基于超低温环境的可视化燃爆测试系统

1.本发明涉及工业安全技术领域，尤其涉及一种基于超低温环境的可视化燃爆测试系统。


背景技术：

2.定容燃烧弹常用于开展可燃气体燃爆实验用于研究燃爆过程中各类参数间的内在联系。目前已经在室温条件和高温条件下利用定容燃烧弹对多种可燃气体的流燃烧速度、markstein长度、临界火焰半径以及燃爆火焰结构等燃爆特性进行了广泛的研究，但在超低温环境下还鲜见相关研究报道。
3.目前，超低温气体爆炸研究受超低温可视化技术限制，例如公告号为cn102788817b的现有专利，它虽然实现了在超低温环境下进行可燃气体爆炸特性的测定，但是无法获得超低温初始温度下可燃气燃爆的图像，无法准确揭示爆炸反应过程中火焰传播的发展过程，难以准确揭示超低温条件下可燃气体爆炸反应的演化机制和深层机理，因此还需要进一步改进。


技术实现要素：

4.有鉴于此，有必要提供一种基于超低温环境的可视化燃爆测试系统，解决现有技术中超低温气体爆炸实验无法获得超低温初始温度下可燃气燃爆的图像，难以准确揭示超低温条件下可燃气体爆炸反应的演化机制和深层机理的技术问题。
5.为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种基于超低温环境的可视化燃爆测试系统，包括:
6.反应组件，包括相连接的罐体结构和密封结构，所述罐体结构内设有燃爆室，所述密封结构具有透视窗，所述燃爆室与外部通过所述透视窗能够视觉可见；
7.供气组件，连通于所述燃爆室，所述供气组件用于为所述燃爆室供给待燃烧的可燃气体；
8.冷却组件，连通于所述反应组件，所述冷却组件用于对所述燃爆室降温，以使所述燃爆室的可燃气体能够在低温下燃爆；
9.点火组件，包括点火件，所述点火件内置于所述燃爆室，所述点火件用于点燃所述燃爆室的可燃气体；
10.火焰监测组件，包括拍摄组，所述拍摄组与所述透视窗位置对应，以使所述拍摄组能够透过所述透视窗拍摄所述燃爆室内可燃气体燃烧的场景。
11.在其中一个实施例中，反应组件包括罐体结构，所述罐体结构包括第一罐体，所述第一罐体具有第一隔层和第二隔层，所述第一隔层的内侧壁围合形成所述燃爆室，所述第一隔层的外侧壁与所述第二隔层的内侧壁间隔设置而形成所述冷却室，所述冷却室连通所述冷却组件。
12.在其中一个实施例中，所述罐体结构还包括第二罐体，所述第二罐体围绕所述第
一罐体的外侧设置，所述第二罐体的内侧壁与所述第二隔层的外侧壁之间间隔设置而形成中空室。
13.在其中一个实施例中，所述第二罐体的内部填充有硅气凝胶纤细的纳米网络结构。
14.在其中一个实施例中，所述冷却组件包括液氮罐和冷却管，所述冷却管的一端连通所述液氮罐，所述冷却管的另一端连通所述冷却室，所述液氮罐用于通过所述冷却管为所述冷却室充入液氮。
15.在其中一个实施例中，所述密封结构包括相连接的耐低温防爆玻璃和导热玻璃，所述耐低温防爆玻璃位于所述导热玻璃面向所述燃爆室的一侧，所述耐低温防爆玻璃和导热玻璃均为透明状，以共同形成所述透视窗。
16.在其中一个实施例中，所述密封结构还包括电加热件，所述电加热件连接所述导热玻璃，所述电加热件用于对所述导热玻璃加热，以使所述透视窗升温。
17.在其中一个实施例中，所述可视化燃爆测试系统还包括同步控制组件，所述同步控制组件同时连接所述火焰监测组件及所述点火组件，以控制所述火焰监测组件及所述点火组件同步启动。
18.在其中一个实施例中，所述可视化燃爆测试系统还包括湍流发生组件，所述湍流发生组件包括相连接的电机和扇叶，所述电机位于所述罐体结构的外部，所述扇叶位于所述燃爆室，所述电机能够带动所述扇叶高速转动，以使所述燃爆室产生湍流。
19.在其中一个实施例中，所述火焰监测组件还包括补光组，所述补光组位于所述反应组件背向所述拍摄组的一侧，所述补光组、所述反应组件及所述拍摄组位于同一直线上，所述补光组用于对所述燃爆室补光。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明的供气组件能够为反应组件供给可燃气体，冷却组件能够为可燃气体提供低温燃烧的环境，点火组件能够点燃可燃气体，火焰监测组件包括的拍摄组能够拍摄记录燃爆室内的可燃气体在燃烧时的画面，以揭示超低温条件下可燃气体爆炸反应的演化机制和深层机理。
附图说明
21.图1是本发明可视化燃爆测试系统的结构示意图；
22.图2是本发明罐体结构的剖面结构示意图；
23.图3是本发明密封结构的爆炸结构示意图；
24.图4是本发明的湍流发生组件与罐体结构连接的示意图。
具体实施方式
25.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做清楚、完整的描述。显然，以下描述的具体细节只是本发明的一部分实施例，本发明还能够以很多不同于在此描述的其他实施例来实现。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。
26.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上
或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
27.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
28.参考图1，本发明提供了一种基于超低温环境的可视化燃爆测试系统100，该可视化燃爆测试系统100能够准确地获得超低温初始温度下可燃气体燃爆的图像，揭示爆炸反应过程中火焰传播的发展过程，以便于该方向的技术突破。
29.可视化燃爆测试系统100包括反应组件101、供气组件102、冷却组件103、火焰监测组件104、同步控制组件105、点火组件106和数据采集组件107，其中，反应组件101同时连接供气组件102、冷却组件103、同步控制组件105和点火组件106，数据采集组件107同时连接火焰监测组件104和同步控制组件105。
30.反应组件101用于为可燃气体提供燃爆的反应空间，反应组件101包括罐体结构1和密封结构2，密封结构2有两个，分别设于罐体结构1的两端，用于完全密封罐体结构1。
31.参考图2，罐体结构1包括第一罐体11和第二罐体12，第二罐体12套接于第一罐体11的外侧。
32.第一罐体11内设有第一隔层111和第二隔层112，第一隔层111沿着第一罐体11的周侧布置，第一隔层111的内侧壁围合形成燃爆室113，燃爆室113用于盛装待燃烧的可燃气体，可燃气体能够在燃爆室113发生燃烧反应。
33.第二隔层112位于燃爆室113的外侧，第二隔层112也是沿着第一罐体11的周侧布置。第二隔层112的内侧壁与第一隔层111的外侧壁间隔设置而形成冷却室114，冷却室114位于燃爆室113与第二罐体12之间。冷却室114用于盛装液氮，以通过隔层111对燃爆室以及燃爆室内的可燃气体降温，从而可燃气体在低温下燃爆。
34.第二罐体12的内侧壁与第二隔层112的外侧壁之间间隔设置而形成真空室115，真空室115用于隔绝外部，避免位于冷却室114的液氮吸收外部的热量。
35.第二罐体12内部填充有气凝胶材料，气凝胶材料可以为硅气凝胶纤细的纳米网络结构，能够有效地限制局部热量激发的传播，纳米微孔洞抑制了气体分子对热传导的贡献，尽可能减少真空室115与外部的热交换。
36.罐体结构1通过设置真空室115和气凝胶材料制成的第二罐体12，很大程度上减少了液氮与外部空气的热交换，能够对燃爆室113快速降温，且能够长时间持续降温，有利于实验的进行。
37.参考图3，密封结构2包括顺次层叠设置的第一密封件21、密封垫片22、耐低温防爆玻璃23、密封垫片22、卡套24、密封垫片22、电加热结构25、密封垫片22和第二密封件26。其中，耐低温防爆玻璃23与电加热结构25通过卡套24固定。第一密封件21、耐低温防爆玻璃23、卡套24、电加热结构25和第二密封件26两两之间通过密封垫片22叠加连接，以增加彼此之间的连接密封性。另外，第一密封件21与第二密封件26螺纹连接，第二密封件26类似于法兰，通过相应的安装螺丝与罐体结构1密封连接。
38.在一实施例中，密封垫片22使用的材质为聚四氟乙烯，使得密封垫片22具有良好
的密封性，以维持燃爆室113内的低温环境。同时，密封垫片22具有良好的弹性、抗冷流、抗蠕变、耐腐蚀、抗老化，用于保证燃爆室113和密封结构2在超低温环境下的密封性。另外，密封垫片22为中空圆环状，以便于火焰监测组件104透过密封垫片22的中空部位而拍摄燃爆室113内的燃爆场景。
39.耐低温防爆玻璃23可以是使用超低温硼硅材料制成的超低温特种玻璃，使得该超低温特种玻璃具有极低的膨胀系数，受环境低温影响较小，能长期在超低温(例如零下196℃)条件下使用，同时具备优良的抗爆抗压性能，确保在实验中不会因为气体爆炸冲击而产生碎裂。在其它实施例中，耐低温防爆玻璃23还可以使用其它的耐低温材料制成。
40.在一实施例中，电加热结构25包括加热件(图中未示出)、胶片(图中未示出)和两个导热玻璃(图中未示出)，其中，导热玻璃可以是钢化玻璃，钢化玻璃具有一定的抗压防爆能力且具有较好的导热能力。胶片位于两个钢化玻璃之间，加热件位于胶片与其中一个钢化玻璃之间。当加热件通电时，加热件产生热量，使钢化玻璃表面升温至35到40℃，两个钢化玻璃表面的温度保持在空气的露点温度以上，使钢化玻璃的表面不产生结霜结露现象。两个钢化玻璃通过胶片粘接在一起，即使在发生意外导致钢化玻璃破碎时，钢化玻璃还是能粘接在胶片上，避免玻璃碎渣带来安全隐患。
41.加热件包括相连接的导电丝和导电膜，导热丝在通电时能够发热，以通过导电膜将热量传导至钢化玻璃上。导热丝的占用空间小，导热膜为透明状，可使得两个钢化玻璃具有良好的透光性能，以供火焰监测组件104透过而拍摄燃爆室113内的燃爆场景。
42.需要强调的是，第一密封件21、第二密封件26及卡套24均为中空状，超低温特种玻璃、密封垫片22和钢化玻璃均为透明状，共同形成透视窗。透视窗可供火焰监测组件104拍摄到燃爆室113的可燃气体燃烧的场景。在其它实施例中，如果不要求非常好的密封性，可以不设置密封垫片22，仅使用超低温特种玻璃和钢化玻璃也能够形成透视窗。
43.上述的加热件对钢化玻璃加热，可使得整个透视窗升温，以避免透视窗结霜结露而影响拍摄燃爆室113内的燃爆场景。
44.供气组件102包括气体存储罐31、预混罐32、分支管33、进气管34、出气管35、缓冲罐36和真空泵37，气体存储罐31具有两个，其中一个气体存储罐31用于盛装可燃气体，另一个气体存储罐31用于盛装助燃气体，每一气体存储罐31通过对应的分支管33连通进气管34的一端，进气管34的另一端连通预混罐32，预混罐32通过出气管35连通缓冲罐36，缓冲罐36连通真空泵37及燃爆室113。
45.每一分支管33均设置有第一开关阀331，第一开关阀331用于控制对应分支管33的畅通或阻断。
46.进气管34上设置有第二开关阀341，第二开关阀341用于控制进气管34的畅通或阻断。
47.出气管35上设置有第三开关阀351，第三开关阀351用于控制出气管35的畅通或阻断。
48.缓冲罐36通过连接管38连通燃爆室113，连接管38上设置有第四开关阀381，第四开关阀381用于控制连接管38的畅通或阻断。
49.在初始状态时，第四开关阀381和第三开关阀351均关闭，第一开关阀331和第二开关阀341均打开，气体存储罐31事先存储有待反应的可燃气体或助燃气体，通过对应的分支
管33自动流入预混罐32，使可燃气体与助燃气体混合。静置半小时之后，预混罐32内的可燃气体与助燃气体混匀，再将第一开关阀331和第二开关阀341均关闭，将第四开关阀381和第三开关阀351均打开，启动真空泵37，预混罐32内的混合气体经过缓冲罐36之后流入燃爆室113，最后关闭第四开关阀381即可。
50.缓冲罐36与出气管35之间的管路设置有通断阀361，该通断阀361用于控制缓冲罐36与出气管35、连接管38之间的通断。
51.当通断阀361处于畅通状态时，若关闭第三开关阀351且打开第四开关阀381，那么真空泵37能够通过连接管38对燃爆室113抽真空；若此时打开第三开关阀351且关闭第四开关阀381，那么真空泵37能够通过连接管35对预混罐32抽真空，以使预混罐32将气体存储罐31的可燃气体或助燃气体吸入。
52.当通断阀361处于关闭状态时，此时打开第三开关阀351和第四开关阀381，预混罐32内的混合气体能够通过燃爆室113的负压依次经过出气管35和连接管38流入燃爆室113。
53.冷却组件103包括液氮罐41、冷却管42和设于冷却管42上的第五开关阀43，冷却管42的一端连通液氮罐41，另一端连通罐体结构1的冷却室114。当第五开关阀43处于开启状态时，液氮罐41内存储的液氮能过通过冷却管42进入冷却室114，以对燃爆室113内的燃烧气体快速降温，为燃烧气体的燃爆提供低温的环境。
54.点火组件106包括相连接的点火控制器和点火件，点火件内置于燃爆室113或者靠近燃爆室设置，点火件可以是点火电极。点火控制器用于控制点火电极产生电火花来点燃燃爆室113内的可燃气体，以使可燃气体在低温环境下燃爆。在其它实施例中，点火控制器还可以通过控制其它的点火元件点燃燃爆室113内的可燃气体，在此不做限定。
55.火焰监测组件104包括拍摄组5、补光组6、压力传感器7和温度传感器8，压力传感器7和温度传感器8均连通燃爆室113，压力传感器7用于感测燃爆室113的压力并显示动态压力数据，温度传感器8用于感测并显示燃爆室113的温度，以采集可燃气体在燃爆室113燃爆时的气压和温度分别对应的动态压力数据和温度数据。
56.拍摄组5和补光组6分别设于反应组件101的相对两侧，罐体结构1两侧连接的密封结构2均能够透光，补光组6用于发出灯光，灯光透过密封结构2照射至罐体结构1内部的燃爆室113，为拍摄组5拍摄燃爆室113的燃烧场景提供补光，使得拍摄组5拍摄出来的燃烧图像更清晰。
57.补光组6包括补光灯61、扩光件62和第一凸透镜63，扩光件62位于补光灯61与第一凸透镜63之间，第一凸透镜63位于扩光件62与密封结构2之间。补光灯61发出的灯光先照射至扩光件62，经过扩光件62将灯光扩束照射至第一凸透镜63，再经过第一凸透镜63照射至密封结构2，再经过密封结构2照射至燃爆室113。
58.拍摄组5包括高速摄像机51、金属挡片52和第二凸透镜53，其中，金属挡片52位于高速摄像机51与第二凸透镜53之间，第二凸透镜53位于金属挡片52与密封结构2之间。高速摄像机51的镜头依次经过金属挡片52、第二凸透镜53和密封结构2拍摄燃爆室113内的可燃气体燃烧反应的画面。需要强调的是，金属挡片52用于对高速摄像机51的部分纹影光路遮挡，以提高高速摄像机51的成像质量。
59.在一实施例中，拍摄组5、补光组6和反应组件101的各个零部件均位于同一条直线上，以便于补光组6能够为拍摄组5提供更具高质量的补光，拍摄组5能够更清晰地拍摄燃爆
室113的燃烧场景。
60.数据采集组件107用于采集并记录火焰监测组件104采集的火焰图像、火焰速度场和火焰温度场的监测数据。其中，火焰速度场是燃爆室113可燃气体在燃爆时产生的火焰扩散速度，可以由高速摄像机拍摄获得。火焰温度场是燃爆室113可燃气体在燃爆时燃爆室113产生的温度变化，可以由温度传感器8测得。另外，压力传感器7测得的燃爆室113在燃爆产生的压力变化值也能够传输至数据采集组件107。另外，数据采集组件107还能够将采集到的数据无线发送至用户的pc端，以供用户方便查看。
61.同步控制组件105包括同步控制器，同步控制器同时连接数据采集组件107、高速摄像机51、压力传感器7、温度传感器8和点火组件106，以使同步控制器能够同步控制与之连接的各个元器件同步工作，使得测量的各个数据更准确，更具参考价值。
62.本发明的具体工作过程为：在进行燃爆室113内的火焰监测前，首先启动真空泵37对预混罐32进行抽真空，再将可燃气体与助燃气体充入预混罐32内，静置5-10分钟。同时，由液氮罐41向冷却室114注入足量的液氮，提前对燃爆室113进行降温。在完成预混罐32内的气体预混后，再由真空泵37对燃爆室113进行抽真空，按照需要由预混罐32向燃爆室113内充入预混气体，静置一段时间，进行充分降温，当超低温温度传感器监测到环境温度已至预定低温时，静置30分钟左右，确保在燃爆室113内形成低温预混气体。在进行燃爆室113内的火焰监测时，同步控制器控制点火控制器、点火电极、高速摄像机51、压力传感器7、温度传感器8和数据采集组件107同步启动，高速摄像机51、压力传感器7和温度传感器8对燃爆室113内的火焰结构、火焰速度场和火焰温度场进行同步检测，并将检测数据通过数据采集组件107输送至pc端，最后通过真空泵37对燃爆室113进行抽气，将燃爆室113内的废气排出，完成对燃爆室113内的火焰的监测。
63.可视化燃爆测试系统100还包括设于罐体结构1的湍流发生组件，湍流发生组件包括相连接的电机91和扇叶92，其中，电机91位于罐体结构1外部，扇叶92位于罐体结构1的燃爆室113。电机91能够带动扇叶92高速转动，以使燃爆室113内产生湍流。当燃爆室113发生燃烧反应时，能够观察可燃气体在湍流的环境下的燃烧场景。
64.上述的湍流发生组件设置有两组，两组湍流发生组件在罐体结构1一上一下设置，以形成对称的湍流流场，燃爆室113的可燃气体能够在此类湍流环境下燃爆，使得开展的可燃气体燃爆测试实验更具研究价值。
65.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
66.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、替换及改进，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求为准。

技术特征：
1.一种基于超低温环境的可视化燃爆测试系统，其特征在于，包括：反应组件，包括相连接的罐体结构和密封结构，所述罐体结构内设有燃爆室，所述密封结构具有透视窗，所述燃爆室与外部通过所述透视窗能够视觉可见；供气组件，连通于所述燃爆室，所述供气组件用于为所述燃爆室供给待燃烧的可燃气体；冷却组件，连通于所述反应组件，所述冷却组件用于对所述燃爆室降温，以使所述燃爆室的可燃气体能够在超低温下燃爆；点火组件，包括点火件，所述点火件内置于所述燃爆室，所述点火件用于点燃所述燃爆室的可燃气体；火焰监测组件，包括拍摄组，所述拍摄组与所述透视窗位置对应，以使所述拍摄组能够透过所述透视窗拍摄所述燃爆室内可燃气体燃烧的场景。2.根据权利要求1所述的基于超低温环境的可视化燃爆测试系统，其特征在于，所述罐体结构包括第一罐体，所述第一罐体具有第一隔层和第二隔层，所述第一隔层的内侧壁围合形成所述燃爆室，所述第一隔层的外侧壁与所述第二隔层的内侧壁间隔设置而形成冷却室，所述冷却室连通所述冷却组件。3.根据权利要求2所述的基于超低温环境的可视化燃爆测试系统，其特征在于，所述罐体结构还包括第二罐体，所述第二罐体围绕所述第一罐体的外侧设置，所述第二罐体的内侧壁与所述第二隔层的外侧壁之间间隔设置而形成中空室。4.根据权利要求3所述的基于超低温环境的可视化燃爆测试系统，其特征在于，所述第二罐体的内部填充有硅气凝胶纤细的纳米网络结构。5.根据权利要求2所述的基于超低温环境的可视化燃爆测试系统，其特征在于，所述冷却组件包括液氮罐和冷却管，所述冷却管的一端连通所述液氮罐，所述冷却管的另一端连通所述冷却室，所述液氮罐用于通过所述冷却管为所述冷却室充入液氮。6.根据权利要求2所述的基于超低温环境的可视化燃爆测试系统，其特征在于，所述密封结构包括相连接的耐低温防爆玻璃和导热玻璃，所述耐低温防爆玻璃位于所述导热玻璃面向所述燃爆室的一侧，所述耐低温防爆玻璃和导热玻璃均为透明状，以共同形成所述透视窗。7.根据权利要求6所述的基于超低温环境的可视化燃爆测试系统，其特征在于，所述密封结构还包括电加热件，所述电加热件连接所述导热玻璃，所述电加热件用于对所述导热玻璃加热，以使所述透视窗升温。8.根据权利要求1所述的基于超低温环境的可视化燃爆测试系统，其特征在于，所述可视化燃爆测试系统还包括同步控制组件，所述同步控制组件同时连接所述火焰监测组件及所述点火件，以控制所述火焰监测组件及所述点火件同步启动。9.根据权利要求1所述的基于超低温环境的可视化燃爆测试系统，其特征在于，所述可视化燃爆测试系统还包括湍流发生组件，所述湍流发生组件包括相连接的电机和扇叶，所述电机位于所述罐体结构的外部，所述扇叶位于所述燃爆室，所述电机能够带动所述扇叶高速转动，以使所述燃爆室产生湍流。10.根据权利要求1所述的基于超低温环境的可视化燃爆测试系统，其特征在于，所述火焰监测组件还包括补光组，所述补光组位于所述反应组件背向所述拍摄组的一侧，所述
补光组、所述反应组件及所述拍摄组位于同一直线上，所述补光组用于对所述燃爆室补光。

技术总结
本发明公开了一种基于超低温环境的可视化燃爆测试系统，涉及工业安全技术领域，可视化燃爆测试系统包括反应组件、供气组件、冷却组件、点火组件和火焰监测组件。反应组件包括燃爆室和透视窗，燃爆室与外部通过透视窗能够视觉可见。供气组件连通燃爆室，供气组件用于为燃爆室供给可燃气体。冷却组件连通于燃爆室，冷却组件用于对燃爆室降温，以使燃爆室的可燃气体能够在低温下燃爆。点火组件连通于燃爆室，点火组件用于产生电火花而点燃燃爆室的可燃气体。火焰监测组件包括拍摄组，拍摄组与透视窗位置对应，以使拍摄组能够透过透视窗拍摄燃爆室内可燃气体燃烧的场景，从而揭示超低温条件下可燃气体爆炸反应的演化机制和深层机理。机理。机理。


技术研发人员：刘丽娟 柳翀 黄楚原 唐可辰 陈先锋
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/7/12