一种高压可燃性气体泄漏喷射火模拟试验装置及方法

1.本发明属于可燃性气体安全技术领域，具体涉及一种高压可燃性气体泄漏喷射火模拟试验装置及方法。


背景技术：

2.目前可燃气体的储存主要包括高压气态储存、液态储存等方式，其中高压气态储存作为一种经济、高效的能源储存方式，被广泛应用在化工生产、新能源汽车、储能等方面。而由于设备及管道构建的结构疲劳、连接处老化或其它原因，可能会导致可燃气体发生意外泄漏，泄漏的可燃气体会发生自燃(如氢气)或在外界点火源的作用下，极易引发火灾、爆炸事故。喷射火是高压可燃性气体泄漏火灾爆炸事故中典型的灾害形式，如何准确评估喷射火危害性是当前工业安全应重点研究的一大课题。国内外学者围绕中、高压力范围(＜30mpa)的可燃气气体泄漏自燃、喷射火特性等方面开展了大量的研究，取得了许多有价值的研究成果。但受制于实验技术等因素，前人对于超高压力(35～70mpa)的可燃气气体泄漏自燃及其喷射火等安全方面的研究几乎没用，特别是高压喷射火行为将呈现出高度湍流、大尺度燃烧等特征，同时易引发更为复杂、严重的热辐射危害，是可燃气气体高压安全研究领域面临的新挑战。因此，创建高压可燃性气体泄漏喷射火模拟试验装置，研究不同工况下高压可燃性气体泄漏，建立喷射火焰几何结构和热辐射特性定量模型，不仅有助于深化研究高压喷射火行为特征及动力学特性，还可为高压可燃气体泄漏灾害的预测预警、安全防控技术研制以及相关安全标准、规范的制定提供试验条件。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提供一种高压可燃性气体泄漏喷射火模拟试验装置及方法，该装置可以对不同条件下的高压可燃性气体泄漏喷射火开展试验研究。
4.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种高压可燃性气体泄漏喷射火模拟试验装置，整个试验装置包括供气系统、气体增压和缓冲系统、高压储罐和下游管道系统、点火控制系统、数据采集系统、动态图像记录系统、火焰特征参数测量系统、电磁阀控制系统。供气系统为气体增压和缓冲系统供应连续稳定的气源，同时还可以为试验前气密性的检测、试验后装置的吹扫提供气源；气体增压和缓冲系统包括可燃气增压机及高压气体缓冲罐，主要用于对中低压气体进行加压和储存，并可根据需要，为高压储罐提供连续宽压力范围(1-70mpa)气体；高压储罐和下游管道系统中包含高压储罐、下游管道组成，当点火方式为自燃时，下游管道包括爆破片、垫片/压环、管道夹持器、金属管道；当为人为点火时，下游管道包括电磁阀、管道夹持器和金属管道；点火控制系统包括点火器和点火控制器，可以提供不同的点火方式；数据采集系统可以记录高压储罐内的压力变化、下游管道内压力变化和光信号变化以及温度、热流等参数变化，并可向动态图像记录系统输入触发信号；动态图像记录系统用于记录下游管道内自燃火焰传播、管口处气体射流以及喷射火焰的动态发展过程；火焰特征参数测量系统用于测
量喷射火焰轴线及周边温度变化、火焰热辐射变化等；试验装置中电磁阀的开闭由电磁阀控制系统进行控制。
6.进一步地，所述供气系统主要由高压试验气体瓶组、氮气瓶、第一减压阀、第二减压阀、第三减压阀、第四减压阀、第五减压阀、汇流排、第一高压针阀和第一单向阀组成，高压试验气体瓶组可根据气瓶内压力及试验压力需求，单独或组合使用，高压试验气体瓶组通过第一、第二、第三减压阀与汇流排相连，同样氮气气瓶通过第四减压阀与汇流排相连，第五减压阀用于显示管道内气体压力及控制向试验管道的供气压力；当进行气瓶更换时，需要对管道进行排空处理，此时打开第一高压针阀，关闭第五减压阀，进行排空处理；第一单向阀主要用于保障气路单向通行。
7.进一步地，所述气体增压与缓冲系统主要由空气压缩机、气体增压机、安全泄放阀、第一放空管、第二放空管、第二高压针阀、第三高压针阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第一真空泵、压力表、高压气体缓冲罐组成，空气压缩机通过气体增压机的驱动气体入口为气体增压机提供驱动，供气系统提供的气体通过气体增压机的低压气体入口进入增压机内进行加压，加压完成后通过高压气体出口进入高压气体缓冲罐暂时储存，安全泄放口连接安全泄放阀及第一放空管保障加压过程的安全性，第一电磁阀、第二电磁阀用来控制高压气体缓冲罐内气体的充放。
8.进一步地，所述高压储罐和下游管道系统由第二单向阀、高压软管、四通连接件、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、氮气吹扫气瓶、第四高压针阀、第二真空泵、压变式压力传感器、第三放空管、高压储罐、管道夹持器、外部扩展管道、喷嘴、爆破片、压环、下游管道、压电式压力传感器、光电传感器组成，供气管道通过高压软管与四通连接件相连，随后与高压储罐相连，高压储罐末端与喷射火试验管道及第五电磁阀相连，通过管道夹持器固定，达到试验压力后，第五电磁阀打开进行气体喷射；高压储罐也可与特定设计压力的爆破片相连，用垫片/压环对其进行紧固，通过管道夹持器将高压储罐及下游管道进行连接，当高压储罐内的试验气体压力达到爆破片的破裂压力时，爆破片破裂，试验气体可通过下游管道喷射到空气中，若爆破片未破裂，可通过打开第四电磁阀将管道内气体排空，以保证安全性；点火控制系统由点火器、点火控制器组成，可以采用不同的点火方式进行喷射火焰的点燃；
9.进一步地，所述数据采集系统主要由压变式压力传感器、压电式压力传感器、光电传感器、热电偶、热流计和数据采集仪组成，压变式压力传感器用于检测高压储罐内的压力变化，测量喷射火的泄放压力及爆破片的破裂压力；压电式压力传感器及光电传感器分别安装在下游管道的上下侧，压电式压力传感器用于记录管道内的压力变化，监测激波的形成和发展，光电传感器用于监测管道内自燃火焰发生发展情况；热电偶等间隔布置在喷嘴轴线处，用于检测火焰轴线温度，热流计规则排列在火焰轴线旁，用于监测喷射火焰的火焰辐射；由压变式压力传感器、压电式压力传感器、光电传感器、热电偶及热流计所测量的物理信号均通过数据采集仪进行记录，当压变式压力传感器的测量值达到试验指定压力值时，数据采集仪输出触发信号，第五电磁阀自动打开，第一高速摄像机开始工作；进行自燃试验时，当压变式压力传感器的测量值骤降或距离爆破片最近的压电式压力传感器测量值突升时，数据采集仪输出触发信号，第一、第二高速摄像机开始工作。
10.进一步地，所述动态图像记录系统由第一高清摄像机、第二高清摄像机、第一高速
摄像机、第二高速摄像机和黑色幕布墙组成，黑色幕布墙作为拍摄背景，便于后期图像处理，第一高清摄像机用于拍摄喷射火焰宽度，第二高清摄像机用于拍摄喷射火焰长度及火焰传播过程，第一高速摄像机用于拍喷嘴处马赫环形成及火焰传播过程，第二高速摄像机用于拍摄下游管道内自燃火焰发生发展情况。
11.进一步地，所述火焰行为特征测量系统由热电偶和热流计组成，热电偶等间隔布置在喷嘴轴线处，用于检测火焰轴线温度，热流计规则排列在火焰轴线旁，用于监测喷射火焰的火焰辐射。
12.进一步地，所述电磁阀控制系统主要由电磁阀控制柜构成，电磁阀控制柜内设置有五个电磁阀开关s1-s5，分别控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀的开闭，由于涉及高压及可燃性气体，整套试验装置需要具有良好的气密性，主体采用美国autoclave标准方式进行密封。
13.本发明还包括一种高压可燃性气体泄漏喷射火模拟试验装置的试验方法，对于自燃点火诱发喷射火试验，其包括如下步骤：
14.步骤1、根据试验工况将指定设计压力的爆破片放在高压储罐的出口处，并用压环及管道夹持器与下游管道进行连接固定，压电式压力传感器和光电传感器分别安装在下游管道的上下两侧；
15.步骤2、打开第一氮气瓶瓶阀、调节第四减压阀和第五减压阀，启动空压机，微开气体增压机，打开第一、第二电磁阀，向高压缓冲罐内充装氮气至一定压力，关闭第四减压阀，检验装置的气密性；
16.步骤3、若气密性良好，打开第四电磁阀排除装置内的氮气，关闭第一、第四电磁阀，打开第三、第四高压针阀及第一、第二真空泵进行抽真空，抽真空完成后关闭第二电磁阀、第一、第二真空泵及第三、第四高压针阀；
17.步骤4、进行气体增压机内气体置换，打开第二高压针阀，泄放气体增压机内原有气体，打开第一减压阀，同时启动气体增压机，用0.2mpa的氢气进行吹扫，将气体增压机内的氮气排空，之后关闭第二高压针阀及第一、第五减压阀，最后关闭气体增压机；
18.步骤5、打开第一、第二、第三减压阀及对应可燃气体瓶瓶阀，调整至大致相同的泄放压力且高于3mpa，通过汇流排将三个气瓶内气体汇流，通过调节第五减压阀控制输入可燃气增压机的输入压力，打开空气压缩机，驱动气体增压机使其开始工作，调节气体增压机上调节旋钮，打开第一电磁阀，输出指定压力的可燃气至高压气体缓冲罐，待加压结束后，气体增压机自动停止工作，此时关闭第一、第二、第三减压阀及第一电磁阀，高压气体充装完毕(最高可达70mpa)；
19.步骤6、开启第一、第二高速摄像机、第一、第二高清摄像机、数据采集仪；
20.步骤7、打开第二电磁阀，高压气体缓冲罐连续向高压储罐内供应可燃气体，待高压储罐内达到一定压力时，爆破片破裂，管道内压电式压力传感器检测到压力突变信号后，触发数据采集仪开始数据采集，同时启动第一高速摄像机、第二高速摄像机拍摄，记录下游管道内自燃火焰传播以及外部喷射火焰行为特征及动力学参数；若未观察到自燃火焰或喷射火焰，立刻关闭第二电磁阀，停止可燃气体供应；
21.步骤8、试验测量结束后，打开第三电磁阀，向试验管道内冲入氮气进行吹扫。
22.进一步地，对于人工点火诱发喷射火试验，将下游管道更换为喷射火试验管道，通
点火控制器；45-热电偶；46-热流计；47-黑色幕布墙；48-第一高清摄像机；49-第二高清摄像机；50-第一高速摄像机；51-第二高速摄像机；52-数据采集仪；53-电磁阀控制柜；s1-第一电磁阀控制开关；s2-第二电磁阀控制开关；s3-第三电磁阀控制开关；s4-第四电磁阀控制开关；s5-第五电磁阀控制开关；12-1-低压气体入口；12-2-驱动气体入口；12-3高压气体出口；12-4-安全泄放口。
具体实施方式
29.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
30.以下结合附图说明本发明的实施方式。
31.如图1和图2所示，本发明为一种高压可燃性气体泄漏喷射火模拟试验装置，其包括：供气系统、气体增压和缓冲系统、高压储罐和下游管道系统、点火控制系统、数据采集系统、动态图像记录系统、电磁阀控制系统。
32.所述供气系统主要由高压试验气体瓶组1、第一氮气瓶2、第一减压阀3，第二减压阀4，第三减压阀5，第四减压阀6，第五减压阀8、汇流排7、第一高压针阀9和第一单向阀10组成。第一减压阀3，第二减压阀4，第三减压阀5，第四减压阀6直接与对应气瓶连接，可调节气瓶泄放压力，并通过高压橡胶管与汇流排7相连。高压橡胶管外径19mm，内径8mm，长度1m；汇流排7纯铜制作，长2m，可将高压试验气体瓶组内气体进行汇流，主要用于高压试验工段，保障气源供应充足。
33.所述气体增压与缓冲系统由空气压缩机11、气体增压机12、安全泄放阀13、第一放空管14、第二放空管16、第二高压针阀15、第三高压针阀18、第一电磁阀17、第二电磁阀22、第一真空泵19、压力表20、高压气体缓冲罐21组成。空气压缩机11可转速2880r/min，可提供驱动压力0.8mpa，为气体增压机12提供驱动力；气体增压机12外形尺寸长1m，宽0.75m，高1.2m，增压比60：1，最高可输出压力140mpa，输入压力3mpa，驱动压力0.62mpa时，输气流量约140nl/min；安全泄放阀13有三种规格，20-30mpa、35-40mpa、20-170mpa用于不同的试验工况保障安全性；第一放空管14外径16mm，内径6mm，用于安全泄放阀13打开后将可燃气体排放至安全区域；第二高压针阀15用于增压机内气体排空，第三高压针阀18用于第一真空泵19阻断，耐压均为100mpa；第一电磁阀17、第二电磁阀22均为防爆型，承压100mpa以上；第一真空泵19用于管道内真空抽取，极限真空1
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10-6
；压力表20用于监视高压气体缓冲罐21压力变化情况，压力表采用防爆型，测量范围0-80mpa；高压气体缓冲罐21容积23l，耐压100mpa以上，工作压力70mpa。
34.空气压缩机11通过气体增压机12的驱动气体入口12-2为气体增压机12提供驱动，供气系统提供的气体通过气体增压机12的低压气体入口12-1进入增压机内进行加压，加压完成后通过高压气体出口12-3进入高压气体缓冲罐21暂时储存，安全泄放口12-4连接安全泄放阀13及第一放空管14保障加压过程的安全性。
35.所述高压储罐和下游管道系统由第二单向阀23、高压软管24、四通连接件25、第三电磁阀26、第四电磁阀31、第五电磁阀35、第二氮气瓶27、第四高压针阀28、第二真空泵29、
压变式压力传感器30、第三放空管32、高压储罐33、管道夹持器34、外部扩展管道36、喷嘴37、爆破片38、垫片/压环39、下游管道40、压电式压力传感器41、光电传感器42组成。第二单向阀23耐压100mpa；高压软管24耐压100mpa以上；第三电磁阀26耐压100mpa，用于控制第二氮气瓶27氮气吹扫；第四高压针阀28用于控制第二真空泵29进行真空抽取，耐压100mpa；压变式压力传感器30测量范围0-70mpa，响应频率≥500khz，用以监测高压储罐内33的压力变化；第四电磁阀31耐压100mpa，用于控制试验装置气体排空；高压储罐33为圆柱形腔体结构，采用316l不锈钢制作，容积0.071l，充装试验气体至一定压力；爆破片38通过垫片/压环39和管道夹持器34，与高压储罐33及下游管道40实现牢固密封，当高压储罐33内的压力高于爆破片38的破裂压力时，爆破片38破裂，试验气体可通过下游管道40及外部扩展管道36和喷嘴37喷射到空气中；高压储罐33也可直接与喷射火管道连接，通过第五电磁阀35，控制可燃气体的泄放；垫片/压环39和管道夹持器34均由316不锈钢制作，爆破片尺寸、形状、设计压力及垫片/压环开口形状均可改变；下游管道40材质为316不锈钢，其横截面结构、长度、内径均可以改变；外部扩展管道36与下游管道40末尾直接相连，其长度及内径均可改变；喷嘴37的内径和出口形状均可改变。
36.所述点火控制系统由点火器43和点火控制器44组成，可根据试验需要进行点火器种类的更换，如驻留火焰、电火花、高温热表面等，对比自燃喷射火，实现不同点火方式喷射火的研究。
37.所述数据采集系统主要由压变式压力传感器30、压电式压力传感器41、光电传感器42、热电偶45、热流计46和数据采集仪52组成。压变式压力传感器30用于检测高压储罐33内的压力变化，测量爆破片38的实际破裂压力及喷射火的实际泄放压力，测量范围0-70mpa，响应频率≥500khz；压电式压力传感器41及光电传感器42分别安装在下游管道40的上下侧，压电式压力传感器41测量范围0-70mpa，响应频率≥500khz，用于记录管道内的压力变化，监测激波的形成和发展，光电传感器42测量光谱范围200-1100nm，用于监测管道内自燃火焰发生发展情况；热电偶45等间隔布置在喷嘴37轴线处，可测量温度范围0-1800℃，用于检测火焰轴线温度；热流计46规则排列在火焰轴线旁，量程0-50kw/m2，用于监测喷射火焰的火焰辐射；由压变式压力传感器30、压电式压力传感器41、光电传感器42、热电偶45及热流计46所测量的物理信号均通过数据采集仪52进行记录；各种测量元件的布局及安装方式随着试验条件的改变而改变。
38.所述动态图像记录系统由第一高清摄像机48、第二高清摄像机49、第一高速摄像机50、第二高速摄像机51和黑色幕布墙47组成，第一高清摄像机48、第二高清摄像机49拍摄速度1000fps；第一高速摄像机50、第二高速摄像机51摄速度设置为3,000-25,000fps，分辨率1920
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1080；压变式压力传感器30的测量值骤降或距离爆破片38最近的压电式压力传感器41测量值突升时，数据采集仪52输出触发信号，第一高速摄像机50、第二高速摄像机51开始工作。
39.所述电磁阀控制系统主要由电磁阀控制柜53构成，电磁阀控制柜53内设置有五个电磁阀开关s1-s5，分别控制第一电磁阀17、第二电磁阀22、第三电磁阀26、第四电磁阀31、第五电磁阀35的开闭，五个电磁阀均采用防爆型，承压100mpa，可实现对电磁阀的远距离安全操作，实现高压储罐充气、安全泄压、高压缓冲罐充气的半自动化控制。
40.装置主体管道均采用美国autoclave标准方式密封，密封性能更加完善，主体管道
均采用316l不锈钢材质，承压可达100mpa。
41.本发明还提供一种高压可燃性气体泄漏喷射火模拟试验装置的试验方法，其包括如下步骤：
42.(i)自燃点火诱发喷射火试验，如图2所示：
43.步骤1、根据试验工况将指定设计压力的爆破片38放在高压储罐33的出口处，并用垫片/压环39及管道夹持器34与下游管道40进行连接固定，压电式压力传感器41和光电传感器42分别安装在下游管道40的上下两侧；
44.步骤2、打开第一氮气瓶2的瓶阀、调节第四减压阀6和第五减压阀8，启动空气压缩机11，微开气体增压机12，打开第一电磁阀17第二电磁阀22，向高压气体缓冲罐21内充装氮气至一定压力，关闭第四减压阀6，检验装置的气密性；
45.步骤3、若气密性良好，打开第四电磁阀31排除装置内的氮气，关闭第一电磁阀17、第四电磁阀31，打开第三高压针阀18、第四高压针阀28及第一真空泵19、第二真空泵29进行抽真空，抽真空完成后关闭第二电磁阀22、第一真空泵19、第二真空泵22及第三高压针阀18、第四高压针阀28；
46.步骤4、进行气体增压机12内气体置换，打开第二高压针阀15，泄放气体增压机12内原有气体，打开第一减压阀3，同时启动气体增压机12，用0.2mpa的氢气进行吹扫，将气体增压机12内的氮气排空，之后关闭第二高压针阀15及第一减压阀3、第五减压阀8，最后关闭气体增压机12；
47.步骤5、打开第一减压阀3、第二减压阀4、第三减压阀5及对应可燃气体瓶瓶阀，调整至大致相同的泄放压力且高于3mpa，通过汇流排7将三个气瓶内气体汇流，通过调节第五减压阀8控制输入可燃气的气体增压机12的输入压力，打开空气压缩机11，驱动可燃气的气体增压机12使其开始工作，调节可燃气的气体增压机12上调节旋钮，打开第一电磁阀17，输出指定压力的可燃气至高压气体缓冲罐21，待加压结束后，可燃气的气体增压机12自动停止工作，此时关闭第一减压阀3、第二减压阀4、第三减压阀5及第一电磁阀17，高压气体充装完毕(最高可达70mpa)；
48.步骤6、开启第一高清摄像机48、第二高清摄像机49、第一高速摄像机50、第二高速摄像机51、数据采集仪52；
49.步骤7、打开第二电磁阀22，高压气体缓冲罐21连续向高压储罐33内供应可燃气体，待高压储罐33内达到一定压力时，爆破片38破裂，管道内压电式压力传感器41检测到压力突变信号后，触发数据采集仪52开始数据采集，同时启动第一高速摄像机50、第二高速摄像机51拍摄，记录下游管道40内自燃火焰传播以及外部喷射火焰行为特征及动力学参数；若未观察到自燃火焰或喷射火焰，立刻关闭第二电磁阀22，停止可燃气体供应；
50.步骤8、试验测量结束后，打开第三电磁阀26，向试验管道内冲入氮气进行吹扫。
51.(ii)人工点火诱发喷射火试验
52.如图1所示，将下游管道40更换为喷射火试验管道，通过第五电磁阀35及不同类型点火器(电火花、高温热表面、驻留火焰等)进行喷射火点燃试验操作，其余操作步骤和自燃点火诱发喷射火试验流程类似。
53.图1与图2的差异主要体现在下游管道，即高压储罐33之后的部分，图1所示是高压氢气泄漏点燃试验装置，图2是高压氢气泄漏自燃试验装置。
54.本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
55.尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

技术特征：
1.一种高压可燃性气体泄漏喷射火模拟试验装置，其特征在于，包括供气系统、气体增压和缓冲系统、高压储罐和下游管道系统、点火控制系统、数据采集系统、动态图像记录系统、火焰特征参数测量系统、电磁阀控制系统；所述供气系统为气体增压和缓冲系统供应连续稳定的气源，同时还为试验前气密性的检测、试验后装置的吹扫提供气源；所述气体增压和缓冲系统包括气体增压机及高压气体缓冲罐，用于对中低压气体进行加压和储存，并根据需要为高压储罐提供连续宽压力范围气体，所述宽压力范围为1-70mpa；所述高压储罐和下游管道系统中包含高压储罐、下游管道，当点火方式为自燃时，下游管道包括爆破片、垫片/压环、管道夹持器、金属管道；当为人为点火时，下游管道包括第五电磁阀、管道夹持器、金属管道及外部拓展管道；所述点火控制系统包括点火器和点火控制器，用于提供不同的点火方式；所述数据采集系统记录高压储罐内的压力变化、下游管道内压力变化和光信号变化以及温度、热流参数变化，并向所述动态图像记录系统输入触发信号；所述动态图像记录系统用于记录下游管道内自燃火焰传播、管口处气体射流以及喷射火焰的动态发展过程；所述火焰特征参数测量系统用于测量喷射火焰轴线及周边温度变化、火焰热辐射变化；所述电磁阀的开闭由电磁阀控制系统进行控制。2.根据权利要求1所述的一种高压可燃性气体泄漏喷射火模拟试验装置，其特征在于，所述供气系统包括高压试验气体瓶组(1)、第一氮气瓶(2)、第一减压阀(3)、第二减压阀(4)、第三减压阀(5)、第四减压阀(6)、第五减压阀(8)、汇流排(7)、第一高压针阀(9)和第一单向阀(10)，高压试验气体瓶组(1)根据气瓶内压力及试验压力需求，单独或组合使用，高压试验气体瓶组通过第一减压阀(3)、第二减压阀(4)、第三减压阀(5)与汇流排(7)相连，同样第一氮气瓶(2)通过第四减压阀(6)与汇流排(7)相连，第五减压阀(8)用于显示管道内气体压力及控制向试验管道的供气压力；当进行气瓶更换时，对管道进行排空处理，此时打开第一高压针阀(9)，关闭第五减压阀(8)，进行排空处理；第一单向阀(10)用于保障气路单向通行。3.根据权利要求1所述的一种高压可燃性气体泄漏喷射火模拟试验装置，其特征在于，所述气体增压与缓冲系统包括空气压缩机(11)、气体增压机(12)、安全泄放阀(13)、第一放空管(14)、第二放空管(16)、第二高压针阀(15)、第三高压针阀(18)、第一电磁阀(17)、第二电磁阀(22)、第一真空泵(19)、压力表(20)、高压气体缓冲罐(21)，空气压缩机(11)通过气体增压机(12)的驱动气体入口(12-2)为气体增压机(12)提供驱动，供气系统提供的气体通过气体增压机(12)的低压气体入口(12-1))进入增压机内进行加压，加压完成后通过高压气体出口(12-3)进入高压气体缓冲罐(21)暂时储存，安全泄放口(12-4)连接安全泄放阀(13)及第一放空管(14)保障加压过程的安全性，第一电磁阀(17)、第二电磁阀(22)用来控制高压气体缓冲罐内气体的充放。4.根据权利要求1所述的一种高压可燃性气体泄漏喷射火模拟试验装置，其特征在于，所述高压储罐和下游管道系统包括第二单向阀(23)、高压软管(24)、四通连接件(25)、第三电磁阀(26)、第四电磁阀(31)、第五电磁阀(35)、第二氮气瓶(27)、第四高压针阀(28)、第二真空泵(29)、压变式压力传感器(30)、第三放空管(32)、高压储罐(33)、管道夹持器(34)、外部扩展管道(36)、喷嘴(37)、爆破片(38)、垫片/压环(39)、下游管道(40)、压电式压力传感器(41)、光电传感器(42)，供气管道通过高压软管(24)与四通连接件(25)相连，随后与高压储罐(33)相连，高压储罐(33)末端与喷射火试验管道及第五电磁阀(35)相连，通过管道夹
持器(34)固定，达到试验压力后，第五电磁阀(35)打开进行气体喷射；或者高压储罐(33)与爆破片(38)相连，用垫片/压环(39)对其进行紧固，通过管道夹持器(34)将高压储罐(33)及下游管道(40)进行连接，当高压储罐(33)内的试验气体压力达到爆破片(38)的破裂压力时，爆破片(38)破裂，试验气体通过下游管道(40)喷射到空气中，若爆破片未破裂，通过打开第四电磁阀(31)将管道内气体排空，以保证安全性；所述点火控制系统由点火器(43)、点火控制器(44)组成，用于采用不同的点火方式进行喷射火焰的点燃。5.根据权利要求4所述的一种高压可燃性气体泄漏喷射火模拟试验装置，其特征在于，所述数据采集系统包括压变式压力传感器(30)、压电式压力传感器(41)、光电传感器(42)、热电偶(45)、热流计(46)和数据采集仪(52)，压变式压力传感器(30)用于检测高压储罐(33)内的压力变化，测量喷射火的泄放压力及爆破片(38)的破裂压力；压电式压力传感器(41)及光电传感器(42)分别安装在下游管道(40)的上、下侧，压电式压力传感器(41)用于记录管道内的压力变化，监测激波的形成和发展，光电传感器(42)用于监测管道内自燃火焰发生发展情况；热电偶(45)等间隔布置在喷嘴(37)轴线处，用于检测火焰轴线温度，热流计(46)规则排列在火焰轴线旁，用于监测喷射火焰的火焰辐射；由压变式压力传感器(30)、压电式压力传感器(41)、光电传感器(42)、热电偶(45)及热流计(46)所测量的物理信号均通过数据采集仪(52)进行记录，当压变式压力传感器(30)的测量值达到试验指定压力值时，数据采集仪(52)输出触发信号，第五电磁阀(35)自动打开，第一高速摄像机(50)开始工作；进行自燃试验时，当压变式压力传感器(30)的测量值骤降或距离爆破片(38)最近的压电式压力传感器(41)测量值突升时，数据采集仪(52)输出触发信号，第一高速摄像机(50)、第二高速摄像机(51)开始工作。6.根据权利要求1所述的一种高压可燃性气体泄漏喷射火模拟试验装置，其特征在于，所述动态图像记录系统由第一高清摄像机(48)、第二高清摄像机(49)、第一高速摄像机(50)、第二高速摄像机(51)和黑色幕布墙(47)组成，黑色幕布墙(47)作为拍摄背景，便于后期图像处理，第一高清摄像机(48)用于拍摄喷射火焰宽度，第二高清摄像机(49)用于拍摄喷射火焰长度及火焰传播过程，第一高速摄像机(50)用于拍喷嘴(37)处马赫环形成及火焰传播过程，第二高速摄像机(51)用于拍摄下游管道内自燃火焰发生发展情况。7.根据权利要求4所述的一种高压可燃性气体泄漏喷射火模拟试验装置，其特征在于，所述火焰行为特征测量系统由热电偶(45)和热流计(46)组成，热电偶(45)等间隔布置在喷嘴(37)轴线处，用于检测火焰轴线温度，热流计(46)规则排列在火焰轴线旁，用于监测喷射火焰的火焰辐射。8.根据权利要求1所述的一种高压可燃性气体泄漏喷射火模拟试验装置，其特征在于，所述电磁阀控制系统包括电磁阀控制柜(53)，电磁阀控制柜(53)内设置有五个电磁阀开关，分别控制第一电磁阀(17)、第二电磁阀(22)、第三电磁阀(26)、第四电磁阀(31)、第五电磁阀(35)的开闭。9.根据权利要求1-8之一所述的一种高压可燃性气体泄漏喷射火泄漏模拟试验装置的试验方法，其特征在于，对于自燃点火诱发喷射火试验，包括如下步骤：步骤1、根据试验工况将指定设计压力的爆破片(38)放在高压储罐(33)的出口处，并用垫片/压环(39)及管道夹持器(34)与下游管道(40)进行连接固定，压电式压力传感器(41)和光电传感器(42)分别安装在下游管道(40)的上下两侧；
步骤2、打开第一氮气瓶瓶阀、调节第四减压阀(6)和第五减压阀(8)，启动空气压缩机(11)，微开气体增压机(12)，打开第一电磁阀(17)、第二电磁阀(22)，向高压气体缓冲罐(21)内充装氮气至一定压力，关闭第四减压阀(6)，检验装置的气密性；步骤3、若气密性良好，打开第四电磁阀(31)排除装置内的氮气，关闭第一电磁阀(17)、第四电磁阀(31)，打开第三高压针阀(18)、第四高压针阀(28)及第一真空泵(19)、第二真空泵(29)进行抽真空，抽真空完成后关闭第二电磁阀(22)、第一真空泵(19)、第二真空泵(29)及第三高压针阀(18)、第四高压针阀(28)；步骤4、进行气体增压机(12)内气体置换，打开第二高压针阀(15)，泄放气体增压机(12)内原有气体，打开第一减压阀(3)，同时启动气体增压机(12)，用0.2mpa的氢气进行吹扫，将气体增压机(12)内的氮气排空，之后关闭第二高压针阀(15)及第一减压阀(3)、第五减压阀(8)，最后关闭气体增压机(12)；步骤5、打开第一减压阀(3)、第二减压阀(4)、第三减压阀(5)及对应可燃气体瓶瓶阀，调整至相同的泄放压力且高于3mpa，通过汇流排(7)将三个气瓶内气体汇流，通过调节第五减压阀(8)控制输入气体增压机(12)的输入压力，打开空气压缩机(11)，驱动气体增压机(12)使其开始工作，调节气体增压机(12)上的调节旋钮，打开第一电磁阀(17)，输出指定压力的可燃气至高压气体缓冲罐(21)，待加压结束后，气体增压机(12)自动停止工作，此时关闭第一减压阀(3)、第二减压阀(4)、第三减压阀(5)及第一电磁阀(17)，高压气体充装完毕；步骤6、开启第一高清摄像机(48)、第二高清摄像机(49)、第一高速摄像机(50)、第二高速摄像机(51)、数据采集仪(52)；步骤7、打开第二电磁阀(22)，高压气体缓冲罐(21)连续向高压储罐(33)内供应可燃气体，待高压储罐(33)内达到一定压力时，爆破片(38)破裂，管道内压电式压力传感器(41)检测到压力突变信号后，触发数据采集仪(52)开始数据采集，同时启动第一高速摄像机(50)、第二高速摄像机(51)拍摄，记录下游管道(40)内自燃火焰传播以及外部喷射火焰行为特征及动力学参数；若未观察到自燃火焰或喷射火焰，立刻关闭第二电磁阀(22)，停止可燃气体供应；步骤8、试验测量结束后，打开第三电磁阀(26)，向试验管道内冲入氮气进行吹扫。10.根据权利要求9所述的试验方法，其特征在于，对于人工点火诱发喷射火试验，将下游管道更换为喷射火试验管道，通过第五电磁阀及不同类型点火器(电火花、高温热表面、驻留火焰等)进行喷射火点燃试验操作；所述不同类型点火器包括电火花、高温热表面或驻留火焰点火器。

技术总结
本发明为一种高压可燃性气体泄漏喷射火模拟试验装置及方法，包括可燃气体气瓶、氮气瓶、减压阀、汇流排、高压针阀、增压机、空压机、电磁阀、高压缓冲气瓶、高压软管、高压储罐、压力传感器、火焰探测器、热流计、热电偶、高速摄像机、数据采集仪。该装置可用于研究不同可燃气体类型、泄漏压力(最高达70MPa)、点火方式(自燃、人为点火)、喷口结构尺寸、外界环境等因素对高压喷射火焰行为特征和动力学参数的影响规律，包括点火机制、火焰悬举和吹熄不稳定性、火焰形状(长度、宽度和倾角等)以及火焰微观结构及其动力学、温度、火焰热辐射等，获得稳定喷射火焰形成的临界条件。本发明可对不同条件下的高压可燃性气体泄漏喷射火开展试验。件下的高压可燃性气体泄漏喷射火开展试验。件下的高压可燃性气体泄漏喷射火开展试验。


技术研发人员：段强领 张嵩林 蒋光波 孙金华 肖华华 金凯强
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2023.08.16
技术公布日：2023/10/15