一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，其特征在于，包括激波管、传感器座、光纤、光电二极管、数据采集系统和计算机；激波管的顶部设置有至少两传感器座，每一传感器座均通过一光纤连接一光电二极管的输入端，每一光电二极管的输出端分别并联连接一电源和电阻的一端；每一电源和电阻的另一端分别连接数据采集系统，数据采集系统还连接计算机，本实用新型专利技术能够解决未能准确测试火焰传播速度的问题，可以广泛应用于安全科学与技术领域中。

【技术实现步骤摘要】
一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统
本技术是关于一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，属于安全科学与

技术介绍
预混气体爆燃给安全生产带来极大的灾害，其不止发生在煤矿井下，同样也会发生在化工厂等场地，例如2005年2月14日，中国发生“2·14”特大瓦斯爆炸事故，造成214人死亡，30人受伤，直接经济损失4968.9万元。2010年7月28日，中国发生“7·28”爆炸事故，是化工厂发生的较为重大的伤亡事故，导致13人死亡，120人受伤。2018年11月28日，中国发生“11·28”爆燃事故，氯乙烯气柜发生泄漏，遇明火发生爆燃，导致23人死亡，22人受伤。2019年11月18日，中国发生“11·18”瓦斯爆炸事故，煤矿违规布置炮采工作面开采区段煤柱，采用局部通风机通风，放炮导通采空区，导致采空区瓦斯大量溢出，遇火花发生瓦斯爆炸，事故共致15人遇难，9人受伤。预混气体爆燃涉及到火焰加速机制、爆燃传播特性以及爆燃转爆轰等学术问题，且爆燃事故多发生在结构复杂的环境内，导致爆燃传播过程十分复杂，其包含的物理和化学机制至今仍未揭示清楚。同时，该类问题也一直是力学学科和安全学科所研究的经典问题和前沿问题，虽然各国家和地区多次立项研究此类问题，但是该类问题造成的事故依旧屡见不鲜，究其原因仍然是对预混气体爆燃流场的演化过程，尤其是火焰微观结构信息认识不清，且不能正确认识爆燃转爆轰的机理，而火焰速度是判定DDT(双对氯苯基三氯乙烷)转化的标准。以瓦斯/空气预混气体为例，对瓦斯爆燃的火焰传播规律的研究是认识瓦斯爆燃的关键，目前普遍的学术观点是诱导激波后面伴随化学反应区(火焰)，火焰传播的规律直接影响着前驱冲击波的强度和特性，决定着瓦斯爆燃的破坏强度。目前，各国家和地区将较多精力用在研究火焰从弱点火逐渐加速到爆燃转爆轰的整个过程，或研究压力峰值、上升速率和流场温度等参数，并没有过多关注火焰传播速度问题，火焰传播速度是预混气体爆燃过程中的重要特征参数，它决定预混气体的燃烧速率(层流向湍流转化)，反映预混火焰的稳定性，并常被用于验证不同可燃物的化学反应机理。对瓦斯爆燃火焰传播规律的研究是认识瓦斯爆燃流场，尤其是波系演化过程的关键，在研究瓦斯/空气预混气体爆燃机理过程中，火焰前端传播速度是最重要的因素之一。可燃气体爆燃事故大多发生在储罐群、楼房群、厂房、生产线或地下管网等复杂的几何结构中，且初始时刻可燃气体浓度分布不均，这些因素导致其爆燃过程呈现高度的非定常特性，火焰、高速气流和冲击波在这些障碍物(群)中的传播机理和特性非常复杂，存在几何边界、运动冲击波和化学反应强烈的相互作用。另一方面，由于可燃性气体爆燃过程中包含火焰加速、爆燃甚至爆轰等不同阶段，各个阶段传播特征及机理不尽相同。当激波和火焰面均是以定常的速度向前运动，激波和火焰面之间的距离也是定值，相应的火焰传播速度很容易得到，但是实际中瓦斯/空气预混气体产生爆燃流场是非定常的，瓦斯/空气预混气体爆燃流场的波系结构为前面是诱导激波，后面是化学反应区即火焰区域，激波和火焰面均是以非定常的速度向前运动，结果是激波和火焰面之间的距离也是非定值，对应的激波与火焰面之间的时间差不能精确地给出。当反应开始时火焰的速度还很小，形成的是层流火焰，其厚度大约为一毫米，在这个区域内，压力和比容都会发生急剧的变化，影响进行化学反应预混气的温度。已燃区的温度梯度微元开始裂解，未燃预混气一个微元进入火焰面时发生化学反应，生成自由基或原子，并放出大量热且发出亮光。紧接着，预混气的燃烧加剧，火焰面的速度加快，形成湍流火，流体内将形成大量涡团流动，预混气动量和能量将依靠涡团迅速传播，促使火焰的加速。不同的湍流状态有不同的湍流强度和湍流尺度，对燃烧所起的作用也有所不同，使得火焰的形状以及内部有明显的差异。激波的速度可以通过读取其扫过PCB压电传感器的相应时间和经典激波关系求得，而火焰传播速度这一重要数据则没有很好的测试方法，实验中也不易得到火焰传播速度的准确测量值，因此无法确定瓦斯爆燃中波系演化过程。作为预混气体爆燃过程中的基本特性，点火和火焰传播性能直接关系到爆燃过程的稳定性、经济性和清洁性，是爆燃设备的理论基础。因此，深入认识和掌握预混气体的点火和火焰传播特性，对于先进爆燃系统的设计和优化具有重要意义。现有技术包括一种用于航空发动机燃烧室测量的火焰热线测速系统，是通过光信号采集模块接收燃烧室内自发辐射的光信号，通过光电倍增及模电转换模块将光信号进行波长选择放大处理以及转换为对应的电压信号，通过燃烧处理模块将电压信号进行运算处理确定火焰传播速度，实现对燃烧室内的火焰传播速度进行实时在线测量。然而，该系统并不能直接通用于煤矿行业，现有技术中也没有能够高效、快速且准确地测试瓦斯/空气预混气体在爆燃过程中的火焰传播速度的系统或方法。
技术实现思路
针对上述问题，本技术的目的是提供一种高效、快速且准确的预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统。为实现上述目的，本技术采取以下技术方案：一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，包括激波管、传感器座、光纤、光电二极管、数据采集系统和计算机；所述激波管的顶部设置有至少两所述传感器座，所述激波管用于模拟得到瓦斯/空气预混气体爆燃火焰的光信号，每一所述传感器座均通过一所述光纤连接一所述光电二极管的输入端，所述光电二极管用于将光信号转换为电信号，每一所述光电二极管的输出端分别并联连接一电源和电阻的一端，所述电源和电阻用于分流电流；每一所述电源和电阻的另一端分别连接所述数据采集系统，所述数据采集系统还连接所述计算机。优选地，该测试系统还包括示波器，每一所述电源和电阻的另一端还分别连接所述示波器。优选地，每一所述光电二极管、电源和电阻均设置在机箱内。优选地，所述激波管上设置有观察窗。优选地，所述激波管由若干首尾相连的实验管道构成。优选地，每一所述光电二极管均采用型号为GT101的硅PIN光电二极管。优选地，每一所述光纤均采用直径为2mm的塑料光纤，并通过SMA905光纤接头与对应所述光电二极管的输入端耦合。优选地，每一所述光电二极管的输入端内部均设置有直径为2.5mm、长度为13mm的长孔，每一所述光电二极管的输入端外部均采用螺纹连接所述SMA905光纤接头，每一所述光电二极管的中部两侧均对称设置有两o型密封圈。优选地，每一所述光电二极管的峰值波长均为900nm，其光谱响应范围为400nm～1100nm。本技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：在瓦斯/空气预混气体爆燃和惰性气体阻燃的工程中，波系结构前端的诱导激波和跟随其后的化学反应区是表征其过程的重要因素，而火焰的速度、宽度以及变化情况主要是通过光电传感器来采集参数，基于瓦斯空气预混器爆燃火焰光的波长范围，本技术提出将光信号转化为电信号的思想，当瓦斯爆燃火焰到达时进行采集，经光电二极管处理，通过光纤和光电二极管等装置，将爆燃流场中火焰光信号准确地转化为电信号，即将不能精确测试的光信号转化为可以精本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，其特征在于，包括激波管、传感器座、光纤、光电二极管、数据采集系统和计算机；/n所述激波管的顶部设置有至少两所述传感器座，所述激波管用于模拟得到瓦斯/空气预混气体爆燃火焰的光信号，每一所述传感器座均通过一所述光纤连接一所述光电二极管的输入端，所述光电二极管用于将光信号转换为电信号，每一所述光电二极管的输出端分别并联连接一电源和电阻的一端，所述电源和电阻用于分流电流；每一所述电源和电阻的另一端分别连接所述数据采集系统，所述数据采集系统还连接所述计算机。/n

【技术特征摘要】
1.一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，其特征在于，包括激波管、传感器座、光纤、光电二极管、数据采集系统和计算机；
所述激波管的顶部设置有至少两所述传感器座，所述激波管用于模拟得到瓦斯/空气预混气体爆燃火焰的光信号，每一所述传感器座均通过一所述光纤连接一所述光电二极管的输入端，所述光电二极管用于将光信号转换为电信号，每一所述光电二极管的输出端分别并联连接一电源和电阻的一端，所述电源和电阻用于分流电流；每一所述电源和电阻的另一端分别连接所述数据采集系统，所述数据采集系统还连接所述计算机。


2.如权利要求1所述的一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，其特征在于，该测试系统还包括示波器，每一所述电源和电阻的另一端还分别连接所述示波器。


3.如权利要求1所述的一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，其特征在于，每一所述光电二极管、电源和电阻均设置在机箱内。


4.如权利要求1所述的一种预混气体爆燃过程中火焰传播速度的测试系统，其特征在于，所述激波管上设置有观察窗。


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【专利技术属性】
技术研发人员：胡洋，吴秋遐，杨雨欣，秦汉圣，
申请(专利权)人：华北科技学院，
类型：新型
国别省市：北京;11