激光纹影技术在煤矿瓦斯爆燃研究中的应用

胡 洋，吴秋遐，张延炜，秦汉圣，庞 磊，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.中北大学 环境与安全学院，山西 太原030051）

近年来，由于受到当前世界宏观经济的严重影响，我国煤炭工业及其相关产品的生产量明显下降，但这并不是直接影响我国煤炭工业及其相关产品生产量的重要因素,瓦斯事故才是其最重要的影响因素。在中国的工业生产重大事故中，煤炭工业发生的重大事故往往是导致伤亡最严重的，其中煤矿瓦斯爆炸灾害事故所导致的伤亡比重也是最大的。每年影响我国工业生产的重大事故中，工业煤矿重大事故所占比例约为90%，非工业煤矿重大事故所占比例约为4%，其他所占比例约为6%。而且在煤矿3人及以上的死亡事故中，瓦斯死亡事故所占比例约为69.1%[1]。其中的瓦斯爆炸、爆燃事故，是造成经济、人员损失最严重的。目前的研究手段仅仅是从宏观的角度进行分析，并不能正确地认识激波和火焰之间的耦合关系，也不能“看到”流场结构内部的信息，因此也就无法提出阻燃抑爆真正有效的措施。因此，将激光纹影技术引用到煤矿瓦斯爆燃的研究领域，从微观这一新的研究角度研究瓦斯与空气预混气体爆燃,不仅可以有效预防煤矿瓦斯爆炸及燃烧的发生，进而减少事故发生，而且对煤矿瓦斯爆燃事故的事后救援、分析及监督具有重要的意义。

1 研究背景

在我国煤炭资源开采的过程中，从原燃煤、岩层中自然涌出的有害气体的统称就是瓦斯，以CH4为主（通常占瓦斯气体含量的90%以上）[2]。煤矿井下发生的可燃瓦斯气体爆炸现象属于可燃化学气体中的爆炸、爆燃现象，并且瓦斯这种可燃化学气体的冷热火焰辐射传播过程是1个主要涉及可燃气体热的流动、热交换和火焰辐射的复杂化学过程[3]。瓦斯爆炸的发生一般是伴随着1种前驱冲击波(即诱导激波)快速传播的爆燃现象，发生煤矿瓦斯气体爆炸及燃烧的主要原因虽然是复杂多样的,但归根结底还是与不能对煤矿瓦斯爆燃流场内部结构的信息正确掌握有关。

虽然煤矿瓦斯爆燃事故已经开始引起多方面的重视，国家多次拿出立项资金研究此类爆燃问题,国内的很多专家、学者也通过采用不同的技术手段做了大量的问题研究论证工作,但此类爆燃事故依旧频繁的发生。这是因为目前大多数科学研究人员工作的主要目的是对瓦斯与空气的预混气体发生的爆燃现象进行峰值测量压力、产物测量温度、火焰气体运动及加速度等多个不同位置的测量点的信息关系进行单一对比研究。而真实的流场由于经常受到巷道复杂度和几何结构壁面高度约束力的影响,激波会同时发生快速反射和绕射的运动现象,因此仅通过使用压力、火焰传感器测量所得的结果不能全面、准确地认识爆燃流场的运动规律。另外，利用光电信号转换得到的测量呈现三维凹陷结构阵面火焰的速度结果也不可靠。目前的研究手段仅仅是从宏观的角度进行分析，并不能正确地认识激波和火焰之间的耦合关系，也不能“看到”流场结构内部的信息，因此也就无法提出阻燃抑爆真正有效的措施。

基于上述分析，提出将激光纹影技术应用到煤矿瓦斯爆燃的研究领域。纹影技术是1种应用得较为广泛的光学技术，于1884年被Toepler所提出[4]。这种技术可以用于显示折射率、温度和密度等量的不均匀性，甚至可以与激光技术、计算机技术等结合起来，进行定性观测与定量测量，提高测量准确度。这项技术已经在很多领域得到应用，例如光学玻璃折射率的检测、超声波声场的检测和超声速燃烧室流场的显示等，并得到了一定程度的成果[5]，但这项技术一直没有延伸到煤矿瓦斯爆燃的研究当中。纹影技术作为能够研究复杂流场的一项重要技术，非常适合应用到流场结构内部包含许多有用信息的煤矿瓦斯爆燃流场。从微观这一新的研究角度研究瓦斯与空气预混气体爆燃,“看到”爆燃流场结构内部的信息，并在此基础上重新认识激波和火焰之间的耦合关系、障碍物加速火焰的激励效应[6]、惰性介质阻燃剂抑制爆燃的本质[7]，对于研究煤矿瓦斯爆燃将是一次崭新的突破。

2 激光纹影技术

纹影技术是一种光学摄影技术,它的工作原理主要是利用光在流体中快速流动时对入射光波的光线折射,使原本不能清晰可见的气流等可视化,从而对其现象进行观测和分析。激光纹影成像技术则是在纹影技术的基础上加以改进，通过技术建立以光学激光技术为主要光源的纹影仪系统,在线同时获取并监测不同的纹影现象,通过拍摄得到并保存相应的纹影图像[8]，并可以定性观测、分析不同因素的影响，甚至可以定量测量、分析一些因素，其成果将有助于进一步的理论分析。

2.1 激光纹影技术机理

光学纹影的成像方法主要是:当平行光线穿过可能存在密度梯度的非均匀流场时,平行光线发生不同角度的偏转，因此可以沿平行光线的垂直方向得到1个反映流场密度梯度变化的图像[9]。结合纹影系统的成像原理，可以知道：激光纹影系统是主要包括激光器、凹球反射镜、平面镜、滤光片、刀口及升降平台等光学元件[10]，这些元件进行不同的组合和位置变化来满足不同目标的观测要求。

纹影的测试方法中，可以定量给出密度场梯度变化的理论依据[11]为Gladstone-Dale公式：

式中：n为折射率，是关于密度ρ的函数，即n＝n（ρ）；K为Gladstone－Dale常数；ρ为密度；β为无量纲常数；ρs为标准状态下的气体密度。

因此，可以由测量得到的流场折射率分布转换为所需的密度梯度分布，光学纹影的测试方法实际原理就是如此。在非均匀的流场中，平行光线不再沿直线传播，而是会偏向其正密度方向，纹影系统密度场原理图如图1。

图1 纹影系统密度场原理图Fig.1 Schematic diagram of density field for schlieren system

设置在第1面透镜左边的光源，由透镜形成平行光线通过测试段，并汇集在第2面透镜右侧的焦点平面上的刀口处，并能在图像记录装置上记录成像。对于均匀流场，是如此，刀口处可以看到入射光源和成像。但对于假设拥有若干个非均匀点Ai（i＝1、2、3、…）的非均匀流场，会有所不同。平行光线会因为各非均匀点的折射率n不同，通过非均匀流场时发生不同角度的偏转[10]。纹影测试系统光路原理图如图2，光源S与透镜L1相距f1，测试段与透镜L2相距p，透镜L2与刀口相距f2。

图2 纹影测试系统光路原理图Fig.2 Schematic diagram of schlieren test system

由图2可以发现，通过A处的光线发生α角度的偏转，形成像A′，并且偏转光线不再汇集于第2面透镜的右焦点平面上的刀口处。与未发生偏转的流场相比，其位置发生了f2α的位移。

根据折射的相关公式可以得到折射率与偏射角的关系公式为：

式中：α为偏射角；z为平行光线入射方向分布；y为与z垂直的流场方向分布。

因此，可以通过折射率与偏射角的关系，由偏射角的角度转换得到流场的折射率分布。结合式（1）、式（2）就可以由偏射角的角度转换得到所需的流场密度梯度分布。

2.2 激光纹影光路布置

典型的纹影系统光路布置大致有“M”型、“Z”型和直线型3种，光路布置图如图3。

图3 光路布置图Fig.3 Typical optical path layouts

“M”型光路布置是指在实现目标观测要求的前提下，将入射光源与成像放于同一侧，利用光学元件使光线成“M”状。“Z”型光路布置是指在实现目标观测要求的前提下，将入射光源与成像放于不同的两侧，利用光学元件使光线成“Z”状。直线型光路布置是指在实现目标观测要求的前提下，将所有的光学元件布局于1条直线上成直线状。一般凹透镜的纹影系统通常采用“Z”型光路布置[12]。另外，“Z”型光路布置相比于其他2种的光路布置具有尺寸紧凑，光线自身不会对成像产生影响的优点[13]，便于对成像进一步分析。

3 实验方案设计与初步结果调试

3.1 实验设计

为了更好地获得煤矿瓦斯在爆燃时激波的演变过程和火焰的微观结构流场，设计了相应的实验显示系统[14-15]。同时结合目前实验室的现状，实验系统主要包括中尺度爆炸激波管道、点火系统、预混系统、真空系统、压力与火焰信号采集系统和超高速激光纹影系统等。在已建成的中尺度爆炸激波管道上进一步搭建激光纹影系统，并根据实验室的空间大小限制，结合3种纹影系统光路布置的特点，选择具有尺寸紧凑优点的“Z”型光路布置。“Z”型激光纹影系统光路布置图如图4。

图4“Z”型激光纹影系统光路布置图Fig.4 Light path layout of“Z”laser schlieren system

根据图4连接实验系统。首先连接11段激波管道，观察窗采用2块石英玻璃并设置在末段管道。下一步架设压力传感器、火焰传感器，传感器按照一对一的原则进行布置，并记录好相应的传感器位置，以便于实验数据采集。完成后开始检验系统的气密性，通过不断的调试和检查，直到显示气密性良好为止。下一步连接点火系统，检查电极，确保其能高压放电产生火花。下一步连接超高速激光纹影系统，根据光路布置图调整“Z”型光路布置，将超高速摄像机架设于激光纹影系统透镜的成像焦点后，并调整焦距。布置完成后，根据之前实验数据总结的规律，设置激光纹影系统的延迟时间。下一步同步系统及数据采集系统，以保证采集的数据精确。最后，进行配气。先对密闭罐抽真空，后将甲烷和空气按体积百分数充到密闭罐中，静置，数小时后对连接好的激波管道抽真空，再将混合气体充到激波管道内作为进行实验的气体。为保证这个实验的顺利完成，应着重注意多目标耦合时间的同步控制。实验时首先利用高压点火系统放电以点燃激波管道内的瓦斯与空气的预混气体，与此同时，启动瞬态存储器记录下爆燃过程中的压力、火焰信号。另一方面同时触发红宝石激光器中的氙灯，氙灯再根据延迟时间控制器中事先设置的好的延迟时间延时发光，进而使激光纹影系统启动，光线经过多个透镜的反射,后经聚光进入超高速摄像机，拍摄并储存画像。

3.2 系统调试

为验证纹影光源调试是否合理，分别采用了红宝石激光器、连续LED等作为光源，对纹影流场进行了光源调试。主要结果如下：红宝石激光器的脉冲光源非常适合拍摄瓦斯与空气预混气体爆燃的瞬态变化流场。通过成像设备CCD相机得到的纹影照片，会因为流场的自发光过强而在相机上出现过度曝光的现象，无法清晰地辨认瓦斯与空气预混气体的爆燃流场的火焰纹影图像，因此可以在刀口后添加合适的滤光片来滤除自发光。为验证纹影光路布置是否合理，采用蜡烛燃烧流场调试“Z”型激光纹影系统，主要结果如下：实验设计的激光纹影系统可以得到蜡烛燃烧流场的纹影图片，通过图片可以显示蜡烛燃烧流场的密度梯度变化。激光纹影（蜡烛燃烧流场的密度梯度变化）如图5。

图5 激光纹影（蜡烛燃烧流场的密度梯度变化）Fig.5 Laser schlieren（density gradient change of candle combustion flow field）

需要特别指出的是，滤光片虽然可以滤除部分自发光窄带以外的燃烧自发光，但爆燃流场的自发光强度并不是恒定的，而是会随时间变化而变化。因此即使采用滤光片，也可能会出现因为自发光过强，CCD相机依然过度曝光的现象。这一过度曝光现象仍需要进一步的研究与改进。激光纹影（火焰自发光太强，过度曝光）如图6。

图6 激光纹影（火焰自发光太强，过度曝光）Fig.6 Laser schlieren（too much spontaneous flame light，overexposed）

3.3 实验结果

为了测试纹影实验系统与CCD相机及整个实验延时同步控制系统的配合情况，采用8 000幅/s的CCD相机拍摄瓦斯与空气预混气的爆燃过程（红宝石激光+滤光片）。瓦斯爆燃流场高速纹影如图7，图7给出了实验得到的具有代表性的拍摄结果。根据图7可以看出：只能得到火焰流场的纹影照片。在t=0μs时，拍摄已经开始，但火焰流场还没有过来；在t=625μs时，火焰流场已经过去，拍摄仍在继续。这是因为激波和火焰面均是以非定常的速度向前运动，结果激波和火焰面之间的距离也是非定值，对应的激波与火焰面之间的时间差就不能精确地给出，因此延时时间同步系统就很难控制。此外即使采用8 000幅/s拍摄速率依然无法达到满意的效果，这是因为拍摄速率偏低会导致曝光时间偏长，造成了流场冲击波阵面厚度增加。即使设置了精确地延时时间，同时拍摄到激波和火焰，也会出现激波阵面模糊的现象。

图7 瓦斯爆燃流场高速纹影Fig.7 High speed schlieren

4结语

为了准确获取煤矿瓦斯爆燃流场结构内部的微观信息，将成像技术、爆炸和燃烧理论相结合,提出了激光纹影技术，从微观这一新的研究角度研究煤矿瓦斯爆燃,并在此基础上揭示煤矿瓦斯爆燃过程中激波与火焰之间的耦合关系。根据实验结果可以知道煤矿瓦斯爆燃流场不同于爆轰流场。爆轰流场中冲击波和火焰阵面是耦合在一起向前传播的，且速度变化程度不大，因此可以设置精确地系统延时时间，实验重复性较高。而爆燃流场的延时时间同步系统很难控制，激波和火焰面均是以非定常的速度向前运动，激波和火焰的图像就很难能够同时获取。因此解决上述问题的关键是合理调节超高速相机的激光源、光路精度、延时时间和拍摄速率。纹影技术是一种相对安全的非接触测量手段，可以实现对煤矿瓦斯爆燃流场结构进行微观分析的实验研究，将传统的理论分析上升为可观察，可测量的，具有视觉性的新领域。在此基础上，可以进一步添加障碍物、阻燃剂这些外部条件，例如在实验段和泄爆仓加设BOPP膜片，掺入氮气、二氧化碳等惰性介质等，运用激光纹影技术对煤矿瓦斯爆燃流场进行更加深入的研究。