探究浓度梯度下可燃气体燃爆特性实验装置及其操作方法

1.本技术涉及约束条件下可燃气体燃爆实验技术领域，尤其涉及一种探究浓度梯度下可燃气体燃爆特性实验装置及其操作方法。


背景技术：

2.目前针对可燃气体爆燃特性的实验研究主要是在可燃气体均匀混合的情况下进行，但在实际的生产生活中可燃气体泄漏时受气体密度、储罐压力及环境风速等因素的影响，可燃气体在扩散过程中的浓度分布往往是不均匀的，存在浓度梯度，随着时间的推移所泄漏的可燃气体浓度可能会达到爆炸极限，遇到高温、点火源等因素可能会引发爆炸事故，因此，研究浓度梯度下可燃气体爆燃时的各种参数特性对安全生产具有重要的现实与理论指导意义。
3.相关技术中进行浓度梯度条件下可燃气体爆燃实验的装置及其操作方法主要有以下两种：（1）可燃气体在密闭容器内自由扩散时，通过改变点火延迟时间使得可燃气体在密闭空间内形成浓度梯度。（2）通过聚乙烯薄膜将密闭容器分隔成若干个小的密闭空间，并分别向每个小密闭空间注入不同浓度的可燃气体，从而在密闭容器内实现浓度梯度。
4.上述实验装置及其操作方法虽然能够实现浓度梯度驱动下可燃气体爆燃的实验研究，但分别存在以下不足：1）只能定性分析浓度梯度对燃爆特性的影响，无法定量研究浓度梯度间隔对燃爆过程中超压、温度及火焰传播速度等特征参数的影响，难以探究其内在的定量关系规律。2）当聚乙烯薄膜未达到破膜压力时，薄膜的存在会使得可燃气体燃爆过程中所产生的压力在内部发生积聚，到达破膜压力后开始破膜泄压，此时，空间内的超压、温度及火焰传播速度等特征参数均会受破膜压力及破膜后所形成的湍流等因素的影响而呈现出不同程度的震荡，进而导致定量分析各种特征参数的过程中产生较大的误差。此外，薄膜的存在使得具有浓度梯度的相邻小密闭空间的边界处浓度不连续，与实际环境相比有一定的差异性。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术的目的在于提出一种探究浓度梯度下可燃气体燃爆特性实验装置及其操作方法。
6.基于上述目的，本技术第一方面提供了一种探究浓度梯度下可燃气体燃爆特性实验装置，包括：实验管道，所述实验管道包括燃爆管道和球形阀，其中多个所述燃爆管道沿第一方向依次布置，在多个所述燃爆管道之间固定连接球形阀，所述球形阀将多个所述燃爆管道划分为多个密闭空间，其中所述球形阀的内径与所述燃爆管道的内径相同。
7.可选的，多个所述燃爆管道的侧壁上均设有可燃气体进气阀以及空气进气阀；多个所述燃爆管道上均设有压力表，用于测量所述密闭空间内注气时的压力值；多个所述燃爆管道上均设有压力传感器，用于测量多个所述燃爆管道内燃爆时的
压力值；多个所述燃爆管道的侧壁上均设有点火电极。
8.可选的，还包括储气罐，所述储气罐内装有可燃气体，所述储气罐通过所述可燃气体进气阀与所述燃爆管道内部连通。
9.可选的，所述实验管道的首端和尾端均设有泄压板，所述泄压板用于燃爆时控制所述实验管道的泄爆压力。
10.可选的，多个所述燃爆管道的侧壁上均开设有可视窗，所述可视窗用于观察所述实验管道内燃爆时火焰的传播过程。
11.可选的，还包括排空阀，其中所述排空阀设置在多个所述燃爆管道的任一燃爆管道上，用于对所述实验管道进行排气。
12.可选的，还包括点火装置、数据采集仪、同步触发器和电脑，所述同步触发器分别与所述点火装置、数据采集仪以及电脑电连接，用于实现所述点火装置和数据采集仪的同步触发；所述数据采集仪用于采集多个所述压力传感器的数据，并将采集的数据发送至所述电脑；所述点火装置用于控制多个所述点火电极进行点火；所述电脑用于接收所述数据采集仪采集的数据，并向所述同步触发器发送触发指令。
13.可选的，还包括纹影系统和高速摄影机，所述纹影系统和所述高速摄影机用于记录所述燃爆管道内燃爆时火焰的传播过程，所述纹影系统和所述高速摄影机与所述同步触发器电连接。
14.第二方面，本技术提供一种探究浓度梯度下可燃气体燃爆特性实验装置的操作方法，用于上述所述的探究浓度梯度下可燃气体燃爆特性实验装置，包括以下步骤：基于实验目的设置泄压板以满足实验管道燃爆时的燃爆压力，确定对应所述实验目的点火电极和注气时各密闭空间内的预设可燃气体浓度；关闭球形阀，利用分压法，通过注气装置从可燃气体进气阀向密闭空间内注入可燃气体，观察压力表示数，直至达到预设的可燃气体浓度，再通过空气进气阀向密闭空间内注入空气，观察压力表示数，直至压力表示数达到实验所需预设初始压力值；重复上述步骤，以使多个所述密闭空间均达到各自的预设可燃气体浓度，其中多个所述密闭空间的可燃气体浓度沿第一方向形成所述点火装置用于控制预设浓度梯度；打开所述球形阀，通过电脑向同步触发器发送触发指令，以使所述同步触发器同步触发点火装置和数据采集仪，所述点火装置控制所述点火电极进行点火以使所述实验管道内的可燃气体发生燃爆，所述数据采集仪采集各压力传感器的数据，同时所述同步触发器同步触发纹影系统和高速摄影机，以使所述纹影系统和所述高速摄影机通过可视窗记录燃爆过程中火焰的传播过程，其中所述点火装置基于试验目的控制相应的所述燃爆管道上的点火电极。
15.可选的，实验完成后，打开排空阀，利用真空泵将所述实验管道内产生的废气抽出；关闭排空阀，打开多个所述燃爆管道中任一所述燃爆管道的所述空气进气阀注入
定量空气，关闭所述空气进气阀，打开所述排空阀，利用真空泵将空气排出，对所述实验管道进行清洗；重复上述步骤，直至所述实验管道内的废气充分排出。
16.从上面所述可以看出，本技术提供的探究浓度梯度下可燃气体燃爆特性实验装置及其操作方法，通过控制球形阀使多个燃爆管道分隔成为多个密闭，方便对各个密闭空间内部注入不同浓度的可燃气体，克服相关技术中，无法定量研究浓度梯度间隔对燃爆过程中超压、温度及火焰传播速度等特性参数的影响，同时控制球形阀使具有浓度梯度的相邻密闭空间之间的浓度连续，与实际环境并无差异，球形阀的内径与燃爆管道的内径相同，避免由于球形阀干扰对燃爆过程火焰的传播过程产生影响。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本技术实施例的探究浓度梯度下可燃气体燃爆特性实验装置的整体示意图；图2为本技术实施例的探究浓度梯度下可燃气体燃爆特性实验装置处于注气状态的示意图；图3为本技术实施例的探究浓度梯度下可燃气体燃爆特性实验装置开始燃爆时的状态示意图。
19.附图标记：1-实验管道，11-燃爆管道，12-球形阀，13-可燃气体进气阀，14-空气进气阀，15-压力传感器，16-压力表，17-点火电极，18-可视窗，19-排空阀，2-储气罐，3-点火装置，4-数据采集仪，5-同步触发器，6-电脑，7-纹影系统，8-高速摄影机。
具体实施方式
20.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本技术进一步详细说明。
21.需要说明的是，除非另外定义，本技术实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
22.如图1示出本技术探究浓度梯度下可燃气体燃爆特性实验装置示意图，图2示出本技术探究浓度梯度下可燃气体燃爆特性实验装置处于注气状态的示意图，图3示出本技术探究浓度梯度下可燃气体燃爆特性实验装置开始燃爆时的状态示意图。
23.参考图1，本技术的实验装置包括实验管道1，实验管道1包括燃爆管道11和球形阀12，其中多个所述燃爆管道11沿第一方向依次布置，在多个燃爆管道11之间固定连接球形阀12，球形阀12将多个燃爆管道11划分为多个密闭空间，在此，需要说明的是，在实际进行浓度梯度下可燃气体的燃爆特性实验的时候，对于不同的实验要求所需的可燃气体含量选择相应数量的燃爆管道11，例如，在一种实验中，只需要进行三种不同浓度的可燃气体的燃爆特性实验的时候，只需要三个燃爆管道11，其中的三个燃爆管道11之间通过两个球形阀12来进行连接，在此，燃爆管道11的两端均设有第一法兰，而球形阀12的两端均设有第二法兰，通过第一法兰与第二法兰实现燃爆管道11与球形阀12的连接，同时，通过球形阀12的阀门控制，使燃爆管道11形成密闭空间，通过球形阀12的控制，来控制不同的燃爆管道11形成的密闭空间内的可燃气体浓度，以此来实现实验管道1内的可燃气体的浓度梯度，克服相关技术中的可燃气体在密闭容器内自由扩散的影响，同时，在进行浓度梯度下可燃气体燃爆的实验的时候，打开球形阀12的阀门，避免了相关技术中，不同浓度的可燃气体燃爆的时候需要破膜，影响实验参数，同时，在此第一方向为图1中x轴的指向方向。
24.球形阀12的内径与燃爆管道11的内径相同。为了避免在浓度梯度下可燃气体的燃爆特性实验进行的时候，由于球形阀12的内径与燃爆管道11的内径不同而影响燃爆过程中火焰的传播速度，换言之，球形阀12的内径比燃爆管道11的内径大或者小都有可能影响燃爆过程中火焰的传播速度，在此，利用球形阀12的内径与燃爆管道11的内径相同，消除燃爆过程中对火焰传播速度的干扰。
25.在一些实施例中，多个燃爆管道11的侧壁上均设有可燃气体进气阀13以及空气进气阀14，可以理解的是，在球形阀12将多个燃爆管道11划分为多个密闭空间时，之后需要分别对多个密闭空间注入不同浓度的可燃气体，每个燃爆管道11的侧壁上都设置可燃气体进气阀13以及空气进气阀14，可以对不同的燃爆管道11形成的密闭空间注入不同浓度的可燃气体。
26.多个燃爆管道上均设有压力表，用于测量密闭空间内注气时的压力值；多个燃爆管道上均设有压力传感器，用于测量多个燃爆管道内燃爆时的压力值，储气罐2通过可燃气体进气阀13向密闭空间内注入可燃气体，通过压力表16示数确定所需的可燃气体浓度。这样就可以通过压力表16对每个密闭空间注入不同浓度的可燃气体。在此，压力表16设置在燃爆管道11上便于观察的位置，对其具体位置同样不作限定，而压力传感器15在进行燃爆实验的时候，需要测量各个燃爆管道11内部在燃爆的时候的压力值，为燃爆实验提供实验数据，而压力传感器15能够检测到燃爆时燃爆管道11的内部压力即可，对其布置的具体位置不作限定。
27.多个燃爆管道11的侧壁上均设有点火电极17。可以理解的是，不同的浓度梯度下可燃气体的燃爆特性进行实验的时候，针对每个燃爆管道11的侧壁上均设有点火电极17，来实现在实验管道1的不同位置进行点火，以探究不同浓度梯度分布对可燃气体燃爆特性参数的影响，例如，实验管道1包括三个燃爆管道11，可以利用点火电极17选择在中间的燃爆管道11进行点火，也可以选择在两端的燃爆管道11进行点火来进行燃爆实验。
28.在一些实施例中，还包括储气罐2，如图1所示，储气罐2内装有可燃气体，储气罐2通过可燃气体进气阀13与燃爆管道11内部连通。储气罐2可以与可燃气体进气阀13通过管路连通，来对密闭空间内注入可燃气体。
29.在一些实施方式中，实验管道1的首端和尾端均设有泄压盲板（图中未示出），泄压盲板用于燃爆时控制实验管道1的泄爆压力。在进行燃爆实验的时候，由于对于不同燃爆特性的研究，可以对泄压盲板进行选择，来控制进行燃爆实验的时候燃爆压力，例如可以根据实际需求选择聚乙烯薄膜或者钢板等都可以作为泄压盲板。
30.在一些实施方式中，如图1所示，多个燃爆管道11的侧壁上均开设有可视窗18，可视窗18用于观察实验管道1内燃爆时火焰的传播过程。
31.在一些实施方式中，如图1所示，本技术的实验装置还包括排空阀19，其中排空阀19设置在多个燃爆管道11的任一燃爆管道11上，用于对实验管道1进行排气，在进行燃爆实验的之后，实验管道1的内部会产生废气，若是不将废气排出，在进行下一次燃爆实验的时候，产生的废气对下一次燃爆实验产生干扰，真空泵利用排空阀19与实验管道1的内部连通，用于将实验管道1内部产生的废气排出到指定区域。
32.在一些实施方式中，如图1所示，本技术的燃爆特性实验装置还包括点火装置3、数据采集仪4、同步触发器5和电脑6，同步触发器5分别与点火装置3、数据采集仪4以及电脑6电连接，用于实现点火装置3和数据采集仪4的同步触发，同步触发器5同步触发点火装置3和数据采集仪4，在点火装置3控制点火电极17点火的瞬间，数据采集仪4则采集压力传感器15的数据。
33.数据采集仪4用于采集多个压力传感器15的数据，并将采集的数据发送至电脑6，数据采集仪4将整个燃爆过程中采集到的压力传感器15的数据上传到电脑6上，方便电脑6进行数据汇总与分析。
34.点火装置3用于控制多个点火电极17进行点火，可以利用电脑6对点火装置3的控制命令，点火装置3可以控制不同的燃爆管道11上的点火电极17，来进行不同的燃爆特性实验，获取不同的燃爆参数。
35.电脑6用于接收数据采集仪4采集的数据，并向同步触发器5发送触发指令。电脑6向同步触发器5下达触发指令，可以是人为控制，同样也可以对电脑6进行设定，在实验管道1中的注入呈浓度梯度的可燃气体之后，打开球形阀12，自动下达触发指令。
36.在一些实施例中，参考图1所示，还包括纹影系统7和高速摄影机8，纹影系统7和高速摄影机8用于记录燃爆管道11内燃爆时火焰的传播过程，纹影系统7和高速摄影机8与同步触发器5电连接，在此，需要说明的是，在进行燃爆过程中，为了便于对燃爆过程中实验管道1内的火焰传播过程，纹影系统7和高速摄影机8适配燃爆管道11的可视窗18的位置设置，同时纹影系统7和高速摄影机8与同步触发器5电连接，在同步触发器5同步触发点火装置3和数据采集仪4的时候，同样同步触发纹影系统7和高速摄影机8工作，使纹影系统7和高速摄影机8同步记录整个燃爆实验的全部过程。
37.本技术实施例还提供一种探究浓度梯度下可燃气体燃爆特性实验装置的操作方法，用于上述的实验装置，该操作方法包括一下步骤：基于实验目的设置泄压板以满足实验管道1燃爆时的燃爆压力，确定对应实验目的点火电极17和注气时各密闭空间内的预设可燃气体浓度，泄压板的设置，上述已经进行阐述，在此不再赘述，同时确定相应实验目的点火电极17的位置，以及根据相应的实验目的各个密闭空间内的可燃气体浓度，然后为了探究浓度梯度下可燃气体的燃爆特性，所以沿着第一方向，根据相应的实验目的，实验管道1的密闭空间的可燃气体浓度具有相应的梯
度。
38.如图2所示，关闭球形阀12，利用分压法，通过注气装置从可燃气体进气阀13向密闭空间内注入可燃气体，观察压力表16示数，直至达到预设的可燃气体浓度，再通过空气进气阀14向密闭空间内注入空气，观察压力表16示数，直至压力表16示数达到实验所需预设初始压力值，也就是说基于实验目的相对应的可燃气体的浓度相对应的压力值，来确定注入密闭空间中可燃气体的浓度以及燃爆特性实验的所需压力值。
39.重复上述步骤，以使多个密闭空间均达到各自的预设可燃气体浓度，其中多个密闭空间的可燃气体浓度沿第一方向形成浓度梯度。
40.如图3所示，打开球形阀12，通过电脑6向同步触发器5发送触发指令，以使同步触发器5同步触发点火装置3和数据采集仪4，点火装置3控制点火电极17进行点火以使燃爆管道11内的可燃气体发生燃爆，数据采集仪4采集各压力传感器15的数据，同时同步触发器5同步触发纹影系统7和高速摄影机8，以使纹影系统7和高速摄影机8通过可视窗18记录燃爆过程中火焰的传播过程，其中点火装置3基于试验目的控制相应的燃爆管道11上的点火电极17。在实际操作中，打开球形阀12与电脑6向同步触发器5发送触发指令的时间间隔不能太长，避免不同浓度的可燃气体扩散，无法使可燃气体形成有效的浓度梯度。
41.在一些实施例中，实验完成后，打开排空阀19，利用真空泵将实验管道1内产生的废气抽出，可以理解的是，在真空泵将实验管道1内的废气抽出，并排向规定的区域，避免产生有害气体在空气中扩散对人体造成伤害。
42.关闭排空阀19，打开多个燃爆管道11中任一燃爆管道11的空气进气阀14注入定量空气，关闭空气进气阀14，打开排空阀19，利用真空泵将空气排出，对实验管道1进行清洗，对实验管道1进行清洗，避免下次进行燃爆实验的时候，残留的废气对燃爆实验的参数产生影响。
43.重复上述步骤，直至实验管道1内的废气充分排出，在实际操作中，对实验管道1进行清洗过程重复3~4次之后，就可以将实验管道1内的废气充分排出。
44.最后，通过传输到电脑6中的参数，分析基于实验目的浓度梯度下可燃气体燃爆时的各种参数特性，来对安全生产进行理论指导。
45.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本技术的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本技术的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本技术实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
46.本技术实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本技术实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。