预混可燃气体爆炸火焰传播速度研究装置和方法

摘要

本发明公开了一种预混可燃气体爆炸火焰传播速度研究装置和方法，包括预混可燃气体爆炸管道、爆速仪、可燃气体钢瓶和点火系统；预混可燃气体爆炸管道为密闭不透光管道，其一端装有压力表；点火系统包括点火电极，点火电极装于预混可燃气体爆炸管道的一端；爆速仪包括多个光纤传感器，每个光纤传感器分别通过固定调节器装于预混可燃气体爆炸管道的一侧；预混可燃气体爆炸管道的侧壁连接有出气阀门、进气阀门、循环泵和可燃气体钢瓶。可以对预混可燃气体爆炸开展火焰传播速度测量研究，拟合出预混可燃气体爆炸火焰传播速度与管道长度的关系，为解释预混可燃气体爆炸特性、寻求抑制气体爆炸新技术有重要意义。

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种气体爆炸特性研究技术和装置，尤其涉及一种预混可燃气体爆炸火焰传播速度研究装置和方法，可以在难以实际测定情况下，对预混可燃气体爆炸火焰传播速度进行数值模拟计算。

背景技术

随着现代工业的发展，生产工艺越来越复杂，生产集约化水平也越来越高，工业爆炸的危险也随之增高，气体爆炸发生的频率很高，造成的损失也最大。可燃气体爆炸速度、压力和温度是可燃气体爆炸的三个重要特征，加强可燃气体爆炸基础数据的研究，对研究可燃气体爆炸反应和防治技术有重要意义。

可燃气体爆炸燃烧分为爆炸和爆轰阶段，火焰传播速度从数米/每秒到数千米/每秒不等。火焰传播速度取决于火焰阵面前方扰动气体的运动速度，火焰前方扰动气流的速度超过或接近音速时，会产生巨大的冲击波，可燃气体爆炸燃烧从爆炸转向爆轰阶段，爆炸到爆轰是一个量变到质变的过程。可燃气体爆炸火焰传播速度是火焰相对于前方已扰动气体的运动速度，它与反应物质有关，是反应物质的特征量，不同反应物质爆炸燃烧速度也不同。

国内外众多学者用不同仪器测量不同物质的爆炸燃烧火焰速度，如爆速仪、高速摄像仪等等。

爆速仪多用测量炸药爆轰的速度，杨学山等用一种爆速仪测得雷管的爆轰速度为3000m/s左右。郭亚飞等人用高精度多段智能爆速仪测量了雷管爆轰的速度为7000m/s左右；

学者多用高速摄像仪测量预混可燃气体爆炸火焰速度，高建村等人在1m的圆形管道用高速摄像得出了苯的火焰传播特性，苯蒸气的浓度在3.2％时，火焰的平均速度为4.63m/s。杜增晖等用高速摄像测量了260mm*260mm*315mm的方形管道的甲烷-空气燃爆速度为1.103m/s。魏旭星等用高速纹影摄像法测量了直径130mm、长310mm的圆形管道甲烷的爆炸火焰速度为1.162m/s。卢矍然等用高速纹影摄像法测量了直径140mm长度180mm的圆形管道甲烷的平均速度为1.25m/s。高全研究甲烷-空气预混气体前期最大自加速为1.36m/s。实验研究大多是定容爆炸，影响可燃气体爆炸燃烧速度有诸多因素，如实验管道的长度、宽度、直径比和管道内的构造等等，预混可燃气体爆炸燃烧实验研究达到燃烧的爆炸阶段，火焰传播速度远远达不到爆轰的速度。

火焰传播速度是可燃气体爆炸特征的重要参数，火焰传播速度快慢直接反应了燃爆反应的特征。目前还没有一种预混可燃气体爆炸传播速度的测量装置和方法，在难以实际测定情况下，对不同长度管道内预混可燃气体爆炸火焰传播速度进行数值模拟计算和预测。

发明内容

本发明的目的是提供一种预混可燃气体爆炸火焰传播速度研究装置和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的预混可燃气体爆炸火焰传播速度研究装置，包括预混可燃气体爆炸管道、爆速仪、可燃气体钢瓶和点火系统；

所述预混可燃气体爆炸管道为密闭不透光管道，其一端装有压力表；

所述点火系统包括点火电极，所述点火电极装于所述预混可燃气体爆炸管道的一端；

所述爆速仪包括多个光纤传感器，每个光纤传感器分别通过固定调节器装于所述预混可燃气体爆炸管道的一侧；

所述预混可燃气体爆炸管道的侧壁的一端连接有出气阀门，另一端连接有进气阀门，出气阀门与进气阀门之间通过管道连接，并在连接管道上设有循环泵，所述可燃气体钢瓶与所述循环泵与进气阀门之间的管道连接。

上述的预混可燃气体爆炸火焰传播速度研究装置进行预混可燃气体爆炸火焰传播速度研究的方法，包括步骤：

A、安装光纤传感器，将光纤传感器安装到固定调节器上，使其成为一体，在实验管道上打孔，将光纤传感器和固定调节器安装到实验管道上，光纤传感器与实验管道齐平或超出实验管道少许部分，伸进实验管道的部分光纤传感器做耐高温处理，不局限于材料和方法，固定调节器起到固定光纤传感器、调节光纤传感器高度和保证实验管道的气密性良好的作用，安装三个光纤传感器和固定调节器到实验管道上，每个光纤传感器的距离是300mm；

B、关闭进气阀，打开出气阀，开启循环泵，抽出管道内空气，用压力表对实验装置进行测试，确保管道负压下具有良好的气密性；

C、确保实验装置气密性良好，用循环泵使管道内形成负压，关闭出气阀，打开进气阀，向管道内准确注入计算量体积的可燃气体，并向管道内补入空气使之形成常压；

D、打开出气阀，进气阀和出气阀均连接循环泵，循环管道内气体，依次关闭出气阀、进气阀和循环泵，静置；

E、将光纤传感器连接好爆速仪，设置爆速仪测量参数，将爆速仪设置成测量状态；

F、接好点火电极，点火系统设置点火能，待静置完成，点火；

G、待爆炸结束后，打开出气阀，尾气进行无害化处理，收集爆炸后可燃气体爆炸燃烧火焰传播速度数据；

H、把数据导入数据处理软件不限于Matlab，拟合爆炸火焰传播速度与管道长度的关系式。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的预混可燃气体爆炸火焰传播速度研究装置和方法，可以对预混可燃气体爆炸开展火焰传播速度测量研究，拟合出(不局限于方法)预混可燃气体爆炸火焰传播速度与管道长度的关系，为解释预混可燃气体爆炸特性、寻求抑制气体爆炸新技术有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的预混可燃气体爆炸火焰传播速度研究装置的原理示意图；

图2为本发明实施例Matlab Curve Fitting Tool操作界面；

图3为本发明实施例9.5％甲烷-空气预混可燃气体爆炸火焰传播速度与管道长度的关系曲线；

图4为本发明实施例5％丙烷-空气预混可燃气体爆炸火焰传播速度与管道长度的关系曲线。

图中：

1-实验管道(预混可燃气体爆炸管道)、2-爆速仪、3-光纤传感器、4-固定调节器、5-压力表、6-点火电极、7-点火系统、8-出气阀门、9-循环泵、10-进气阀门、11-可燃气体钢瓶。

具体实施方式

下面将对本发明实施作进一步详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的预混可燃气体爆炸火焰传播速度研究装置，其较佳的具体实施方式是：

包括预混可燃气体爆炸管道、爆速仪、可燃气体钢瓶和点火系统；

所述预混可燃气体爆炸管道为密闭不透光管道，其一端装有压力表；

所述点火系统包括点火电极，所述点火电极装于所述预混可燃气体爆炸管道的一端；

所述爆速仪包括多个光纤传感器，每个光纤传感器分别通过固定调节器装于所述预混可燃气体爆炸管道的一侧；

所述预混可燃气体爆炸管道的侧壁的一端连接有出气阀门，另一端连接有进气阀门，出气阀门与进气阀门之间通过管道连接，并在连接管道上设有循环泵，所述可燃气体钢瓶与所述循环泵与进气阀门之间的管道连接。

所述点火系统为高能点火系统。

所述爆速仪为多段式高精度爆速仪，优选包括8个光纤传感器，8个光纤传感器沿所述预混可燃气体爆炸管道的轴向均布。

所述光纤传感器为全反射感光元件，伸进所述预混可燃气体爆炸管道部分的光纤传感器为耐高温部件。

所述固定调节器为固定和调节所述光纤传感器的高度的部件，其与所述预混可燃气体爆炸管道之间设有密封元件。

上述的预混可燃气体爆炸火焰传播速度研究装置进行预混可燃气体爆炸火焰传播速度研究的方法，包括步骤：

A、安装光纤传感器，将光纤传感器安装到固定调节器上，使其成为一体，在实验管道上打孔，将光纤传感器和固定调节器安装到实验管道上，光纤传感器与实验管道齐平或超出实验管道少许部分，伸进实验管道的部分光纤传感器做耐高温处理，不局限于材料和方法，固定调节器起到固定光纤传感器、调节光纤传感器高度和保证实验管道的气密性良好的作用，安装三个光纤传感器和固定调节器到实验管道上，每个光纤传感器的距离是300mm；

B、关闭进气阀，打开出气阀，开启循环泵，抽出管道内空气，用压力表对实验装置进行测试，确保管道负压下具有良好的气密性；

C、确保实验装置气密性良好，用循环泵使管道内形成负压，关闭出气阀，打开进气阀，向管道内准确注入计算量体积的可燃气体，并向管道内补入空气使之形成常压；

D、打开出气阀，进气阀和出气阀均连接循环泵，循环管道内气体，依次关闭出气阀、进气阀和循环泵，静置；

E、将光纤传感器连接好爆速仪，设置爆速仪测量参数，将爆速仪设置成测量状态；

F、接好点火电极，点火系统设置点火能，待静置完成，点火；

G、待爆炸结束后，打开出气阀，尾气进行无害化处理，收集爆炸后可燃气体爆炸燃烧火焰传播速度数据；

H、把数据导入数据处理软件不限于Matlab，拟合爆炸火焰传播速度与管道长度的关系式。

进行以下任一种实验，及其数据分析：

5-15％V/V甲烷-空气预混气体爆炸火焰传播速度研究；

2.1-9.5％V/V丙烷-空气预混气体爆炸火焰传播速度研究；

任一种在爆炸极限范围内的可燃气体爆炸火焰传播速度研究；

不同强度磁场下在爆炸极限范围内的可燃气体爆炸火焰传播速度研究；

填充不同阻隔防爆材料的可燃气体爆炸火焰传播速度研究；

不同强度磁场下填充不同阻隔防爆材料的可燃气体爆炸火焰传播速度研究。

利用实验加数值模拟，拟合不同条件不同浓度不同种类预混可燃气体爆炸火焰传播速度与管道长度的关系式，根据关系式预测在难以实际测定情况下，对预混可燃气体爆炸火焰传播速度进行数值模拟计算。

预混可燃气体爆炸火焰传播速度与管道长度的关系式如下：

v＝a*l

其中v代表爆炸火焰传播速度，单位是m/s，I代表管道长度，单位是m，a、b、c是系数；

系数a、b、c通过下式进行所述关系式的拟合：

R

不同浓度不同气体拟合出来的爆炸火焰传播速度和管道长度的关系式的系数a、b、c是不同的，取决于可燃气体所含的能量大小，能量大的可燃气体拟合出来的关系式的系数a就越大，爆炸火焰传播速度随着管道长度越长，产生的击波更大，爆炸火焰传播速度增加越快，爆炸火焰传播速度v与管道长度l是幂函数方程关系，管道长度l是自变量，爆炸火焰传播速度v是幂也就是因变量，b是自变量管道长度l的指数，c是修正方程后为了减小误差的补充数，让调整R

对于9.5％甲烷-空气预混可燃气体在圆形管道内爆炸火焰速度传播的研究，v＝8.106*l

对于5％丙烷-空气预混可燃气体在圆形管道内爆炸火焰速度传播的研究，v＝17.45*l

本发明为预混可燃气体爆炸速度研究装置和方法，可以在可燃气体爆炸实验管道中对不同浓度不同预混可燃气体和其他不同条件下，测量不同浓度不同预混可燃气体在不同长度的管道爆炸火焰传播速度，利用数据处理软件不限于Mathlab工具软件拟合爆炸火焰传播速度和管道长度关系式，根据这个关系式可以得到不同管道长度对应的预混可燃气体爆炸火焰传播速度，可以对火焰特征进行更好的研究。

具体实施例：

一、实验准备与步骤：

实验系统主要有预混可燃气体爆炸实验管道、爆速仪、固定调节器和点火系统组成，本实施例以下面为例，但不仅限于此装置和设备。

1、预混可燃气体爆炸实验管道为不限于自行设计加工的密闭不透光圆形管道。

2、爆速仪为高精度多段式爆速仪，可以连接8个光纤传感器但不仅限于此数量，测量多段爆炸火焰燃烧的速度。测量爆炸火焰速度的方法也不仅限于爆速仪。

3、固定调节器为固定光纤传感器和调节光纤传感器高度、保证试验管道气密性良好的元件，固定调节器做耐高温处理，不局限于材料和方法。

4、点火系统由高能点火系统和点火电极组成，点火能量1-1000mJ之间，点火能可控。

实验系统如图1所示。

1.2实验仪器和材料

根据化学反应当量摩尔比计算结果，配制甲烷-空气预混气体浓度为9.5％(V/V)、丙烷-空气预混气体浓度为5％(V/V)，乙烯-空气预混气体浓度为。

CH

C

二、利用Mathlab进行数值模拟

实验数据处理用到Matlab中Curve Fitting Tool，界面如图2，

在命令行窗口输入cftool调出工具界面，选择数据源，管道长度作为横轴变量，爆炸火焰速度作为竖轴变量，在命令窗口输入实验测得的数据，在列表中选择拟合方式，经过对比本实验选择Curve Fitting Tool中的Power函数类型最为接近，运行的结果如图3和图4，爆速仪是根据测量两个光纤传感器距离的时间差得出管道距离的平均爆炸火焰传播速度，采用10组数据的平均值，每组数据为5段距离对应的爆炸火焰传播速度的平均值，拟合出爆炸火焰传播速度与管道长度的关系式，用第6段数据做对比，每次实验数据不一样，拟合得出的关系式用的代码也不一样，会在具体实施例中表示。

三、实施例(以以下实验为例，不限于以下实验)

3.1 9.5％甲烷-空气爆炸火焰传播速度研究实施例

3.1.1 1m管道9.5％甲烷-空气爆炸火焰传播速度

在1m的管道内测量9.5％甲烷-空气爆炸火焰传播速度，测得3组数据，如表1所示：

表11m管道9.5％甲烷-空气爆炸火焰传播速度

由上表可知，在1m管道内9.5％甲烷-空气爆炸火焰传播第一段的平均速度为1.12075m/s，在0.75m处处爆炸火焰传播速度为5.23619m/s。

3.1.2 2m管道9.5％甲烷-空气爆炸火焰传播速度

在2m的管道内测量9.5％甲烷-空气爆炸火焰传播速度，测得10组数据做平均值，如表2所示：

表22m管道9.5％甲烷-空气爆炸火焰传播速度

由上表可知，在2m管道内9.5％甲烷-空气第一段距离的爆炸火焰传播速度为1.08576m/s，第2段距离爆炸火焰传播速度为5.32914m/s，第3段距离爆炸火焰传播速度为15.94572m/s，第4段距离爆炸火焰传播速度为44.81628m/s，第5段距离爆炸火焰传播速度为104.680985m/s。

采用5组数据运用Matlab拟合出了9.5％甲烷-空气预混可燃气体爆炸火焰传播速度与管道长度的关系式，代码如下：

function[fitresult,gof]＝createFit(PipeLength,FlamePropagatingVelocity)

％％Fit:'untitled fit 1'.

[xData,yData]＝prepareCurveData(PipeLength,FlamePropagatingVelocity)；

％Set up fittype and options.

ft＝fittype('power2')；

opts＝fitoptions('Method','NonlinearLeastSquares')；

opts.Display＝'Off'；

opts.StartPoint＝[14.0533494806809 3.165992480937473.57257035472464]；

％Fit model to data.

[fitresult,gof]＝fit(xData,yData,ft,opts)；

％Plot fit with data.

figure('Name','untitled fit 1')；

h＝plot(fitresult,xData,yData)；

legend(h,'FlamePropagatingVelocity vs.PipeLength','untitled fit 1','Location','NorthEast')；

％Label axes

xlabelPipeLength

ylabelFlamePropagatingVelocity

grid off

由Matlab可得，关系式如下：

v＝8.106*l

其中v代表爆炸火焰传播速度，单位是m/s，l代表管道长度，单位是m。

由Matlab可得，R-square＝0.9983

Adjust R-square＝0.9986

拟合优度为0.9983，接近于1，证明拟合度很好，调整R

3.1.3 3m管道9.5％甲烷-空气爆炸火焰传播速度

在3m的管道内测量9.5％甲烷-空气爆炸火焰传播速度，用实际测得最后一段距离的爆炸火焰传播速度数据与拟合的火焰传播速度做对比，来验证拟合的关系式是否正确，如表3：

表3实际测量的爆炸火焰传播速度与拟合的爆炸火焰传播速度对比

用第6段距离的爆炸火焰传播速度验证关系式的拟合度，拟合的爆炸火焰传播速度为189.24741m/s，实际测到的爆炸火焰传播速度为187.57924m/s，由于甲烷-空气预混可燃气体爆炸每一次的火焰传播速度不可能完全相同，根据公式得出的爆炸火焰传播速度与爆速仪实际测出的爆炸火焰传播速度误差很小，误差完全在可接受的范围内，证明拟合的预混可燃气体爆炸火焰传播速度与管道长度的关系式是正确的。

3.25％丙烷-空气爆炸火焰传播速度研究实施例

3.2.1 1m管道5％丙烷-空气爆炸火焰传播速度

测量1m管道5％丙烷-空气爆炸火焰传播速度，测得3组数据，如表4所示：

表4 1m管道5％丙烷-空气爆炸火焰传播速度

由上表所知，1m管道5％丙烷-空气预混可燃气体在0.45m处平均爆炸火焰传播速度为1.75797m/s，在0.75m处爆炸火焰传播速度为7.95462m/s。

3.2.2 2m管道5％丙烷-空气爆炸火焰传播速度

测量2m管道5％丙烷-空气爆炸火焰传播速度，测得10组数据做平均值，如表5所示：

表5 2m管道5％丙烷-空气爆炸火焰传播速度

由上表可知，在2m管道内5％丙烷-空气第一段爆炸火焰传播速度为1.76819m/s，第2段爆炸火焰传播速度为7.83572m/s，第3段爆炸火焰传播速度为27.43914m/s，第4段爆炸火焰传播速度为85.25016m/s，第5段平均爆炸火焰传播速度为185.92309m/s。

采用5段距离对应的爆炸火焰传播速度数据运用Matlab拟合5％丙烷-空气预混可燃气体爆炸火焰传播速度与管道长度的关系式，代码如下：

function[fitresult,gof]＝createFit(PipeLength,FlamePropagatingVelocity)

％％Fit:'untitled fit 1'.

[xData,yData]＝prepareCurveData(PipeLength,FlamePropagatingVelocity)；

％Set up fittype and options.

ft＝fittype('power2')；

opts＝fitoptions('Method','NonlinearLeastSquares')；

opts.Display＝'Off'；

opts.StartPoint＝[23.9494344566351 3.180559460912748.84502066822748]；

％Fit model to data.

[fitresult,gof]＝fit(xData,yData,ft,opts)；

％Plot fit with data.

figure('Name','untitled fit 1')；

h＝plot(fitresult,xData,yData)；

legend(h,'FlamePropagatingVelocity vs.PipeLength','untitled fit 1','Location','NorthEast')；

％Label axes

xlabelPipeLength

ylabelFlamePropagatingVelocity

grid off

由Matlab可得，关系式如下：

v＝17.45*l

其中v代表爆炸火焰传播速度，单位是m/s，l代表管道长度，单位是m。

由Matlab可得，R-square＝0.9999

Adjust R-square＝0.9999

拟合优度为0.9999，接近于1，证明拟合度很好，调整R

3.2.33m管道5％丙烷-空气爆炸火焰传播速度

在3m的管道内测量5％丙烷-空气爆炸火焰传播速度，用实际测得最后一段距离的爆炸火焰传播速度数据与拟合的火焰传播速度做对比，来验证拟合的关系式是否正确，如表6：

表65％丙烷-空气实际测量的爆炸火焰传播速度与拟合的爆炸火焰传播速度对比

用第6段距离的爆炸火焰传播速度验证关系式的拟合度，拟合的爆炸火焰传播速度为324.91827m/s，实际测到的爆炸火焰传播速度为329.32738m/s，由于丙烷-空气预混可燃气体爆炸每一次的火焰传播速度不可能完全相同，根据公式得出的爆炸火焰传播速度与爆速仪实际测出的爆炸火焰传播速度误差很小，误差完全在可接受的范围内，证明拟合的5％丙烷-空气预混可燃气体爆炸火焰传播速度与管道长度的关系式同样是正确的，也证明此方法同样适用不同浓度的丙烷-空气预混可燃气体爆炸火焰速度研究。

由于实验条件的限制，实验管道不可能无限长，本发明提出的预混可燃气体爆炸火焰传播速度研究技术利用实验加数值模拟可以得到不同浓度不同预混可燃气体的爆炸火焰传播速度与管道长度的关系，也可以预测不同浓度不同预混可燃气体在更长管道的爆炸火焰速度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。