本发明涉及可燃气体爆炸防护领域，特别涉及用于测试预混可燃气体在一定温度、压力条件下的湍流状态和火焰不稳定的多尺度耦合作用的特性参数的装置及方法。
背景技术：
1、由于易泄漏、爆炸极限宽、最小点火能低等危险属性，上游制氢、中游储运和下游应用等产业链的关键环节都存在较高爆炸风险。一方面，氢气爆炸火焰锋面厚度过薄，锋面内部质量和热量难以均衡扩散，火焰传播易受火焰不稳定的影响；另一方面，在灌装厂、加氢站等典型场景不可避免地存在外加湍流，如环境风和机械通风等。实际爆炸事故中，外加湍流和火焰不稳定必然相互耦合，进而影响爆炸超压形成。需要强调的是，目前爆炸超压预测方法未充分考虑外加湍流和火焰不稳定相互作用对火焰加速传播的影响机理，致使理论预测值与实际工况相差甚大。
2、关于爆炸超压与湍流火焰加速传播的耦合机制研究主要存在的问题：(1)在火焰加速传播的研究方面，目前研究集中于分析火焰不稳定对加速指数的影响规律与建立湍流燃烧速度模型等方面，中等湍流和强湍流工况氢气爆炸实验数据匮乏，外加湍流和火焰不稳定相互作用及其对火焰加速传播的影响机理尚不明晰，亟需建立耦合外加湍流和火焰不稳定相互作用的湍流燃烧速度模型。(2)在爆炸超压形成机制的研究方面，目前研究集中于建立耦合火焰不稳定的爆炸超压预测模型与探究外加湍流对爆炸超压特性的影响规律等方面，外加湍流工况爆炸超压形成机理有待揭示，爆炸超压和湍流火焰加速传播耦合机制尚不明晰，亟需建立耦合外加湍流和火焰不稳定相互作用的氢气爆炸超压预测模型。
3、鉴于此，本发明拟改变初始温度、初始压力、燃气当量比、湍流均方根速度、湍流积分尺度等，解析外加湍流和火焰不稳定的多尺度耦合作用，揭示外加湍流和火焰不稳定相互作用对湍流火焰加速传播的影响机理，阐明氢气爆炸超压和湍流火焰加速传播的耦合机制。
4、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种测量可燃气体在一定温度、压力条件下的湍流状态和火焰不稳定的多尺度耦合作用特性参数的装置及方法，并能够精确测量与记录湍流状态下的火焰形态与湍流场参数。
2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于测试外加湍流工况可燃气体爆炸特性的装置，包括分压配气系统、纹影系统、外加湍流密闭系统、数据采集系统和温控系统；
3、所述分压配气系统中燃料气罐和助燃气罐经混合管路连接至四通的一通，四通的另外三通分别连接阻火器、真空泵和压力表；
4、所述外加湍流密闭系统中外加湍流密闭腔室的两侧设置可视窗口，外加湍流密闭腔室上呈十字交叉状安装四组外加风机，外加风机采用中的伺服电机驱动扇叶，伺服电机设置在外加湍流密闭腔室外侧，扇叶设置在外加湍流密闭腔室内；所述伺服电机与转速控制仪电连接；
5、所述纹影系统通过钨丝生成点光源后，通过平面反射镜和一组凹面镜或一组凸面镜产生平行光，穿过可视窗口后，由高速摄像机记录；
6、所述数据采集系统中计算机与数据采集仪和高速摄像机进行电连接，数据采集仪采集压力传感器的信号；
7、所述温控系统采用温度控制器控制设置在外加湍流密闭腔室外部的加热套；
8、该装置还包括时序控制器，它与高压点火器、高速摄像机和数据采集仪电连接。
9、所述纹影系统包括纹影点光源、纹影透镜、纹影凸面镜和纹影刀口。
10、所述燃料气罐中为氢气、甲烷或丙烷；所述助燃气罐中为氧气或空气。
11、一种用于测试外加湍流工况可燃气体爆炸特性的装置的工作方法，包括以下步骤：
12、s1.将燃料气罐和助燃气罐中的可燃气体与助燃气体进行混合；改变初始压力和燃气当量比，将混合气体喷入外加湍流密闭腔室；
13、s2.温度控制器控制设置在外加湍流密闭腔室外部的加热套，用以改变初始温度；
14、s3.通过设置扇叶的尺寸和调控转速控制仪的转速，形成不同强度的湍流场；所述湍流场的湍流脉动速度均方根和湍流积分尺度信息，通过以下方法获得：
15、采用公式(1)和公式(2)对不同时刻下速度矢量场进行时间平均，得到时间平均下速度分量：
16、
17、
18、式中：是x方向时间平均后的速度分量；是y方向时间平均后的速度分量；uj(x,y,t)是x方向不同时刻下的速度分量；vj(x,y,t)是y方向不同时刻下的速度分量；n是图片数量；
19、在速度分量的基础上，采用公式(3)求得时间平均后速度：
20、
21、式中，是时间平均后的速度；
22、在流场平均速度基础上，采用公式(4)和公式(5)进一步计算x方向和y方向的湍流脉动速度：
23、
24、
25、式中，uf(x,y,t)是某一时刻下x方向的湍流脉动速度分量；vf(x,y,t)是某一时刻下y方向的湍流脉动速度分量；
26、采用公式(6)和公式(7)计算x方向和y方向的湍流脉动速度分量均方根：
27、
28、
29、式中，urms(x,y)是x方向脉动速度分量均方根；vrms(x,y)是y方向脉动速度分量均方根；
30、采用公式(8)将x方向与y方向的脉动速度分量均方根合并，得湍流脉动速度均方根：
31、
32、式中，u'(x,y)是某一点上的湍流脉动速度均方根；
33、采用公式(9)和公式(10)计算积分尺度：
34、
35、
36、式中，ruu(δx)是相邻两点在x方向的脉动速度相关系数；ufx是x轴方向的脉动速度；<.>是测量范围内空间平均；lux是沿x轴方向的经线积分尺度；
37、s4.启动纹影系统；采用时序控制器依次触发高压点火器、高速摄像机和数据采集仪，高速摄像机记录火焰形态信息与火焰传播速度信息，数据采集仪记录压力传感器的压力；
38、测试工况设定的温度范围为室温至500℃；压力范围为0.1至10mpa。
39、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
40、本发明的测试装置与方法能够精确测量与记录湍流状态下的火焰形态与湍流场参数；装置内所产生的湍流场为各项同性的湍流场，并且湍流场、火焰形态等信息可视化；湍流强度对氢气爆炸火焰演变的影响规律：相比于未加湍流工况，湍流工况膨胀火焰难以维持球形结构，且随着湍流强度的增加，火焰褶皱程度逐渐加剧，火焰传播速度逐渐增加。湍流强度对氢气爆炸超压曲线的影响规律：随着湍流强度的增加，爆炸超压峰值小幅度波动，但爆炸升压速率单调增加。可实现测试不同压力、温度、不同湍流场强度下的可燃气体的湍流分布、火焰形态、湍流燃烧速度、爆炸压力等参数。供气系统管路上的阻火器能有效防止火焰逆流到管路内部。
41、上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。
1.一种用于测试外加湍流工况可燃气体爆炸特性的装置，其特征在于，包括分压配气系统、纹影系统、外加湍流密闭系统、数据采集系统和温控系统；
2.根据权利要求1所述的一种用于测试外加湍流工况可燃气体爆炸特性的装置，其特征在于：所述纹影系统包括纹影点光源(1)、纹影透镜(2)、纹影凸面镜(3)和纹影刀口(8)。
3.根据权利要求1所述的一种用于测试外加湍流工况可燃气体爆炸特性的装置，其特征在于：所述燃料气罐(19)中为氢气、甲烷或丙烷；所述助燃气罐(20)中为氧气或空气。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种用于测试外加湍流工况可燃气体爆炸特性的装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种用于测试外加湍流工况可燃气体爆炸特性的装置的工作方法，其特征在于，测试工况设定的温度范围为室温至500℃；压力范围为0.1至10mpa。
