一种氢气泄漏扩散燃烧模拟实验装置

技术领域

本发明涉及材料测试技术领域，具体涉及一种氢气泄漏扩散燃烧模拟实验装置。

背景技术

液体火箭是一种使用液体推进剂的运载工具，常见于各种航天器发射、姿态修正与控制、轨道转移等场景，常见的氧化剂包括液态氧、四氧化二氮等，常见的燃烧剂包括液氢、偏二甲肼、煤油等，其中，液氢液氧推进剂具有比冲高、安全无毒、生成物对环境友好等优点，但是其缺点也同样明显，液氢需要临时灌注、低温保存且制备和运输困难，因此在航天发射场中需要保存液氢，用于液体火箭推进剂加注。

液氢的沸点在-252℃，一旦液氢从存储设备中泄漏，会迅速发生相变，从液态氢转变为气态氢，而气态氢具有与汽油相类似的扩散速度，且其在空气中的比例一旦达到4-74.2％这个范围内，一旦有明火或者能量释放(最小点火能量0.02mJ)，极易发生燃烧或爆炸，因此，为确保航天发射场的安全，有必要对氢气泄漏所可能发生的燃烧现象进行研究。

现有技术中，申请公布号为CN111812145A、申请公布日为2020年10月23日的中国发明专利申请中公开了一种低温液氢射流火焰研究实验装置，包括高压氢气瓶组，高压氢气瓶组构成氢气源，高压氢气瓶组上连接有氢气供给管，氢气供给管上设有减压阀和监测氢气流量的流量计，氢气供给管连接主供给管，主供给管与超低温换热系统连接，超低温换热系统构成冷却器，超低温换热系统连接有液氢输送管，液氢输送管、氢气供给管、主供给管构成氢气输送管路，液氢输送管末端设有喷嘴，喷嘴处设有点火电极，点火电极构成点火器，点火电极用于点燃低温液氢，数据采集系统探测射流火焰的温度、热辐射等参数，高速摄像机拍摄氢气的燃烧图像和火焰形态。

上述这种实验装置是对纯氢气泄漏到外界空气的扩散燃烧进行模拟实验，而实际应用场景中，不仅有纯氢气泄漏的情况，还有氢气与助燃气混合后的混合气出现泄漏的情况，混合气与纯氢气在空气中的扩散特性不同，需要另外对混合气泄漏后的扩散燃烧状态进行研究，而目前的实验装置只适用于纯氢气泄漏的模拟实验，不能适用于含氢气的混合气泄漏进行模拟实验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氢气泄漏扩散燃烧模拟实验装置，以解决目前的实验装置不能适应于对含氢气的混合气泄漏进行模拟实验的问题。

本发明的氢气泄漏扩散燃烧模拟实验装置的技术方案是：

一种氢气泄漏扩散燃烧模拟实验装置，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，该实验装置还包括助燃气源和助燃气输送管路，助燃气输送管路具有助燃气进口和助燃气出口，助燃气进口与助燃气源相连，该实验装置还包括与氢气输送管路和助燃气输送管路均连通的混合腔，氢气出口和/或助燃气出口连接至混合腔。

有益效果：通过设置助燃气源和助燃气输送管路配合氢气源和氢气输送管路实现氢气和助燃气的供给，同时使助燃气输送管路、氢气输送管路均连通至混合腔，使氢气与助燃气混合后排出，进而可以点燃混合气，适用于进行含氢气的混合气扩散燃烧实验。

进一步地，该实验装置还包括喷嘴，混合腔设置在喷嘴内，氢气出口和助燃气出口均连接至喷嘴。

有益效果：使助燃气与氢气直接在喷嘴内进行混合，缩小混合气的输送路径长度，提高安全性。

进一步地，喷嘴为混合器，混合器包括壳体，壳体内设有所述混合腔，混合腔具有混合气出口，混合腔内设有风扇，风扇用于在混合腔内气流作用下转动。

有益效果：通过混合气的气流带动风扇转动，搅动气体，便于气流充分混合，提高了气体混合效率。

进一步地，助燃气源为空气源。

有益效果：利用空气作为助燃气，可以通过控制空气量来控制氧气量，实现燃烧实验的同时有利于提高安全性。

进一步地，空气源为装有压缩空气的气瓶。

有益效果：利用气瓶作为气源，拆装方便，便于移动。

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，冷却器还具有与助燃气输送管路对应配合的部分以使冷却器对助燃气进行冷却。

有益效果：使助燃气也经过冷却器冷却，保证助燃气与氢气混合后的温度。

进一步地，助燃气输送管路上于冷却器下游设有干燥设备。

有益效果：利用干燥设备去除空气中的水分，避免空气中的水分影响实验结果。

进一步地，氢气源处和/或喷嘴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。

进一步地，氢气输送管路和助燃气输送管路上均设有流量调节阀。

有益效果：便于实现不同浓度配比的混合气，实现氢气和空气稳定预混燃烧的模拟。

附图说明

图1为本发明的氢气泄漏扩散燃烧模拟实验装置的实施例1的结构示意图；

图2为图1中的喷嘴的结构示意图；

图3为图2中的喷嘴的主视图；

图4为图2中的喷嘴的左视图；

图5为图2中的喷嘴的右视图；

图6为图2中的喷嘴内部结构示意图；

图7为图6中的隔板的示意图；

图8为图6中喷嘴的气体流向示意图。

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、喷嘴；10、点火器；11、第三温度传感器；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、第四温度传感器；18、冷阱；19、干燥设备；20、第四压强测量计；21、第五温度传感器；22、第一氢气浓度传感器；23、第二氢气浓度传感器；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

本发明的氢气泄漏扩散燃烧模拟实验装置的实施例1：

本实施例中通过设置助燃气源和助燃气输送管路配合氢气源和氢气输送管路实现氢气和助燃气的供给，同时使助燃气输送管路与氢气输送管路连通，利用氢气输送管路上的混合腔使氢气与助燃气混合后从喷嘴喷出，进而可以点燃混合气，适用于进行含氢气的混合气扩散燃烧实验。

如图1所示，氢气泄漏扩散燃烧模拟实验装置包括氢气源、氢气输送管路和空气源、空气输送管路以及喷嘴9。氢气源为压缩氢气瓶1，空气源为压缩空气瓶12。氢气输送管路和空气输送管路均与喷嘴连接，氢气经氢气输送管路在喷嘴9处与空气混合并喷出，通过喷嘴9处的点火器10点火，模拟含氢气的混合气泄露时的燃烧现象。

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，喷嘴9设置在氢气出口处。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。

空气输送管路构成助燃气输送管路，空气构成助燃气，空气源构成助燃气源，助燃气输送管路具有助燃气进口和助燃气出口，助燃气进口与压缩空气瓶12的气嘴相连，助燃气出口与氢气输送管路的喷嘴9相连。助燃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、第四温度传感器17、干燥设备19、第四压强测量计20、第五温度传感器21。利用空气作为助燃气，可以通过控制空气量来控制氧气量，实现燃烧模拟实验的同时有利于提高安全性。

喷嘴9具有混合腔，氢气出口和助燃气出口均与混合腔连通，以供氢气和空气进行混合。使空气与氢气直接在喷嘴9内进行混合，这样可以尽可能地缩短混合气的输送路径长度，提高安全性。

喷嘴9处设有点火器10外，还设有第三温度传感器11，在喷嘴9处的温度传感器是用于检测氢气-空气燃烧实验中点火是否成功的设备，点火器10为火花塞，在火花塞按照预定程序放电之后，温度传感器将检测喷嘴9出口处的温度，如果此时温度急剧上升，并达到一定阈值，则认为点火成功，火花塞不再工作，否则，火花塞进行下一轮的点火。

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，冷却器还具有与助燃气输送管路对应配合的部分以使冷却器对助燃气进行冷却，利用冷却器对氢气进行冷却，可以模拟液氢泄漏的场景。使助燃气也经过冷却器冷却，保证助燃气与氢气混合后的温度。助燃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。

喷嘴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。

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该冷却器，通过冷却器内部的冷媒将气体冷却到指定温度，本实施例中冷却至-60℃。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到喷嘴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。

不同体积比的氢气-空气混合后燃烧的压强、温度、持续时间等不相同，通过流量计、实时数据采集、控制器控制等手段实现混合气体的精确配比，模拟不同条件下的氢气-空气混合燃烧现象。可以通过关闭空气源，模拟不同温度(低温或常温)、不同流量的纯氢气在空气中的稳定扩散燃烧过程。将空气源和氢气源都打开，则可以模拟混合气在空气中的扩散燃烧过程，提高了实验装置的通用性。

其中，喷嘴9的具体结构如图2-8所示，喷嘴9为混合器，混合器包括壳体，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，有利于氢气扩散，提高混合气燃烧的稳定性，有利于实现液氢泄漏后扩散燃烧的有效稳定模拟。

本发明中的氢气泄漏扩散燃烧模拟实验装置的实施例2：

本实施例提供了与实施例1不同的助燃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中的助燃气输送管路与氢气输送管路的喷嘴相连接。而本实施例中，助燃气输送管路与氢气输送管路相连接。

本发明中的氢气泄漏扩散燃烧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中的喷嘴包括筒体，筒体内设有隔板，隔板与筒底围成混合腔，隔板上设有喷气孔。而本实施例中，喷嘴为筒体，筒体内腔构成混合腔。

本发明中的氢气泄漏扩散燃烧模拟实验装置的实施例4：

本实施例提供了与实施例1不同的助燃气源设置形式，本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中的助燃气源为空气源。而本实施例中，助燃气源为氧气源。

本发明中的氢气泄漏扩散燃烧模拟实验装置的实施例5：

本实施例提供了与实施例1不同的空气源设置形式，本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中的空气源为装有压缩空气的气瓶。而本实施例中，空气源为空压机。

本发明中的氢气泄漏扩散燃烧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中的模拟实验装置还包括冷却器。而本实施例中，不设冷却器。

本发明中的氢气泄漏扩散燃烧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助燃气输送管路对应配合的部分以使冷却器对助燃气进行冷却。而本实施例中，冷却器仅有对氢气进行冷却的部分，不对空气冷却。

本发明中的氢气泄漏扩散燃烧模拟实验装置的实施例8：

本实施例提供了与实施例1不同的干燥设备设置形式，本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中的助燃气输送管路上于冷却器下游设有干燥设备。而本实施例中，不设干燥设备。

本发明中的氢气泄漏扩散燃烧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中的氢气源处和喷嘴处设有氢气浓度传感器。而本实施例中，不设氢气浓度传感器。

本发明中的氢气泄漏扩散燃烧模拟实验装置的实施例10：

本实施例提供了与实施例1不同的流量调节阀设置形式，本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中的氢气输送管路和助燃气输送管路上均设有流量调节阀。而本实施例中，仅在氢气输送管路上设置流量调节阀。

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。