一种粉/气/液三相可爆混合介质爆炸特性测试用可视化实验装置及方法

1.本发明涉及可爆粉尘、可爆气体、可爆液体混合爆炸实验装置领域，具体涉及到粉/气/液三相可爆粒子云雾的爆炸特性及火焰传播行为研究的实验装置及方法。


背景技术：

2.随着工业产业的聚集和规模化，工业生产的环境愈发复杂，生产安全事故发生的环境也愈发复杂，在爆炸灾害中，特别是由初次爆炸引发的二次爆炸、连续爆炸往往都是多种相态可爆介质(粉尘、气体、液滴)共存的复杂环境，但受限于研究深度及问题复杂性，往往将爆炸灾害归类于单项介质的爆炸，未能真实反映事故的本质及灾害演化过程。因此，开展粉尘/气体/液体三相粒子云雾爆炸特性研究对于预防工业生产中多相可爆介质爆炸事故具有现实意义；同时，研究成果对于丰富多相可爆介质爆炸机理与防护理论具有重要的学术价值。
3.目前，国内吉林市宏源科学仪器有限公司依据gb/t16426制作的多视窗气体/粉尘/液雾爆炸抑爆综合试验装置只能满足气体/粉尘混合物或气体/液体混合爆炸物两相混合介质爆炸参数的测量，无法实现粉尘/气体/液体三相可爆混合介质爆炸的研究。国内专利cn109975354a所述测试装置，虽然可以满足三相混合爆炸的测试，但无法对三相介质混合后所形成的冷态瞬态流场开展研究，而明确自变量对三相离子云雾冷态瞬态流场的影响对后续三相粒子云雾宏观爆炸特性及火焰传播行为具有重要意义。国内专利cn108645761a所述测试装置，仅可以满足气粉两相冷态瞬态流场的测试，不能开展三相混合介质冷态瞬态流场的研究，更无法开展爆炸试验。上述仪器均无法同时满足三相混合介质粒子云在同一实验容器内冷态瞬态流场特性、宏观爆炸特性及火焰传播行为的研究，若采用不同容器分别实现流场观测和爆炸测量，则既要承担更多的工作和成本，又要面对因前后装置不同而导致三相介质混合流场均匀性及湍流强度发生改变的影响。
4.国内外研究可爆介质爆炸特性所采用的装置也无法同时满足在同一密闭容器内爆炸压力、火焰传播速度、火焰温度的同步测量及三者的关联研究。


技术实现要素：

5.鉴于背景技术中现有技术存在的问题，本发明意在提供一种粉/气/液三相离子云雾爆炸特性及火焰传播特性研究的实验装置，该装置能够满足在同一容器中完成三相粒子云雾冷态瞬态流场的测量以及后续爆炸特性及火焰传播行为的研究，不仅可以减少因流场观测与爆炸测量采用不同容器所产生的复杂工序及成本，而且避免了因使用不同容器导致流场均匀性及湍流强度发生改变所产生的影响。该装置还实现了爆炸压力、火焰传播速度、火焰温度在密闭容器内的同步测量。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
7.一种粉/气/液三相可爆混合介质爆炸特性测试用可视化实验装置，包括可视化爆
炸容器、可爆液体雾化发生系统、可爆气体配制系统、可爆粉尘扬尘系统、点火系统、压力采集系统、温度采集系统、火焰离子采集系统、外接测量系统、程序控制及数据采集系统；
8.所述可视化爆炸容器包括爆炸室腔体、光学视窗、爆炸室顶盖、爆炸室底板；
9.所述可爆液体雾化发生系统包括可爆液体雾化室腔体以及位于可爆液体雾化室腔体内的超声波雾化发生器，所述可爆液体雾化发生系统通过连接管、球阀与所述可视化爆炸容器的爆炸室顶盖相连；
10.所述可爆气体配制系统包括可燃气气瓶、空气气瓶、真空泵、四通和三通，所述可燃气气瓶通过惰性气体减压阀连接针阀，与四通第一通孔相连，所述空气气瓶通过惰性气体减压阀连接针阀，与四通第二通孔相连，所述真空泵通过针阀，与四通第三通孔相连，所述四通的第四通孔与所述三通的第一通孔相连，三通的第二通孔通过微调阀连接所述可视化爆炸容器侧面的配气管口，压力表设置在可视化爆炸容器和所述三通之间的管道上；
11.所述可爆粉尘扬尘系统包括气流分散伞、缓冲罐和常闭式电磁阀，所述气流分散伞设置在所述可视化爆炸容器的爆炸室底板内侧，缓冲罐通过常闭式电磁阀连接气流分散伞的底部，缓冲罐与所述可爆气体配制系统中三通第三通孔相连，压力表设置在缓冲罐和所述三通之间的管道上，常闭式电磁阀与所述程序控制及数据采集系统相连，阻火器设置在气流分散伞和常闭式电磁阀之间的管道上；
12.所述点火系统包括点火电极和脉冲点火器，所述点火电极固定在爆炸室腔体侧面内壁，通过绝缘导线与脉冲点火器相连，所述脉冲点火器与所述程序控制及数据采集系统相连；
13.所述压力采集系统包括固定在爆炸室腔体侧面内壁的压力传感器，压力传感器与所述程序控制及数据采集系统相连；
14.所述温度采集系统包括温度传感器、补偿导线、温度变送器，温度传感器通过补偿导线、温度变送器与所述程序控制及数据采集系统相连；
15.所述火焰离子采集系统包括离子探针、外接玻璃釉电阻，通过所述玻璃釉电阻与所述数据采集系统相连；
16.所述外接测量系统包括设在爆炸室腔体光学视窗前方的高速摄像系统、纹影系统、相位多普勒粒子分析仪实验平台pdpa、三维粒子图像测速实验台piv，外接测量系统与所述程序控制及数据采集系统相连；
17.所述程序控制及数据采集系统包括数据采集装置、计算机、plc控制器。
18.进一步的，所述光学视窗包括后光学视窗、前光学视窗和左光学视窗，材质均为高硼硅钢化玻璃；前光学视窗、后光学视窗的面积为爆炸室腔体内室前后面面积的75％至85％，在爆炸室腔体前后面平行布置，左光学视窗积为爆炸室腔体内室纵截面面积的25％至45％，且长边长度与前光学视窗一致，垂直于前后两面布置，能够满足高速摄影系统、纹影系统、相位多普勒粒子分析仪实验平台pdpa、三维粒子图像测速实验台piv这些外接平台的测试需要。
19.进一步的，所述点火电极采用熔点为3422℃的钨针，两根电极尖端相距3mm。
20.进一步的，所述温度传感器的微细热电偶为直径25微米的r型热电偶，共三组，等间距固定在爆炸室腔体侧面内壁上。
21.进一步的，所述离子探针为直径为1毫米的铂丝，共三组，固定在爆炸室腔体侧面
内壁上，与所述温度传感器并排联用。
22.采用上述一种粉/气/液三相可爆混合介质爆炸特性测试用可视化实验装置实现粉尘/气体/液体三相可爆物质爆炸特性测试的方法，包括：
23.通过可爆液体雾化发生系统、可爆气体配制系统、可爆粉尘扬尘系统向可视化爆炸容器内加入实验所需可爆粉尘、可爆气体和可爆液体，从而实现粉尘/气体/液体三相粒子云雾的混合；
24.通过外接相位多普勒粒子分析仪实验平台pdpa实现可爆液滴粒径的测量；
25.通过外接三维粒子图像测速实验台piv实现粉尘/气体/液体三相粒子冷态流场的测量；
26.利用高压电击穿空气的方式产生点火花，为爆炸提供能量；
27.通过高速摄像系统对粉尘/气体/液体三相粒子混合爆炸反应过程及火焰传播形貌进行实时拍摄捕捉，获取图像信息及火焰传播速度；
28.通过压力传感器对粉尘/气体/液体三相粒子混合爆炸反应压力信息进行实时测量，获取爆炸压力数据；
29.通过温度传感器和火焰离子采集系统联动对粉尘/气体/液体三相粒子混合爆炸反应温度信息、火焰反应区预热区离子信息进行实时测量，获取爆炸火焰温度数据及火焰结构特性；
30.通过外接纹影系统对粉尘/气体/液体三相粒子混合爆炸反应火焰精细结构进行捕捉，获取火焰微观结构。
31.本发明的有益效果如下：本发明实施例提供的一种粉/气/液三相可爆混合介质爆炸特性测试用可视化实验装置及方法，结合高速摄像机、高速纹影系统、三维粒子图像测速实验台(piv)、相位多普勒粒子分析仪(pdpa)，可以实现粉尘/气体/液体三相可爆物质混合爆炸火焰传播的拍摄、爆炸压力的测试、爆炸火焰温度数据及火焰精细结构的测量等功能。与当前研究混合爆炸的实验装置相比，本发明实验装置还有如下主要收益：(1)在同一装置中获得冷态瞬态流场信息、爆炸特性参数及火焰传播行为，有效减少实验流程及成本，同时避免了流场差异所带来的影响；(2)在密闭装置中同步获得爆炸压力、火焰传播速度、火焰温度，实现了三相粒子云爆炸压力、火焰传播速度与火焰温度的关联研究；(3)可爆液体通过超声波雾化方式实现，较高压喷嘴、二次脉动雾化等方式，具有雾滴粒径更小、粒径分布范围更小、在容器内分散更均匀的优势。从而为研究人员提供更为全面准确的实验数据及信息。
附图说明
32.图1为本发明实施例提供的一种粉/气/液三相可爆混合介质爆炸特性测试用可视化实验装置的结构示意图；
33.图2为图1中a-a的剖视图。
34.图中：1-雾化室腔体；2-第一微调阀；3-超声波雾化发生器；4-球阀；5-连接管；6-爆炸室顶盖；7-爆炸室腔体；8-后光学视窗；9-前光学视窗；10-左光学视窗；11-气流分散伞；12-爆炸室底板；13-阻火器；14-常闭式电磁阀；15-缓冲罐；16-第一压力表；17-第二微调阀；18-三通；19-第二压力表；20-第三微调阀；21-四通；22-第一针阀；23-真空泵；24-第
二针阀；25-空气气瓶；26-第三针阀；27-可燃气气瓶；28-脉冲点火器；29-点火电极；30-压力传感器；31a-离子探针；31b-温度传感器；32-程序控制及数据采集系统；33-外接测量系统。
具体实施方式
35.下面参照附图来详细说明根据本发明的一种粉/气/液三相可爆混合介质爆炸特性测试用可视化实验装置及方法。
36.图1示出了一种粉/气/液三相可爆混合介质爆炸特性测试用可视化实验装置的结构示意图。图中，粉/气/液三相可爆混合介质爆炸特性测试用可视化实验装置包括可视化爆炸容器、可爆液体雾化发生系统、可爆气体配制系统、可爆粉尘扬尘系统、点火系统、压力采集系统、温度采集系统、火焰离子采集系统、外接测量系统、程序控制及数据采集系统。
37.可视化爆炸容器包括：爆炸室腔体7、前光学视窗9、后光学视窗8、左光学视窗10、爆炸室顶盖6、爆炸室底板12，前光学视窗9和后光学视窗8面积为爆炸室腔体内室纵截面面积的85％，左光学视窗10面积为爆炸室腔体内室纵截面面积的28％，材质均为高硼硅钢化玻璃；
38.可爆液体雾化发生系统包括：雾化室腔体1以及位于雾化室腔体1内的超声波雾化发生器3，可爆液体雾化发生系统通过不锈钢的连接管5、全口径的球阀4与所述可视化爆炸容器的爆炸室顶盖6相连；第一微调阀2设置在雾化室腔体1侧面，用于控制进气速度；
39.可爆气体配制系统包括：可燃气气瓶27、空气气瓶25、真空泵23、四通21和三通18，可燃气气瓶27通过惰性气体减压阀连接第三针阀26，与四通21上侧通孔相连，空气气瓶25通过惰性气体减压阀连接第二针阀24，与四通21右侧通孔相连，真空泵23通过第一针阀22，与四通21下侧通孔相连，四通21的左侧通孔与三通18的右侧通孔相连，三通18的左侧通孔通过第二微调阀20连接可视化爆炸容器右侧的配气管口，第二压力表19设置在可视化爆炸容器和三通18之间的管道上，可燃气气瓶27和空气气瓶25的耐受压力为15mpa以上；
40.可爆粉尘扬尘系统包括：气流分散伞11、缓冲罐15和常闭式电磁阀14，气流分散伞11设置在所述可视化爆炸容器的爆炸室底板12内侧，缓冲罐15通过常闭式电磁阀14连接气流分散伞11的底部，缓冲罐15通过第三微调阀17与三通18下侧通孔相连，第一压力表16设置在缓冲罐15和三通18之间的管道上，常闭式电磁阀14与程序控制及数据采集系统32相连，阻火器13设置在气流分散伞11和常闭式电磁阀14之间的管道上，爆炸室底板12上设有粉尘槽，缓冲罐15的耐受压力为20mpa以上；
41.点火系统包括：点火电极29和脉冲点火器28，点火电极29固定在爆炸室腔体7右侧面内壁，通过绝缘导线与脉冲点火器28相连，脉冲点火器28与程序控制及数据采集系统32相连，脉冲点火器28工作压力为15kv以上；
42.压力采集系统包括：压力传感器30，压力传感器30与程序控制及数据采集系统32相连；
43.温度采集系统包括：温度传感器31b，共三组，固定在爆炸室腔体右侧面内壁上，分别相距150mm，温度传感器31b通过补偿导线、温度变送器与程序控制及数据采集系统32相连；
44.火焰离子采集系统包括：离子探针31a，共三组，固定在爆炸室腔体右侧面内壁上，
与温度传感器31b并排联用，离子探针31a通过玻璃釉电阻与程序控制及数据采集系统32相连；
45.外接测量系统33包括：高速摄像系统、纹影系统、三维粒子图像测速实验台(piv)和相位多普勒粒子分析仪(pdpa)，高速摄像系统中高速摄像机最低需要实现1024
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1024像素下7000fps拍摄；
46.通过压力传感器30和温度传感器31b/离子探针31a联用与程序控制及数据采集系统32及个人电脑的相连实现压力采集系统、温度采集系统、火焰离子采集系统的运行，获得爆炸压力、火焰温度、火焰反应区预热区离子信息；
47.通过外接相位多普勒粒子分析仪实验平台(pdpa)、三维粒子图像测速实验台(piv)、高速摄像系统、纹影系统实现可爆液滴粒径的测量、混合介质冷态流场的测量、爆炸反应火焰传播形貌及传播速度、火焰微观结构测量。
48.在使用该装置进行粉尘/气体/液体三相可爆物质爆炸特性测试时，最优的使用步骤：
49.(1)计算好实验所需粉尘、气体、液体质量，在爆炸室底板12粉尘槽内铺放好粉尘，关闭爆炸室顶盖6；
50.(2)打开真空泵23，将爆炸室和缓冲罐15抽为负压，按照道尔顿分压法向缓冲罐15和爆炸室配制可燃气与空气，静置一段时间；
51.(3)打开超声波雾化发生器3电源，待可爆液体的小液滴云雾生成，打开爆炸室与雾化室之间的球阀4，空气通过事先调好的第一微调阀2进入雾化室腔体1，在内外空气压差的驱动下将小液滴带入爆炸室，达到预设压力后，关闭球阀4和超声波雾化发生器3；
52.(4)操作电脑开启喷粉程序，缓冲罐15中预混气体通过气流分散伞11的作用将爆炸室底板12粉尘槽内粉尘扬起，形成粉/气/液三相离子云雾，利用外接三维粒子图像测速实验台(piv)测试粉尘/气体/液体三相粒子云冷态瞬态流场特性；
53.(5)重复步骤1-3，操作电脑开启喷粉及点火程序，采集粉尘/气体/液体三相粒子宏观爆炸参数及火焰传播参数。
54.以上内容是结合优选技术方案对本发明做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。