CN109212154B - 气体***热力耦合破坏效应实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体***热力耦合破坏效应实验装置，包括***发生器和外场破坏效应检测机构。***发生器一个侧面上设有火焰形态观察窗口并安装有高耐性有机玻璃，与其相邻的侧面上设有泄爆口并安装有泄爆构件。***发生器底面设有一个抽气孔与至少4个进气孔，分别与真空泵和气瓶连接构成配气***。***发生器顶面及一个侧面分别安装有数个压力传感器与温度传感组件。泄爆口外部空间设有铺垫了均匀细沙的弧形区域，该区域上设置有压力传感器及混凝土板。在弧形区域边缘设置红外高速摄影仪与红外温度测量仪。本发明用于模拟研究气体***条件下结构内、外的热力耦合破坏效应，可以综合再现实际气体***产生的多种损伤形式。
Description
技术领域
本发明属于安全工程防护实验技术领域，具体涉及一种气体***热力耦合破坏效应实验装置。
背景技术
随着气体能源在人们生活中得到广泛应用，建筑结构内的气体***灾害已经成为人们生产生活中面临的主要灾害之一。结构内部气体***会引起空间内的压力增大，温度升高。建筑结构、内部设施以及室内人员在超压与高温的热力耦合破坏效应下会受到严重损伤。同时，建筑结构内的气体***往往伴随着薄弱构件的击穿与泄放，由此引起的压力泄放、火焰泄放以及击穿构件的破片均会对周边人员设施产生破坏效应。由此可见，对于气体***在内、外场产生的热力耦合破坏效应进行研究对于气体***灾害的防护具有重要意义。基于此，当前迫切需要一种气体***热力耦合破坏效应实验装置。
现有的气体***实验装置多为球形或柱形容器，与实际建筑结构差别较大。研究者通过在这些实验容器中进行实验，主要研究受限空间内气体***引起的压力变化，而对于***引起的温度效应研究较少，对于高温与高压的相互影响及热力耦合破坏效应更是很少涉及。同时，现有研究主要集中在建筑结构内部，对于周边建筑结构因泄爆引起的超压、热辐射、击穿碎片产生的耦合破坏效应很少关注。
由此可见，现存的技术问题是：当前研究只关注气体***产生的某一单独的破坏效应，与实际情况差别较大，无法对真实工况进行再现与研究。现在需要一种综合考虑气体***对建筑结构内、外产生的多种破坏效应的实验装置，以对气爆产生的实际耦合破坏效应进行研究。
发明内容
本发明目的是提供一种气体***热力耦合破坏效应实验装置，用于模拟实际气体***环境下产生的多种破坏效应的耦合作用，为工程防护提供理论参考与技术支持。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种气体***热力耦合破坏效应实验装置，包括***发生器和外场破坏效应检测机构，所述***发生器包括***发生器外壳、防爆风扇、配气组件、固定组件、泄爆构件、浓度分析仪、点火装置、高速摄影、真空泵、气瓶、2-5个压力传感器和2-5个温度传感组件，所述***发生器外壳为方形，其内部为***发生腔，***发生器外壳一个侧面上设有火焰形态观察窗口，高速摄影位于***发生器外壳外部，正对火焰形态观察窗口进行拍摄记录，与设有火焰形态观察窗口相邻的侧面上设有泄爆口，泄爆构件固定在***发生器外壳外壁并封住泄爆口，防爆风扇、配气组件、压力传感器、温度传感组件均设置在***发生器外壳内，***发生器外壳底面中心设有一个抽气孔，***发生器外壳底面环绕抽气孔至少对称分布4个进气孔，位于***发生器外壳外部的真空泵与抽气孔连接，位于***发生器外壳外部的气瓶通过进气管与进气孔连接，***发生器外壳顶面设有2-5个压力传感器安装孔，每个压力传感器安装孔内安装有一个压力传感器，***发生器外壳与设有火焰形态观察窗口的侧面相对的侧面上设有一个点火器安装孔和2-5个温度传感组件安装孔，每个温度传感组件安装孔内固定一个温度传感组件，固定组件设置在***发生器外壳外部，将***发生器外壳固定在地面上，点火装置固定在点火器安装孔内，***发生器外壳顶面设有气体采集孔，浓度分析仪通过抽气软管与气体采集孔连接。
所述温度传感组件包括温度传感器和绝热套筒，温度传感器设置在绝热套筒内，温度传感器的探测头伸出绝热套筒，温度传感器与外接的数据采集器相连，所述压力传感器外壁设有隔热层。
所述***发生外壳采用钢结构，火焰形态观察窗口上固定有高耐性有机玻璃。
所述配气组件包括至少4根竖直细长进气管，竖直细长进气管上密布细小气孔，竖直细长进气管与进气孔连接。
所述泄爆构件包括压框和泄爆板，泄爆板的尺寸大于泄爆口的尺寸，挡住泄爆口并通过压框与***发生器外壳外壁固定，泄爆板表面画有网格并涂成不同颜色。
所述泄爆构件包括压框和泄爆膜，泄爆膜的尺寸大于泄爆口的尺寸，挡住泄爆口并通过压框与***发生器外壳外壁固定。
所述固定组件包括四个金属底座和4n组拉索机构，n≥1，四个金属底座对称分布在***发生器外壳底部外壁，并与地面锚固，***发生器外壳的每一个侧面固连一组拉索机构。
所述拉索机构包括固定接头、柔性钢索、调节环扣和铆钉，固定接头固连在***发生器外壳的侧面外壁，柔性钢索一端与固定接头固连，另一端通过铆钉与地面固连。
所述外场破坏损伤检测机构包括铺垫有均匀细沙的弧形区域、安装在可调节支座上的压力传感器、安装在金属支架上的混凝土板、红外高速摄影仪、红外温度测量仪和位移计，红外高速摄影仪和红外温度测量仪设置在在弧形区域边缘，所述弧形区域位于泄爆口外侧，位移计固定在混凝土板的背爆面上，红外高速摄影仪拍摄泄放到外场的火焰状态，同时红外温度测量仪记录外场的热辐射情况。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）能够真实再现实际气体***在建筑结构内、外场产生的热力耦合破坏效应。
（2）表面密布细孔的细长进气管与底面进气孔相连，进气过程中防爆风扇始终开启，顶面开设气体采集通道与浓度分析仪相连进行浓度检测，可以保证内部气体的均匀性。
（3）所述泄爆板表面画有网格并涂成不同颜色，弧形实验区域铺有均匀细沙对飞散的碎片起到缓冲作用。通过这个方法结合高速摄影可以记录碎片的飞散路径、飞散速度与破坏效应，提高记录数据的准确性与便捷性。
（4）通过温度测试仪、压力传感器与透明观察窗，研究建筑空间内部气体***产生的超压效应、温度效应及火焰传播规律，评估气爆内场的热力耦合破坏效应。
（5）通过压力传感器、红外高速摄影仪、红外温度测量仪与位移计，研究泄爆引起的***超压、热辐射、飞散碎片对外场建筑结构产生的综合破坏效应。
附图说明
图1为本发明气体***热力耦合破坏效应实验装置的整体结构示意图。
图2为本发明气体***热力耦合破坏效应实验装置的正视图。
其中，钢结构***发生器外壳1、柔性钢索2、调节环扣3、固定接头4、固定铆5、金属底座6、进气孔7、竖直细长进气管8、抽气孔9、防爆风扇10、观察窗11、气体采集孔12、浓度分析仪13、压力传感器14、温度传感组件15、点火装置16、固定压框17、转动合页18、泄爆板19、高速摄影20、气瓶21、红外温度测量仪22、红外高速摄影仪23、支座24、压力传感器25、金属支架26、混凝土板27、位移计28、铺垫了均匀细沙的弧形区域29。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1和图2，气体***热力耦合破坏效应实验装置，包括钢结构***发生器外壳1，外壳各侧面外部焊接有固定接头4，通过柔性钢索2与地面的固定铆钉5连接，柔性钢索2的松紧度由调节环扣3控制；钢结构***发生器外壳1底部四个角处分布有4个金属底座6，通过膨胀螺丝与地面固定。
***发生器外壳底面中心设有一个抽气孔9与真空泵连接，环绕抽气孔9对称分布多个进气孔7与钢结构***发生器外壳1外部的气瓶21连接，在***发生器外壳内部进气孔7与分布有细孔的竖直细长进气管8连接。防爆风扇10安装在***发生器内部底面，风向垂直向上。
***发生器外壳上侧面安装有压力传感器14与气体采集通道12，采集的气体通过软管传送至浓度分析仪13以确定内部浓度。
腔体一个侧面上安装有观察窗11，观察窗11上覆盖有机玻璃，并通过玻璃胶固定以保证腔体的气密性。***发生器外壳1内部的火焰形态变化由位于***发生器外壳1外部正对火焰形态观察窗口11的高速摄影20记录。
***发生器外壳1上正对观察窗的侧面安装有点火装置16与温度传感组件15。温度传感组件15采用螺旋方式固定，螺口处缠绕有密封胶带；点火装置16包括点火头、法兰盘与点火控制器，采用螺旋方式安装，根据实验要求可采用电阻加热式点火头或电火花式点火头，通过法兰盘对不同类型点火头进行更换，点火能量或点火温度由点火控制器控制。
***发生器外壳1与观察窗11相邻的一侧设置有泄爆口。通过转动合页18打开固定压框17，将泄爆板19安装在泄爆口并用固定压框17进行固定。固定压框17通过沿周长若干个均匀分布的螺栓将泄爆构件19夹紧，在泄爆板19与***腔体1之间贴有密封垫进行密封。
正对泄爆口的外部空间设有铺垫了均匀细沙的弧形区域29，该区域上设置有带有可调节支座24的压力传感器25与安装在金属支架26上的混凝土板27。混凝土板背爆侧安装有位移计28。在弧形区域边缘设置红外高速摄影仪23与红外温度测量仪22。
所述***发生器外壳1由高强度钢板制成，各面连接处采用焊接加固，最高可承受1Mpa的超压。***发生器外壳1几何尺寸与实际建筑结构类似，长径比小于3。
配气过程首先运用真空泵通过位于底面的抽气孔9将***发生器外壳1内部抽至真空，然后将气瓶21中的可燃气体通过多个均匀布置于底面的进气孔7运用分压法输送入***发生器外壳1内部。进气孔7在***腔体1内部与分布有细孔的竖直细长进气管8连接，保证进气过程中气体分布均匀。配气构成中防爆风扇10始终开启，浓度分析仪13通过位于顶面的气体采集通道12抽气，保证测量浓度的准确性。
2-5个压力传感器14通过螺旋方式安装在***发生器外壳1顶面，压力传感器14表面安装有隔热层。温度传感组件15同点火装置16安装在***发生器外壳1同一侧面，并配有绝热套筒，可以深入***发生器外壳1内部。压力传感器14与温度传感组件15与***腔体1的接口采用密封胶封闭以保证其气密性，另一端与数据采集器连接以记录内部压力与温度变化。
泄爆板19表面已经预先划分了网格并涂成不同颜色，其击穿后碎片会飞散到外部空间的矩形区域29内。矩形区域29内铺有均匀细沙，可以对飞散的碎片进行缓冲，记录碎片飞散的初始位置。
矩形区域29边缘的红外高速摄影23可以记录飞散碎片的飞行轨迹，进而推测出其产生的破坏冲量。矩形区域29边缘的红外温度测量仪22可以记录泄放火焰引起的热辐射与外部温度变化情况。
压力传感器25通过螺旋接口拧装在支座24上，用来记录外部自由场的压力情况。支座24连接处设置有转动螺栓与三角支架，可以调节传感器的高度与角度。
混凝土板27预支在金属支架26上，采用四端固支方式，位移计28放置在混凝土板27背爆面中心位置。金属框架26与地面通过膨胀螺丝固定。
气体***热力耦合破坏效应综合实验步骤：
步骤1、将***发生器外壳1吊装至指定场地，并运用底部的金属底座6与侧面的柔性钢索2进行固定。
步骤2、划分弧形实验区域29并均匀铺上细沙。在弧形实验区域29上安装架设在支座24上的压力传感器25与固定在金属框架26上的混凝土板27。
步骤3、在泄爆口安装预先划分好网格的泄爆构件19，并运用压框17固定密封。
步骤4、在***腔体1上安装压力传感器14、温度传感组件15与点火装置16。在外部正对观察窗的位置架设高速摄影20，在弧形区域29边缘架设红外温度测量仪22与红外高速摄影仪23。
步骤5、利用真空泵通过抽气孔9进行抽气。抽气结束后打开防爆风扇10，将气瓶21中的可燃气体运用分压法通过进气孔7经由细长进气管道8均匀输送至***发生器外壳1内部，同时开启浓度分析仪13检测内部浓度。
步骤6、***发生器外壳1内部达到指定浓度时关闭配气***，开启数据采集***及外部高速摄影，人员退至安全距离外，启动点火***16。
步骤7、运用高速摄影20由观察窗11记录内部火焰发展情况，通过压力传感器14与温度传感组件15记录内部热力耦合破坏效应。运用红外温度测量仪22与红外高速摄影仪23记录外场热辐射与碎片飞散情况。运用压力传感器25与位移计28测量外场压力波及结构动力响应情况。
综上所述，本发明能够真实再现实际工况中的气体***热力耦合破坏效应。综合运用多种量测手段，可以对气体***在建筑结构内、外产生的多种破坏效应及其相互作用进行研究。
Claims (6)
1.一种气体***热力耦合破坏效应实验装置，其特征在于：包括***发生器和外场破坏效应检测机构，所述***发生器包括***发生器外壳（1）、防爆风扇（10）、配气组件、固定组件、泄爆构件、浓度分析仪（13）、点火装置（16）、高速摄影（20）、真空泵、气瓶（21）、2-5个压力传感器（14）和2-5个温度传感组件（15），所述***发生器外壳（1）为方形，其内部为***发生腔，***发生器外壳（1）一个侧面上设有火焰形态观察窗口（11），高速摄影（20）位于***发生器外壳（1）外部，正对火焰形态观察窗口（11）进行拍摄记录，与设有火焰形态观察窗口（11）相邻的侧面上设有泄爆口，泄爆构件固定在***发生器外壳（1）外壁并封住泄爆口，防爆风扇（10）、配气组件、压力传感器（14）、温度传感组件（15）均设置在***发生器外壳（1）内，***发生器外壳（1）底面中心设有一个抽气孔（9），***发生器外壳（1）底面环绕抽气孔（9）至少对称分布4个进气孔（7），位于***发生器外壳（1）外部的真空泵与抽气孔（9）连接，位于***发生器外壳（1）外部的气瓶（21）通过进气管与进气孔（7）连接，***发生器外壳（1）顶面设有2-5个压力传感器安装孔，每个压力传感器安装孔内安装有一个压力传感器（14），***发生器外壳（1）与设有火焰形态观察窗口（11）的侧面相对的侧面上设有一个点火器安装孔和2-5个温度传感组件安装孔，每个温度传感组件安装孔内固定一个温度传感组件（15），固定组件设置在***发生器外壳（1）外部，将***发生器外壳（1）固定在地面上，点火装置（16）固定在点火器安装孔内，***发生器外壳（1）顶面设有气体采集孔（12），浓度分析仪（13）通过抽气软管与气体采集孔（12）连接；
所述温度传感组件（15）包括温度传感器和绝热套筒，温度传感器设置在绝热套筒内，温度传感器的探测头伸出绝热套筒，温度传感器与外接的数据采集器相连，所述压力传感器（14）外壁设有隔热层；
所述***发生器外壳（1）采用钢结构，火焰形态观察窗口（11）上固定有高耐性有机玻璃；
所述配气组件包括至少4根竖直细长进气管（8），竖直细长进气管（8）上密布细小气孔，竖直细长进气管（8）与进气孔（7）连接。
2.根据权利要求1所述的气体***热力耦合破坏效应实验装置，其特征在于：所述泄爆构件包括压框（17）和泄爆板（19），泄爆板的尺寸大于泄爆口的尺寸，挡住泄爆口并通过压框（17）与***发生器外壳（1）外壁固定，泄爆板（19）表面画有网格并涂成不同颜色。
3.根据权利要求1所述的气体***热力耦合破坏效应实验装置，其特征在于：所述泄爆构件包括压框（17）和泄爆膜，泄爆膜的尺寸大于泄爆口的尺寸，挡住泄爆口并通过压框（17）与***发生器外壳（1）外壁固定。
4.根据权利要求1所述的气体***热力耦合破坏效应实验装置，其特征在于：所述固定组件包括四个金属底座（6）和4n组拉索机构，n≥1，四个金属底座（6）对称分布在***发生器外壳（1）底部外壁，并与地面锚固，***发生器外壳（1）的每一个侧面固连一组拉索机构。
5.根据权利要求4所述的气体***热力耦合破坏效应实验装置，其特征在于：所述拉索机构包括固定接头（4）、柔性钢索（2）、调节环扣（3）和铆钉（5），固定接头（4）固连在***发生器外壳（1）的侧面外壁，柔性钢索（2）一端与固定接头（4）固连，另一端通过铆钉（5）与地面固连。
6.根据权利要求1所述的气体***热力耦合破坏效应实验装置，其特征在于：所述外场破坏损伤检测机构包括铺垫有均匀细沙的弧形区域（29）、安装在可调节支座（24）上的第二压力传感器（25）、安装在金属支架（26）上的混凝土板（27）、红外高速摄影仪（23）、红外温度测量仪（22）和位移计（28），红外高速摄影仪（23）和红外温度测量仪（22）设置在在弧形区域（29）边缘，所述弧形区域（29）位于泄爆口外侧，位移计（28）固定在混凝土板（27）的背爆面上，红外高速摄影仪（23）拍摄泄放到外场的火焰状态，同时红外温度测量仪（22）记录外场的热辐射情况。
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