瓦斯/空气预混气体爆燃流场测试系统多参数耦合同步控制实验方法

胡洋 尹尚先 Bjørn J.ARNTZEN 朱建芳 李雪冰 Ragnhild Dybdal OIE 秦汉圣

胡洋, 尹尚先, Bjørn J.ARNTZEN, 朱建芳, 李雪冰, Ragnhild Dybdal OIE, 秦汉圣. 瓦斯/空气预混气体爆燃流场测试系统多参数耦合同步控制实验方法[J]. 爆炸与冲击, 2019, 39(9): 094201. doi: 10.11883/bzycj-2018-0312
引用本文: 胡洋, 尹尚先, Bjørn J.ARNTZEN, 朱建芳, 李雪冰, Ragnhild Dybdal OIE, 秦汉圣. 瓦斯/空气预混气体爆燃流场测试系统多参数耦合同步控制实验方法[J]. 爆炸与冲击, 2019, 39(9): 094201. doi: 10.11883/bzycj-2018-0312
HU Yang, YIN Shangxian, Bjørn J. ARNTZEN, ZHU Jianfang, LI Xuebing, Ragnhild Dybdal OIE, QIN Hansheng. Experimental study of multi-objective coupling synchronous control in gas/air premixed gas deflagration flow test system[J]. Explosion And Shock Waves, 2019, 39(9): 094201. doi: 10.11883/bzycj-2018-0312
Citation: HU Yang, YIN Shangxian, Bjørn J. ARNTZEN, ZHU Jianfang, LI Xuebing, Ragnhild Dybdal OIE, QIN Hansheng. Experimental study of multi-objective coupling synchronous control in gas/air premixed gas deflagration flow test system[J]. Explosion And Shock Waves, 2019, 39(9): 094201. doi: 10.11883/bzycj-2018-0312

瓦斯/空气预混气体爆燃流场测试系统多参数耦合同步控制实验方法

doi: 10.11883/bzycj-2018-0312
基金项目: 国家自然科学基金(51774136,51874134);“十三五”国家重点研发计划(2017YFC0804108,2016YFC0801502);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项目(0108023303);河北省自然科学基金(E2018508089);爆炸科学与技术国家重点实验室开放基金(KFJJ15-15M);华北科技学院中央高校基本科研业务费项目(3142018017,3142016018,3142017093)
详细信息
    作者简介:

    胡 洋(1979- ),男,博士,副教授,28770007@qq.com

    通讯作者:

    尹尚先(1964- ),男,博士,教授,yinshx03@qq.com

  • 中图分类号: O384

Experimental study of multi-objective coupling synchronous control in gas/air premixed gas deflagration flow test system

  • 摘要: 为了更精确地获得爆炸激波管内瓦斯/空气预混气体爆燃过程中,激波形成过程、压力和火焰传播速度以及火焰与惰性阻燃剂相互作用的流场演化图像。通过分析激波管测试系统中多个目标的时间响应特征及控制方式,利用超高速相机、光电倍增管、时间延时器、固态继电器、电荷放大器和数据采集系统等设备,设计实验方案,分别对激波管中瓦斯/空气预混气体爆燃高压点火系统的响应时间和惰性介质阻燃剂喷射系统的响应时间进行测试。实验结果表明电火花点火的响应时间为微秒量级,而阻燃剂喷射系统的响应时间为毫秒量级,以响应时间为依据,通过设置精确的延迟时间实现多目标同步控制,为完成激波管内瓦斯/空气预混气体爆燃过程的微观流场显示奠定基础。
  • 图  1  多目标同步同步控制系统实验原理图

    1. Ultra high speed acquisition; 2. Transient spectrum; 3. Solid state relay; 4. DG64; 5. Signal generator; 6. Igniter; 7. Digital acquisition; 8. Pulse laser; 9. Roots pump; 10. Control cabinet

    Figure  1.  Multi-objective synchronous control system

    图  2  高压点火装置与阻燃剂喷射装置同步控制实验方案示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of synchronous control experiment scheme for the high pressure ignition device and the flame retardant injection device

    图  3  高压点火系统放电响应时间t1测量方案示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of t1 measurement scheme for discharge response time of high voltage ignition system

    图  4  阻燃剂喷射系统响应时间t2测量方案示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of response time t2 measurement scheme for flame retardant injection system

    图  5  高压点火系统放电响应时间t1实测数据

    Figure  5.  Experimental data of discharge response time of high voltage ignition system t1

    图  6  惰性介质阻燃剂喷射系统响应时间测试高速摄影图

    Figure  6.  Response time test of injection system for inert medium flame retardants

    表  1  同步控制实验系统中的变量

    Table  1.   Variables in synchronous control experiment system

    变量含义备注
    t0信号发生器产生电平TTL0的时刻定义该时刻为系统的“0”时刻
    t1高压点火装置放电响应时间本文需实验测得响应时间尺度
    t2预混气体点火延时时间认为相同物质相同压力下该时间一致[13]
    t3火焰运动到观察窗时间需要通过多组实验得到较好的重复性[14]
    t4阻燃剂喷射系统响应时间本文需实验测得响应时间尺度
    t5阻燃剂运动到观察窗时间认为相同压力等长管路下该时间一致
    t6触发瞬态光谱ICCD快门时刻电子快门响应时间为ns级可忽略
    t7触发超高速相机CCD快门时刻电子快门响应时间为ns级可忽略
    td通道设置延时时间由上述各个变量确定
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    表  2  高压点火系统放电响应时间t1实验数据

    Table  2.   Experimental data on discharge response time of high voltage ignition system t1

    实验序号t1/μs实验序号t1/μs
    126N523
    224N624
    322N720
    421N822
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    表  3  惰性介质阻燃剂喷射系统响应时间t2实验数据

    Table  3.   Inert medium flame retardant injection system response time t2 experimental data

    实验序号拍摄速率/s−1照片帧数响应时间t2/μs
    1 4 000N194 500
    2 4 000N204 750
    3 8 000N364 375
    4 8 000N384 625
    510 000N454 400
    610 000N444 300
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  • [1] 劳动保护编辑部. 2017年重特大事故回顾 [J]. 劳动保护, 2018, 20(1): 16–18. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4335.2018.01.009.

    Labor protection editorial department. Review of serious and extraordinary accidents in 2017 [J]. Labor Protection, 2018, 20(1): 16–18. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4335.2018.01.009.
    [2] 李润之, 司荣军, 张延松, 等. 煤矿瓦斯爆炸特性及发展趋势 [J]. 煤炭技术, 2010, 29(4): 4–6.

    LI Runzhi, SI Rongjun, ZHANG Yansong, et al. Characteristics and development trend of coal mine gas explosion [J]. Coal Technology, 2010, 29(4): 4–6.
    [3] 陈鹏, 李艳超, 黄福军, 等. 方孔障碍物对瓦斯火焰传播影响的实验与大涡模拟 [J]. 爆炸与冲击, 2017, 37(1): 21–16. DOI: 10.11883/1001-1455(2017)01-0021-06.

    CHEN Peng, LI Yanchao, HUANG Fujun, et al. LES approach to premixed methane/air flame propagating in the closed duct with a square-hole obstacle [J]. Explosion and Shock Waves, 2017, 37(1): 21–16. DOI: 10.11883/1001-1455(2017)01-0021-06.
    [4] 王公忠, 张建华, 李登科, 等. 障碍物对预混火焰特性影响的大涡数值模拟 [J]. 爆炸与冲击, 2017, 37(1): 68–76. DOI: 10.11883/1001-1455(2017)01-0068-09.

    WANG Gongzhong, ZHANG Jianhua, LI Dengke, et al. Large eddy simulation of impacted obstacles’ effects on premixed flame's characteristics [J]. Explosion and Shock Waves, 2017, 37(1): 68–76. DOI: 10.11883/1001-1455(2017)01-0068-09.
    [5] 王高峰, 马承飚, 王宝源, 等. 激波诱导甲烷点火化学反应区的可视化实验研究 [J]. 科学通报, 2008, 53(19): 2371–2378. DOI: 10.3321/j.issn:0023-074X.2008.19.016.

    WANG Gaofeng, MA Chengju, WANG Baoyuan, et al. Visual experimental study on chemical reaction zone of shock-induced methane ignition [J]. Chinese Science Bulletin, 2008, 53(19): 2371–2378. DOI: 10.3321/j.issn:0023-074X.2008.19.016.
    [6] 张尊华, 李敬瑞, 万琦, 等. 激波管的调试与甲烷着火延迟时间的测量 [J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2017, 45(7): 56–60.

    ZHANG Zunhua, LI Jingrui, WAN Qi, et al. Calibration of shock tube and determination of ignition delay time formethane for methane [J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2017, 45(7): 56–60.
    [7] 王连聪, 罗海珠, 梁运涛, 等. 激波管中水对瓦斯爆炸反应动力学特性的影响 [J]. 煤炭学报, 2014, 39(10): 2038–2042. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2013.1383.

    WANG Liancong, LUO Haizhu, LIANG Yuntao, et al. Effects of water on reaction kinetic for gas explosion in shock tube [J]. Journal of China Coal Society, 2014, 39(10): 2038–2042. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2013.1383.
    [8] 任少云. 密闭空间内天然气混合及爆炸传播规律研究 [J]. 中国安全生产科学技术, 2016, 12(11): 130–135. DOI: 10.11731/j.issn.1673-193x.2016.11.022.

    REN Shaoyun. Study on mixing and explosion propagation laws of natural gas in confined space [J]. Journal of Safety Science and Technology, 2016, 12(11): 130–135. DOI: 10.11731/j.issn.1673-193x.2016.11.022.
    [9] CICCARELLIA G, DOROFEEV S. Flame acceleration and transition detonation in ducts [J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2008, 34: 499–550. DOI: 10.1016/j.pecs.2007.11.002.
    [10] BYCHKOV V, VALIEV D, AKKERMAN V, et al. Gas compression moderates flame acceleration in deflagration-to-detonation transition [J]. Combustion Science and Technology, 2012, 184(7-8): 1066–1079. DOI: 10.1080/00102202.2012.663995.
    [11] 蔺伟, 回岩, 王成, 等. 瓦斯体积分数对火焰传播规律影响的实验研究 [J]. 北京理工大学学报, 2015, 35(6): 552–555. DOI: 10.15918/j.tbit1001-0645.2015.06.001.

    LIN Wei, HUI Yan, WANG Cheng, et al. Experimental study on the effect of gas volume fraction on the law of flame propagation [J]. Journal of Beijing University of Technology, 2015, 35(6): 552–555. DOI: 10.15918/j.tbit1001-0645.2015.06.001.
    [12] 陈东梁, 孙金华, 刘义, 等. 甲烷/空气预混气体火焰的传播特征 [J]. 爆炸与冲击, 2008, 28(5): 385–390.

    CHEN Dongliang, SUN Jinhua, LIU Yi, et al. Propagation characteristics of premixed methane-air flames [J]. Explosion and Shock Waves, 2008, 28(5): 385–390.
    [13] 廖钦, 徐胜利. 雾化激波管研制和煤油点火延时测量 [J]. 实验流体力学, 2009, 23(3): 70–74. DOI: 10.3969/j.issn.1672-9897.2009.03.015.

    LIAO Qin, XU Shengli. The ignition delay measurement of atomized kerosene air mixture in an aerosol shock tube [J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2009, 23(3): 70–74. DOI: 10.3969/j.issn.1672-9897.2009.03.015.
    [14] 史晓亮, 徐景德, 徐胜利, 等. 中尺度管道内瓦斯爆炸压力火焰传播特性初步研究 [J]. 华北科技学院学报, 2016, 13(4): 76–82. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7169.2016.04.017.

    SHI Xiaoliang, XU Jingde, XU Shengli, et al. Preliminary study on pressure flame propagation characteristics of Gas explosion in mesoscale pipeline [J]. Journal of North China Institute of Science and Technology, 2016, 13(4): 76–82. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7169.2016.04.017.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-08-22
  • 修回日期:  2018-12-03
  • 网络出版日期:  2019-08-25
  • 刊出日期:  2019-09-01

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