专利名称：一种可燃气体爆炸冲击波超压的测定方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及爆炸冲击波超压测定技术，特别是可燃气体爆炸冲击波超压测定方法。
背景技术：
随着全球能源危机和生态破坏的进一步加剧，以石油、煤炭等为代表的传统能源不仅将面临资源枯竭的严峻形势，而且还将面临节能减排的巨大压力。在此背景下，转变高污染、高能耗的经济增长方式，发展以清洁能源为主的“低碳经济”，正在成为世界各国的共同选择。气体能源(大部分是可燃气体，主要包括天然气、煤层气、页岩气、沼气、液化气、氢气等)作为清洁能源的重要组成部分，近年来发展迅速，已逐渐形成新的产业规模，在不久的将来势必将超越石油和煤炭，成为世界能源消费结构中的“首席能源”。·可燃气体是指能够与空气(或氧气)在一定的浓度范围内均匀混合形成预混气，遇到火源会发生爆炸的，燃烧过程中释放出大量能量的气体，在其开发、运输、使用和储存过程中，经常发生爆炸事故，造成严重的人员伤亡和财产损失。近年来，随着全球范围内能源短缺进一步加剧，人类对油气资源的开采和利用规模越来越大(例如我国西气东输和液化天然气站线等重大工程项目的建设)，预防可燃气体灾害事故发生的形势变得更加严峻，可燃气体爆炸已逐渐成为科学研究的重点领域之一。可燃气体爆炸是一种重要的非理想爆炸灾害形式，通常表现为一种迅速的、非恒定的、带化学反应的流体动力学过程。周围环境压力和温度的急剧升高是可燃气体爆炸反应的显著特征，其破坏效应主要通过爆炸冲击波的机械破坏和爆炸火焰波的高温灼伤来实现。冲击波和火焰波共同构成了可燃气体爆炸波，爆炸波的传播又可能会引起二次爆炸或者遇到障碍物后由爆燃转变为爆轰过程，从而导致更加严重的破坏。爆炸冲击波的存在是气体爆炸的一个重要特征，依据气体爆炸类型，爆炸冲击波可分为压缩波和膨胀波，压缩波主要是指可燃气体发生化学爆炸时瞬间产生的大量高温气体产物使未反应区预混气体受到压缩并向前运动而形成的压力冲击波，膨胀波主要是指密闭容器(如锅炉)中气体发生物理爆炸时短时间内释放出大量高压高能的气体产物向前膨胀运动所形成的压力冲击波。显然，可燃气体爆炸压力冲击波属于压缩波。爆炸冲击波超压是指可燃气体爆炸反应短时间内生成的大量气体产物向前运动时所产生的压力(压强)。由于可燃气体爆炸通常发生在有边界约束的条件下，燃烧产物不能及时向外排放，其冲击波压力一般明显超过大气环境压力，因称之为超压。对于相同边界约束条件，可燃气体爆炸反应越剧烈，其反应时间越短，生产的气体产物越多，所产生的超压也就越大。超压能够衡量可燃气体化学内能的转换做功能力，超压越大，反应做功能力越强，其爆炸危险性也就越大。因此，准确测定可燃气体爆炸冲击波超压对现实中可燃气体爆炸灾害的预防和控制具有重要指导意义。目前，主要是通过爆炸反应器中设置的压力传感器测定可燃气体爆炸冲击波超压，其测定数据不仅缺乏直观性，而且由于传感器的滞后特点因而也缺乏一定的准确度。另夕卜，大都数压力传感器都是设置于管道状爆炸反应器中，而现实中可燃气体爆炸大部分发生于接近开敞空间的受限空间中，因而管道状爆炸反应器所模拟的爆炸环境缺乏一定的代表性。

发明内容
本发明的目的是提供一种可燃气体爆炸冲击波超压的测定方法，以指导现实中可燃气体爆炸灾害的预防和控制工作。根据牛顿第二定律，物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，力口速度的方向跟作用力的方向相同，即。可燃气体爆炸时，爆炸冲击波对物体的超压作用力是爆炸过程中物体加速运动的根本原因。根据以上特性，本发明采用的技术方案是在爆炸箱中设置水平轨道装置，在轨道上放置球形参照物，通过高速摄像机拍摄球形参照物在可燃气体爆炸过程中的运动轨迹，并利用ProAnalyst运动分析软件分析其轨迹以得到球形参照物的即时加速度，结合牛顿 第二定律、球形参照物质量及其表面积，即可测定出可燃气体爆炸冲击波超压。本发明还公开了一种可燃气体爆炸冲击波超压的测定装置，包括爆炸箱、高速摄像机、计算机；点火装置和搅拌器分别通过爆炸箱的侧面和上面开孔进入爆炸箱中，爆炸箱的上下面均设有进气口，爆炸箱通过气体输送管路与可燃气瓶连接，高速摄像机通过数据线与计算机连接，计算机用于控制高速摄像机记录可燃气体爆炸的动态过程，并分析得出可燃气体爆炸冲击波超压。 为了控制气体浓度，气体输送管路上还设有气体流量计和阀门。水平轨道装置由两根平行钢尺构成，钢尺间距、高度均可调。高速摄像机最高可以连续记录和储存高速过程图片IIOOOfps,拍摄时间可以精确到ms级,使用GB以太网与计算机连接，可以在计算机上通过用户界面对高速摄像机进行控制。本发明充分利用了牛顿第二定律原理及高速摄像机的高速分析特点，通过物理原理实现了可燃气体爆炸冲击波超压的测定。本发明方法装置结构、操作步骤简单，测定结果直观、精确、接近现实情况，容易推广应用。


附图为本发明测定装置的结构示意图。I-爆炸箱；2_水平轨道装置；3_高速摄像机；4_阀门；5_搅拌器；6_点火装置；7-气体流量计；8_可燃气瓶；9_气体输送管路；10_数据线；11_计算机。
具体实施例方式测定装置如图1，爆炸箱I尺寸为O. 5mX0. 5mX0. 7m，其中一面为泄压面(测定时用报纸密封)。点火电极6和搅拌器5分别通过爆炸箱的侧面和上面开孔进入爆炸箱中，爆炸箱的上下面均设有进气口，通过气体输送管路9与可燃气瓶8连接，气体输送管路9上设有气体流量计7和阀门4。将水平轨道装置2布置于爆炸箱I中，调整高速摄像机3镜头，使之与水平轨道装置2平面呈垂直状态，调节焦距，使所拍摄画面质量最佳。高速摄像机3通过数据线10与计算机11连接。向爆炸箱中充入一定浓度可燃气体后，采用点火装置6引爆，通过高速摄像机3记录爆炸的动态过程,经ProAnalyst运动分析软件分析得到球形参照物即时加速度，进而结合牛顿第二定律即可测定出该浓度可燃气体爆炸压力冲击波超压。以甲烧一空气预混气爆炸为例，采用此方法测定得到点火电极高度处甲烷浓度为8%, 9%, 10%, 11%, 12% 的爆炸冲击波超压分别为 4. 03kPa, 5. 64 kPa, 8. 06 kPa, 16. 12 kPa,
4.03 kPa。
该装置的工作原理为爆炸箱I能够较好模拟现实中可燃气体爆炸环境。水平轨道装置2能够将爆炸冲击波超压反映于球形参照物的加速度上。高速摄像机3能够精确记录可燃气体爆炸的动态过程。
权利要求
1.一种可燃气体爆炸冲击波超压的测定方法，其特征是在爆炸箱中放置水平轨道装置，将一球形参照物置于水平轨道上，向爆炸箱中充入一定浓度的可燃气体，点爆气体，通过高速摄像机记录可燃气体爆炸的动态过程，并利用ProAnalyst运动分析软件分析得到冲击波作用于球形参照物加速度，结合牛顿第二定律从而测得出可燃气体爆炸冲击波超压。
2.一种可燃气体爆炸冲击波超压的测定装置，其特征在于，包括爆炸箱、高速摄像机、计算机；点火装置和搅拌器分别通过爆炸箱的侧面和上面开孔进入爆炸箱中，爆炸箱的上下面均设有进气口，爆炸箱通过气体输送管路与可燃气瓶连接，高速摄像机通过数据线与计算机连接，计算机用于控制高速摄像机记录可燃气体爆炸的动态过程，并分析得出可燃气体爆炸冲击波超压。
3.根据权利要求2所述的可燃气体爆炸冲击波超压的测定装置，其特征在于气体输送管路上设有气体流量计和阀门。
全文摘要
本发明公开了一种可燃气体爆炸冲击波超压的测定方法，是在爆炸箱中放置水平轨道装置，将一球形参照物置于水平轨道上，向爆炸箱中充入一定浓度的可燃气体，点爆气体，通过高速摄像机记录可燃气体爆炸的动态过程，并利用ProAnalyst运动分析软件分析得到冲击波作用于球形参照物加速度，结合牛顿第二定律从而测得出可燃气体爆炸冲击波超压。本发明充分利用了牛顿第二定律原理及高速摄像机的高速分析特点，通过物理原理实现了可燃气体爆炸冲击波超压的测定，对现实中可燃气体爆炸灾害的预防和控制具有重要指导意义。本发明方法装置结构、操作步骤简单，测定结果直观、精确、接近现实情况，容易推广应用。
文档编号G01L5/14GK102879144SQ20121037886
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月9日 优先权日2012年10月9日
发明者王凯全, 乐林 申请人:常州大学