5mpa，待管路内气体流动稳定后，开启点火电极，同时触发数据采集，通过气体流动燃烧管上的视窗观察气体燃烧状况，各传感器的数据采集卡自动记录管路内压力、压升速率、温度变化，燃烧稳定后触发粒子影像测速单元和激光诱导荧光成像单元，采集管路内气体流动过程的速度场分布数据，拍摄记录火焰燃烧的微观结构图片。实验记录完成后，关闭进气管路，用氮气对整个装置进行吹扫。
58.实施例2
59.可燃气体使用甲烷，待测气体为甲烷和空气的混合物，初始温度为100℃，初始压力为1.0mpa，进气喷嘴入口直径为5mm，气体流动燃烧管的管道长度为10m，管径为500mm。首先用氮气对整个装置进行吹扫，然后关闭所有阀门，对装置抽真空，抽真空完毕后在1分钟内管路内压力变化≤1kpa时，认定系统气密性良好。
60.甲烷进气管路设置入口流量为20l/min，空气流速为30l/min，设定电加热器温度为100℃，通过压力调节阀控制进气压力为1.0mpa，待管路内气体流动稳定后，开启点火电极，同时触发数据采集，通过气体流动燃烧管上的视窗观察气体燃烧状况，各传感器的数据采集卡自动记录管路内压力、压升速率、温度变化，燃烧稳定后触发粒子影像测速单元和激光诱导荧光成像单元，采集管路内气体流动过程的速度场分布数据，拍摄记录火焰燃烧的微观结构图片。实验记录完成后，关闭进气管路，用氮气对整个装置进行吹扫。
61.实施例3
62.可燃气体使用甲烷，待测气体为甲烷和氧气的混合物，初始温度为50℃，初始压力
为0.2mpa，进气喷嘴入口直径为20mm，气体流动燃烧管的管道长度为2m，管径为50mm。首先用氮气对整个装置进行吹扫，然后关闭所有阀门，对装置抽真空，抽真空完毕后在1分钟内管路内压力变化≤1kpa时，认定系统气密性良好。
63.甲烷进气管路设置入口流量为12l/min，氧气流速为15l/min，设定电加热器温度为50℃，通过压力调节阀控制进气压力为0.2mpa，待管路内气体流动稳定后，开启点火电极，同时触发数据采集，通过气体流动燃烧管管路上的视窗观察气体燃烧状况，各传感器的数据采集卡自动记录管路内压力、压升速率、温度变化，燃烧稳定后触发粒子影像测速单元和激光诱导荧光成像单元，采集管路内气体流动过程的速度场分布数据，拍摄记录火焰燃烧的微观结构图片。实验记录完成后，关闭进气管路，用氮气对整个装置进行吹扫。
64.实施例4
65.可燃气体使用氢气，待测气体为氢气和空气的混合物，初始温度为25℃，初始压力为2.0mpa，进气喷嘴入口直径为100mm，气体流动燃烧管的管道长度为1m，管径为500mm。首先用氮气对整个装置进行吹扫，然后关闭所有阀门，对装置抽真空，抽真空完毕后在1分钟内管路内压力变化≤1kpa时，认定系统气密性良好。
66.氢气进气管路设置入口流量为30l/min，空气流速为40l/min，设定电加热器温度为25℃，通过压力调节阀控制进气压力为2.0mpa，待管路内气体流动稳定后，开启点火电极，同时触发数据采集，通过气体流动燃烧管管路上的视窗观察气体燃烧状况，各传感器的数据采集卡自动记录管路内压力、压升速率、温度变化，燃烧稳定后触发粒子影像测速单元和激光诱导荧光成像单元，采集管路内气体流动过程的速度场分布数据，拍摄记录火焰燃烧的微观结构图片。实验记录完成后，关闭进气管路，用氮气对整个装置进行吹扫。
67.实施例5
68.可燃气体使用甲烷，待测气体为甲烷和空气的混合物，初始温度为25℃，初始压力为5.0mpa，进气喷嘴入口直径为50mm，气体流动燃烧管的管道长度为10m，管径为100mm。首先用氮气对整个装置进行吹扫，然后关闭所有阀门，对装置抽真空，抽真空完毕后在1分钟内管路内压力变化≤1kpa时，认定系统气密性良好。
69.甲烷进气管路设置入口流量为100l/min，空气流速为150l/min，设定电加热器温度为25℃，通过压力调节阀控制进气压力为5.0mpa，待管路内气体流动稳定后，不进行点火，直接触发粒子影像测速单元，采集管路内气体流动过程的速度场分布数据。实验记录完成后，关闭进气管路，用氮气对整个装置进行吹扫。
70.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。