瞬态光谱应用 | 可燃气体燃烧阻燃流场光谱测量研究

捕捉CH、OH等短链自由基自发光的特征谱线特性，其谱线中蕴含温度、粒子数密度、压力、速度等关键流场参数；搭建自由基/自发光拍摄与阻爆测量一体化系统，结合同步技术实现阻燃剂的精准喷射，同时通过自由基荧光成像开展可燃气体爆炸微观分析，为瓦斯爆炸抑制技术研发提供核心支撑。

模拟煤矿采煤、掘进工作面的巷道结构，设计一端封闭一端开口或两端开口的管道空间模型，搭建包含点火、配气、光学测量、数据采集等模块的全套实验系统，最大程度贴合井下实际爆炸场景。

采用光谱仪与ICCD相机搭配组成测量系统，选用1200g/mm光栅，将ICCD相机曝光时间精准设定为0.02s；将汞灯置于光谱仪狭缝处开展瞬态光谱扫描实验，数据显示438.3nm处出现强波峰，与标准汞灯特征谱线高度吻合，直接验证了该光谱测量系统的精准性与可靠性。

图1 瞬态光谱示意图

图2 汞灯瞬态光谱扫描图

对蜡烛火焰开展特征谱线测试，实验数据显示347nm处为核心波峰，与OH自由基308nm的标准特征谱线存在显著偏差，这一结果为后续自由基谱线干扰分析、燃烧产物成分研究提供了关键对比数据。

图3 蜡烛火焰光谱图

阻燃实验段设计与参数优化

选用响应度0.02s的电磁阀，精准控制气体、液体类阻燃剂的喷射总量；在喷射段凹槽处设计100个1mm喷射孔，通过结构优化实现阻燃剂在管道内的均匀扩散，为阻爆实验开展提供了稳定的硬件参数支撑。

图4 阻燃实验段示意图

燃烧流场的自发光现象会对谱线采集造成明显干扰，经多次实验验证，在光路中插入适配半带宽的滤光片，可有效消除该干扰，显著提升特征谱线数据的准确性。

小尺度管道实验中，高压放电点火系统会产生强电磁干扰，常规尼龙传感器座子无法实现有效屏蔽，改用绝缘尼龙段后，成功消除电极与管壁间的放电干扰，保障了数据采集系统的正常工作，大幅提升实验数据有效率。

蜡烛火焰347nm谱线与OH自由基标准谱线存在偏差，推测原因为蜡烛燃烧过程中生成了其他短链自由基，或火焰自身结构存在不均匀性，导致特征谱线发生偏移，该结论为后续复杂燃烧场景的谱线解读提供了重要数据参考。

目前研究已完成光谱测试系统的调试与阻燃实验段的设计工作，后续需进一步深入开展瞬态光谱在瓦斯爆炸流场测量中的实际应用研究，同时开展不同阻燃剂的阻爆效果对比分析，依托更丰富的光谱数据、流场参数，为可燃气体爆炸防控研发更精准的技术方案。

可燃气体爆炸防控是安全工程领域的重要研究课题，本研究借助光学光谱技术实现了火焰燃烧过程的微观诊断，以严谨的实验设计和精准的数据分析，为相关领域的研究与技术研发提供了全新的技术思路！

传统光谱仪往往需要配套复杂的外部设备，且采集耗时较长，如海光电Gino物联网光谱仪通过集成高速采集模块与嵌入式计算平台，可实现毫秒级甚至微秒级的瞬态光谱采集，为工业4.0时代的可燃气体安全实时监测与精准调控提供创新解决方案。

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