一种氢气云团爆炸模拟实验装置

技术领域

本发明涉及燃料性质分析技术领域，具体涉及一种氢气云团爆炸模拟实验装置。

背景技术

氢能作为一种重要的高能、清洁能源，在化工及航天等诸多领域得到了广泛应用，在航空航天领域常以液氢作为火箭推进系统燃料，液氢贮存和使用过程中会存在许多因素可能导致液氢储存容器或运输管道等结构失效而引发液氢泄漏。液氢泄漏后会迅速发生相变汽化为低温氢气，并迅速扩散与空气混合形成易燃易爆的氢气云团。为了解其危险性，有必要对液氢泄漏后形成的低温氢气云团可能发生的爆炸现象进行研究。

申请公布号为CN116626263A、申请公布日为2023年8月22日的中国发明专利申请中提供了一种非均匀氢气云爆炸双火焰测试系统，包括抗爆舱室、泄漏控制子系统、数据记录子系统以及点火子系统，泄漏控制子系统包括氢气源和氢气输送管路，氢气源为氢气瓶组，氢气输送管路包括输氢防爆管、缓冲罐、三通接头、第一不锈钢管、第一喷嘴。第一喷嘴伸入抗爆舱室内，氢气经氢气输送管路从第一喷嘴处泄漏扩散至抗爆舱室内形成氢气云，点火子系统包括点火电极、脉冲点火器，用于引燃氢气云。

而上述这种实验装置是使氢气泄漏到抗爆舱室内，抗爆舱室内部空间为相对封闭的空间，相应地，氢气云团为封闭空间内形成的氢气云团，氢气云团被引燃后模拟的是封闭空间下爆炸现象，而液氢泄漏扩散后在开放空间形成氢气云团被引燃形成的火灾爆炸流场特性与封闭空间下的爆炸流场特性是不同，超压传递不同，现有的实验装置不能适用于模拟液氢在开放空间泄漏后形成的氢气云团爆炸现象，而如果直接将液氢泄漏到开放空间，则难以形成氢气云团。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氢气云团爆炸模拟实验装置，以解决目前的实验装置不能适应模拟对开放空间下氢气云团爆炸现象的问题。

本发明的氢气云团爆炸模拟实验装置的技术方案是：

一种氢气云团爆炸模拟实验装置，该实验装置包括氢气源和氢气输送管路，氢气输送管路具有氢气进口和氢气出口，氢气进口与氢气源相连，该实验装置还包括空气源、空气输送管路以及气囊，空气输送管路具有空气进口和空气出口，空气进口与空气源相连，空气出口和氢气出口均与气囊内腔连通以使空气和氢气充入气囊中形成氢气云团，气囊上设有用于引爆氢气云团的点火器，气囊用于在引爆氢气云团时破裂以模拟开放空间下的氢气云团爆炸现象。

有益效果：通过设置气囊配合氢气源和氢气输送管路、空气源、空气输送管路，使空气和氢气能够在气囊内混合形成氢气云团，同时，利用强度很小的气囊使其在极小压力下就破裂，从而可以在氢气云团刚开始引爆时就破裂，使其爆炸向外部开放空间发展，气囊既能使空气和氢气形成氢气云团，又可以尽可能地减小对爆炸的影响，从而实现对开放空间下爆炸现场的模拟。

进一步地，气囊呈半球状。

有益效果：半球状比较贴合于爆炸流场，使气囊容易破裂，减小对氢气云团的约束。

进一步地，气囊包括刚性底板和柔性膜，柔性膜盖设在刚性底板上并围成气囊内腔。

有益效果：利用刚性底板可以保证气囊的形状，且便于将气囊固定。

进一步地，点火器安装在刚性底板上。

有益效果：利用刚性底板满足附件安装，且可以使气囊的刚性底板以外部分设置成韧性非常小的柔性膜，使其更容易破裂，减小气囊对模拟开放空间条件的影响。

进一步地，该实验装置还包括供氢气和空气进行混合的混合腔，混合腔与气囊内腔连通。

有益效果：使氢气和空气在混合腔内进行预混合，有利于混合均匀。

进一步地，该实验装置还包括混合器，混合器内设有所述的混合腔，气囊上设有供混合器连接的接口，氢气出口和空气出口均连接至混合器。

有益效果：使空气与氢气在混合器内进行预混合，缩小混合气的输送路径长度，提高安全性，且便于混合均匀。

进一步地，气囊上设有氢气浓度传感器接口。

有益效果：可以检测气囊内的氢气浓度，便于控制点火时机。

进一步地，该实验装置还包括冷却器，冷却器具有与氢气输送管路对应配合的部分以使冷却器对氢气进行冷却。

有益效果：利用冷却器对氢气进行冷却，可以模拟低温氢气泄漏的场景。

进一步地，冷却器还具有与空气输送管路对应配合的部分以使冷却器对空气进行冷却。

有益效果：使空气也经过冷却器冷却，保证空气与氢气混合后的温度。

进一步地，氢气源处设有氢气浓度传感器。

有益效果：可以感知氢气泄漏，以便于采取相应的安全处理措施。

附图说明

图1为本发明的氢气云团爆炸模拟实验装置的实施例1的结构示意图；

图2为图1中的混合器的结构示意图；

图3为图2中的混合器的主视图；

图4为图2中的混合器的左视图；

图5为图2中的混合器的右视图；

图6为图2中的混合器内部结构示意图；

图7为图6中的隔板的示意图；

图8为图6中混合器的气体流向示意图。

图中：1、压缩氢气瓶；2、第一减压阀；3、第一流量调节阀；4、第一流量计；5、第一压强测量计；6、第一温度传感器；7、第二压强测量计；8、第二温度传感器；9、混合器；10、点火器；11、气囊；12、压缩空气瓶；13、第二减压阀；14、第二流量调节阀；15、第二流量计；16、第三压强测量计；17、第三温度传感器；18、冷阱；19、干燥设备；20、第四压强测量计；21、第四温度传感器；22、第一氢气浓度传感器；23、第二氢气浓度传感器；24、第三氢气浓度传感器；91、第一筒；911、混合气出口；912、混合腔；92、第二筒；921、缓冲腔；93、氢气管道；94、空气管道；95、风扇；96、隔板；961、中心通孔；962、连通孔。

具体实施方式

本发明的氢气云团爆炸模拟实验装置的实施例1：

本实施例中通过设置气囊配合氢气源和氢气输送管路、空气源、空气输送管路，使空气和氢气能够在气囊内混合形成氢气云团，同时，利用强度很小的气囊使其在极小压力下就破裂，从而可以在氢气云团刚开始引爆时就破裂，使其爆炸向外部开放空间发展，气囊既能使空气和氢气形成氢气云团，又可以尽可能地减小对爆炸的影响，从而实现对开放空间下爆炸现场的模拟。

如图1所示，氢气云团爆炸模拟实验装置包括氢气源、氢气输送管路、空气源、空气输送管路、混合器9以及气囊11。氢气源为压缩氢气瓶1，空气源为压缩空气瓶12。氢气经氢气输送管路输送到气囊11，空气经空气输送管路输送到气囊11。

氢气输送管路具有氢气进口和氢气出口，氢气进口与压缩氢气瓶1的气嘴相连，氢气出口与混合器9相连。氢气输送管路上从上游到下游依次设有第一减压阀2、第一流量调节阀3、第一流量计4、第一压强测量计5、第一温度传感器6、第二压强测量计7、第二温度传感器8。

空气输送管路具有空气进口和空气出口，空气进口与压缩空气瓶12的气嘴相连，空气出口与混合器9相连。空气输送管路上从上游到下游依次设有第二减压阀13、第二流量调节阀14、第二流量计15、第三压强测量计16、第三温度传感器17、干燥设备19、第四压强测量计20、第四温度传感器21。

混合器9设置在氢气出口处，混合器9内设有混合腔，氢气出口和空气出口均与混合腔连通，混合器9还具有与混合腔连通的混合气出口，混合气出口与气囊11内腔相通，混合腔供氢气和空气进行混合。使空气与氢气在混合器9内进行预混合，缩小混合气的输送路径长度，提高安全性，且便于混合均匀。

气囊11呈半球状，气囊11包括刚性底板和柔性膜，柔性膜盖设在刚性底板上并围成气囊11内腔，刚性底板为平板，柔性膜表面用于形成球面，利用刚性底板可以保证气囊11的形状，且便于将气囊11固定在相应支撑物上。利用刚性底板便于满足气囊11附件安装，刚性底板上设有用于充装混合气体的混合器接口、用于引爆预混气体的点火器接口、用于充装抑制介质的接口、用于测量气囊内超压和温度的传感器接口，混合器9安装在混合器接口处，点火器10安装在点火器接口处。空气出口和氢气出口均通过混合器9与气囊11内腔连通以使空气和氢气经混合器9预混后充入气囊11中形成氢气云团。点火器10用于引爆氢气云团，气囊11在氢气云团引爆时破裂以模拟开放空间下的氢气云团爆炸现象。通过用于充装抑制介质的接口可以向气囊11内加入抑制介质，以测试其对氢气云团爆炸的影响。刚性底板上还设有氢气浓度传感器接口以用于安装第三氢气浓度传感器24，以检测气囊11内氢气浓度。

可燃气体在敞开空间的燃烧传播特性和封闭空间完全不同，为了复现低温氢气在敞开空间被引燃形成的火灾爆炸流场，而设置了弱约束薄膜气囊11，气囊11的柔性膜通过低密度聚乙烯材料制作成的薄膜形成，薄膜耐低温，且薄膜对氢气云团爆炸的约束作用很小，可在微小的压力作用下破裂。这样实现使预混的氢气-空气准确配比的低温混合气被约束在薄膜内，形成氢气云团，由点火器10引爆后，薄膜在极小压力下破裂，实现对敞开空间火场的模拟。

该实验装置还包括冷却器，冷却器为冷阱18，冷却器具有与氢气输送管路对应配合的部分以使冷却器对氢气进行冷却，冷却器还具有与空气输送管路对应配合的部分以使冷却器对空气进行冷却，利用冷却器对氢气进行冷却，可以模拟低温氢气泄漏的场景。使空气也经过冷却器冷却，保证空气与氢气混合后的温度。空气输送管路上于冷却器下游设有干燥设备19，利用干燥设备19去除空气中的水分，避免空气中的水分影响实验结果。

减压阀为手动防爆减压阀。流量调节阀、流量计、温度传感器、点火器10、氢气浓度传感器均与相应的控制器信号连接。通过控制流量调节阀调节氢气或者是空气的流量，用于形成不同浓度的氢气-空气混合气体，或者形成不同的氢气-空气火焰。

氢气和空气的输送管路均通过冷却器，通过冷却器内部的冷媒将气体冷却到指定温度。气源到冷阱18的输送管道，由不锈钢无缝管道加工得到，无绝热要求，冷阱18到混合器9之间的管道，材质一样，但对管道进行了绝热处理，确保气体的温度不发生过大变化。每个输送管路上于冷却器的上游和下游分别设有压强测量计和温度传感器，以便于掌握冷却前后的变化，及时调整参数。控制器分别控制氢气输送管路和空气输送管路上的流量调节阀的开度和流量，同时完成流量数据的实时采集与反馈，实现两种气体的精确配比。

混合器9处设有第一氢气浓度传感器22，压缩氢气瓶1处设有第二氢气浓度传感器23，可以感知氢气泄漏，检测泄漏氢气在环境中浓度，一旦氢气浓度超标，则会报警，并启动相应的安全处理措施。

通过弱约束且耐低温球状薄膜充装均匀预混不同浓度的混合气体，实现了开放空间液氢泄漏后形成的不同浓度、不同规模低温氢气云团火灾爆炸的有效模拟。

其中，混合器9的具体结构如图2-8所示，混合器9构成喷嘴，混合器9包括壳体，壳体包括筒体以及设置在筒体内的隔板96，筒体包括左右设置的第一筒91、第二筒92，第一筒91和第二筒92同轴设置且轴线沿左右方向延伸。第二筒92用于连接空气管道94和氢气管道93，空气管道94用于连接相应的空气输送管路，氢气管道93用于连接相应的氢气输送管路。氢气构成燃气，空气构成助燃气。第一筒91的左端开口构成筒体的筒口，筒口构成混合气出口911，以使燃气和助燃气经混合器混合后从混合气出口911流出。

第一筒91左右贯通，左端开口小于右端开口，第一筒91包括从左到右依次设置的小径段、锥形段和大径段。第二筒92具有左端筒口和右端筒底。第一筒91的大径段的右端设有内螺纹，第二筒92的左端设有外螺纹，以使第一筒91和第二筒92螺纹连接，螺纹连接处进行了密封处理。第二筒92的右端筒底构成筒体的筒底，隔板96设置在第二筒92的左端筒口处，隔板96将筒体内腔分隔成了左右两个腔，第一筒91与隔板96围成靠左侧的混合腔912，第二筒92与隔板96围成靠右侧的缓冲腔921，隔板96构成在缓冲腔921和混合腔912之间设置的分隔部，分隔部将壳体内腔分隔为缓冲腔921和混合腔912，隔板96的相对两侧壁分别构成混合腔912的一侧腔壁和缓冲腔921的一侧腔壁。

隔板96上设有中心通孔961和若干个连通孔962，中心通孔961设置在隔板96的中心位置，各连通孔962在中心通孔961的周围均布。第二筒92的右端筒底的中心处设有供氢气管道93穿过的穿过孔，氢气管道93穿过第二筒92的右端筒底、缓冲腔921而与中心通孔961相接，以供氢气直接进入混合腔912，中心通孔961构成第一管道接口。第二筒92的右端筒底上于穿过孔的一侧设有第二管道接口，第二管道接口与缓冲腔921连通，空气管道94与第二管道接口相接，第一管道接口和第二管道接口的朝向相同，使氢气管道93和空气管道94连接在壳体的同一端，方便连接且有利于减小管道占用空间。中心通孔961构成壳体上设有的与混合腔912相通的燃气进口，燃气进口与燃气管道相通，第二管道接口构成壳体上设有的与混合腔912相通的助燃气进口，助燃气进口通过缓冲腔921和连通孔962连通混合腔912。空气先进入缓冲腔921，再通过各连通孔962进入混合腔912，与氢气在混合腔912内混合后从混合气出口911流出。利用缓冲腔921使相应气体从各个连通孔962进入混合腔912，气体分散，有利于混合均匀。

混合腔912内设有风扇95，风扇95可以在混合腔912内气流作用下转动，以对混合腔912内气体进行搅动，提高混合效率。风扇95设置在第一筒91的小径段，第一筒91的小径段的左端开口为混合气出口911，风扇95与混合气出口911沿混合腔912中心线延伸方向对应，便于混合器喷出。中心通孔961和连通孔962的中心线均沿左右方向延伸，中心通孔961与风扇95左右对应，中心通孔961朝向风扇95，这样使气流对着风扇95流动，便于气流带动风扇95转动，有利于风扇95对气体进行搅动。

第一筒91的小径段的内径和外径均小于大径段的内径和外径，锥形段作为大径段到小径段的过渡，锥形段和小径段形成第一筒91的缩口结构，以使混合腔912的靠近混合气出口911的部分为缩口部分，第一筒91的内腔对应小径段的部分构成柱形腔部、对应锥形段的部分构成锥形腔部，缩口部分包括锥形腔部和柱形腔部，混合气出口911由柱形腔部的朝左开口形成，风扇95设置在柱形腔部内，利用缩口部分可以提高气体流速，加速风扇95转动，同时利用柱形腔部对气流进行约束，保证气流喷出方向。连通孔962为锥形孔，锥形孔的孔径沿气流方向逐渐变小，以提高空气流速。

空气进入缓冲腔921后，经各连通孔962喷射出去，各连通孔962的空气流形成围绕中心通孔961的氢气流的伴流，并配合风扇进行搅动，实现快速均匀预混，快速生成低温且浓度均匀的混合气，避免被冷却气体较长时间的预混而导致冷量的散失，实现模拟液氢泄漏爆炸的不同浓度低温氢气云团的生成。

本发明中的氢气云团爆炸模拟实验装置的实施例2：

本实施例提供了与实施例1不同的气囊设置形式，本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中的气囊呈半球状。而本实施例中，气囊呈圆球状。其他实施例中，气囊也可以是方形。

本发明中的氢气云团爆炸模拟实验装置的实施例3：

本实施例提供了与实施例1不同的气囊设置形式，本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中的气囊包括刚性底板和柔性膜，柔性膜盖设在刚性底板上并围成气囊内腔。而本实施例中，气囊整体为柔性体。

本发明中的氢气云团爆炸模拟实验装置的实施例4：

本实施例提供了与实施例1不同的点火器设置形式，本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中的点火器安装在刚性底板上。而本实施例中，柔性膜上设有点火器接口。

本发明中的氢气云团爆炸模拟实验装置的实施例5：

本实施例提供了与实施例1不同的氢气输送管路设置形式，本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中的氢气输送管路设有供氢气和空气进行混合的混合腔，混合腔与气囊内腔连通。而本实施例中，氢气输送管路不设混合器，氢气出口和空气出口直接通向气囊内腔。

本发明中的氢气云团爆炸模拟实验装置的实施例6：

本实施例提供了与实施例1不同的混合腔设置形式，本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中的氢气输送管路包括设置在氢气出口处的混合器，混合器内设置混合腔。而本实施例中，不设混合器，空气输送管路与氢气输送管路直接连通，氢气输送管路的位于连通部位的下游一段管道的内腔构成混合腔。

本发明中的氢气云团爆炸模拟实验装置的实施例7：

本实施例提供了与实施例1不同的气囊设置形式，本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中的气囊上设有氢气浓度传感器接口。而本实施例中，气囊上不设氢气浓度传感器接口，通过控制氢气流量来控制浓度。

本发明中的氢气云团爆炸模拟实验装置的实施例8：

本实施例提供了与实施例1不同的冷却器设置形式，本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中设有冷却器，冷却器具有与氢气输送管路对应配合的部分以使冷却器对氢气进行冷却。而本实施例中，不设冷却器。

本发明中的氢气云团爆炸模拟实验装置的实施例9：

本实施例提供了与实施例1不同的冷却器设置形式，本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中的冷却器还具有与空气输送管路对应配合的部分以使冷却器对空气进行冷却。而本实施例中，冷却器仅对氢气进行冷却，冷却器仅具有氢气输送管路对应配合的部分。

本发明中的氢气云团爆炸模拟实验装置的实施例10：

本实施例提供了与实施例1不同的氢气浓度传感器设置形式，本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中的氢气源处设有氢气浓度传感器。而本实施例中，氢气源处不设氢气浓度传感器。

最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细地说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行不需付出创造性劳动地修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。