瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃流場測試系統(tǒng)多參數(shù)耦合同步控制實(shí)驗(yàn)方法*

胡 洋，尹尚先，Bj?rn J. ARNTZEN，朱建芳，李雪冰，Ragnhild Dybdal OIE，秦漢圣

（1. 華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京 101601；2. 卑爾根大學(xué)，卑爾根 5020，挪威）

煤礦井下瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃給安全生產(chǎn)帶來了極大的災(zāi)害[1-2]，同時該類問題也一直是力學(xué)學(xué)科和安全學(xué)科所研究的經(jīng)典問題和前沿問題。近年來，學(xué)者們對其研究方法可分為數(shù)值模擬[3-4]和激波管實(shí)驗(yàn)[5-8]兩類。目前雖然數(shù)值模擬已經(jīng)可以揭示火焰?zhèn)鞑ミ^程中的流動現(xiàn)象，有助于理解層流火焰向湍流火焰轉(zhuǎn)變、燃燒不穩(wěn)定性和火焰形態(tài)變化等[9-10]，但是其計(jì)算結(jié)果卻可能因?yàn)槭艿剿惴熬W(wǎng)格的影響而產(chǎn)生偏差，因此激波管實(shí)驗(yàn)仍然是該類問題不可替代的研究方法。目前激波管實(shí)驗(yàn)已經(jīng)由現(xiàn)代的超高速紋影和瞬態(tài)光譜測試系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的壓力火焰速度傳感器測試系統(tǒng)，可以得到預(yù)混氣體爆燃過程中激波的演化過程及火焰的微觀結(jié)構(gòu)[11-12]。但在激波管配合超高速紋影和瞬態(tài)光譜系統(tǒng)進(jìn)行微觀流場測試時卻涉及到多個目標(biāo)的時間尺度控制問題，如電火花點(diǎn)火響應(yīng)時間、激波陣面到達(dá)觀察窗時間、火焰陣面到達(dá)觀察窗時間、控制惰性阻燃劑噴射系統(tǒng)的響應(yīng)時間、瞬態(tài)光譜ICCD 相機(jī)電子快門響應(yīng)時間和超高速相機(jī)CCD 電子快門響應(yīng)時間等。上述目標(biāo)的時間特征分別從秒到納秒量級，為得到清楚的流場微觀結(jié)構(gòu)和光譜圖像，需協(xié)調(diào)多個目標(biāo)的時間，完成同步控制。本文通過實(shí)驗(yàn)研究確定激波管測試系統(tǒng)中不同目標(biāo)的時間特征，設(shè)置合理的延時時間，為完成系統(tǒng)中預(yù)混氣體爆燃過程激波演化及火焰微觀結(jié)構(gòu)測試奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

圖1 為獲取瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃過程中激波形成過程和火焰微觀結(jié)構(gòu)流場顯示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括激波管、高壓點(diǎn)火系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、預(yù)混系統(tǒng)、壓力信號采集系統(tǒng)、火焰信號采集系統(tǒng)、阻燃劑噴射系統(tǒng)和高速攝影系統(tǒng)組成。激波管是截面形狀為200 mm×200 mm 的正方形，管道共11 段，總長為27.5 m，觀察窗口設(shè)置在末段管道，采用兩塊直徑為200 mm 的石英玻璃；高壓點(diǎn)火系統(tǒng)由低壓正極和地線產(chǎn)生放電，擊穿高壓正極和地線間的介質(zhì)，完成點(diǎn)火；真空系統(tǒng)由旋片泵和羅茨泵組成，其中旋片泵抽速為90 m3/h ，極限真空度0.7 Pa、羅茨泵抽氣速度為 5 00 m3/h ，極限真空度0.4 Pa；預(yù)混系統(tǒng)采用激波管外預(yù)混的思想，將甲烷和空氣分別按照預(yù)定的體積百分?jǐn)?shù)充入密閉罐中，待靜止數(shù)小時后充入激波管內(nèi)作為實(shí)驗(yàn)氣體備用；壓力信號采集系統(tǒng)包括壓電壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集卡，其中傳感器的采樣頻率為500 kHz，最大量程為6.9 MPa、數(shù)據(jù)采集卡的最高采樣頻率為20 MHz；火焰信號采集系統(tǒng)包括光電二極管和數(shù)據(jù)采集卡，其中光電二極管可將火焰產(chǎn)生的光信號通過光纖導(dǎo)入并轉(zhuǎn)化為電信號。

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

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)變量時間特征分析及同步控制方案

為了通過超高速紋影系統(tǒng)獲得更好的火焰與阻燃劑相互作用的流場圖像，需要對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中各個變量的時間特征加以分析，目的是使火焰到達(dá)觀察窗時，阻燃劑剛好噴射與火焰作用并且同時打開CCD 和ICCD 電子快門，獲得爆炸流場微觀信息。在整套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中需要同步控制的時間變量如表1 所示，分析可知實(shí)現(xiàn)同步控制的時間關(guān)系式為：

因此多目標(biāo)耦合的時間同步控制是本套實(shí)驗(yàn)的核心技術(shù)，即要求 T1=T2。實(shí)現(xiàn)T1=T2的同步控制方案如圖2 所示。

表 1 同步控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的變量Table 1 Variables in synchronous control experiment system

系統(tǒng)工作過程如下：函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生電平TTL0 送入時間延時器的輸入端，在輸出端的兩個通道CH1 和CH2 分別產(chǎn)生電瓶TTL1 和TTL2；電平TTL1 經(jīng)過固態(tài)繼電器控制高壓放電點(diǎn)火系統(tǒng)中的低壓正極和地線產(chǎn)生放電，其能量可擊穿系統(tǒng)中高壓正極和地線間的介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高壓放電；電平TTL2 經(jīng)過固態(tài)繼電器啟動阻燃劑噴射系統(tǒng)，噴射CO2/N2/H2O 等。

3 實(shí)驗(yàn)原理及測試方案

3.1 高壓點(diǎn)火裝置響應(yīng)時間測試

由上述分析可知，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中多目標(biāo)的同步控制，本小節(jié)通過實(shí)驗(yàn)確定高壓點(diǎn)火系統(tǒng)中，低壓正極與地線產(chǎn)生放電到擊穿高壓正極與地線間介質(zhì)的響應(yīng)時間。圖3 給出了高壓點(diǎn)火系統(tǒng)的測試方案。

圖 3 高壓點(diǎn)火系統(tǒng)放電響應(yīng)時間t1 測量方案示意圖Fig. 3 Schematic diagram of t1 measurement scheme for discharge response time of high voltage ignition system

3.2 阻燃劑噴射系統(tǒng)響應(yīng)時間測試

圖 4 阻燃劑噴射系統(tǒng)響應(yīng)時間t2 測量方案示意圖Fig. 4 Schematic diagram of response time t2 measurement scheme for flame retardant injection system

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5 為高壓點(diǎn)火系統(tǒng)響應(yīng)時間實(shí)測信號，其中點(diǎn)火電壓為5 000 V，數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率為1 MHz，火焰信號靈敏度1 mV/mV，TTL 信號10 mV/mV，觸發(fā)方式為信號觸發(fā)，07 通道信號為TTL 電平信號，09 通道為電火花信號。

圖 5 高壓點(diǎn)火系統(tǒng)放電響應(yīng)時間t1 實(shí)測數(shù)據(jù)Fig. 5 Experimental data of discharge response time of high voltage ignition system t1

重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表2 所示。

8 組實(shí)驗(yàn)所測得的高壓點(diǎn)火系統(tǒng)放電響應(yīng)時間平均值為22.75 μs，放電產(chǎn)生的電火花光照強(qiáng)度介于500～900 mV 之間，本實(shí)驗(yàn)的火焰測試系統(tǒng)存在干擾信號，波形特殊，幅值在275 mV左右。

表 2 高壓點(diǎn)火系統(tǒng)放電響應(yīng)時間t1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data on discharge response time of high voltage ignition system t1

圖6 為惰性介質(zhì)阻燃劑噴射系統(tǒng)響應(yīng)時間測試的高速攝影圖，共進(jìn)行了6 次實(shí)驗(yàn)，選用3 種拍攝速度。圖6 中的(a)～(f)為每一次實(shí)驗(yàn)高速攝影照片中所能找到的第一張打印紙運(yùn)動照片，圖中的白色矩形物為運(yùn)動的打印紙，白色圓點(diǎn)為惰性阻燃劑噴射孔，6 組實(shí)驗(yàn)得到的惰性阻燃劑噴射系統(tǒng)響應(yīng)時間平均值為4.492 ms，表3 給出每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖 6 惰性介質(zhì)阻燃劑噴射系統(tǒng)響應(yīng)時間測試高速攝影圖Fig. 6 Response time test of injection system for inert medium flame retardants

表 3 惰性介質(zhì)阻燃劑噴射系統(tǒng)響應(yīng)時間t2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Inert medium flame retardant injection system response time t2 experimental data

5 結(jié) 語

在爆炸激波管內(nèi)瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃過程測試系統(tǒng)中，多目標(biāo)耦合時間同步控制是關(guān)鍵，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，分別測試瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃系統(tǒng)中高壓點(diǎn)火系統(tǒng)和阻燃劑噴射系統(tǒng)的響應(yīng)時間。多組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高壓點(diǎn)火系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間為22.75 μs，阻燃劑噴射系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間為4.492 ms，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置合理的延時時間，為獲得瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃流場更精確的微觀信息奠定基礎(chǔ)。