阻燃剂抑制瓦斯爆燃光学测试实验方案设计

胡 洋，秦汉圣，庞 磊，阚瑞峰，梁金虎，杨雨欣，陈明虎

（1.华北科技学院 安全工程学院，北京101601；2.北京石油化工学院 安全工程学院，北京102617；3.中国科学院 合肥物质科学研究院，安徽 合肥230031；4.中北大学 环境与安全学院，山西 太原030051）

近年来，全球的经济发展趋势对清洁型能源的需求越来越大，但我国由于富煤、少气、贫油的能源结构决定了在相当长的一段时间内煤炭依旧是我国的能源支柱。我国90%的煤矿依旧采用井工的方式进行开采[1]，由于开采技术的局限和人员素质的不同，瓦斯爆炸事故为煤矿事故中的高发事故。为了从根源上杜绝煤矿瓦斯爆炸事故，学者们通过搭建缩小尺度的实验管道平台进行相关的瓦斯爆燃实验研究[2-4]。目前，传统的测量方式借助压力传感器、火焰传感器，无法获得瓦斯爆燃流场的微观信息，对流场的微观变化仅是一种“可能性”的分析。为了弥补传统测量方式的不足，学者们引入激光光谱、高速激光纹影等现代化的测量方式获得流场的微观信息，尽管在测量深度上迈出了一大步，但同时也对实验的操作技术有了更高的要求，其中就涉及到整个实验系统中不同设备响应时间的研究，如高压点火系统的点火响应时间、瓦斯爆燃火焰阵面到达观察窗的时间、细水雾喷射系统的响应时间、水雾液滴运动到观察窗口的时间、高速摄影系统中的相机响应时间等，而不同设备的响应度不同，从秒到纳秒量级，为了清晰、完整的获得流场波系演化和火焰形态的变化过程，需要设计测量方案对多个设备的响应时间进行研究，为确定合理的通道延时时间提供理论依据，为细水雾抑制瓦斯爆燃光学测试奠定了实验基础。

1 研究背景

在煤矿中发生的瓦斯爆炸大多数为爆燃，冲击波与火焰和爆炸产物分离，先与火焰在巷道中传播，依靠所产生的高温火焰的灼烧、爆炸冲击波的破坏力和产生的有毒有害气体造成巨大的人员伤亡和经济损失[5]，而学者们对阻燃剂抑制瓦斯爆燃的实验进行了大量的研究，根据物理和化学2 种抑爆机理将其分为惰性气体、惰性粉尘、多孔材料和水系物等4 大类[6]，但在实际应用中均暴露出一定的问题，抑爆效果并不理想。

在阻燃剂抑制瓦斯爆燃的相关实验研究中，爆炸压力波在管道中发生反射、绕射等现象[7]，使流场结构复杂多变，同时瓦斯爆燃过程是一个立体的三维结构[8]，仅仅依靠传统的测量方式从不同单一位置的数据分析爆炸流场的压力波峰、压力上升速度、火焰传播速度等宏观变化，对认识阻燃剂抑制瓦斯爆燃的研究是不充分的，也就无法真正的掌握阻燃剂抑制瓦斯爆燃的机理。以阻燃剂细水雾为例，细水雾与火焰阵面的相互作用是一个复杂的气液两相间传热、传质的过程[9]，然而在实际研究中发现[10-12]，少量细水雾出现增强爆炸，足量细水雾抑制爆炸2 种完全相反的结果，对于细水雾导致爆炸增强这一现象学者们仅仅从数据的变化“猜测”是由于少量的细水雾导致预混气体发生湍流效应，火焰结构发生了变化，给出了细水雾增强爆炸这种笼统的定性解释，却无法给出细水雾如何使火焰结构发生具体变化的定量解释，对细水雾增强和抑制爆燃的机理从微观层面并未真正掌握，也就无法提出真正有效的抑爆措施，这也是现有的阻燃剂在实际应用中效果并不理想主要原因。

基于上述分析，传统的测量方式由于具有一定的局限性，无法从微观层面充分认识阻燃剂抑制瓦斯爆燃的机理[13]，也就无法提出有效的抑爆措施，因此，在阻燃剂抑制瓦斯爆燃实验研究中引入激光纹影技术等光学测试手段是一个必然的趋势，对重新认识阻燃剂抑制瓦斯爆燃的本质和进一步提出高效的抑爆措施具有重要的意义。

2 阻燃剂抑制瓦斯爆燃的实验方案

2.1 实验系统

本次实验平台主要由爆炸激波管系统、瓦斯配气系统、抽真空系统、高压点火系统、东华数据测量系统、细水雾喷射系统和高速摄影系统7 部分组成，多目标同步控制系统实验原理图如图1，

图1 多目标同步控制系统实验原理图Fig.1 Multi-objective synchronous control system

爆炸激波管系统由1 节方形管道和带有观察窗口的实验段构成，管道采用法兰盘连接而成，管道截面为200 mm×200 mm 的方形，长度为4 000 mm，方形管道同一横截面积处的侧面和顶面的开有小孔用于安装压力和火焰传感器，观察窗口的直径为200 mm；配气系统由瓦斯预混气罐、空压机、瓦斯气瓶、真空泵、数字压力表、高压输气管组成；抽真空系统由真空泵、真空计、抽真空管路组成；高压点火系统由电容、电压调节器、电极等组成，电极布置在激波管开端的尼龙盘上，实验过程中采用点火能5 J；东华数据测量系统由电脑、压力传感器、火焰传感器、东华数据采集软件组成，其中数据采集卡的采样频率最高为20 MHz，压力传感器采用美国PCB 公司的压电传感器，型号为M111A22，灵敏度为0.145 mV/kPa，最大量程6.9 MPa，采样频率≥500 kHz；火焰传感器测量系统为自行研究设计，包括光纤、光纤传感器、光电集成器组成，灵敏度为1 mV/mV。实验过程中，将测得的压力数据和火焰数据输送到东华数据采集软件中即可在电脑操作界面完成对数据曲线的读取和分析。

2.2 细水雾抑制瓦斯爆燃实验系统的同步控制

如何准确、清晰、完整的获得细水雾与火焰阵面作用时的流场图像资料是阻燃剂抑制瓦斯爆燃实验研究的核心，而合理设置通道延时时间，使火焰阵面运动到观察窗口时，细水雾喷射系统喷射进入管道的水雾液滴也恰好运动到观察窗口与火焰阵面相作用，这是整个实验系统达到同步控制的重点和关键点。因此，对光学测量系统中涉及的不同设备的时间变量进行定义，同步控制系统时间变量见表1。

表1 同步控制系统时间变量Table 1 Time variables of synchronous control system

在上述同步控制方案中，使火焰阵面或水雾液滴在观察窗口恰好相遇需要满足以下时间关系：

即需要测得高压点火系统中的点火响应时间t2、瓦斯爆燃火焰阵面运动到观察窗口的时间t3、细水雾喷射系统的响应时间t4、水雾液滴运动到观察窗口的时间t5和设置的通道延时时间t7。

整个实验系统中工作流程为：信号发生器产生信号TTL0后进入时间延时器后，在输出端的4 个通道中产生信号TTL1、TTL2、TTL3和TTL4，其中信号TTL1、TTL2经过固体继电器后，TTL1控制高压点火系统的点火装置，实现高压放电引燃瓦斯预混气体；TTL2启动细水雾喷射系统，喷射细水雾进入实验管道；信号TTL3控制东华数据采集软件进行数据的采集和TTL4控制高速相机的外触发口，打开相机进行拍摄。

为了简化实验的技术难度并减少实验误差，本设计方案中不在设计高压点火装置响应时间测试方案获得高压点火系统的响应时间t2和通过多组实验获得火焰运动到观察窗口的时间t3，将t2+t3=T1直接定义为观察窗口火焰阵面出现时间；将t4+t5+t7=T2直接定义为水雾液滴到达观察窗口时间。当T1=T2时，即火焰阵面和水雾液滴在观察窗口恰好相遇，便可准确、清晰、完整的获得水雾液滴与火焰阵面作用的流场图像，而上述过程的关键在于确定合适的通道延时时间，根据表1 和上述分析可知，通道延时时间t7= T1－（t4+t5）。其中，观察窗口火焰阵面出现时间T1可以通过东华数据采集软件读取，通常在实验中使用的实验延时器延时精度小于2 μs[15]，近似认为等于0，东华数据采集软件的最高采样频率为20 MHz，数据测量系统响应时间t1也可直接忽略不计，便认为信号发生器产生信号TTL0的时刻，东华数据采集也同步开启。因此，观察窗口火焰阵面出现时间T1可以经过多次重复实验确定；水雾液滴运动到观察窗口的时间t5，可以通过查阅采用的喷嘴参数获得水雾液滴的速度或者通过采用PDPA 对水雾参数进行测量获得水雾液滴的速度，同时测量喷嘴安装位置到观察窗口的距离，通过计算便可得到水雾液滴运动到观察窗口的时间t5，细水雾喷射系统的响应时间t4需要通过设计实验获得。

3 实验测试

3.1 观察窗口火焰阵面出现时间测试

火焰阵面在观察窗口出现时间t1测量方案示意图如图2。

图2 火焰阵面在观察窗口出现时间t1 测量方案示意图Fig.2 Schematic diagram of t1 measurement scheme for the appearance time of flame array in the observation window

火焰阵面在观察窗口出现时间t1的测试流程如下：

1）在实验管道观察窗口的中心位置处安装火焰传感器。

2）利用信号发生器产出信号TTL0，进过时间延时器后，在输出端产生信号TTL1和TTL3，信号TTL1经过固体继电器后控制高压点火系统中的点火装置，实现高压放电引燃瓦斯预混气体；信号TTL3控制东华数据采集软件，打开数据采集系统进行数据的采集。

3）东华数据采集软件中读取火焰信号出现时间，即为观察窗口火焰阵面出现时间t1。

4）进行多组实验，获得观察窗口火焰阵面出现时间t1的平均值。

3.2 细水雾喷射系统响应时间测试

细水雾喷射系统响应时间t4测量方案示意图如图3。

图3 细水雾喷射系统响应时间t4 测量方案示意图Fig.3 The response time t4 measurement scheme of the fine water mist injection system

响应时间t4测试流程如下：

1）将细水雾喷射系统的喷嘴固定在实验管道中，并使细水雾喷射系统的喷嘴在高速相机的拍摄范围内。

2）单独打开细水雾喷射系统提前喷射10 s，将细水雾喷射系统管道中残存的空气排出，使管道中充满液态水。

3）将1 张打印纸覆盖在喷嘴处，通过观察窗口拍摄打印纸的运动状况。

4）利用信号发生器产出信号TTL0，进过时间延时器后，在输出端产生信号TTL2和TTL4，信号TTL2经过固体继电器作用于电磁阀开启细水雾喷射系统，信号TTL4用于开启高速相机进行拍摄。

5）通过高速相机所拍摄的照片，确定打印纸位置发生变化所拍摄的第1 张照片，打印纸位置发生变化时的时间可以通过高速相机的图像帧数和间隔时间确定，打印纸位置发生变化时记录的时间即为细水雾喷射系统响应时间t4。

6）进行多次试验，获得多次细水雾喷射系统响应时间t4的平均值。

4 实验结果

根据观察窗口火焰阵面出现的测试方案，采用外部触发的方式，体积分数为9.5%的瓦斯预混气体，高压点火系统的点火能为5 J，东华数据采集软件的采样频率设为1 MHz。进行多次实验，6 组实验所测的观察窗口火焰阵面出现时间为0.113 3 s，观察窗口火焰阵面出现时间T1的实验数据表2。

表2 观察窗口火焰阵面出现时间t1 的实验数据Table 2 Observation window flame array appearance time t1 experimental data

根据细水雾喷射系统响应时间测试方案，采用3 种不同的拍摄速度进行了3 组实验，寻找3 种拍摄速度下打印纸的状态发生变化的第1 张照片，细水雾喷射系统响应时间t4测试高速摄影图如图4，图中的白色物体为覆盖在细水雾喷嘴上的打印纸，经过3 组实验得到细水雾喷射系统响应时间的平均值为8.716 ms，细水雾喷射系统响应时间t4的实验数据表3。

图4 细水雾喷射系统响应时间t4 测试高速摄影图Fig.4 High-speed photography of the response time t4 test for the fine water spray system

表3 细水雾喷射系统响应时间t4 的实验数据Table 3 Experimental data of response time t4 of the fine water spray system

5 结 语

在阻燃剂抑制瓦斯爆燃光学测试系统中，为了能准确获得瓦斯爆燃过程中火焰阵面与细水雾相作用时火焰形态变化和激波演化过程的图像资料，多设备耦合时间同步控制是其中的关键技术。通过设计实验测量方案，得出观察窗口火焰阵面出现的平均时间为0.113 3 s，细水雾喷射系统平均响应时间为8.716 ms，以测量数据为基础，设置合理的通道延时时间达到多设备的同步控制，为细水雾抑制瓦斯爆燃光学测试奠定了实验基础，为揭示细水雾抑制瓦斯爆燃的本质提供理论依据。