激光紋影技術在煤礦瓦斯爆燃研究中的應用

胡 洋，吳秋遐，張延煒，秦漢圣，龐 磊，梁金虎，楊雨欣，陳明虎

（1.華北科技學院 安全工程學院，北京101601；2.北京石油化工學院 安全工程學院，北京102617；3.中北大學 環(huán)境與安全學院，山西 太原030051）

近年來，由于受到當前世界宏觀經(jīng)濟的嚴重影響，我國煤炭工業(yè)及其相關產(chǎn)品的生產(chǎn)量明顯下降，但這并不是直接影響我國煤炭工業(yè)及其相關產(chǎn)品生產(chǎn)量的重要因素,瓦斯事故才是其最重要的影響因素。在中國的工業(yè)生產(chǎn)重大事故中，煤炭工業(yè)發(fā)生的重大事故往往是導致傷亡最嚴重的，其中煤礦瓦斯爆炸災害事故所導致的傷亡比重也是最大的。每年影響我國工業(yè)生產(chǎn)的重大事故中，工業(yè)煤礦重大事故所占比例約為90%，非工業(yè)煤礦重大事故所占比例約為4%，其他所占比例約為6%。而且在煤礦3人及以上的死亡事故中，瓦斯死亡事故所占比例約為69.1%[1]。其中的瓦斯爆炸、爆燃事故，是造成經(jīng)濟、人員損失最嚴重的。目前的研究手段僅僅是從宏觀的角度進行分析，并不能正確地認識激波和火焰之間的耦合關系，也不能“看到”流場結構內部的信息，因此也就無法提出阻燃抑爆真正有效的措施。因此，將激光紋影技術引用到煤礦瓦斯爆燃的研究領域，從微觀這一新的研究角度研究瓦斯與空氣預混氣體爆燃,不僅可以有效預防煤礦瓦斯爆炸及燃燒的發(fā)生，進而減少事故發(fā)生，而且對煤礦瓦斯爆燃事故的事后救援、分析及監(jiān)督具有重要的意義。

1 研究背景

在我國煤炭資源開采的過程中，從原燃煤、巖層中自然涌出的有害氣體的統(tǒng)稱就是瓦斯，以CH4為主（通常占瓦斯氣體含量的90%以上）[2]。煤礦井下發(fā)生的可燃瓦斯氣體爆炸現(xiàn)象屬于可燃化學氣體中的爆炸、爆燃現(xiàn)象，并且瓦斯這種可燃化學氣體的冷熱火焰輻射傳播過程是1個主要涉及可燃氣體熱的流動、熱交換和火焰輻射的復雜化學過程[3]。瓦斯爆炸的發(fā)生一般是伴隨著1種前驅沖擊波(即誘導激波)快速傳播的爆燃現(xiàn)象，發(fā)生煤礦瓦斯氣體爆炸及燃燒的主要原因雖然是復雜多樣的,但歸根結底還是與不能對煤礦瓦斯爆燃流場內部結構的信息正確掌握有關。

雖然煤礦瓦斯爆燃事故已經(jīng)開始引起多方面的重視，國家多次拿出立項資金研究此類爆燃問題,國內的很多專家、學者也通過采用不同的技術手段做了大量的問題研究論證工作,但此類爆燃事故依舊頻繁的發(fā)生。這是因為目前大多數(shù)科學研究人員工作的主要目的是對瓦斯與空氣的預混氣體發(fā)生的爆燃現(xiàn)象進行峰值測量壓力、產(chǎn)物測量溫度、火焰氣體運動及加速度等多個不同位置的測量點的信息關系進行單一對比研究。而真實的流場由于經(jīng)常受到巷道復雜度和幾何結構壁面高度約束力的影響,激波會同時發(fā)生快速反射和繞射的運動現(xiàn)象,因此僅通過使用壓力、火焰?zhèn)鞲衅鳒y量所得的結果不能全面、準確地認識爆燃流場的運動規(guī)律。另外，利用光電信號轉換得到的測量呈現(xiàn)三維凹陷結構陣面火焰的速度結果也不可靠。目前的研究手段僅僅是從宏觀的角度進行分析，并不能正確地認識激波和火焰之間的耦合關系，也不能“看到”流場結構內部的信息，因此也就無法提出阻燃抑爆真正有效的措施。

基于上述分析，提出將激光紋影技術應用到煤礦瓦斯爆燃的研究領域。紋影技術是1種應用得較為廣泛的光學技術，于1884年被Toepler所提出[4]。這種技術可以用于顯示折射率、溫度和密度等量的不均勻性，甚至可以與激光技術、計算機技術等結合起來，進行定性觀測與定量測量，提高測量準確度。這項技術已經(jīng)在很多領域得到應用，例如光學玻璃折射率的檢測、超聲波聲場的檢測和超聲速燃燒室流場的顯示等，并得到了一定程度的成果[5]，但這項技術一直沒有延伸到煤礦瓦斯爆燃的研究當中。紋影技術作為能夠研究復雜流場的一項重要技術，非常適合應用到流場結構內部包含許多有用信息的煤礦瓦斯爆燃流場。從微觀這一新的研究角度研究瓦斯與空氣預混氣體爆燃,“看到”爆燃流場結構內部的信息，并在此基礎上重新認識激波和火焰之間的耦合關系、障礙物加速火焰的激勵效應[6]、惰性介質阻燃劑抑制爆燃的本質[7]，對于研究煤礦瓦斯爆燃將是一次嶄新的突破。

2 激光紋影技術

紋影技術是一種光學攝影技術,它的工作原理主要是利用光在流體中快速流動時對入射光波的光線折射,使原本不能清晰可見的氣流等可視化,從而對其現(xiàn)象進行觀測和分析。激光紋影成像技術則是在紋影技術的基礎上加以改進，通過技術建立以光學激光技術為主要光源的紋影儀系統(tǒng),在線同時獲取并監(jiān)測不同的紋影現(xiàn)象,通過拍攝得到并保存相應的紋影圖像[8]，并可以定性觀測、分析不同因素的影響，甚至可以定量測量、分析一些因素，其成果將有助于進一步的理論分析。

2.1 激光紋影技術機理

光學紋影的成像方法主要是:當平行光線穿過可能存在密度梯度的非均勻流場時,平行光線發(fā)生不同角度的偏轉，因此可以沿平行光線的垂直方向得到1個反映流場密度梯度變化的圖像[9]。結合紋影系統(tǒng)的成像原理，可以知道：激光紋影系統(tǒng)是主要包括激光器、凹球反射鏡、平面鏡、濾光片、刀口及升降平臺等光學元件[10]，這些元件進行不同的組合和位置變化來滿足不同目標的觀測要求。

紋影的測試方法中，可以定量給出密度場梯度變化的理論依據(jù)[11]為Gladstone-Dale公式：

式中：n為折射率，是關于密度ρ的函數(shù)，即n＝n（ρ）；K為Gladstone－Dale常數(shù)；ρ為密度；β為無量綱常數(shù)；ρs為標準狀態(tài)下的氣體密度。

因此，可以由測量得到的流場折射率分布轉換為所需的密度梯度分布，光學紋影的測試方法實際原理就是如此。在非均勻的流場中，平行光線不再沿直線傳播，而是會偏向其正密度方向，紋影系統(tǒng)密度場原理圖如圖1。

圖1 紋影系統(tǒng)密度場原理圖Fig.1 Schematic diagram of density field for schlieren system

設置在第1面透鏡左邊的光源，由透鏡形成平行光線通過測試段，并匯集在第2面透鏡右側的焦點平面上的刀口處，并能在圖像記錄裝置上記錄成像。對于均勻流場，是如此，刀口處可以看到入射光源和成像。但對于假設擁有若干個非均勻點Ai（i＝1、2、3、…）的非均勻流場，會有所不同。平行光線會因為各非均勻點的折射率n不同，通過非均勻流場時發(fā)生不同角度的偏轉[10]。紋影測試系統(tǒng)光路原理圖如圖2，光源S與透鏡L1相距f1，測試段與透鏡L2相距p，透鏡L2與刀口相距f2。

圖2 紋影測試系統(tǒng)光路原理圖Fig.2 Schematic diagram of schlieren test system

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，通過A處的光線發(fā)生α角度的偏轉，形成像A′，并且偏轉光線不再匯集于第2面透鏡的右焦點平面上的刀口處。與未發(fā)生偏轉的流場相比，其位置發(fā)生了f2α的位移。

根據(jù)折射的相關公式可以得到折射率與偏射角的關系公式為：

式中：α為偏射角；z為平行光線入射方向分布；y為與z垂直的流場方向分布。

因此，可以通過折射率與偏射角的關系，由偏射角的角度轉換得到流場的折射率分布。結合式（1）、式（2）就可以由偏射角的角度轉換得到所需的流場密度梯度分布。

2.2 激光紋影光路布置

典型的紋影系統(tǒng)光路布置大致有“M”型、“Z”型和直線型3種，光路布置圖如圖3。

圖3 光路布置圖Fig.3 Typical optical path layouts

“M”型光路布置是指在實現(xiàn)目標觀測要求的前提下，將入射光源與成像放于同一側，利用光學元件使光線成“M”狀。“Z”型光路布置是指在實現(xiàn)目標觀測要求的前提下，將入射光源與成像放于不同的兩側，利用光學元件使光線成“Z”狀。直線型光路布置是指在實現(xiàn)目標觀測要求的前提下，將所有的光學元件布局于1條直線上成直線狀。一般凹透鏡的紋影系統(tǒng)通常采用“Z”型光路布置[12]。另外，“Z”型光路布置相比于其他2種的光路布置具有尺寸緊湊，光線自身不會對成像產(chǎn)生影響的優(yōu)點[13]，便于對成像進一步分析。

3 實驗方案設計與初步結果調試

3.1 實驗設計

為了更好地獲得煤礦瓦斯在爆燃時激波的演變過程和火焰的微觀結構流場，設計了相應的實驗顯示系統(tǒng)[14-15]。同時結合目前實驗室的現(xiàn)狀，實驗系統(tǒng)主要包括中尺度爆炸激波管道、點火系統(tǒng)、預混系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、壓力與火焰信號采集系統(tǒng)和超高速激光紋影系統(tǒng)等。在已建成的中尺度爆炸激波管道上進一步搭建激光紋影系統(tǒng)，并根據(jù)實驗室的空間大小限制，結合3種紋影系統(tǒng)光路布置的特點，選擇具有尺寸緊湊優(yōu)點的“Z”型光路布置?！癦”型激光紋影系統(tǒng)光路布置圖如圖4。

圖4“Z”型激光紋影系統(tǒng)光路布置圖Fig.4 Light path layout of“Z”laser schlieren system

根據(jù)圖4連接實驗系統(tǒng)。首先連接11段激波管道，觀察窗采用2塊石英玻璃并設置在末段管道。下一步架設壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?，傳感器按照一對一的原則進行布置，并記錄好相應的傳感器位置，以便于實驗數(shù)據(jù)采集。完成后開始檢驗系統(tǒng)的氣密性，通過不斷的調試和檢查，直到顯示氣密性良好為止。下一步連接點火系統(tǒng)，檢查電極，確保其能高壓放電產(chǎn)生火花。下一步連接超高速激光紋影系統(tǒng)，根據(jù)光路布置圖調整“Z”型光路布置，將超高速攝像機架設于激光紋影系統(tǒng)透鏡的成像焦點后，并調整焦距。布置完成后，根據(jù)之前實驗數(shù)據(jù)總結的規(guī)律，設置激光紋影系統(tǒng)的延遲時間。下一步同步系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以保證采集的數(shù)據(jù)精確。最后，進行配氣。先對密閉罐抽真空，后將甲烷和空氣按體積百分數(shù)充到密閉罐中，靜置，數(shù)小時后對連接好的激波管道抽真空，再將混合氣體充到激波管道內作為進行實驗的氣體。為保證這個實驗的順利完成，應著重注意多目標耦合時間的同步控制。實驗時首先利用高壓點火系統(tǒng)放電以點燃激波管道內的瓦斯與空氣的預混氣體，與此同時，啟動瞬態(tài)存儲器記錄下爆燃過程中的壓力、火焰信號。另一方面同時觸發(fā)紅寶石激光器中的氙燈，氙燈再根據(jù)延遲時間控制器中事先設置的好的延遲時間延時發(fā)光，進而使激光紋影系統(tǒng)啟動，光線經(jīng)過多個透鏡的反射,后經(jīng)聚光進入超高速攝像機，拍攝并儲存畫像。

3.2 系統(tǒng)調試

為驗證紋影光源調試是否合理，分別采用了紅寶石激光器、連續(xù)LED等作為光源，對紋影流場進行了光源調試。主要結果如下：紅寶石激光器的脈沖光源非常適合拍攝瓦斯與空氣預混氣體爆燃的瞬態(tài)變化流場。通過成像設備CCD相機得到的紋影照片，會因為流場的自發(fā)光過強而在相機上出現(xiàn)過度曝光的現(xiàn)象，無法清晰地辨認瓦斯與空氣預混氣體的爆燃流場的火焰紋影圖像，因此可以在刀口后添加合適的濾光片來濾除自發(fā)光。為驗證紋影光路布置是否合理，采用蠟燭燃燒流場調試“Z”型激光紋影系統(tǒng)，主要結果如下：實驗設計的激光紋影系統(tǒng)可以得到蠟燭燃燒流場的紋影圖片，通過圖片可以顯示蠟燭燃燒流場的密度梯度變化。激光紋影（蠟燭燃燒流場的密度梯度變化）如圖5。

圖5 激光紋影（蠟燭燃燒流場的密度梯度變化）Fig.5 Laser schlieren（density gradient change of candle combustion flow field）

需要特別指出的是，濾光片雖然可以濾除部分自發(fā)光窄帶以外的燃燒自發(fā)光，但爆燃流場的自發(fā)光強度并不是恒定的，而是會隨時間變化而變化。因此即使采用濾光片，也可能會出現(xiàn)因為自發(fā)光過強，CCD相機依然過度曝光的現(xiàn)象。這一過度曝光現(xiàn)象仍需要進一步的研究與改進。激光紋影（火焰自發(fā)光太強，過度曝光）如圖6。

圖6 激光紋影（火焰自發(fā)光太強，過度曝光）Fig.6 Laser schlieren（too much spontaneous flame light，overexposed）

3.3 實驗結果

為了測試紋影實驗系統(tǒng)與CCD相機及整個實驗延時同步控制系統(tǒng)的配合情況，采用8 000幅/s的CCD相機拍攝瓦斯與空氣預混氣的爆燃過程（紅寶石激光+濾光片）。瓦斯爆燃流場高速紋影如圖7，圖7給出了實驗得到的具有代表性的拍攝結果。根據(jù)圖7可以看出：只能得到火焰流場的紋影照片。在t=0μs時，拍攝已經(jīng)開始，但火焰流場還沒有過來；在t=625μs時，火焰流場已經(jīng)過去，拍攝仍在繼續(xù)。這是因為激波和火焰面均是以非定常的速度向前運動，結果激波和火焰面之間的距離也是非定值，對應的激波與火焰面之間的時間差就不能精確地給出，因此延時時間同步系統(tǒng)就很難控制。此外即使采用8 000幅/s拍攝速率依然無法達到滿意的效果，這是因為拍攝速率偏低會導致曝光時間偏長，造成了流場沖擊波陣面厚度增加。即使設置了精確地延時時間，同時拍攝到激波和火焰，也會出現(xiàn)激波陣面模糊的現(xiàn)象。

圖7 瓦斯爆燃流場高速紋影Fig.7 High speed schlieren

4結語

為了準確獲取煤礦瓦斯爆燃流場結構內部的微觀信息，將成像技術、爆炸和燃燒理論相結合,提出了激光紋影技術，從微觀這一新的研究角度研究煤礦瓦斯爆燃,并在此基礎上揭示煤礦瓦斯爆燃過程中激波與火焰之間的耦合關系。根據(jù)實驗結果可以知道煤礦瓦斯爆燃流場不同于爆轟流場。爆轟流場中沖擊波和火焰陣面是耦合在一起向前傳播的，且速度變化程度不大，因此可以設置精確地系統(tǒng)延時時間，實驗重復性較高。而爆燃流場的延時時間同步系統(tǒng)很難控制，激波和火焰面均是以非定常的速度向前運動，激波和火焰的圖像就很難能夠同時獲取。因此解決上述問題的關鍵是合理調節(jié)超高速相機的激光源、光路精度、延時時間和拍攝速率。紋影技術是一種相對安全的非接觸測量手段，可以實現(xiàn)對煤礦瓦斯爆燃流場結構進行微觀分析的實驗研究，將傳統(tǒng)的理論分析上升為可觀察，可測量的，具有視覺性的新領域。在此基礎上，可以進一步添加障礙物、阻燃劑這些外部條件，例如在實驗段和泄爆倉加設BOPP膜片，摻入氮氣、二氧化碳等惰性介質等，運用激光紋影技術對煤礦瓦斯爆燃流場進行更加深入的研究。