瓦斯/空氣預混氣體爆燃流場測試系統(tǒng)多參數(shù)耦合同步控制實驗方法*

胡 洋，尹尚先，Bj?rn J. ARNTZEN，朱建芳，李雪冰，Ragnhild Dybdal OIE，秦漢圣

（1. 華北科技學院安全工程學院，北京 101601；2. 卑爾根大學，卑爾根 5020，挪威）

煤礦井下瓦斯/空氣預混氣體爆燃給安全生產(chǎn)帶來了極大的災害[1-2]，同時該類問題也一直是力學學科和安全學科所研究的經(jīng)典問題和前沿問題。近年來，學者們對其研究方法可分為數(shù)值模擬[3-4]和激波管實驗[5-8]兩類。目前雖然數(shù)值模擬已經(jīng)可以揭示火焰?zhèn)鞑ミ^程中的流動現(xiàn)象，有助于理解層流火焰向湍流火焰轉變、燃燒不穩(wěn)定性和火焰形態(tài)變化等[9-10]，但是其計算結果卻可能因為受到算法及網(wǎng)格的影響而產(chǎn)生偏差，因此激波管實驗仍然是該類問題不可替代的研究方法。目前激波管實驗已經(jīng)由現(xiàn)代的超高速紋影和瞬態(tài)光譜測試系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的壓力火焰速度傳感器測試系統(tǒng)，可以得到預混氣體爆燃過程中激波的演化過程及火焰的微觀結構[11-12]。但在激波管配合超高速紋影和瞬態(tài)光譜系統(tǒng)進行微觀流場測試時卻涉及到多個目標的時間尺度控制問題，如電火花點火響應時間、激波陣面到達觀察窗時間、火焰陣面到達觀察窗時間、控制惰性阻燃劑噴射系統(tǒng)的響應時間、瞬態(tài)光譜ICCD 相機電子快門響應時間和超高速相機CCD 電子快門響應時間等。上述目標的時間特征分別從秒到納秒量級，為得到清楚的流場微觀結構和光譜圖像，需協(xié)調(diào)多個目標的時間，完成同步控制。本文通過實驗研究確定激波管測試系統(tǒng)中不同目標的時間特征，設置合理的延時時間，為完成系統(tǒng)中預混氣體爆燃過程激波演化及火焰微觀結構測試奠定基礎。

1 實驗系統(tǒng)介紹

圖1 為獲取瓦斯/空氣預混氣體爆燃過程中激波形成過程和火焰微觀結構流場顯示的實驗系統(tǒng)圖。實驗系統(tǒng)包括激波管、高壓點火系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、預混系統(tǒng)、壓力信號采集系統(tǒng)、火焰信號采集系統(tǒng)、阻燃劑噴射系統(tǒng)和高速攝影系統(tǒng)組成。激波管是截面形狀為200 mm×200 mm 的正方形，管道共11 段，總長為27.5 m，觀察窗口設置在末段管道，采用兩塊直徑為200 mm 的石英玻璃；高壓點火系統(tǒng)由低壓正極和地線產(chǎn)生放電，擊穿高壓正極和地線間的介質(zhì)，完成點火；真空系統(tǒng)由旋片泵和羅茨泵組成，其中旋片泵抽速為90 m3/h ，極限真空度0.7 Pa、羅茨泵抽氣速度為 5 00 m3/h ，極限真空度0.4 Pa；預混系統(tǒng)采用激波管外預混的思想，將甲烷和空氣分別按照預定的體積百分數(shù)充入密閉罐中，待靜止數(shù)小時后充入激波管內(nèi)作為實驗氣體備用；壓力信號采集系統(tǒng)包括壓電壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集卡，其中傳感器的采樣頻率為500 kHz，最大量程為6.9 MPa、數(shù)據(jù)采集卡的最高采樣頻率為20 MHz；火焰信號采集系統(tǒng)包括光電二極管和數(shù)據(jù)采集卡，其中光電二極管可將火焰產(chǎn)生的光信號通過光纖導入并轉化為電信號。

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

2 實驗系統(tǒng)變量時間特征分析及同步控制方案

為了通過超高速紋影系統(tǒng)獲得更好的火焰與阻燃劑相互作用的流場圖像，需要對實驗系統(tǒng)中各個變量的時間特征加以分析，目的是使火焰到達觀察窗時，阻燃劑剛好噴射與火焰作用并且同時打開CCD 和ICCD 電子快門，獲得爆炸流場微觀信息。在整套實驗系統(tǒng)中需要同步控制的時間變量如表1 所示，分析可知實現(xiàn)同步控制的時間關系式為：

因此多目標耦合的時間同步控制是本套實驗的核心技術，即要求 T1=T2。實現(xiàn)T1=T2的同步控制方案如圖2 所示。

表 1 同步控制實驗系統(tǒng)中的變量Table 1 Variables in synchronous control experiment system

系統(tǒng)工作過程如下：函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生電平TTL0 送入時間延時器的輸入端，在輸出端的兩個通道CH1 和CH2 分別產(chǎn)生電瓶TTL1 和TTL2；電平TTL1 經(jīng)過固態(tài)繼電器控制高壓放電點火系統(tǒng)中的低壓正極和地線產(chǎn)生放電，其能量可擊穿系統(tǒng)中高壓正極和地線間的介質(zhì)，實現(xiàn)高壓放電；電平TTL2 經(jīng)過固態(tài)繼電器啟動阻燃劑噴射系統(tǒng)，噴射CO2/N2/H2O 等。

3 實驗原理及測試方案

3.1 高壓點火裝置響應時間測試

由上述分析可知，為了實現(xiàn)實驗系統(tǒng)中多目標的同步控制，本小節(jié)通過實驗確定高壓點火系統(tǒng)中，低壓正極與地線產(chǎn)生放電到擊穿高壓正極與地線間介質(zhì)的響應時間。圖3 給出了高壓點火系統(tǒng)的測試方案。

圖 3 高壓點火系統(tǒng)放電響應時間t1 測量方案示意圖Fig. 3 Schematic diagram of t1 measurement scheme for discharge response time of high voltage ignition system

3.2 阻燃劑噴射系統(tǒng)響應時間測試

圖 4 阻燃劑噴射系統(tǒng)響應時間t2 測量方案示意圖Fig. 4 Schematic diagram of response time t2 measurement scheme for flame retardant injection system

4 實驗結果與分析

圖5 為高壓點火系統(tǒng)響應時間實測信號，其中點火電壓為5 000 V，數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率為1 MHz，火焰信號靈敏度1 mV/mV，TTL 信號10 mV/mV，觸發(fā)方式為信號觸發(fā)，07 通道信號為TTL 電平信號，09 通道為電火花信號。

圖 5 高壓點火系統(tǒng)放電響應時間t1 實測數(shù)據(jù)Fig. 5 Experimental data of discharge response time of high voltage ignition system t1

重復上述實驗，數(shù)據(jù)如表2 所示。

8 組實驗所測得的高壓點火系統(tǒng)放電響應時間平均值為22.75 μs，放電產(chǎn)生的電火花光照強度介于500～900 mV 之間，本實驗的火焰測試系統(tǒng)存在干擾信號，波形特殊，幅值在275 mV左右。

表 2 高壓點火系統(tǒng)放電響應時間t1 實驗數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data on discharge response time of high voltage ignition system t1

圖6 為惰性介質(zhì)阻燃劑噴射系統(tǒng)響應時間測試的高速攝影圖，共進行了6 次實驗，選用3 種拍攝速度。圖6 中的(a)～(f)為每一次實驗高速攝影照片中所能找到的第一張打印紙運動照片，圖中的白色矩形物為運動的打印紙，白色圓點為惰性阻燃劑噴射孔，6 組實驗得到的惰性阻燃劑噴射系統(tǒng)響應時間平均值為4.492 ms，表3 給出每組實驗數(shù)據(jù)。

圖 6 惰性介質(zhì)阻燃劑噴射系統(tǒng)響應時間測試高速攝影圖Fig. 6 Response time test of injection system for inert medium flame retardants

表 3 惰性介質(zhì)阻燃劑噴射系統(tǒng)響應時間t2 實驗數(shù)據(jù)Table 3 Inert medium flame retardant injection system response time t2 experimental data

5 結 語

在爆炸激波管內(nèi)瓦斯/空氣預混氣體爆燃過程測試系統(tǒng)中，多目標耦合時間同步控制是關鍵，通過設計實驗方案，分別測試瓦斯/空氣預混氣體爆燃系統(tǒng)中高壓點火系統(tǒng)和阻燃劑噴射系統(tǒng)的響應時間。多組實驗結果表明，高壓點火系統(tǒng)的平均響應時間為22.75 μs，阻燃劑噴射系統(tǒng)的平均響應時間為4.492 ms，實驗數(shù)據(jù)為整個實驗系統(tǒng)設置合理的延時時間，為獲得瓦斯/空氣預混氣體爆燃流場更精確的微觀信息奠定基礎。