一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，包括环境模拟系统、供气系统、点火装置、抑制扩散及控制燃烧系统、数据采集系统和图像采集系统；环境模拟系统包括实验风洞，远离实验风洞进风侧并固定设置在实验风洞下方的集液水箱；供气系统包括储气罐、供气导管和泄漏管，泄漏管的下端穿出集液水箱底部并转动连接在其底壁上，泄漏管的下端通过供气导管与储气罐连通；点火装置设置在所述实验风洞内，抑制扩散及控制燃烧系统包括固定在实验风洞顶部的泡沫发生装置，以及分布在集液水箱和实验风洞连通处后方的障碍物；数据采集系统包括温度传感器阵列组、浓度传感器阵列组和热辐射传感器；图像采集系统包括高速摄像机和热成像仪。

【技术实现步骤摘要】
一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统
本专利技术涉及一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，属于易燃气体安全

技术介绍
为了应对环境污染和气候变暖等一系列严重的环境问题，号召节能减排的可持续发展战略，大力推广开发并使用清洁能源。因此，目前对于海底能源的开发和利用一直处于大力发展阶段，而海底管线的建设是输送气体能源的主要手段。但是，由于海底比陆上更加恶劣的环境条件，使得海底管道设施更容易发生腐蚀、穿孔、断裂等安全问题，从而引发油气泄漏扩散等严重的危害。目前有报道指出，某公司海下管道在近海区域发生管线穿孔破裂的事故，导致管道内可燃气体泄漏扩散至海面以上，严重威胁了管线的安全运营和海上作业人员的安全，而此时在海面上将泄漏溢出的可燃气体点燃，可以有效防止可燃气体的扩散蔓延，大大减小了危害的范围。根据目前的研究发现，国内外对水下气体的泄漏扩散主要集中在气体羽流上升扩散规律的研究，对于在不同释放工况，外界环境耦合作用下，气体溢出水面浓度分布，及形成点火条件发生燃烧现象的研究较少。所涉及的国内外专利主要有以下几项。与本专利技术相似的专利技术CN201810004919.6中，展示了一种水下气相管道泄漏与扩散实验装置，用于水下气体管道泄漏量评估和水环境下气体的扩散过程及水面涌流效应研究，但是实验条件相对单一，并不能很好地控制外界环境，很难模拟实际海面环境下气体泄漏扩散及燃烧的复杂情况。与本专利技术相似的专利技术CN201410763896.9中，展示了一种基于气泡声学的水下气体泄漏量的检测方法和检测装置，主要用于检测水下气体泄漏量，观测气体的泄漏行为，并不能对气体上升至水面浓度和实际燃烧情况进行测量。以上的专利技术，均对水下气体泄漏扩散进行了研究和设计，但是对于气体泄漏扩散至溢出水面的行为研究较少，没有可以有效控制外界环境对气体扩散进行有效监测和研究的手段，对于可燃气体溢出可能形成的点火时间和点火能量的控制、以及燃烧特性的研究更是鲜有提及。因此，以上专利对于水下气体在不同外界环境下泄漏扩散溢出至水面发生气体燃烧的研究并不全面。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，利用该系统能够确定不同释放速率、不同释放深度、不同孔径和泄漏位置对气泡羽流速度、上升时间、扩散半径、泉涌高度和火焰燃烧特性的影响规律，能够模拟不同外界环境对不同泄漏工况的研究，整个系统操作方便、安全性高。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案，一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，其特征在于，包括：环境模拟系统，所述环境模拟系统包括实验风洞，远离所述实验风洞进风侧并固定设置在所述实验风洞底部的集液水箱，且所述集液水箱的顶部与所述实验风洞的内腔连通；供气系统，所述供气系统包括储气罐、供气导管和泄漏管，所述泄漏管竖直转动连接在所述集液水箱的底壁上，所述泄漏管的下端穿出所述集液水箱的底壁并通过所述供气导管与所述储气罐连通；所述泄漏管的上端活动设置有泄漏喷口；点火装置，所述点火装置设置在所述实验风洞内，且所述点火装置位于所述集液水箱和实验风洞连通处的前方，用于点燃溢进所述实验风洞内的气体；抑制扩散及控制燃烧系统，所述抑制扩散及控制燃烧系统包括与所述集液水箱呈上下相对布置且固定在所述实验风洞顶部的泡沫发生装置，以及分布在所述集液水箱和实验风洞连通处后方的障碍物，用于模拟障碍对气体扩散的分布规律；数据采集系统包括温度传感器阵列组、浓度传感器阵列组和热辐射传感器阵列组，所述温度传感器阵列组分布于所述集液水箱上方并固固定在所述实验风洞的内顶壁上，所述浓度传感器阵列组和热辐射温度传感器阵列组均分布于所述集液水箱和实验风洞连通处的后方，所述温度传感器阵列组、浓度传感器阵列组和热辐射传感器阵列组均与所述实验风洞外的数据采集器电连接；图像采集系统包括高速摄像机和热成像仪，所述高速摄像机支撑设置在集液水箱的外部，用于拍摄水下的气体泄漏扩散上升过程、溢出水面的泉涌高度和火焰燃烧图像；所述热成像仪支撑设置在所述集液水箱和实验风洞连通处后方的所述实验风洞内，用于实时记录火焰燃烧的温度分布特征、气体燃烧扩散面积。优选地，所述实验风洞包括风洞舱、叶轮、整流器和变频器，所述叶轮和整流器顺次相邻地安装在所述风洞舱的前舱内，外部电机驱动所述叶轮转动，外部电机上设置变频器，所述集液水箱固定设置在所述风洞舱的后舱外部下方，且所述集液水箱顶部与所述风洞舱内腔连通。优选地，所述实验风洞还包括湿度调节器，所述风洞舱顶部留有入口，所述湿度调节器设置在所述入口处，所述湿度调节器采用加湿器或制冷机。优选地，所述点火装置包括点火杆、点火支架和点火电极，所述点火支架滑动设置在所述实验风洞内底壁上，所述点火杆固定在所述点火支架上，所述点火电极与所述点火杆电连接。优选地，所述温度传感器阵列组包括滑动设置在位于所述集液水箱上方的所述实验风洞内顶壁上的第一支架，矩形阵列分布于所述第一支架上的多个温度传感器；所述浓度传感器阵列组包括滑动设置在位于所述集液水箱后方的所述实验风洞内底壁上的第二支架，矩形阵列分布于所述第二支架上的多个浓度传感器；所述热辐射传感器阵列组包括设置在位于所述集液水箱后方的实验风洞内底壁上的第三支架，矩形阵列分布于所述第三支架上的多个热辐射传感器，且多个所述热辐射传感器构成的矩阵面与所述集液水箱的纵向轴截面共面。优选地，所述泡沫发生装置包括泡沫发生器、发泡筒和泡沫导管，所述泡沫发生器设置在所述实验风洞的顶部，所述泡沫发生器通过管路和所述发泡筒连通，所述发泡筒和泡沫导管连通，所述泡沫导管的出口端伸入所述实验风洞内，且所述泡沫导管的出口端位于所述集液水箱的正上方。优选地，在所述集液水箱的底壁开设通孔，所述通孔内攻有内螺纹，所述泄漏管的外壁上具有与所述通孔的内螺纹配合的外螺纹，所述泄漏管螺纹转动连接在所述集液水箱底壁的通孔上，所述泄漏管的下端穿过所述通孔伸出所述集液水箱的底壁与所述供气导管连通，在所述泄漏管的下端设置止回阀。优选地，在所述集液水箱底壁的上下面上分别设置应力垫片，且所述应力垫片上开设与所述通孔呈同轴设置的圆孔。优选地，在所述集液水箱外部套设透明有机玻璃罩，所述集液水箱外壁和有机玻璃罩内壁之间形成环形空间，在所述有机玻璃罩侧壁上开设入水口和出水口，且所述出水口位于入水口上方，所述入水口和出水口通过管路与循环水浴连通。优选地，所述集液水箱的材质为亚克力有机玻璃；在所述集液水箱的上部周侧壁上套置防火层，所述防火层采用石棉板，或者采用聚氯乙烯树脂材料制成；所述集液水箱上刻有标尺；所述泄漏喷口螺纹连接在所述泄漏管的顶端，所述泄漏喷口呈圆形、矩形或三角形结构；所述储气罐内的气体为可燃气体，所述障碍物为多个尺寸不同的不锈钢方块。本专利技术采用以上技术方案，其具有如下优点：本专利技术整套装置结构简单，操作性强，测量结果再现性较好，可用于不同外界环境、不同释放工况的水下气体泄漏扩散检测，通过集液水箱模拟水面的气体燃烧工况，由温度和辐射传感器测量水面气体燃烧的特征参数；通过高速摄像机和热成像仪实时监控火焰的高度和温度变化，确定火焰的演化特征，实验结果可用于预测水面燃烧扩散的危害范围和风险评价。附图说明图1是本专利技术的整体结构示意图。图中，1：集液水箱；2：实验风洞；20本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，其特征在于，包括：环境模拟系统，所述环境模拟系统包括实验风洞，远离所述实验风洞进风侧并固定设置在所述实验风洞底部的集液水箱，且所述集液水箱的顶部与所述实验风洞的内腔连通；供气系统，所述供气系统包括储气罐、供气导管和泄漏管，所述泄漏管竖直转动连接在所述集液水箱的底壁上，所述泄漏管的下端穿出所述集液水箱的底壁并通过所述供气导管与所述储气罐连通；所述泄漏管的上端活动设置有泄漏喷口；点火装置，所述点火装置设置在所述实验风洞内，且所述点火装置位于所述集液水箱和实验风洞连通处的前方，用于点燃溢进所述实验风洞内的气体；抑制扩散及控制燃烧系统，所述抑制扩散及控制燃烧系统包括与所述集液水箱呈上下相对布置且固定在所述实验风洞顶部的泡沫发生装置，以及分布在所述集液水箱和实验风洞连通处后方的障碍物，用于模拟障碍对气体扩散的分布规律；数据采集系统包括温度传感器阵列组、浓度传感器阵列组和热辐射传感器阵列组，所述温度传感器阵列组分布于所述集液水箱上方并固固定在所述实验风洞的内顶壁上，所述浓度传感器阵列组和热辐射温度传感器阵列组均分布于所述集液水箱和实验风洞连通处的后方，所述温度传感器阵列组、浓度传感器阵列组和热辐射传感器阵列组均与所述实验风洞外的数据采集器电连接；图像采集系统包括高速摄像机和热成像仪，所述高速摄像机支撑设置在集液水箱的外部，用于拍摄水下的气体泄漏扩散上升过程、溢出水面的泉涌高度和火焰燃烧图像；所述热成像仪支撑设置在所述集液水箱和实验风洞连通处后方的所述实验风洞内，用于实时记录火焰燃烧的温度分布特征、气体燃烧扩散面积。...

【技术特征摘要】
1.一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，其特征在于，包括：环境模拟系统，所述环境模拟系统包括实验风洞，远离所述实验风洞进风侧并固定设置在所述实验风洞底部的集液水箱，且所述集液水箱的顶部与所述实验风洞的内腔连通；供气系统，所述供气系统包括储气罐、供气导管和泄漏管，所述泄漏管竖直转动连接在所述集液水箱的底壁上，所述泄漏管的下端穿出所述集液水箱的底壁并通过所述供气导管与所述储气罐连通；所述泄漏管的上端活动设置有泄漏喷口；点火装置，所述点火装置设置在所述实验风洞内，且所述点火装置位于所述集液水箱和实验风洞连通处的前方，用于点燃溢进所述实验风洞内的气体；抑制扩散及控制燃烧系统，所述抑制扩散及控制燃烧系统包括与所述集液水箱呈上下相对布置且固定在所述实验风洞顶部的泡沫发生装置，以及分布在所述集液水箱和实验风洞连通处后方的障碍物，用于模拟障碍对气体扩散的分布规律；数据采集系统包括温度传感器阵列组、浓度传感器阵列组和热辐射传感器阵列组，所述温度传感器阵列组分布于所述集液水箱上方并固固定在所述实验风洞的内顶壁上，所述浓度传感器阵列组和热辐射温度传感器阵列组均分布于所述集液水箱和实验风洞连通处的后方，所述温度传感器阵列组、浓度传感器阵列组和热辐射传感器阵列组均与所述实验风洞外的数据采集器电连接；图像采集系统包括高速摄像机和热成像仪，所述高速摄像机支撑设置在集液水箱的外部，用于拍摄水下的气体泄漏扩散上升过程、溢出水面的泉涌高度和火焰燃烧图像；所述热成像仪支撑设置在所述集液水箱和实验风洞连通处后方的所述实验风洞内，用于实时记录火焰燃烧的温度分布特征、气体燃烧扩散面积。2.如权利要求1所述的一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，其特征在于：所述实验风洞包括风洞舱、叶轮、整流器和变频器，所述叶轮和整流器顺次相邻地安装在所述风洞舱的前舱内，外部电机驱动所述叶轮转动，外部电机上设置变频器，所述集液水箱固定设置在所述风洞舱的后舱外部下方，且所述集液水箱顶部与所述风洞舱内腔连通。3.如权利要求2所述的一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，其特征在于：所述实验风洞还包括湿度调节器，所述风洞舱顶部留有入口，所述湿度调节器设置在所述入口处，所述湿度调节器采用加湿器或制冷机。4.如权利要求1所述的一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，其特征在于：所述点火装置包括点火杆、点火支架和点火电极，所述点火支架滑动设置在所述实验风洞内底壁上，所述点火杆固定在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建鲁，张亦翔，李玉星，孙法峰，宋存永，单卫光，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37