阻燃劑抑制瓦斯爆燃光學(xué)測試實(shí)驗方案設(shè)計

胡 洋，秦漢圣，龐 磊，闞瑞峰，梁金虎，楊雨欣，陳明虎

（1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京101601；2.北京石油化工學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京102617；3.中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽 合肥230031；4.中北大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院，山西 太原030051）

近年來，全球的經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢對清潔型能源的需求越來越大，但我國由于富煤、少氣、貧油的能源結(jié)構(gòu)決定了在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)煤炭依舊是我國的能源支柱。我國90%的煤礦依舊采用井工的方式進(jìn)行開采[1]，由于開采技術(shù)的局限和人員素質(zhì)的不同，瓦斯爆炸事故為煤礦事故中的高發(fā)事故。為了從根源上杜絕煤礦瓦斯爆炸事故，學(xué)者們通過搭建縮小尺度的實(shí)驗管道平臺進(jìn)行相關(guān)的瓦斯爆燃實(shí)驗研究[2-4]。目前，傳統(tǒng)的測量方式借助壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?，無法獲得瓦斯爆燃流場的微觀信息，對流場的微觀變化僅是一種“可能性”的分析。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)測量方式的不足，學(xué)者們引入激光光譜、高速激光紋影等現(xiàn)代化的測量方式獲得流場的微觀信息，盡管在測量深度上邁出了一大步，但同時也對實(shí)驗的操作技術(shù)有了更高的要求，其中就涉及到整個實(shí)驗系統(tǒng)中不同設(shè)備響應(yīng)時間的研究，如高壓點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火響應(yīng)時間、瓦斯爆燃火焰陣面到達(dá)觀察窗的時間、細(xì)水霧噴射系統(tǒng)的響應(yīng)時間、水霧液滴運(yùn)動到觀察窗口的時間、高速攝影系統(tǒng)中的相機(jī)響應(yīng)時間等，而不同設(shè)備的響應(yīng)度不同，從秒到納秒量級，為了清晰、完整的獲得流場波系演化和火焰形態(tài)的變化過程，需要設(shè)計測量方案對多個設(shè)備的響應(yīng)時間進(jìn)行研究，為確定合理的通道延時時間提供理論依據(jù)，為細(xì)水霧抑制瓦斯爆燃光學(xué)測試奠定了實(shí)驗基礎(chǔ)。

1 研究背景

在煤礦中發(fā)生的瓦斯爆炸大多數(shù)為爆燃，沖擊波與火焰和爆炸產(chǎn)物分離，先與火焰在巷道中傳播，依靠所產(chǎn)生的高溫火焰的灼燒、爆炸沖擊波的破壞力和產(chǎn)生的有毒有害氣體造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[5]，而學(xué)者們對阻燃劑抑制瓦斯爆燃的實(shí)驗進(jìn)行了大量的研究，根據(jù)物理和化學(xué)2 種抑爆機(jī)理將其分為惰性氣體、惰性粉塵、多孔材料和水系物等4 大類[6]，但在實(shí)際應(yīng)用中均暴露出一定的問題，抑爆效果并不理想。

在阻燃劑抑制瓦斯爆燃的相關(guān)實(shí)驗研究中，爆炸壓力波在管道中發(fā)生反射、繞射等現(xiàn)象[7]，使流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，同時瓦斯爆燃過程是一個立體的三維結(jié)構(gòu)[8]，僅僅依靠傳統(tǒng)的測量方式從不同單一位置的數(shù)據(jù)分析爆炸流場的壓力波峰、壓力上升速度、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊群暧^變化，對認(rèn)識阻燃劑抑制瓦斯爆燃的研究是不充分的，也就無法真正的掌握阻燃劑抑制瓦斯爆燃的機(jī)理。以阻燃劑細(xì)水霧為例，細(xì)水霧與火焰陣面的相互作用是一個復(fù)雜的氣液兩相間傳熱、傳質(zhì)的過程[9]，然而在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)[10-12]，少量細(xì)水霧出現(xiàn)增強(qiáng)爆炸，足量細(xì)水霧抑制爆炸2 種完全相反的結(jié)果，對于細(xì)水霧導(dǎo)致爆炸增強(qiáng)這一現(xiàn)象學(xué)者們僅僅從數(shù)據(jù)的變化“猜測”是由于少量的細(xì)水霧導(dǎo)致預(yù)混氣體發(fā)生湍流效應(yīng)，火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，給出了細(xì)水霧增強(qiáng)爆炸這種籠統(tǒng)的定性解釋，卻無法給出細(xì)水霧如何使火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生具體變化的定量解釋，對細(xì)水霧增強(qiáng)和抑制爆燃的機(jī)理從微觀層面并未真正掌握，也就無法提出真正有效的抑爆措施，這也是現(xiàn)有的阻燃劑在實(shí)際應(yīng)用中效果并不理想主要原因。

基于上述分析，傳統(tǒng)的測量方式由于具有一定的局限性，無法從微觀層面充分認(rèn)識阻燃劑抑制瓦斯爆燃的機(jī)理[13]，也就無法提出有效的抑爆措施，因此，在阻燃劑抑制瓦斯爆燃實(shí)驗研究中引入激光紋影技術(shù)等光學(xué)測試手段是一個必然的趨勢，對重新認(rèn)識阻燃劑抑制瓦斯爆燃的本質(zhì)和進(jìn)一步提出高效的抑爆措施具有重要的意義。

2 阻燃劑抑制瓦斯爆燃的實(shí)驗方案

2.1 實(shí)驗系統(tǒng)

本次實(shí)驗平臺主要由爆炸激波管系統(tǒng)、瓦斯配氣系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、高壓點(diǎn)火系統(tǒng)、東華數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)、細(xì)水霧噴射系統(tǒng)和高速攝影系統(tǒng)7 部分組成，多目標(biāo)同步控制系統(tǒng)實(shí)驗原理圖如圖1，

圖1 多目標(biāo)同步控制系統(tǒng)實(shí)驗原理圖Fig.1 Multi-objective synchronous control system

爆炸激波管系統(tǒng)由1 節(jié)方形管道和帶有觀察窗口的實(shí)驗段構(gòu)成，管道采用法蘭盤連接而成，管道截面為200 mm×200 mm 的方形，長度為4 000 mm，方形管道同一橫截面積處的側(cè)面和頂面的開有小孔用于安裝壓力和火焰?zhèn)鞲衅鳎^察窗口的直徑為200 mm；配氣系統(tǒng)由瓦斯預(yù)混氣罐、空壓機(jī)、瓦斯氣瓶、真空泵、數(shù)字壓力表、高壓輸氣管組成；抽真空系統(tǒng)由真空泵、真空計、抽真空管路組成；高壓點(diǎn)火系統(tǒng)由電容、電壓調(diào)節(jié)器、電極等組成，電極布置在激波管開端的尼龍盤上，實(shí)驗過程中采用點(diǎn)火能5 J；東華數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)由電腦、壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌|華數(shù)據(jù)采集軟件組成，其中數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率最高為20 MHz，壓力傳感器采用美國PCB 公司的壓電傳感器，型號為M111A22，靈敏度為0.145 mV/kPa，最大量程6.9 MPa，采樣頻率≥500 kHz；火焰?zhèn)鞲衅鳒y量系統(tǒng)為自行研究設(shè)計，包括光纖、光纖傳感器、光電集成器組成，靈敏度為1 mV/mV。實(shí)驗過程中，將測得的壓力數(shù)據(jù)和火焰數(shù)據(jù)輸送到東華數(shù)據(jù)采集軟件中即可在電腦操作界面完成對數(shù)據(jù)曲線的讀取和分析。

2.2 細(xì)水霧抑制瓦斯爆燃實(shí)驗系統(tǒng)的同步控制

如何準(zhǔn)確、清晰、完整的獲得細(xì)水霧與火焰陣面作用時的流場圖像資料是阻燃劑抑制瓦斯爆燃實(shí)驗研究的核心，而合理設(shè)置通道延時時間，使火焰陣面運(yùn)動到觀察窗口時，細(xì)水霧噴射系統(tǒng)噴射進(jìn)入管道的水霧液滴也恰好運(yùn)動到觀察窗口與火焰陣面相作用，這是整個實(shí)驗系統(tǒng)達(dá)到同步控制的重點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。因此，對光學(xué)測量系統(tǒng)中涉及的不同設(shè)備的時間變量進(jìn)行定義，同步控制系統(tǒng)時間變量見表1。

表1 同步控制系統(tǒng)時間變量Table 1 Time variables of synchronous control system

在上述同步控制方案中，使火焰陣面或水霧液滴在觀察窗口恰好相遇需要滿足以下時間關(guān)系：

即需要測得高壓點(diǎn)火系統(tǒng)中的點(diǎn)火響應(yīng)時間t2、瓦斯爆燃火焰陣面運(yùn)動到觀察窗口的時間t3、細(xì)水霧噴射系統(tǒng)的響應(yīng)時間t4、水霧液滴運(yùn)動到觀察窗口的時間t5和設(shè)置的通道延時時間t7。

整個實(shí)驗系統(tǒng)中工作流程為：信號發(fā)生器產(chǎn)生信號TTL0后進(jìn)入時間延時器后，在輸出端的4 個通道中產(chǎn)生信號TTL1、TTL2、TTL3和TTL4，其中信號TTL1、TTL2經(jīng)過固體繼電器后，TTL1控制高壓點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火裝置，實(shí)現(xiàn)高壓放電引燃瓦斯預(yù)混氣體；TTL2啟動細(xì)水霧噴射系統(tǒng)，噴射細(xì)水霧進(jìn)入實(shí)驗管道；信號TTL3控制東華數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和TTL4控制高速相機(jī)的外觸發(fā)口，打開相機(jī)進(jìn)行拍攝。

為了簡化實(shí)驗的技術(shù)難度并減少實(shí)驗誤差，本設(shè)計方案中不在設(shè)計高壓點(diǎn)火裝置響應(yīng)時間測試方案獲得高壓點(diǎn)火系統(tǒng)的響應(yīng)時間t2和通過多組實(shí)驗獲得火焰運(yùn)動到觀察窗口的時間t3，將t2+t3=T1直接定義為觀察窗口火焰陣面出現(xiàn)時間；將t4+t5+t7=T2直接定義為水霧液滴到達(dá)觀察窗口時間。當(dāng)T1=T2時，即火焰陣面和水霧液滴在觀察窗口恰好相遇，便可準(zhǔn)確、清晰、完整的獲得水霧液滴與火焰陣面作用的流場圖像，而上述過程的關(guān)鍵在于確定合適的通道延時時間，根據(jù)表1 和上述分析可知，通道延時時間t7= T1－（t4+t5）。其中，觀察窗口火焰陣面出現(xiàn)時間T1可以通過東華數(shù)據(jù)采集軟件讀取，通常在實(shí)驗中使用的實(shí)驗延時器延時精度小于2 μs[15]，近似認(rèn)為等于0，東華數(shù)據(jù)采集軟件的最高采樣頻率為20 MHz，數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)響應(yīng)時間t1也可直接忽略不計，便認(rèn)為信號發(fā)生器產(chǎn)生信號TTL0的時刻，東華數(shù)據(jù)采集也同步開啟。因此，觀察窗口火焰陣面出現(xiàn)時間T1可以經(jīng)過多次重復(fù)實(shí)驗確定；水霧液滴運(yùn)動到觀察窗口的時間t5，可以通過查閱采用的噴嘴參數(shù)獲得水霧液滴的速度或者通過采用PDPA 對水霧參數(shù)進(jìn)行測量獲得水霧液滴的速度，同時測量噴嘴安裝位置到觀察窗口的距離，通過計算便可得到水霧液滴運(yùn)動到觀察窗口的時間t5，細(xì)水霧噴射系統(tǒng)的響應(yīng)時間t4需要通過設(shè)計實(shí)驗獲得。

3 實(shí)驗測試

3.1 觀察窗口火焰陣面出現(xiàn)時間測試

火焰陣面在觀察窗口出現(xiàn)時間t1測量方案示意圖如圖2。

圖2 火焰陣面在觀察窗口出現(xiàn)時間t1 測量方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of t1 measurement scheme for the appearance time of flame array in the observation window

火焰陣面在觀察窗口出現(xiàn)時間t1的測試流程如下：

1）在實(shí)驗管道觀察窗口的中心位置處安裝火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

2）利用信號發(fā)生器產(chǎn)出信號TTL0，進(jìn)過時間延時器后，在輸出端產(chǎn)生信號TTL1和TTL3，信號TTL1經(jīng)過固體繼電器后控制高壓點(diǎn)火系統(tǒng)中的點(diǎn)火裝置，實(shí)現(xiàn)高壓放電引燃瓦斯預(yù)混氣體；信號TTL3控制東華數(shù)據(jù)采集軟件，打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。

3）東華數(shù)據(jù)采集軟件中讀取火焰信號出現(xiàn)時間，即為觀察窗口火焰陣面出現(xiàn)時間t1。

4）進(jìn)行多組實(shí)驗，獲得觀察窗口火焰陣面出現(xiàn)時間t1的平均值。

3.2 細(xì)水霧噴射系統(tǒng)響應(yīng)時間測試

細(xì)水霧噴射系統(tǒng)響應(yīng)時間t4測量方案示意圖如圖3。

圖3 細(xì)水霧噴射系統(tǒng)響應(yīng)時間t4 測量方案示意圖Fig.3 The response time t4 measurement scheme of the fine water mist injection system

響應(yīng)時間t4測試流程如下：

1）將細(xì)水霧噴射系統(tǒng)的噴嘴固定在實(shí)驗管道中，并使細(xì)水霧噴射系統(tǒng)的噴嘴在高速相機(jī)的拍攝范圍內(nèi)。

2）單獨(dú)打開細(xì)水霧噴射系統(tǒng)提前噴射10 s，將細(xì)水霧噴射系統(tǒng)管道中殘存的空氣排出，使管道中充滿液態(tài)水。

3）將1 張打印紙覆蓋在噴嘴處，通過觀察窗口拍攝打印紙的運(yùn)動狀況。

4）利用信號發(fā)生器產(chǎn)出信號TTL0，進(jìn)過時間延時器后，在輸出端產(chǎn)生信號TTL2和TTL4，信號TTL2經(jīng)過固體繼電器作用于電磁閥開啟細(xì)水霧噴射系統(tǒng)，信號TTL4用于開啟高速相機(jī)進(jìn)行拍攝。

5）通過高速相機(jī)所拍攝的照片，確定打印紙位置發(fā)生變化所拍攝的第1 張照片，打印紙位置發(fā)生變化時的時間可以通過高速相機(jī)的圖像幀數(shù)和間隔時間確定，打印紙位置發(fā)生變化時記錄的時間即為細(xì)水霧噴射系統(tǒng)響應(yīng)時間t4。

6）進(jìn)行多次試驗，獲得多次細(xì)水霧噴射系統(tǒng)響應(yīng)時間t4的平均值。

4 實(shí)驗結(jié)果

根據(jù)觀察窗口火焰陣面出現(xiàn)的測試方案，采用外部觸發(fā)的方式，體積分?jǐn)?shù)為9.5%的瓦斯預(yù)混氣體，高壓點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火能為5 J，東華數(shù)據(jù)采集軟件的采樣頻率設(shè)為1 MHz。進(jìn)行多次實(shí)驗，6 組實(shí)驗所測的觀察窗口火焰陣面出現(xiàn)時間為0.113 3 s，觀察窗口火焰陣面出現(xiàn)時間T1的實(shí)驗數(shù)據(jù)表2。

表2 觀察窗口火焰陣面出現(xiàn)時間t1 的實(shí)驗數(shù)據(jù)Table 2 Observation window flame array appearance time t1 experimental data

根據(jù)細(xì)水霧噴射系統(tǒng)響應(yīng)時間測試方案，采用3 種不同的拍攝速度進(jìn)行了3 組實(shí)驗，尋找3 種拍攝速度下打印紙的狀態(tài)發(fā)生變化的第1 張照片，細(xì)水霧噴射系統(tǒng)響應(yīng)時間t4測試高速攝影圖如圖4，圖中的白色物體為覆蓋在細(xì)水霧噴嘴上的打印紙，經(jīng)過3 組實(shí)驗得到細(xì)水霧噴射系統(tǒng)響應(yīng)時間的平均值為8.716 ms，細(xì)水霧噴射系統(tǒng)響應(yīng)時間t4的實(shí)驗數(shù)據(jù)表3。

圖4 細(xì)水霧噴射系統(tǒng)響應(yīng)時間t4 測試高速攝影圖Fig.4 High-speed photography of the response time t4 test for the fine water spray system

表3 細(xì)水霧噴射系統(tǒng)響應(yīng)時間t4 的實(shí)驗數(shù)據(jù)Table 3 Experimental data of response time t4 of the fine water spray system

5 結(jié) 語

在阻燃劑抑制瓦斯爆燃光學(xué)測試系統(tǒng)中，為了能準(zhǔn)確獲得瓦斯爆燃過程中火焰陣面與細(xì)水霧相作用時火焰形態(tài)變化和激波演化過程的圖像資料，多設(shè)備耦合時間同步控制是其中的關(guān)鍵技術(shù)。通過設(shè)計實(shí)驗測量方案，得出觀察窗口火焰陣面出現(xiàn)的平均時間為0.113 3 s，細(xì)水霧噴射系統(tǒng)平均響應(yīng)時間為8.716 ms，以測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)置合理的通道延時時間達(dá)到多設(shè)備的同步控制，為細(xì)水霧抑制瓦斯爆燃光學(xué)測試奠定了實(shí)驗基礎(chǔ)，為揭示細(xì)水霧抑制瓦斯爆燃的本質(zhì)提供理論依據(jù)。