一种记录爆轰胞格结构的实验装置及方法

摘要

一种记录爆轰胞格结构的实验装置及方法，实验装置包括点火杠、驱动段、爆轰管、隔膜、火焰扰动螺旋、进气口；采用烟迹技术记录胞格结构，采用柔韧性好、耐高温、并具有较好强度的镜面铝板作为熏制表面，并将铝板前端修剪成圆弧形，确保铝板在爆轰过程中不会毁坏；熏制时，先将铝板卷制成半圆柱，随后用平板封盖后，采用煤油灯进行熏制；为了获得清晰的胞格结构，熏制时间控制为两端各5min左右，以免烟膜过厚；爆轰实验后，由于铝板表面附有冷凝水，采用热风机立即烘干，防止自然风干产生液滴小孔侵蚀胞格结构；本发明以低成本方法获取清晰胞格结构，使胞格尺寸的测量更准确，为气相爆轰理论研究的进一步完善和拓展提供了更多可靠的实验数据。

说明书

技术领域

本发明涉及爆轰测试技术领域，具体涉及一种记录气相爆轰胞格结构的实验装置及方法。

背景技术

压水堆核电厂发生严重事故时，反应堆堆芯的锆包壳被蒸汽或空气氧化而产生大量的氢气。此外，堆芯熔融物若掉落到反应堆堆腔，熔融物和混凝土相互作用又将产生大量的氢气或一氧化碳。这些气体与周围的空气和蒸汽混合后可能产生可燃性混合物，遇到电火花或热源将发生缓慢燃烧。而该燃烧火焰极其不稳定，若火焰的传播路径存在障碍物，激起的湍流作用致使燃烧率增加、传播火焰不断加速。在合适的条件下，这将引起爆燃转化为爆轰。而爆轰产生的巨大冲击力将导致核电厂的安全壳发生破裂，致使放射性物质泄漏到外部环境，威胁公众安全。国内外对爆轰过程进行了大量研究，发现自持爆轰波一般具有复杂的三维结构，称为胞格结构。衡量混合物对发生自持爆轰是否敏感的一个实验直接测量参数是爆轰胞格尺寸。为了记录爆轰胞格结构，一般采用烟迹技术。即在爆轰实验之前将细小颗粒物熏制或涂抹在金属板或薄膜表面，实验时爆轰波掠过金属板或薄膜表面将形成鱼鳞状的胞格结构。

关于烟迹技术的具体实施方法，因实验的侧重点和实验段设计而异。例如，文献“用烟迹法研究爆燃向爆震的转捩”中的实验段是方形爆轰管，可以直接将黑烟熏制在爆轰管的一个光滑内壁面上。但该方法直接在爆震管壁面开窗，会造成两个问题。一是爆轰波经过的管道尺寸发生了变化，显然开窗位置处管道尺寸变大，交界处的几何突变会对爆轰胞格产生一定的影响。二是大面积开窗难以保证管道的密封性，且装卸过程也比较耗时。又例如，文献“柔性扰动对爆轰波传播影响实验研究”中，利用煤油灯在聚酯薄膜表面熏制煤烟。相比于不锈钢，聚酯薄膜延展性较好，更易于贴紧管壁。但聚酯薄膜也存在两个致命缺点。一是强度较差，薄膜与管壁存在微小间隙，爆轰波即可破坏性毁坏薄膜，实验成功极低。而且产生的薄膜碎片在爆轰高温下具有一定粘性，易粘附于爆轰管内部甚至测试仪器，对后续的爆轰实验产生消极影响。二是耐热性较差，在煤烟熏制过程中更加费时费力，爆轰火焰的高温也会造成薄膜脆化，从而影响爆轰胞格尺寸的测量和拍摄。

发明内容

本发明的目的是克服现有爆轰胞格结构尺寸测量技术的不足，提供一种记录气相爆轰胞格结构的实验装置及方法，本发明以低成本方法获取清晰胞格结构，使胞格尺寸的测量更准确，为气相爆轰理论研究的进一步完善和拓展提供了更多可靠的实验数据。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种记录爆轰胞格结构的实验装置，实验主体段为爆轰管5，爆轰管5前端连接驱动段2，驱动段2前端安装点火杠1，驱动段2内安装火焰扰动螺旋结构8以便加速火焰；由于爆轰管5和驱动段2内充入的气体不同，采用隔膜4进行隔离；爆轰管5和驱动段2分别连接各自的进气管,分别为爆轰管进气管7和乙炔引爆段进气管3；所述爆轰管5末端内设置卷制而成的烟熏铝板6，烟熏铝板6与爆轰管5的管壁紧密贴合，烟熏铝板6宽度比爆轰管5圆周小10～30mm，卷绕间隙朝下放置，防止爆轰产生的水蒸汽凝结并掉落到铝板表面，毁坏胞格结构；烟熏铝板6的前端修剪为圆弧形，防止爆轰波在一个爆轰截面上大面积进入烟熏铝板6前端与爆轰管5的管壁的间隙，造成烟熏铝板6毁坏。

所述爆轰管5和驱动段2均由不锈钢制成，内径为78mm，壁厚10mm，爆轰管5的长度为10m，驱动段2的长度为0.3m。

所述烟熏铝板6的厚度为0.5mm，长度小于1m。

所述隔膜4为聚酯薄膜。

烟熏铝板6内表面的烟膜厚度不宜过厚，否则胞格结构无法清晰显示。爆轰实验后，烟熏铝板6内表面存在大量爆轰产物水蒸汽冷凝而成的水膜，采用热风机立即吹干，防止液膜自然风干产生大量液滴小孔破坏胞格结构。

本发明所采用烟熏铝板制作方法如下：采用镜面铝板作为烟膜表面，镜面侧在使用前贴有保护膜；用刀片切割所需规格尺寸的铝板，并将前端修剪成圆弧；利用周长稍小于铝板宽度的圆柱形装置，朝铝板宽度方向将整块铝板卷成圆弧形；撕去镜面保护膜，将圆弧形铝板的侧面开口用普通平板封闭，上部开口用平板封盖，随后将铝板立于煤油灯火焰正上方进行熏制，熏制5min后调换铝板方向继续熏制5min，保证煤烟均匀分布于铝板内表面，形成烟熏铝板6。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明不直接在爆轰管内壁熏制煤烟，而采用铝板进行熏制。铝板较薄，且与爆轰管内壁紧密贴合，交界处不会对爆轰波产生显著扰动，保证爆轰胞格结构能准确反映该气相混合物对爆轰的敏感程度。

2、本发明所采用的镜面铝板具有良好的强度和柔韧性，卷制成圆弧形后可以紧密贴合爆轰管内壁，避免爆轰波损坏铝板。且铝板耐热性好，在爆轰高温下铝板不存在脆化现象。

3、本发明将铝板前端剪成圆弧形，避免爆轰波在一个爆轰管截面上大面积进入铝板与内壁的间隙，造成铝板毁坏。

附图说明

图1为本发明实验装置示意图。

图2为本发明中胞格测量所用的镜面铝板。

图3为卷制成半圆柱形的铝板置于煤油灯上方进行熏制的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明：

如图1所示，本发明一种记录爆轰胞格结构的实验装置，实验主体段为爆轰管5，爆轰管5前端连接驱动段2，驱动段2前端安装点火杠1，驱动段2内安装火焰扰动螺旋结构8以便加速火焰；由于爆轰管5和驱动段2内充入的气体不同，采用隔膜4进行隔离；爆轰管5和驱动段2分别连接各自的进气管分别为爆轰管进气管7和乙炔引爆段进气管3；所述爆轰管5末端内设置卷制而成的烟熏铝板6，烟熏铝板6与爆轰管5的管壁紧密贴合，烟熏铝板6宽度比爆轰管5圆周小10～30mm，卷绕间隙朝下放置，防止爆轰产生的水蒸汽凝结并掉落到铝板表面，毁坏胞格结构；如图2所示，烟熏铝板6的前端修剪为圆弧形，防止爆轰波在一个爆轰截面上大面积进入烟熏铝板6前端与爆轰管5的管壁的间隙，造成烟熏铝板6毁坏。

本发明实验装置的安装制作及实验方法如下：

1、采用进口镜面铝板作为熏制表面，镜面一侧在使用之前贴有塑料薄膜作为保护，防止铝板表面磨损或氧化。

2、由于本实验爆轰管5的内径为78mm，长度为10m。因此选用的铝板规格为厚0.5mm，宽度比爆轰管5圆周长小10～30mm，长度小于1m。

3、如图2所示，将矩形铝板的头部剪成圆弧，修剪过程必须确保圆弧光滑无毛刺，且整块铝板表面平整无翘起。以确保在第6步过程中铝板可以紧密贴合爆轰管5的内壁。

4、利用周长稍小于铝板宽度的圆柱形装置，朝铝板宽度方向将整块铝板卷成圆弧形。此过程要保证铝板紧贴圆柱形装置表面，且铝板长度方向与圆柱轴严格平行，可多次调换铝板两端进行滚滑，以保证边缘处的弧度可以与爆轰管5的内壁较好贴合。

5、撕去铝板镜面的保护膜后，如图3所示，将卷制成的半圆柱形铝板的侧部开口用普通平板10封闭，上部开口用平板11封盖。铝板立置于煤油灯火焰9正上方3‐5cm。熏制5min左右后调换铝板方向继续熏制5min，保证煤烟均匀分布于铝板内表面，形成烟熏铝板6。熏制时间不宜过长，否则煤烟膜过厚会造成爆轰胞格显示不清晰。

6、将熏制成的烟熏铝板6塞于爆轰管5末端，烟熏铝板6的圆弧端置于前端。此过程要尽可能保证烟熏铝板6紧密贴合爆轰管4内壁，以免爆轰波毁坏烟熏铝板6。装上爆轰段5末端的密封法兰及其螺栓。在驱动段2和爆轰管5之间用厚度为0.1mm的隔膜4隔开。

7、对管道抽真空后分别往爆轰管5和驱动段2充入可燃性气体混合物，随后打开点火杆1，驱动段2内的驱动气体在火焰扰动螺旋结构8的搅浑下首先发生爆燃或爆轰，从而爆破隔膜4，接着爆轰管5内的可燃性气体混合物发生爆燃和爆轰，爆轰波经过烟熏铝板6后，在烟熏铝板6表面形成鱼鳞状的胞格结构。

8、爆轰实验结束后取出烟熏铝板6，由于烟熏铝板6内表面附有冷凝水膜，用热风机尽快烘干，防止液膜自然风干产生大量液滴小孔侵蚀胞格结构，从而影响胞格尺寸的准确测量。