阻燃劑抑制瓦斯爆燃光學測試實驗方案設計

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.中國科學院 合肥物質科學研究院，安徽 合肥230031；4.中北大學 環境與安全學院，山西 太原030051）

近年來，全球的經濟發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、貧油的能源結構決定了在相當長的一段時間內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行開采[1]，由于開采技術的局限和人員素質的不同，瓦斯爆炸事故為煤礦事故中的高發事故。為了從根源上杜絕煤礦瓦斯爆炸事故，學者們通過搭建縮小尺度的實驗管道平臺進行相關的瓦斯爆燃實驗研究[2-4]。目前，傳統的測量方式借助壓力傳感器、火焰傳感器，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。為了彌補傳統測量方式的不足，學者們引入激光光譜、高速激光紋影等現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，但同時也對實驗的操作技術有了更高的要求，其中就涉及到整個實驗系統中不同設備響應時間的研究，如高壓點火系統的點火響應時間、瓦斯爆燃火焰陣面到達觀察窗的時間、細水霧噴射系統的響應時間、水霧液滴運動到觀察窗口的時間、高速攝影系統中的相機響應時間等，而不同設備的響應度不同，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的變化過程，需要設計測量方案對多個設備的響應時間進行研究，為確定合理的通道延時時間提供理論依據，為細水霧抑制瓦斯爆燃光學測試奠定了實驗基礎。

1 研究背景

在煤礦中發生的瓦斯爆炸大多數為爆燃，沖擊波與火焰和爆炸產物分離，先與火焰在巷道中傳播，依靠所產生的高溫火焰的灼燒、爆炸沖擊波的破壞力和產生的有毒有害氣體造成巨大的人員傷亡和經濟損失[5]，而學者們對阻燃劑抑制瓦斯爆燃的實驗進行了大量的研究，根據物理和化學2 種抑爆機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]，但在實際應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實驗研究中，爆炸壓力波在管道中發生反射、繞射等現象[7]，使流場結構復雜多變，同時瓦斯爆燃過程是一個立體的三維結構[8]，僅僅依靠傳統的測量方式從不同單一位置的數據分析爆炸流場的壓力波峰、壓力上升速度、火焰傳播速度等宏觀變化，對認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理。以阻燃劑細水霧為例，細水霧與火焰陣面的相互作用是一個復雜的氣液兩相間傳熱、傳質的過程[9]，然而在實際研究中發現[10-12]，少量細水霧出現增強爆炸，足量細水霧抑制爆炸2 種完全相反的結果，對于細水霧導致爆炸增強這一現象學者們僅僅從數據的變化“猜測”是由于少量的細水霧導致預混氣體發生湍流效應，火焰結構發生了變化，給出了細水霧增強爆炸這種籠統的定性解釋，卻無法給出細水霧如何使火焰結構發生具體變化的定量解釋，對細水霧增強和抑制爆燃的機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，這也是現有的阻燃劑在實際應用中效果并不理想主要原因。

基于上述分析，傳統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識阻燃劑抑制瓦斯爆燃的機理[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驗研究中引入激光紋影技術等光學測試手段是一個必然的趨勢，對重新認識阻燃劑抑制瓦斯爆燃的本質和進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驗方案

2.1 實驗系統

本次實驗平臺主要由爆炸激波管系統、瓦斯配氣系統、抽真空系統、高壓點火系統、東華數據測量系統、細水霧噴射系統和高速攝影系統7 部分組成，多目標同步控制系統實驗原理圖如圖1，

圖1 多目標同步控制系統實驗原理圖Fig.1 Multi-objective synchronous control system

爆炸激波管系統由1 節方形管道和帶有觀察窗口的實驗段構成，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面和頂面的開有小孔用于安裝壓力和火焰傳感器，觀察窗口的直徑為200 mm；配氣系統由瓦斯預混氣罐、空壓機、瓦斯氣瓶、真空泵、數字壓力表、高壓輸氣管組成；抽真空系統由真空泵、真空計、抽真空管路組成；高壓點火系統由電容、電壓調節器、電極等組成，電極布置在激波管開端的尼龍盤上，實驗過程中采用點火能5 J；東華數據測量系統由電腦、壓力傳感器、火焰傳感器、東華數據采集軟件組成，其中數據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；火焰傳感器測量系統為自行研究設計，包括光纖、光纖傳感器、光電集成器組成，靈敏度為1 mV/mV。實驗過程中，將測得的壓力數據和火焰數據輸送到東華數據采集軟件中即可在電腦操作界面完成對數據曲線的讀取和分析。

2.2 細水霧抑制瓦斯爆燃實驗系統的同步控制

如何準確、清晰、完整的獲得細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驗研究的核心，而合理設置通道延時時間，使火焰陣面運動到觀察窗口時，細水霧噴射系統噴射進入管道的水霧液滴也恰好運動到觀察窗口與火焰陣面相作用，這是整個實驗系統達到同步控制的重點和關鍵點。因此，對光學測量系統中涉及的不同設備的時間變量進行定義，同步控制系統時間變量見表1。

表1 同步控制系統時間變量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系：

即需要測得高壓點火系統中的點火響應時間t2、瓦斯爆燃火焰陣面運動到觀察窗口的時間t3、細水霧噴射系統的響應時間t4、水霧液滴運動到觀察窗口的時間t5和設置的通道延時時間t7。

整個實驗系統中工作流程為：信號發生器產生信號TTL0后進入時間延時器后，在輸出端的4 個通道中產生信號TTL1、TTL2、TTL3和TTL4，其中信號TTL1、TTL2經過固體繼電器后，TTL1控制高壓點火系統的點火裝置，實現高壓放電引燃瓦斯預混氣體；TTL2啟動細水霧噴射系統，噴射細水霧進入實驗管道；信號TTL3控制東華數據采集軟件進行數據的采集和TTL4控制高速相機的外觸發口，打開相機進行拍攝。

為了簡化實驗的技術難度并減少實驗誤差，本設計方案中不在設計高壓點火裝置響應時間測試方案獲得高壓點火系統的響應時間t2和通過多組實驗獲得火焰運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時間；將t4+t5+t7=T2直接定義為水霧液滴到達觀察窗口時間。當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，而上述過程的關鍵在于確定合適的通道延時時間，根據表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時間T1可以通過東華數據采集軟件讀取，通常在實驗中使用的實驗延時器延時精度小于2 μs[15]，近似認為等于0，東華數據采集軟件的最高采樣頻率為20 MHz，數據測量系統響應時間t1也可直接忽略不計，便認為信號發生器產生信號TTL0的時刻，東華數據采集也同步開啟。因此，觀察窗口火焰陣面出現時間T1可以經過多次重復實驗確定；水霧液滴運動到觀察窗口的時間t5，可以通過查閱采用的噴嘴參數獲得水霧液滴的速度或者通過采用PDPA 對水霧參數進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動到觀察窗口的時間t5，細水霧噴射系統的響應時間t4需要通過設計實驗獲得。

3 實驗測試

3.1 觀察窗口火焰陣面出現時間測試

火焰陣面在觀察窗口出現時間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時間t1的測試流程如下：

1）在實驗管道觀察窗口的中心位置處安裝火焰傳感器。

2）利用信號發生器產出信號TTL0，進過時間延時器后，在輸出端產生信號TTL1和TTL3，信號TTL1經過固體繼電器后控制高壓點火系統中的點火裝置，實現高壓放電引燃瓦斯預混氣體；信號TTL3控制東華數據采集軟件，打開數據采集系統進行數據的采集。

3）東華數據采集軟件中讀取火焰信號出現時間，即為觀察窗口火焰陣面出現時間t1。

4）進行多組實驗，獲得觀察窗口火焰陣面出現時間t1的平均值。

3.2 細水霧噴射系統響應時間測試

細水霧噴射系統響應時間t4測量方案示意圖如圖3。

圖3 細水霧噴射系統響應時間t4 測量方案示意圖Fig.3 The response time t4 measurement scheme of the fine water mist injection system

響應時間t4測試流程如下：

1）將細水霧噴射系統的噴嘴固定在實驗管道中，并使細水霧噴射系統的噴嘴在高速相機的拍攝范圍內。

2）單獨打開細水霧噴射系統提前噴射10 s，將細水霧噴射系統管道中殘存的空氣排出，使管道中充滿液態水。

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動狀況。

4）利用信號發生器產出信號TTL0，進過時間延時器后，在輸出端產生信號TTL2和TTL4，信號TTL2經過固體繼電器作用于電磁閥開啟細水霧噴射系統，信號TTL4用于開啟高速相機進行拍攝。

5）通過高速相機所拍攝的照片，確定打印紙位置發生變化所拍攝的第1 張照片，打印紙位置發生變化時的時間可以通過高速相機的圖像幀數和間隔時間確定，打印紙位置發生變化時記錄的時間即為細水霧噴射系統響應時間t4。

6）進行多次試驗，獲得多次細水霧噴射系統響應時間t4的平均值。

4 實驗結果

根據觀察窗口火焰陣面出現的測試方案，采用外部觸發的方式，體積分數為9.5%的瓦斯預混氣體，高壓點火系統的點火能為5 J，東華數據采集軟件的采樣頻率設為1 MHz。進行多次實驗，6 組實驗所測的觀察窗口火焰陣面出現時間為0.113 3 s，觀察窗口火焰陣面出現時間T1的實驗數據表2。

表2 觀察窗口火焰陣面出現時間t1 的實驗數據Table 2 Observation window flame array appearance time t1 experimental data

根據細水霧噴射系統響應時間測試方案，采用3 種不同的拍攝速度進行了3 組實驗，尋找3 種拍攝速度下打印紙的狀態發生變化的第1 張照片，細水霧噴射系統響應時間t4測試高速攝影圖如圖4，圖中的白色物體為覆蓋在細水霧噴嘴上的打印紙，經過3 組實驗得到細水霧噴射系統響應時間的平均值為8.716 ms，細水霧噴射系統響應時間t4的實驗數據表3。

圖4 細水霧噴射系統響應時間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 細水霧噴射系統響應時間t4 的實驗數據Table 3 Experimental data of response time t4 of the fine water spray system

5 結 語

在阻燃劑抑制瓦斯爆燃光學測試系統中，為了能準確獲得瓦斯爆燃過程中火焰陣面與細水霧相作用時火焰形態變化和激波演化過程的圖像資料，多設備耦合時間同步控制是其中的關鍵技術。通過設計實驗測量方案，得出觀察窗口火焰陣面出現的平均時間為0.113 3 s，細水霧噴射系統平均響應時間為8.716 ms，以測量數據為基礎，設置合理的通道延時時間達到多設備的同步控制，為細水霧抑制瓦斯爆燃光學測試奠定了實驗基礎，為揭示細水霧抑制瓦斯爆燃的本質提供理論依據。