一种半开敞空间气体爆炸的实验系统及方法与流程

本发明属于实验室气体爆炸特性研究技术领域，尤其涉及一种半开敞空间气体爆炸的实验系统及方法。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：

气体爆炸是工业生产安全和人民生活安全的重大威胁之一。作为原材料、中间体或产物，可燃气体普遍存在于石油化工、煤矿开采等各类工业生产过程中。由于人为因素或其他不可预知原因，可燃气体的生产、经营、贮存、运输和使用等全过程均有可能引发半受限空间爆炸事故，造成严重的财产损失和人员伤亡。同时，人民日常生活中，天然气、煤气等各类可燃气体也常由于使用或管理不当而引发民用建筑气体爆炸事故。因此，有效预防和控制此类灾害性事故是安全生产领域亟待解决的重大课题。气体爆炸属于非点源爆炸形式，半受限空间结构特征及各种环境条件对其爆炸过程存在显著影响，加剧灾害复杂性和事故防控的难度。目前国内外均开展了较多气体爆炸相关研究，实验研究是最常用且可靠的研究方法，真实的实验能够还原气体爆炸灾害的发生过程，提供可靠的灾害数据。

现有技术中，实验平台系统多是完全受限的空间，内部全部填充预混气体，开展气体爆炸实验，这就与实际爆炸情况十分不符。

因此，构建一种可实现半开敞空间部分填充可燃气体的实验平台，才能够较为真实地还原实际的爆炸场景，得到有价值的数据。因此，设计一种可实现半填充可燃气体半开敞空间爆炸的实验平台具有重要意义。

综上所述，现有技术存在的问题是：

现有技术中，实验平台系统多是完全受限的空间，内部全部填充预混气体，开展密闭空间气体爆炸实验，或者在实验管道上设置泄爆口，开展气体爆炸泄爆实验。而实际爆炸过程中，通常可燃气体预混区的某一边界或者多个边界为自由边界，并不是完全密闭的受限空间，这就需要在半开敞空间内开展气体爆炸实验，并能实现半开敞空间内一部分管道填充可燃气体，而另一部分管道空间未填充可燃气体。而目前的实验平台所实现的气体爆炸过程与实际爆炸情况十分不符。

解决上述技术问题的难度和意义：

构建一种可实现半开敞空间部分填充可燃气体的实验平台，既可以研究可燃气体在自由边界的扩散和移动情况，又可以研究可燃气体在不完全密闭空间内的爆炸过程及规律，这样才能够较为真实地还原实际的爆炸场景，得到有价值的数据。因此，设计一种可实现半填充可燃气体半开敞空间爆炸的实验平台具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种半开敞空间气体爆炸的实验系统及方法。

本发明是这样实现的，一种半开敞空间气体爆炸的实验系统设置有：

实验管道系统本体；

实验管道系统本体一端开口，一端封闭，在封闭端通过螺栓安装有点火器，气体管道最端部的封闭端点火管段通过传感器安装孔7固定有真空压力表；

实验管道系统本体中的实验管道之间通过连接法兰连接，连接法兰上贴附有无承压pe薄膜，相互贴附的连接法兰之间通过连接螺栓连接。

进一步，所述实验管道外壁上开有传感器安装孔，传感器安装孔安装有传感器，传感器通过电信号与数据采集仪连接，数据采集仪通过电信号与电脑连接，电脑通过电信号与高速摄像仪连接，高速摄像仪照射透明管段。

进一步，所述实验管道侧壁上通过螺栓安装有进气阀门，进气阀门通过导管与配气室连接，出气阀门通过导管与真空泵连接。

进一步，所述实验管道填充有填充预混气体，实验管道设置有透明管段。

进一步，所述实验管道设置有气体爆炸管道，气体爆炸管道两侧法兰盘通过螺纹杆连接。

进一步，所述连接法兰上开有螺纹孔。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明供的实验管道可以在封闭端与无承压薄膜之间填充不同浓度的可燃气体，测量不同情况下的气体爆炸发展传播规律，可实现管道内仅一部分空间填充预混可燃气体，并且可燃气体边界仅由一个无承压薄膜与外界隔开，不会影响气体爆炸冲击波的发展，避免了现有技术中通过承压膜片隔开预混气体区和空气区时对冲击波的传播产生较大影响的弊端；由于所述管道中设有一段透明管段，可以观测气体爆炸火焰的传播形态及过程；高速摄像仪可将透明管段中的火焰发展变化过程以录像的形式拍摄记录下来，拍摄速度可达到要求。气体爆炸冲击波和火焰波传播速度较快，本实验系统中，冲击波压力采集模块采用高频响的压力传感器，并能够以1mhz的采集速度进行压力数据记录。火焰温度采集模块采用高频响的热电偶，并能够以1khz的采集速度进行温度数据记录，完全可达到实验要求。实验系统中，所述的管道侧壁面沿轴向方向等间距设有压力传感器和热电偶的安装孔，可同时采集多个位置处的压力和温度数据。本发明半填充气体半开敞空间气体爆炸的实验系统，能够实现管道部分填充可燃气体，并在管道一端开口的情况下开展气体爆炸实验，不会造成气体不可控的扩散。

(1)本发明以一个不承压的pe薄膜来隔开可燃气体预混区和空气区，以实现空间内一部分填充可燃气体，一部分为填充可燃气体的情况，并且pe薄膜不具有承压功能，不会对气体爆炸过程中的冲击波产生阻碍。pe薄膜安装过程较为简单，成功率很高。

(2)本发明中气体爆炸管道系统可模拟一端封闭，一端开口的半开敞空间气体爆炸过程。而现有绝大多是的气体爆炸管道均为密闭管道，不能模拟半开敞空间气体爆炸。另外，此设计中可燃气体的填充管段数量可根据需要进行调节，即pe薄膜的位置可设置在不同的位置，可较全面的研究不同气体填充量和不同气体浓度条件下半开敞空间气体爆炸特性及灾害后果。

(3)管道系统中建立有透明管段，并在透明管段一侧与轴向的垂直方向上设置高速摄像仪，可以记录气体爆炸火焰在透明管段传播过程中的形态可发展过程，后期可运用图像处理技术对火焰图片进行后处理，可较全面的分析火焰在管道内的发展变化过程。并且，透明管段距离封闭端的距离也可以根据需要调整，可以满足观察不同位置火焰发展过程的需求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的半填充半开敞空间气体爆炸实验系统结构示意图。

图2是本发明实施例提供的气体爆炸管道结构示意图。

图3是本发明实施例提供的单段钢管管道的结构正视图。

图4是本发明实施例提供的单段钢管管道的结构左视图。

图5是本发明实施例提供的气体管道最端部的封闭端点火管段结构示意图。

图中：1、点火器；2、实验管道；3、连接法兰；4、填充预混气体；5、无承压pe薄膜；6、透明管段；7、传感器(压力传感器、火焰传感器、热电偶等传感器)安装孔；8、配气室；9、数据采集仪；10、电脑；11、高速摄像仪；12、真空泵；13、螺纹杆，14、连接螺栓，15、螺纹孔，16、真空压力表。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1-图5所示，本发明实施例提供的半填充半开敞空间气体爆炸实验系统包括：点火器1、实验管道2、连接法兰3、填充预混气体4、无承压pe薄膜5、透明管段6、传感器安装孔7、配气室8、数据采集仪9、电脑10、高速摄像仪11、真空泵12、螺纹杆13、连接螺栓14、螺纹孔15、真空压力表16。

实验管道系统本体一端开口，一端封闭，在封闭端通过螺栓安装有点火器1，气体管道最端部的封闭端点火管段通过传感器安装孔7固定有真空压力表16，实验管道2侧壁上通过螺栓安装有进气阀门，进气阀门通过导管与配气室8连接，出气阀门通过导管与真空泵12连接，实验管道2之间通过连接法兰3连接，连接法兰3上贴附有无承压pe薄膜5，相互贴附的连接法兰3之间通过连接螺栓14连接，连接法兰3上开有螺纹孔15，实验管道2填充有填充预混气体4，实验管道2设置有透明管段6，实验管道2外壁上开有传感器安装孔7，传感器安装孔7安装有传感器，传感器通过电信号与数据采集仪9连接，高速摄像仪11照射透明管段6，数据采集仪9和高速摄像仪11通过电信号与电脑10连接，实验管道2设置有气体爆炸管道，气体爆炸管道两侧法兰盘通过螺纹杆13连接。

作为本发明的优选实例，一套实验管道2内部可部分充填预混可燃气体，气体浓度可配制不同的比例，模拟实际的气体爆炸过程中的真实浓度。实验管道2中部可拆卸开，并且可安装无承压薄膜，用以隔开可燃气体预混区和空气区。

作为本发明的优选实例，实验管道2中有一段为透明管道，旁边设置有一个高速摄像机11，可将透明管道6内的火焰发展传播过程拍摄记录下来，供后期分析火焰锋面的形态及火焰的传播速度，并且可根据火焰颜色判断火焰温度分布。

作为本发明的优选实例，冲击波压力和火焰温度分别由安装在管道侧面的壁面上的高频响压力传感器和热电偶测量得到，传感器通过数据线与数据采集模块相连，数据采集模块再将测量得到的压力和温度数据保存在电脑10。

作为本发明的优选实例，气体爆炸管道，可以根据具体实验要求改变大小(改变内径和长度)，本发明中爆炸气体管道横截面为圆形，管道内径为100mm,长度为10.5m，管壁厚10mm，采用45号碳钢加工而成，分成1米一段，可通过法兰连接起来，透明管段长0.5m，内径与碳钢管段相同。透明管段的位置可以根据实验需要进行调换。

作为本发明的优选实例，无承压薄膜是实现管道内部分填充预混可燃气体的关键，所用材料为无承压能力的pe薄膜，安装在两端管道的连接法兰之间，可以达到密封预混可燃气体的作用，并且不会对气体爆炸过程中冲击波的传播产生阻碍作用。

作为本发明的优选实例，热电偶的长度可根据需要进行定制，可测量管道内不同径向深度处的火焰温度。

作为本发明的优选实例，本发明包括一个实验管道、一些测量装置及附属装置，实验管道有钢管段和透明管段组成。

作为本发明的优选实例，测量装置包括温度采集模块、压力采集模块、高速摄像机、热电偶、压力传感器、真空表等；附属装置包括真空泵、配气系统、无承压pe薄膜等。

本发明的工作原理：

实验实施过程中，管道的点火端封闭，另一端保持开口，可模拟半开敞空间气体爆炸。每段实验管道之间可通过法兰3连接。预混气体4长度可根据需要进行调整，可选择填充一段或多段实验管道，气体浓度根据需要进行配制。点火器1安装在封闭端，通过高压电容放电产生电火花进行点火。冲击波压力传感器和热电偶(或火焰传感器)可通过传感器安装孔7进行安装，当气体爆炸之后，冲击波超压和火焰温度通过传感器进行测量，并经过数据采集仪9进行数据采集。数据采集仪9通过数据线与电脑10连接，采集得到的数据经过数据线传输到电脑10进行记录和存储，以便进行后处理。管道中间安装有透明管段6，透明管道的位置可根据需要进行调换。火焰传过透明管段6时，火焰锋面形态被一侧的高速摄像仪11进行拍摄记录，高速摄像仪11的拍摄速度可根据需要进行调整，拍摄所得到的火焰锋面形态变化及传播过程的图片可供后续火焰温度及火焰速度的分析。所述无承压pe薄膜5的安装是实现管道内部分填充预混可燃气体的关键，所用材料为无承压能力的pe薄膜，pe薄膜可以紧贴在法兰上。配气时把准备填充可燃气体的管道2拆卸下来，在管道端口法兰上涂抹机油，把pe薄膜贴在端口法兰上，再在一片盲法兰上(与管道连接的一侧)涂抹机油，把另一片pe薄膜贴在此盲法兰上，然后将盲法兰安装到管道端口上，这样这段管道就形成了两头封闭的管道。然后可进行抽真空，通过配气室8进行配气。在抽真空的过程中，由于pe薄膜紧贴端口的盲法兰，二者之间几乎没有空气存在，因此在对管道抽真空的过程中，端口的薄膜不会被真空的“吸力”破坏。抽真空之后按照所需的气体浓度进行配气。配气完成后管道内部达到一个大气压，然后打开盲法兰，管道端口上的pe薄膜保留在管道上，把配好的气体封闭在管道内，避免气体向外扩散。然后将此段填充有预混气体的管道与其余管道连接在一起，这样就形成了只有一部分管道填充可燃气体的试验管道系统，并且预混区和空气区无压力阻隔，pe薄膜5的存在不会对爆炸冲击波产生阻挡作用。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。