超低温氢气爆炸流场试验监测系统技术方案

本发明专利技术涉及一种超低温氢气爆炸流场试验监测系统，属于试验领域。该系统的预处理系统存在两个状态，设计由氢氧配气装置、液氮冷凝箱、气动四通球阀、气动阀门、真空泵、玻璃管、软管等组成，通过气动四通球阀实现管路状态切换；状态一通过气动阀门等装置调节反应气体参数并控制反应环境处于真空状态；状态二将预设状态反应气体通入玻璃管，利用超低温环境下超导体粉末的迈斯纳效应和量子锁定现象实现局部扰动的可控性；反应监测系统由点火器、纹影系统、局部扰动系统、防爆片等组成，通过纹影技术实现对爆炸流场的监测。本发明专利技术能在小范围内实现超低温氢气(

【技术实现步骤摘要】
超低温氢气爆炸流场试验监测系统


[0001]本专利技术涉及一种超低温氢气爆炸流场试验监测系统，具体涉及一种可在小范围内实现冷氢气爆炸并对冷氢气爆炸反应后射流浓度场进行监测的装置，属于试验领域。

技术介绍

[0002]在“节能减排”、“低碳经济”、“碳中和”战略发展规划指导下，我国清洁能源产业逐步兴起，氢能在新能源消费结构中的比重快速增加。但氢具有点火能小、燃烧爆炸极限范围宽等特点，极易引发泄漏爆炸事故。因此，对氢爆炸进行定量、可视化研究在氢气的应用领域具有重要意义。
[0003]由于液氢超低温、易相变的特点以及无法上路运输等限制，国内尚未开展相关研究，液氢泄漏后，低温氢气爆炸演化机理尚不明确，爆炸超压、火焰结构等特征仍无定量描述。
[0004]气体爆轰是目前爆炸领域研究的热点问题，湍流火焰在不同扰动条件下的演变规律至今没有得出很好的描述。在现有技术中，扰动往往通过小风扇、反应机构运动等手段实现，其自身对反应产生的影响不可忽略。
[0005]由于氢爆炸火焰发展初期处于紫外波段，常规高速摄影技术不能有效捕捉爆炸发展过程。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了克服技术壁垒，提供一种超低温氢气爆炸流场试验监测系统，该系统能在小范围内实现超低温氢气的爆炸反应与监测，能精确的控制反应气体参数，对射流浓度场进行监测；具有较高精度的同时保证了装置的可靠性与安全性。
[0007]本专利技术的目的是通过下式技术方案实现的。
[0008]超低温氢气爆炸流场试验监测系统，由预处理系统和反应监测系统构成；
[0009]所述预处理系统包括：气动四通球阀、液氮冷凝箱、真空泵和氢氧配气装置；气动四通球阀一路与反应室连接，将待测试气体输送至反应室；一路经过液氮冷凝箱与氢氧配气装置连接；一路与真空泵连接用于制造真空环境；另一路用于尾气排放；
[0010]所述反应监测系统包括：玻璃管反应室、纹影系统和局部扰动系统；局部扰动系统置于玻璃管反应室外部，用于提供扰动，影响爆炸流场的爆炸特性且还原爆炸现实；纹影系统用于监测爆炸反应流场；
[0011]所述局部扰动系统位于玻璃管反应室的进气口处，即在反应的初始阶段提供扰动；
[0012]所述局部扰动系统包括：超导体粉末、电磁线圈组、导线和信号处理器；超导体粉末置于玻璃管反应室中；所述电磁线圈组为平行的环形结构，两环之间固定安装多个电磁线圈；通过控制电磁线圈电流强度，提供不同强度的磁场；电磁线圈与信号处理器通过导线连接；信号处理器调节电磁线圈组内各电磁线圈产生的磁场强弱变化，产生的变化磁场因
量子锁定现象使在超低温下处于超导态悬浮于玻璃管反应室中的超导体粉末进行两种运动：绕着玻璃管轴线旋转和沿着玻璃管轴线运动；运动的超导体粉末带动玻璃管反应室中静止气体运动，产生局部涡流，涡结构的存在为预混气体提供可控扰动。
[0013]所述纹影系统包括：包括光源、聚光透镜组、狭缝、准直主反射镜、纹影主反射镜、刀口、高速摄影机和控制机构；所述控制机构可沿平面方向滑动，垂直方向升高或降低，包括滑台、丝杆、丝杠、升降螺母；光源发射的激光依次经过聚光透镜组、狭缝后被准直主反射镜反射，准直主反射镜反射光经过待监测的玻璃管反应室射入纹影主反射镜，纹影主反射镜再次反射后，光线经刀口被高速摄影机捕捉；准直主反射镜和纹影主反射镜与控制机构固定连接，实现水平和垂直方向的移动。
[0014]试验监测方法，包括如下步骤：
[0015]步骤一、调节反应监测系统中的纹影系统，使其中心处于同一水平高度，依次调节LED光源、聚光透镜组、狭缝、准直主反射镜、纹影主反射镜、刀口、高速摄影机和控制机构，使高速摄影机能获取适当的图像质量；
[0016]步骤二、调节气动四通球阀使其处于状态一，气动四通球阀a端与b端连通，此时通过控制a端、b端管路中气动截止阀及真空泵，保证玻璃管反应室内处于真空状态；气动四通球阀c端与d端连通，此时通过控制c端、d端管路中气动截止阀、压力调节阀，根据c端管路中压力传感器与温度传感器示数，保证氢氧配气装置中设置好比例浓度的预混气体经过液氮冷凝箱冷凝后的冷氢气满足预设条件状态；
[0017]步骤三、调节气动四通球阀使其处于状态二，气动四通球阀a端与d端连通，依次打开a端管路中气动截止阀、d端管路中气动截止阀；气动四通球阀b端与c端连通；
[0018]步骤四、调节信号处理器使电磁线圈组产生稳定磁场；
[0019]步骤五、静置一段时间，待所述超导体粉末在超低温氢气作用下冷却进入超导态，由于迈斯纳效应和量子锁定现象，超导体粉末逐渐悬浮于玻璃管反应室中；
[0020]步骤六、调节信号处理器使电磁线圈组产生变化的磁场，超导体粉末由于量子锁定现象随着变化的磁场运动，在超低温氢气爆炸反应初始阶段引入扰动，同时传给点火器一个点火信号；
[0021]步骤七、反应监测系统中点火器收到点火信号后通过对称打孔放置的两个点火电极引燃预混气体；
[0022]步骤八、通过纹影系统实现对冷氢气爆炸产生的射流浓度场的监测。
[0023]优选地，所述超导体粉末选用钇钡铜氧，在超低温氢气进入所述玻璃管反应室时冷却进入超导态，转变温度会发生迈斯纳效应；在95K或低于95K时，钇钡铜氧变为抗磁性，内部磁通量为零，磁力线无法进入超导体，超导体排斥体内的磁场，超导体粉末悬浮于玻璃管反应室中。
[0024]优选地，所述液氮冷凝箱中铜管管路为螺旋状结构。
[0025]优选地，气动四通球阀四个端口均与DN20硬管管路相连；
[0026]优选地，气动四通球阀c端硬管管路末端留有氢气吹除接口，硬管管路末端通过卡扣与软管连接；
[0027]优选地，所述玻璃管反应室右端法兰间采用橡胶圈密封；所述玻璃管反应室左端的法兰与夹持器之间通过强力粘胶密封连接。
[0028]优选地，纹影系统中准直主反射镜与纹影镜分别通过升降螺母固定在不同丝杠上，丝杠分别固定在两个滑台上表面，两个滑台分别装载于不同丝杆上。
[0029]有益效果
[0030]1、利用气动四通球阀结合液氮冷凝箱、真空泵、气动阀门等装置小范围内控制参与反应冷氢气的初始状态，获得准确的实验数据，实验精度更高；同时利用各机构的组合关系降低了对装置的精度要求，成本低，经济效益较好。
[0031]2、利用超低温环境及超导体特性，实现超导体粉末进入超导态；反应监测系统中局部扰动系统创新性的应用超导体在变化磁场中的运动产生局部涡流，为爆炸反应引入可控扰动条件，实现爆燃转爆轰(DDT)等多种爆炸流场条件的可能；同时超导体粉末自身不参与反应，对气体爆炸反应的影响可以忽略，可操作性强、使用效果好。
[0032]3、本专利技术涉及的预处理系统中，对未参与反应冷氢气通过氢气吹除接口和软管接富养氢预燃室进行二次处理，同时设有安全阀确保管路内部压力、玻璃管反应室中防爆片防止爆炸反应超压对玻璃管反应室造成伤害，系统的稳定性高、安全性强。
[0033]4、纹影技本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.超低温氢气爆炸流场试验监测系统，其特征在于：由预处理系统和反应监测系统构成；所述预处理系统包括：气动四通球阀、液氮冷凝箱、真空泵和氢氧配气装置；气动四通球阀一路与反应室连接，将待测试气体输送至反应室；一路经过液氮冷凝箱与氢氧配气装置连接；一路与真空泵连接用于制造真空环境；另一路用于尾气排放；所述反应监测系统包括：玻璃管反应室、纹影系统和局部扰动系统；局部扰动系统置于玻璃管反应室外部，用于提供扰动，影响爆炸流场的爆炸特性且还原爆炸现实；纹影系统用于监测爆炸反应流场。2.如权利要求1所述超低温氢气爆炸流场试验监测系统，其特征在于：所述局部扰动系统位于玻璃管反应室的进气口处，即在反应的初始阶段提供扰动。3.如权利要求1所述超低温氢气爆炸流场试验监测系统，其特征在于：所述局部扰动系统包括：超导体粉末、电磁线圈组、导线和信号处理器；超导体粉末置于玻璃管反应室中；所述电磁线圈组为平行的环形结构，两环之间固定安装多个电磁线圈；通过控制电磁线圈电流强度，提供不同强度的磁场；电磁线圈与信号处理器通过导线连接；信号处理器调节电磁线圈组内各电磁线圈产生的磁场强弱变化，产生的变化磁场因量子锁定现象使在超低温下处于超导态悬浮于玻璃管反应室中的超导体粉末进行两种运动：绕着玻璃管轴线旋转和沿着玻璃管轴线运动；运动的超导体粉末带动玻璃管中静止气体运动，产生局部涡流，涡结构的存在为预混气体提供可控扰动。4.如权利要求1所述超低温氢气爆炸流场试验监测系统，其特征在于：所述纹影系统包括：包括光源、聚光透镜组、狭缝、准直主反射镜、纹影主反射镜、刀口、高速摄影机和控制机构；所述控制机构可沿平面方向滑动，垂直方向升高或降低，包括滑台、丝杆、丝杠、升降螺母；光源发射的激光依次经过聚光透镜组、狭缝后被准直主...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩文虎，周琪翔，缪子慧，张情，万锋，谷恭天，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：