專利名稱：一種可燃?xì)怏w爆炸沖擊波超壓的測定方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及爆炸沖擊波超壓測定技術(shù)，特別是可燃?xì)怏w爆炸沖擊波超壓測定方法。
背景技術(shù)：
隨著全球能源危機(jī)和生態(tài)破壞的進(jìn)一步加劇，以石油、煤炭等為代表的傳統(tǒng)能源不僅將面臨資源枯竭的嚴(yán)峻形勢，而且還將面臨節(jié)能減排的巨大壓力。在此背景下，轉(zhuǎn)變高污染、高能耗的經(jīng)濟(jì)增長方式，發(fā)展以清潔能源為主的“低碳經(jīng)濟(jì)”，正在成為世界各國的共同選擇。氣體能源(大部分是可燃?xì)怏w，主要包括天然氣、煤層氣、頁巖氣、沼氣、液化氣、氫氣等)作為清潔能源的重要組成部分，近年來發(fā)展迅速，已逐漸形成新的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，在不久的將來勢必將超越石油和煤炭，成為世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的“首席能源”。·可燃?xì)怏w是指能夠與空氣(或氧氣)在一定的濃度范圍內(nèi)均勻混合形成預(yù)混氣，遇到火源會發(fā)生爆炸的，燃燒過程中釋放出大量能量的氣體，在其開發(fā)、運(yùn)輸、使用和儲存過程中，經(jīng)常發(fā)生爆炸事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。近年來，隨著全球范圍內(nèi)能源短缺進(jìn)一步加劇，人類對油氣資源的開采和利用規(guī)模越來越大(例如我國西氣東輸和液化天然氣站線等重大工程項(xiàng)目的建設(shè))，預(yù)防可燃?xì)怏w災(zāi)害事故發(fā)生的形勢變得更加嚴(yán)峻，可燃?xì)怏w爆炸已逐漸成為科學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域之一?？扇?xì)怏w爆炸是一種重要的非理想爆炸災(zāi)害形式，通常表現(xiàn)為一種迅速的、非恒定的、帶化學(xué)反應(yīng)的流體動力學(xué)過程。周圍環(huán)境壓力和溫度的急劇升高是可燃?xì)怏w爆炸反應(yīng)的顯著特征，其破壞效應(yīng)主要通過爆炸沖擊波的機(jī)械破壞和爆炸火焰波的高溫灼傷來實(shí)現(xiàn)。沖擊波和火焰波共同構(gòu)成了可燃?xì)怏w爆炸波，爆炸波的傳播又可能會引起二次爆炸或者遇到障礙物后由爆燃轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z過程，從而導(dǎo)致更加嚴(yán)重的破壞。爆炸沖擊波的存在是氣體爆炸的一個重要特征，依據(jù)氣體爆炸類型，爆炸沖擊波可分為壓縮波和膨脹波，壓縮波主要是指可燃?xì)怏w發(fā)生化學(xué)爆炸時瞬間產(chǎn)生的大量高溫氣體產(chǎn)物使未反應(yīng)區(qū)預(yù)混氣體受到壓縮并向前運(yùn)動而形成的壓力沖擊波，膨脹波主要是指密閉容器(如鍋爐)中氣體發(fā)生物理爆炸時短時間內(nèi)釋放出大量高壓高能的氣體產(chǎn)物向前膨脹運(yùn)動所形成的壓力沖擊波。顯然，可燃?xì)怏w爆炸壓力沖擊波屬于壓縮波。爆炸沖擊波超壓是指可燃?xì)怏w爆炸反應(yīng)短時間內(nèi)生成的大量氣體產(chǎn)物向前運(yùn)動時所產(chǎn)生的壓力(壓強(qiáng))。由于可燃?xì)怏w爆炸通常發(fā)生在有邊界約束的條件下，燃燒產(chǎn)物不能及時向外排放，其沖擊波壓力一般明顯超過大氣環(huán)境壓力，因稱之為超壓。對于相同邊界約束條件，可燃?xì)怏w爆炸反應(yīng)越劇烈，其反應(yīng)時間越短，生產(chǎn)的氣體產(chǎn)物越多，所產(chǎn)生的超壓也就越大。超壓能夠衡量可燃?xì)怏w化學(xué)內(nèi)能的轉(zhuǎn)換做功能力，超壓越大，反應(yīng)做功能力越強(qiáng)，其爆炸危險性也就越大。因此，準(zhǔn)確測定可燃?xì)怏w爆炸沖擊波超壓對現(xiàn)實(shí)中可燃?xì)怏w爆炸災(zāi)害的預(yù)防和控制具有重要指導(dǎo)意義。目前，主要是通過爆炸反應(yīng)器中設(shè)置的壓力傳感器測定可燃?xì)怏w爆炸沖擊波超壓，其測定數(shù)據(jù)不僅缺乏直觀性，而且由于傳感器的滯后特點(diǎn)因而也缺乏一定的準(zhǔn)確度。另夕卜，大都數(shù)壓力傳感器都是設(shè)置于管道狀爆炸反應(yīng)器中，而現(xiàn)實(shí)中可燃?xì)怏w爆炸大部分發(fā)生于接近開敞空間的受限空間中，因而管道狀爆炸反應(yīng)器所模擬的爆炸環(huán)境缺乏一定的代表性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可燃?xì)怏w爆炸沖擊波超壓的測定方法，以指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)中可燃?xì)怏w爆炸災(zāi)害的預(yù)防和控制工作。根據(jù)牛頓第二定律，物體加速度的大小跟作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，力口速度的方向跟作用力的方向相同，即。可燃?xì)怏w爆炸時，爆炸沖擊波對物體的超壓作用力是爆炸過程中物體加速運(yùn)動的根本原因。根據(jù)以上特性，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是在爆炸箱中設(shè)置水平軌道裝置，在軌道上放置球形參照物，通過高速攝像機(jī)拍攝球形參照物在可燃?xì)怏w爆炸過程中的運(yùn)動軌跡，并利用ProAnalyst運(yùn)動分析軟件分析其軌跡以得到球形參照物的即時加速度，結(jié)合牛頓 第二定律、球形參照物質(zhì)量及其表面積，即可測定出可燃?xì)怏w爆炸沖擊波超壓。本發(fā)明還公開了一種可燃?xì)怏w爆炸沖擊波超壓的測定裝置，包括爆炸箱、高速攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)；點(diǎn)火裝置和攪拌器分別通過爆炸箱的側(cè)面和上面開孔進(jìn)入爆炸箱中，爆炸箱的上下面均設(shè)有進(jìn)氣口，爆炸箱通過氣體輸送管路與可燃?xì)馄窟B接，高速攝像機(jī)通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)用于控制高速攝像機(jī)記錄可燃?xì)怏w爆炸的動態(tài)過程，并分析得出可燃?xì)怏w爆炸沖擊波超壓。 為了控制氣體濃度，氣體輸送管路上還設(shè)有氣體流量計(jì)和閥門。水平軌道裝置由兩根平行鋼尺構(gòu)成，鋼尺間距、高度均可調(diào)。高速攝像機(jī)最高可以連續(xù)記錄和儲存高速過程圖片IIOOOfps,拍攝時間可以精確到ms級,使用GB以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)連接，可以在計(jì)算機(jī)上通過用戶界面對高速攝像機(jī)進(jìn)行控制。本發(fā)明充分利用了牛頓第二定律原理及高速攝像機(jī)的高速分析特點(diǎn)，通過物理原理實(shí)現(xiàn)了可燃?xì)怏w爆炸沖擊波超壓的測定。本發(fā)明方法裝置結(jié)構(gòu)、操作步驟簡單，測定結(jié)果直觀、精確、接近現(xiàn)實(shí)情況，容易推廣應(yīng)用。


附圖為本發(fā)明測定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。I-爆炸箱；2_水平軌道裝置；3_高速攝像機(jī)；4_閥門；5_攪拌器；6_點(diǎn)火裝置；7-氣體流量計(jì)；8_可燃?xì)馄浚?_氣體輸送管路；10_數(shù)據(jù)線；11_計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式測定裝置如圖1，爆炸箱I尺寸為O. 5mX0. 5mX0. 7m，其中一面為泄壓面(測定時用報紙密封)。點(diǎn)火電極6和攪拌器5分別通過爆炸箱的側(cè)面和上面開孔進(jìn)入爆炸箱中，爆炸箱的上下面均設(shè)有進(jìn)氣口，通過氣體輸送管路9與可燃?xì)馄?連接，氣體輸送管路9上設(shè)有氣體流量計(jì)7和閥門4。將水平軌道裝置2布置于爆炸箱I中，調(diào)整高速攝像機(jī)3鏡頭，使之與水平軌道裝置2平面呈垂直狀態(tài)，調(diào)節(jié)焦距，使所拍攝畫面質(zhì)量最佳。高速攝像機(jī)3通過數(shù)據(jù)線10與計(jì)算機(jī)11連接。向爆炸箱中充入一定濃度可燃?xì)怏w后，采用點(diǎn)火裝置6引爆，通過高速攝像機(jī)3記錄爆炸的動態(tài)過程,經(jīng)ProAnalyst運(yùn)動分析軟件分析得到球形參照物即時加速度，進(jìn)而結(jié)合牛頓第二定律即可測定出該濃度可燃?xì)怏w爆炸壓力沖擊波超壓。以甲燒一空氣預(yù)混氣爆炸為例，采用此方法測定得到點(diǎn)火電極高度處甲烷濃度為8%, 9%, 10%, 11%, 12% 的爆炸沖擊波超壓分別為 4. 03kPa, 5. 64 kPa, 8. 06 kPa, 16. 12 kPa,
4.03 kPa。
該裝置的工作原理為爆炸箱I能夠較好模擬現(xiàn)實(shí)中可燃?xì)怏w爆炸環(huán)境。水平軌道裝置2能夠?qū)⒈_擊波超壓反映于球形參照物的加速度上。高速攝像機(jī)3能夠精確記錄可燃?xì)怏w爆炸的動態(tài)過程。
權(quán)利要求
1.一種可燃?xì)怏w爆炸沖擊波超壓的測定方法，其特征是在爆炸箱中放置水平軌道裝置，將一球形參照物置于水平軌道上，向爆炸箱中充入一定濃度的可燃?xì)怏w，點(diǎn)爆氣體，通過高速攝像機(jī)記錄可燃?xì)怏w爆炸的動態(tài)過程，并利用ProAnalyst運(yùn)動分析軟件分析得到?jīng)_擊波作用于球形參照物加速度，結(jié)合牛頓第二定律從而測得出可燃?xì)怏w爆炸沖擊波超壓。
2.一種可燃?xì)怏w爆炸沖擊波超壓的測定裝置，其特征在于，包括爆炸箱、高速攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)；點(diǎn)火裝置和攪拌器分別通過爆炸箱的側(cè)面和上面開孔進(jìn)入爆炸箱中，爆炸箱的上下面均設(shè)有進(jìn)氣口，爆炸箱通過氣體輸送管路與可燃?xì)馄窟B接，高速攝像機(jī)通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)用于控制高速攝像機(jī)記錄可燃?xì)怏w爆炸的動態(tài)過程，并分析得出可燃?xì)怏w爆炸沖擊波超壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可燃?xì)怏w爆炸沖擊波超壓的測定裝置，其特征在于氣體輸送管路上設(shè)有氣體流量計(jì)和閥門。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可燃?xì)怏w爆炸沖擊波超壓的測定方法，是在爆炸箱中放置水平軌道裝置，將一球形參照物置于水平軌道上，向爆炸箱中充入一定濃度的可燃?xì)怏w，點(diǎn)爆氣體，通過高速攝像機(jī)記錄可燃?xì)怏w爆炸的動態(tài)過程，并利用ProAnalyst運(yùn)動分析軟件分析得到?jīng)_擊波作用于球形參照物加速度，結(jié)合牛頓第二定律從而測得出可燃?xì)怏w爆炸沖擊波超壓。本發(fā)明充分利用了牛頓第二定律原理及高速攝像機(jī)的高速分析特點(diǎn)，通過物理原理實(shí)現(xiàn)了可燃?xì)怏w爆炸沖擊波超壓的測定，對現(xiàn)實(shí)中可燃?xì)怏w爆炸災(zāi)害的預(yù)防和控制具有重要指導(dǎo)意義。本發(fā)明方法裝置結(jié)構(gòu)、操作步驟簡單，測定結(jié)果直觀、精確、接近現(xiàn)實(shí)情況，容易推廣應(yīng)用。
文檔編號G01L5/14GK102879144SQ20121037886
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月9日
發(fā)明者王凱全, 樂林 申請人:常州大學(xué)