瓦斯煤尘爆炸火焰传播机理的光学测量系统研究.pdf

瓦斯煤尘爆炸火焰传播机理的光学测量系统研究 张莉聪 徐景德 华北科技学院 安全培训处, 北京 东燕郊 101601 摘 要 为了研究管道瓦斯煤尘爆炸火焰传播的机理, 确定表征瓦斯煤尘爆炸的主要物理量的变化特征, 本 文构建了瓦斯煤尘爆炸的光学实验测试系统。光学窗口采用圆形玻璃窗口, 流场显示采用基于激光的纹影 系统。在燃烧流场中, 为获得清晰纹影照片, 通过在光路中插入合适半带宽的滤光片滤除流场自发光。 关键词 瓦斯煤尘爆炸; 火焰传播; 光学测量 中图分类号 TD71271 文献标识码 A 文章编号 1672- 71692010 02- 0020- 03 分析矿井瓦斯煤尘爆炸事故原因可知, 一般 情况是由于瓦斯煤尘达到爆炸浓度界限, 遇到火 源引起爆炸, 然后迅速传播, 在传播过程中对矿井 设施和人员生命安全造成损害。爆炸传播过程中 火焰波的发展变化特性决定了爆炸事故破坏程度 的大小, 因此研究瓦斯煤尘爆炸火焰、 冲击波传播 规律尤显重要。同时, 利用先进的光学测量手段 开展瓦斯煤尘灾害的发生机理、 瓦斯煤尘爆炸的 特性及其演化传播规律的研究有着广泛而深远的 意义。 1 总体设计 在煤矿井下, 虽然任何地点都有瓦斯煤车爆 炸的可能性, 但大部分爆炸事故多发生在采煤与 掘进工作面。一般情况下, 采掘工作面的巷道空 间布置形式可以简化为一端封闭一端开口或两端 开口的管道空间模型, 本实验即基于这种管道空 间模型开展研究的。 瓦斯煤车爆炸的实验测试系统如图 1所 示 主要包括 点火控制器、 甲烷爆炸实验管 道、 泄压罐、 爆炸压力及火焰数据测量系统、 配 气系 统、 激光 器触 发延时 系统、 激 光纹 影系 统等。 管体主要包 括点火段 点火法 兰和点火 段 、 过渡段和实验段、 真空舱 实验前抽真空 与管体通过 膜片相连, 以保 证实验安 全。气 路、 数据采集电缆和电源线分别通过相互隔离 的沟槽, 并与充配气系统集成在控制台。实验 段和过渡段均设置专用光学窗口, 用于流场显 示和光谱测量 组分、 温度 。设计了多通道的 压力 压电和压阻传感器 和火焰速度测量和 数据采集系统。 图 1 总体布置简图 2 光学测量系统设计 光学测量实验段是整个设备设计最为重要、 也最为复杂的环节。 21 光学窗口设计 为了保 证玻璃受力 均匀, 延长其 使用寿 命, 我们在实验段采用圆形玻璃窗口。圆形玻 璃窗, 透光直径为 300 mm, 流场光学显示采用 K9玻璃, 进行光谱测量采用石英玻璃。考虑 到光学测量需要观察窗, 由于冷拔管壁厚度不 够, 我们采用在管壁外测镶焊金属框作为玻璃 安装的支座。另外, 为保证玻璃不受损失, 将 玻璃预先装入可拆卸的玻璃框中, 每次实验只 需拆卸金属框就可以了。 20 第 7卷 第 2期 华北科技学院学报 2010年 4月 收稿日期 20100412 。项目基金 国家 973∀重点研究项目 200CB400 2007。 作者简介 张莉聪 1977- , 女, 河北石家庄人, 硕士, 华北科技学院安全培训处讲师。 图 2 实验段简图 22 测量孔布置 每段指定位置 通常间隔 1m在三个侧面设 置测孔, 有专用支座的传感器直接安装在这些测 孔上。光学测量可通过光纤将火焰发射光引到光 谱仪进行组分和温度测量。压阻或压电传感器需 要前置, 以避免出现信号干扰和衰减严重的情况。 23 流场显示设计 流场显示的仪器为激光纹影系统, 图 3给出 了典型纹影系统示意图。 激光纹影系统原理 纹影系统是通过流场中 折射率变化来反映密度一阶偏导数, 可捕捉到流 场中的激波和接触间断等。对带自发光的燃烧流 场, 流场发光和光源的光会同时造成底片曝光。 红宝石激光器 2的 H e Ne激光器光路由另一 He Ne激光器 1通过半透镜 4调节并准直。凹面 反射镜 11的焦距为 15m, 扩束镜 6的焦距为 5 mm。激光光束通过光强调节器 3和光束调节器 5后, 由扩束镜 6扩束, 仅光斑中央较均匀的部分 经过反射镜。直径为 150mm的准直平行光经过 实验段后由另一凹面反射镜聚焦。聚焦后的光束 经过照相物镜 14成像于底片。采用滤光片滤去 爆轰化学反应发光, 允许照相机 B门打开几分钟 而不出现底片曝光。靠近实验段的压电传感器信 号经过预设延时后触发红宝石激光器。 纹影系统包括光源系统、 反射镜系统、 成像系 统和滤光片。 231 光源系统。 光源大致可分为连续光源和脉冲光源两类, 分别适合拍摄连续变化和瞬态变化过程的流场 图像。 连续光源包含 灯泡、 聚焦系统、 狭缝。光源 为 24V, 150W 卤钨灯。聚光系统 聚光镜由两组 双胶合透镜组成, 把灯丝成象在狭缝上, 成为二次 光源 实际光源 。为了准确聚焦, 其中一组胶合 透镜能前后移动。狭缝为两刃片同时运动型式, 读数最小值 001mm。狭缝机构可绕光轴作 360 旋转, 以选择不同的取向。狭缝刃面可装有小孔 插片, 供阴影照相用。另外, 为检查光源象是否正 确位于狭缝平面上, 也可备有放大观察装置。 1 He Ne激光器 2 红宝石激光器 3 光强调节器 4 半透镜 5 光束调节器 6 扩束镜 7 平面反射镜 8 压电传感器 9 实验段 10 观察窗 11 凹面反射镜 12 刀口 13 滤光片 14 聚焦物镜 15 照相机 16 电荷放大器 17 延时器 图 3 流场光学显示测量 脉冲光源包括火花放电和脉冲激光器。对于 脉冲光源, 需要利用外信号 如压力或应变信号 触发和带有时间延时器的同步控制电路。对于脉 冲激光器, 如单脉冲红宝石激光器 波长 , 直接采 用外触发信号触发氙灯, 然后通过调 Q延时出光。 光源通常置于可进行三维坐标调整的支 架上。 232 反射镜系统 球面反射镜焦距通常为其口径的 10倍。球 面镜的加工面型误差 ∃/4或 /8 作干涉显 示 。球面反射镜需镀铝反射膜, 玻璃毛坯经过 精密退火, 应力不大于 2级, 加工后面形误差。纹 影镜框为特殊设计, 采取三点支承方式, 纹影镜放 入后受力均匀, 防止局部受力变形。纹影镜与镜 框之间留有合适间隙, 作为温度膨胀余量, 防止室 温变化的影响。纹影镜框有俯仰及旋转两个自由 度调整机构并能锁紧。 233 成像系统 通常包括小反射镜、 刀口、 滤光片、 特制物镜 21 第 2期 张莉聪等 瓦斯煤尘爆炸火焰传播机理的光学测量系统研究 和成像介质等。刀口包括黑白和彩色刀口, 是纹 影仪的关键部件。它平行于光源狭缝, 且位于反 射镜的焦平面上。当流场无扰动时, 若刀口切去 一部分光源的像, 则照相平面上光强均匀的减弱。 黑白刀口为带有直边刀刃的钢片。彩色刀口为三 种不同颜色光学玻璃精密研磨的光学组件或幻灯 正片拼接构成。中间为蓝色, 两边为红色和黄色。 两种刀口更换方便。刀口能沿垂直于刃边方向平 移, 移动距离 5mm, 最小刻度 001mm。整个刀 口机构可绕光轴作 360旋转。刀口机构能沿光 轴前后移动, 准确定位于反射镜的焦点处。 234 滤光片参数选择。 在燃烧流场 如爆燃、 爆轰等 中, 为获得清 晰纹影照片, 必须滤除流场自发光。采取措施是 ignition; propagation; the optica; l meterage 22 第 7卷 第 2期 华北科技学院学报 2010年 4月