阻燃剂抑制瓦斯爆燃光学测试实验方案设计_胡洋.pdf

第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 阻燃剂抑制瓦斯爆燃光学测试实验方案设计 胡洋 1， 秦汉圣1， 庞 磊 2， 阚瑞峰3， 梁金虎4， 杨雨欣1， 陈明虎1 （1.华北科技学院 安全工程学院， 北京 101601； 2.北京石油化工学院 安全工程学院， 北京 102617； 3.中国科学院 合肥物质 科学研究院， 安徽 合肥 230031； 4.中北大学 环境与安全学院， 山西 太原 030051） 摘要 为了准确得到细水雾抑制瓦斯爆燃的流场的波系演化过程， 获取细水雾与火焰阵面相 互作用时的火焰结构变化的图像， 在自行设计的中尺度爆炸管道上， 搭建超高速激光纹影系统， 从基元反应层面重新认识细水雾抑制瓦斯爆燃的机理； 通过对整个实验系统中不同系统响应时 间进行分析， 提出合理的实验方案， 测量了火焰阵面到达观察窗口的时间和细水雾喷射系统的 响应时间。 结果表明 火焰阵面到达观察窗口的时间为 0.113 3 s， 细水雾喷射系统的响应时间为 8.716 ms。 关键词 瓦斯爆燃； 火焰阵面结构； 细水雾参数； 高速激光纹影； 同步控制 中图分类号 TD712.7文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0208-05 Design of Optical Test Experimental Scheme for Flame Retardant to Suppress Gas Deflagration HU Yang1, QIN Hansheng1, PANG Lei2, KAN Ruifeng3, LIANG Jinhu4, YANG Yuxin1, CHEN Minghu1 （1.School of Safety Engineering, North China Institute of Science and Technology, Beijing 101601, China;2.Department of Safety Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China;3.Hefei Institute of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China;4.School of Environment and Safety Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China） Abstract In order to get the wave system evolution process of gas deflagration suppression by water mist, and obtain the image of the flame structure change when the fine water mist interacts with the flame array, an ultra-high speed laser schlieren system was built on a self-designed mesoscale explosion pipeline to re-understand the mechanism of fine water mist inhibiting gas deflagation from the level of elementary reaction; by analyzing the response time of different systems in the whole experimental system, a reasonable experimental scheme is proposed, and the response time of the flame front arriving at the observation window and the fine water spray injection system are measured. The results show that the time of the flame front arriving at the observation window is 0.113 3 s, and the response time of the fine water spray system is 8.716 ms. Key words gas deflagration; flame array structure; water mist parameters; high speed laser schlieren; synchronization control 近年来，全球的经济发展趋势对清洁型能源的 需求越来越大， 但我国由于富煤、 少气、 贫油的能源 结构决定了在相当长的一段时间内煤炭依旧是我国 的能源支柱。我国 90的煤矿依旧采用井工的方式 进行开采[1]， 由于开采技术的局限和人员素质的不 同，瓦斯爆炸事故为煤矿事故中的高发事故。为了 从根源上杜绝煤矿瓦斯爆炸事故，学者们通过搭建 缩小尺度的实验管道平台进行相关的瓦斯爆燃实验 研究[2-4]。目前， 传统的测量方式借助压力传感器、 火 焰传感器，无法获得瓦斯爆燃流场的微观信息， 对 流场的微观变化仅是一种 “可能性” 的分析。为了弥 补传统测量方式的不足，学者们引入激光光谱、 高 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.033 胡洋， 秦汉圣， 庞磊， 等.阻燃剂抑制瓦斯爆燃光学测试实验方案设计 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 208-212. HU Yang, QIN Hansheng, PANG Lei, et al. Design of Optical Test Experimental Scheme for Flame Retar－ dant to Suppress Gas Deflagration［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 208-212.移动扫码阅读 基金项目 中央高校建设世界一流大学 （学科） 和特色发展引导专 项国际合作资助项目；北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实 验室开放基金资助项目 （KFJJ15- 15M ） ； 华北科技学院中央高校基 本科研业务费资助项目 （3142018017， 3142020061） 208 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 1多目标同步控制系统实验原理图 Fig.1Multi-objective synchronous control system 速激光纹影等现代化的测量方式获得流场的微观信 息，尽管在测量深度上迈出了一大步，但同时也对 实验的操作技术有了更高的要求，其中就涉及到整 个实验系统中不同设备响应时间的研究，如高压点 火系统的点火响应时间、瓦斯爆燃火焰阵面到达观 察窗的时间、细水雾喷射系统的响应时间、水雾液 滴运动到观察窗口的时间、高速摄影系统中的相机 响应时间等，而不同设备的响应度不同，从秒到纳 秒量级，为了清晰、完整的获得流场波系演化和火 焰形态的变化过程，需要设计测量方案对多个设备 的响应时间进行研究，为确定合理的通道延时时间 提供理论依据，为细水雾抑制瓦斯爆燃光学测试奠 定了实验基础。 1研究背景 在煤矿中发生的瓦斯爆炸大多数为爆燃，冲击 波与火焰和爆炸产物分离，先与火焰在巷道中传 播，依靠所产生的高温火焰的灼烧、爆炸冲击波的 破坏力和产生的有毒有害气体造成巨大的人员伤亡 和经济损失[5]， 而学者们对阻燃剂抑制瓦斯爆燃的 实验进行了大量的研究，根据物理和化学 2 种抑爆 机理将其分为惰性气体、惰性粉尘、多孔材料和水 系物等 4 大类[6]， 但在实际应用中均暴露出一定的 问题， 抑爆效果并不理想。 在阻燃剂抑制瓦斯爆燃的相关实验研究中， 爆 炸压力波在管道中发生反射、 绕射等现象[7]， 使流场 结构复杂多变，同时瓦斯爆燃过程是一个立体的三 维结构[8]， 仅仅依靠传统的测量方式从不同单一位 置的数据分析爆炸流场的压力波峰、压力上升速 度、火焰传播速度等宏观变化，对认识阻燃剂抑制 瓦斯爆燃的研究是不充分的，也就无法真正的掌握 阻燃剂抑制瓦斯爆燃的机理。以阻燃剂细水雾为 例，细水雾与火焰阵面的相互作用是一个复杂的气 液两相间传热、 传质的过程[9]， 然而在实际研究中发 现[10-12]， 少量细水雾出现增强爆炸， 足量细水雾抑制 爆炸 2 种完全相反的结果，对于细水雾导致爆炸增 强这一现象学者们仅仅从数据的变化“猜测”是由 于少量的细水雾导致预混气体发生湍流效应，火焰 结构发生了变化，给出了细水雾增强爆炸这种笼统 的定性解释，却无法给出细水雾如何使火焰结构发 生具体变化的定量解释，对细水雾增强和抑制爆燃 的机理从微观层面并未真正掌握，也就无法提出真 正有效的抑爆措施，这也是现有的阻燃剂在实际应 用中效果并不理想主要原因。 基于上述分析，传统的测量方式由于具有一定 的局限性，无法从微观层面充分认识阻燃剂抑制瓦 斯爆燃的机理[13]， 也就无法提出有效的抑爆措施， 因 此，在阻燃剂抑制瓦斯爆燃实验研究中引入激光纹 影技术等光学测试手段是一个必然的趋势，对重新 认识阻燃剂抑制瓦斯爆燃的本质和进一步提出高效 的抑爆措施具有重要的意义。 2阻燃剂抑制瓦斯爆燃的实验方案 2.1实验系统 本次实验平台主要由爆炸激波管系统、瓦斯配 气系统、 抽真空系统、 高压点火系统、 东华数据测量 系统、 细水雾喷射系统和高速摄影系统 7 部分组成， 多目标同步控制系统实验原理图如图 1， 爆炸激波管系统由 1 节方形管道和带有观察窗 口的实验段构成， 管道采用法兰盘连接而成， 管道截 面为 200 mm200 mm 的方形， 长度为 4 000 mm， 方 形管道同一横截面积处的侧面和顶面的开有小孔用 于安装压力和火焰传感器，观察窗口的直径为 200 mm； 配气系统由瓦斯预混气罐、 空压机、 瓦斯气瓶、 真空泵、 数字压力表、 高压输气管组成； 抽真空系统 由真空泵、 真空计、 抽真空管路组成； 高压点火系统 由电容、 电压调节器、 电极等组成， 电极布置在激波 管开端的尼龙盘上，实验过程中采用点火能 5 J； 东 华数据测量系统由电脑、 压力传感器、 火焰传感器、 东华数据采集软件组成，其中数据采集卡的采样频 率最高为 20 MHz，压力传感器采用美国 PCB 公司 的压电传感器，型号为 M111A22，灵敏度为 0.145 mV/kPa， 最大量程 6.9 MPa， 采样频率≥500 kHz； 火 209 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 表 1同步控制系统时间变量 Table 1Time variables of synchronous control system 时间变量定义备注 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 信号发生器产生 TTL0 信号 的时刻 数据测量系统响应时间 高压点火系统的响应时间 火焰阵面运动到观察窗口 时间 细水雾喷射系统响应时间 水雾液滴运动到观察窗口 时间 高速相机响应时间 设置延时时间 系统的 “0” 时刻 东华数据采集软件响应 时间可忽略 点火能量不同， 点火装置 响应时间不同 通过多组实验得到[14] 需要通过设置实验测得 通过计算直接获得 响应时间为 ns 级可忽略 由各时间变量确定 焰传感器测量系统为自行研究设计，包括光纤、 光 纤传感器、 光电集成器组成， 灵敏度为 1 mV/mV。实 验过程中，将测得的压力数据和火焰数据输送到东 华数据采集软件中即可在电脑操作界面完成对数据 曲线的读取和分析。 2.2细水雾抑制瓦斯爆燃实验系统的同步控制 如何准确、 清晰、 完整的获得细水雾与火焰阵面 作用时的流场图像资料是阻燃剂抑制瓦斯爆燃实验 研究的核心，而合理设置通道延时时间，使火焰阵 面运动到观察窗口时，细水雾喷射系统喷射进入管 道的水雾液滴也恰好运动到观察窗口与火焰阵面相 作用，这是整个实验系统达到同步控制的重点和关 键点。因此，对光学测量系统中涉及的不同设备的 时间变量进行定义， 同步控制系统时间变量见表 1。 在上述同步控制方案中，使火焰阵面或水雾液 滴在观察窗口恰好相遇需要满足以下时间关系 t2t3t4t5t7t1t6 即需要测得高压点火系统中的点火响应时间 t2、瓦斯爆燃火焰阵面运动到观察窗口的时间 t3、 细 水雾喷射系统的响应时间 t4、水雾液滴运动到观察 窗口的时间 t5和设置的通道延时时间 t7。 整个实验系统中工作流程为信号发生器产生 信号 TTL0后进入时间延时器后， 在输出端的 4 个通 道中产生信号 TTL1、 TTL2、 TTL3和 TTL4，其中信号 TTL1、 TTL2经过固体继电器后， TTL1控制高压点火 系统的点火装置，实现高压放电引燃瓦斯预混气 体； TTL2启动细水雾喷射系统，喷射细水雾进入实 验管道； 信号 TTL3控制东华数据采集软件进行数据 的采集和 TTL4控制高速相机的外触发口， 打开相机 进行拍摄。 为了简化实验的技术难度并减少实验误差， 本 设计方案中不在设计高压点火装置响应时间测试方 案获得高压点火系统的响应时间 t2和通过多组实验 获得火焰运动到观察窗口的时间 t3， 将 t2t3T1直接 定义为观察窗口火焰阵面出现时间；将 t4t5t7T2 直接定义为水雾液滴到达观察窗口时间。当 T1T2 时，即火焰阵面和水雾液滴在观察窗口恰好相遇， 便可准确、 清晰、 完整的获得水雾液滴与火焰阵面作 用的流场图像，而上述过程的关键在于确定合适的 通道延时时间， 根据表 1 和上述分析可知， 通道延时 时间 t7 T1－（t4t5） 。其中， 观察窗口火焰阵面出现 时间 T1可以通过东华数据采集软件读取， 通常在实 验中使用的实验延时器延时精度小于 2 μs[15]， 近似 认为等于 0，东华数据采集软件的最高采样频率为 20 MHz， 数据测量系统响应时间 t1也可直接忽略不 计， 便认为信号发生器产生信号 TTL0的时刻， 东华 数据采集也同步开启。因此，观察窗口火焰阵面出 现时间 T1可以经过多次重复实验确定； 水雾液滴运 动到观察窗口的时间 t5，可以通过查阅采用的喷嘴 参数获得水雾液滴的速度或者通过采用 PDPA 对水 雾参数进行测量获得水雾液滴的速度，同时测量喷 嘴安装位置到观察窗口的距离，通过计算便可得到 水雾液滴运动到观察窗口的时间 t5，细水雾喷射系 统的响应时间 t4需要通过设计实验获得。 3实验测试 3.1观察窗口火焰阵面出现时间测试 火焰阵面在观察窗口出现时间 t1测量方案示意 图如图 2。 火焰阵面在观察窗口出现时间 t1的测试流程 如下 1） 在实验管道观察窗口的中心位置处安装火焰 传感器。 2） 利用信号发生器产出信号 TTL0， 进过时间延 图 2火焰阵面在观察窗口出现时间 t1测量方案示意图 Fig.2Schematic diagram of t1measurement scheme for the appearance time of flame array in the observation window 210 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 4细水雾喷射系统响应时间 t4测试高速摄影图 Fig.4High-speed photography of the response time t4test for the fine water spray system 表 2观察窗口火焰阵面出现时间 t1的实验数据 Table 2Observation window flame array appearance time t1experimental data 实验序号火焰出现时间 t1/s实验序号火焰出现时间 t1/s 10.113 640.112 3 20.103 450.119 7 30.121 160.109 8 时器后， 在输出端产生信号 TTL1和 TTL3， 信号 TTL1 经过固体继电器后控制高压点火系统中的点火装 置， 实现高压放电引燃瓦斯预混气体； 信号 TTL3控 制东华数据采集软件，打开数据采集系统进行数据 的采集。 3） 东华数据采集软件中读取火焰信号出现时 间， 即为观察窗口火焰阵面出现时间 t1。 4 ） 进行多组实验， 获得观察窗口火焰阵面出现 时间 t1的平均值。 3.2细水雾喷射系统响应时间测试 细水雾喷射系统响应时间 t4测量方案示意图如 图 3。 响应时间 t4测试流程如下 1） 将细水雾喷射系统的喷嘴固定在实验管道中， 并使细水雾喷射系统的喷嘴在高速相机的拍摄范 围内。 2） 单独打开细水雾喷射系统提前喷射 10 s， 将细 水雾喷射系统管道中残存的空气排出，使管道中充 满液态水。 3） 将 1 张打印纸覆盖在喷嘴处， 通过观察窗口 拍摄打印纸的运动状况。 4 ） 利用信号发生器产出信号 TTL0， 进过时间延 时器后， 在输出端产生信号 TTL2和 TTL4， 信号 TTL2 经过固体继电器作用于电磁阀开启细水雾喷射系 统， 信号 TTL4用于开启高速相机进行拍摄。 5 ） 通过高速相机所拍摄的照片， 确定打印纸位 置发生变化所拍摄的第 1 张照片，打印纸位置发生 变化时的时间可以通过高速相机的图像帧数和间隔 时间确定，打印纸位置发生变化时记录的时间即为 细水雾喷射系统响应时间 t4。 6） 进行多次试验， 获得多次细水雾喷射系统响 应时间 t4的平均值。 4实验结果 根据观察窗口火焰阵面出现的测试方案，采用 外部触发的方式，体积分数为 9.5的瓦斯预混气 体， 高压点火系统的点火能为 5 J， 东华数据采集软 件的采样频率设为 1 MHz。进行多次实验， 6 组实验 所测的观察窗口火焰阵面出现时间为 0.113 3 s， 观 察窗口火焰阵面出现时间 T1的实验数据表 2。 根据细水雾喷射系统响应时间测试方案，采用 3 种不同的拍摄速度进行了 3 组实验，寻找 3 种拍 摄速度下打印纸的状态发生变化的第 1 张照片， 细 水雾喷射系统响应时间 t4测试高速摄影图如图 4， 图中的白色物体为覆盖在细水雾喷嘴上的打印纸， 经过 3 组实验得到细水雾喷射系统响应时间的平均 值为 8.716 ms，细水雾喷射系统响应时间 t4的实验 数据表 3。 5结语 在阻燃剂抑制瓦斯爆燃光学测试系统中，为了 能准确获得瓦斯爆燃过程中火焰阵面与细水雾相作 用时火焰形态变化和激波演化过程的图像资料， 多 设备耦合时间同步控制是其中的关键技术。通过设 图 3细水雾喷射系统响应时间 t4测量方案示意图 Fig.3The response time t4measurement scheme of the fine water mist injection system 表 3细水雾喷射系统响应时间 t4的实验数据 Table 3Experimental data of response time t4of the fine water spray system 序号拍摄速度/s-1照片帧数响应时间 t4/ms 1 2 3 4 000 8 000 10 000 35 68 89 8.750 8.500 8.900 211 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 surface due to oxidation ［J］ . 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