منهجية تجريبية لتقدير محلي الحرارة تدفقاتها وحرق الأسعار ثابتة رقائقي الحدود النيران انتشار طبقة

الهدف العام من هذه التجربة هو وصف استخدام المزدوجات الحرارية الدقيقة لتقدير تدرجات درجات الحرارة المحلية عند أسطح الوقود المكثف في لهب الانتشار بطبقة حديدية صفيحية مستقرة. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على أسئلة رئيسية في مجال علوم الحرائق، مثل استكشاف العلاقة الديناميكية بين سطح الوقود المكثف القابل للاحتراق ولهب المرحلة الغازية في الطبقات الحدودية الصفيحية والمضطربة. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية في إمكانية استخدامها لقياس معدلات حرق الكتلة المحلية بدقة في لهب الانتشار بطبقة حديدية صفيحية مستقرة.

سيقوم كولين ميلر ووي تانغ بتوضيح هذا الإجراء. وكلاهما طالبان في مرحلة الدكتوراه في الهندسة الميكانيكية. وبالنسبة لتجارب الوقود السائل، قم بتجهيز فتيلة وقود من مادة مسامية غير قابلة للاحتراق، مثل صوف سيليكات المعادن القلوية الترابية.

قم بخبز الفتيلة لمدة 20 دقيقة تقريباً باستخدام لهب انتشار من مشعل بروبان؛ حيث سيؤدي ذلك إلى حرق جميع الروابط العضوية الموجودة داخل الفتيلة. بعد ذلك، ضع مادة لاصقة مقاومة لدرجات الحرارة العالية على رقاقة ألومنيوم وقم بتثبيت رقاقة الألومنيوم بالفتيلة.

يجب أن يظل الجزء العلوي نظيفاً. بالنسبة لتجارب الوقود الصلب، يتم تحضير شريحة من الوقود الصلب بنفس أبعاد الفتيل. ولتثبيت الوقود الصلب، يتم قطع شق طويل في لوح عازل من الألياف السيراميكية، أو استخدام مادة مسامية غير قابلة للاحتراق ومطلية بطلاء أسود مطفأ مقاوم لدرجات الحرارة العالية.

بالنسبة لتجارب الحمل الحراري الطبيعي أو التدفق القسري، ضع كاميرا SLR رقمية في موضع يتيح لها رؤية المحور المركزي للوقود وجانب كامل من اللهب. وفي حالة لهب الحمل القسري، قم بتصوير مركز عينة الوقود في منطقة تبلغ 16 في 8 سنتيمترات، وذلك لتمكين حساب مسافة ابتعاد اللهب في منطقة التحلل الحراري. بعد ذلك، ضع آلية المسح فوق عينة الوقود.

بعد ذلك، قم بتثبيت ازدواج حراري سلكي بقطر 50 ميكرون بعناية على محوره الأفقي. ثم، قم بتشغيل وحدة التحكم في المحرك الخطوي القابل للبرمجة، وفي تجارب التدفق القسري، قم بتوصيل النافخ المركزي لنفق الرياح. بعد ذلك، اضبط وحدة التحكم في تعديل عرض النبضة (PWM) وفقاً لسرعة النافخ.

استخدم مقياس سرعة الرياح سلكي التسخين للتحقق من السرعة عند مخرج نفق الرياح. الآن، ارتدِ معدات الوقاية وقم بالتجهيزات النهائية لإجراء الاختبار. قم بغمر الفتيل بالوقود السائل حتى يصل إلى درجة التشبع.

بعد ذلك، ضع الفتيلة المبللة بالوقود أو لوحة الوقود الصلب بعناية في حامل فتيلة الوقود. الآن، تحقق بدقة من استواء سطح فتيلة الوقود باستخدام مقياس الزوايا. ثم افحص ميزان الكتلة وسجل قراءته قبل الاختبار.

قبل إشعال الوقود، تحقق من تهوية الغرفة. يجب أن تكون مروحة العادم تعمل، ولكن يتم ضبطها بحيث تكون أقل قدر من التشويش على تدفق الهواء حول التجربة. وقبل إشعال العينة، قم بمعايرة الكاميرا الرقمية باستخدام مسطرة في الموضع الذي ستوضع فيه العينة.

كذلك، ابدأ عملية الحصول على البيانات من برنامج ميزان الكتلة. والآن، قم بتحديد موضع العينة ثم أشعل الوقود باستخدام مشعل البروبان. بالنسبة للفتائل، لامس سطح الطرف باللهب لفترة وجيزة.

بالنسبة للوقود الصلب، مرر اللهب بانتظام فوق السطح لمدة تتراوح بين 50 إلى 60 ثانية. وبعد فترة الاحتراق، أطفئ اللهب عن طريق النفخ فيه. وفي حالة الوقود الصلب، اترك عملية الاحتراق تستمر لوقت محدد.

بعد ذلك، كرر عملية الحرق عدة مرات باستخدام نفس الفاصل الزمني. وبمجرد جمع كافة بيانات الحرق، قم بإيقاف تشغيل المنفاخ عن طريق ضبط متحكم PWN على الصفر وفصل المنفاخ من مصدر الطاقة. وأخيراً، أوقف تشغيل المتحكم الخاص بالمحرك الخطي (stepper motor).

على مدار عدة عمليات حرق، يمكن قياس التراجع التدريجي للوقود الصلب للتحقق من مقاييس أخرى. بعد كل فترة حرق، يتم قطع الجزء المحترق من المادة الصلبة على طول الخط المركزي. ثم يتم توثيق تراجع الحرق بصورة فوتوغرافية من منظور جانبي.

قم بتحليل صور العرض الجانبي باستخدام برنامج ImageJ. افتح الصور عبر اختيار Select File ثم Open Image. بعد ذلك، افتح صورة المسطرة باستخدام خيار Open Calibration Image.

بعد ذلك، قم بتركيب صورة المعايرة فوق صورة الوقود الصلب. الآن، حدد مقياس القياس عن طريق رسم خط بين نقطتين معلومتي المسافة على المسطرة. ثم، اختر "تعيين المقياس" (Set Scale) من قائمة "التحليل" (Analyze).

في نافذة "تعيين المقياس" (Set Scale)، أدخل "المسافة المعروفة" (Known Distance) للخط ثم انقر فوق "موافق" (OK). كرر هذه العملية باستخدام خط جديد للتأكد من صحة مقياس القياس. الآن، قم بقياس المسافات في صورة العينة عن طريق رسم خط، ثم لاحظ الزاوية والمسافة في شريط الحالة. وب الضغط على Control M، يتم حفظ البيانات في نافذة البيانات.

يتم حساب تراجع الاحتراق بطرح سمك العينة من سمكها الأصلي. ومن المهم ملاحظة الفاصل الزمني الذي يظل خلاله سطح الوقود مسطحاً تقريباً. استخدم تراجع الاحتراق من هذه الفترة للمقارنة مع تخطيط درجة الحرارة أو لإجراء تعديلات على مواضع المزدوجات الحرارية لتعويض تراجع السطح.

لإعداد رسم خرائط درجة الحرارة، قم بمحاذاة المزدوجة الحرارية الدقيقة (micro thermocouple) بعناية مع سطح الوقود باستخدام منزلق X-Y (X-Y unislide). ضعها في مركز الفتيل لعينة صلبة. أما بالنسبة لفتيل الوقود، فاستخدم منزلق X-Y لتحديد موضع المزدوجة الحرارية الدقيقة بعناية على طول الحافة الأمامية.

من الضروري وضع المزدوجة الحرارية بدقة تامة على سطح العينة؛ فإذا كان موضعها غير دقيق، فستكون جميع القياسات غير دقيقة بدرجة معينة. يجب أن تكون المزدوجة الحرارية قريبة قدر الإمكان من سطح الوقود لضمان الحصول على قياسات دقيقة.

في نص Velmex البرمجي، اضبط فاصل التعيين الحراري أثناء عمليات الاحتراق المستقرة على 150 ثانية بالنسبة لـ PMMA الصلب، أو 400 ثانية للفتائل المبللة بالسوائل. اضبط حجم الخطوة، المقاس عند سطح العينة، لجمع البيانات كل ربع مليمتر. واضبط معدل أخذ العينات ليكون بين 100 و500 هيرتز.

إذا تشوه السطح ضمن حدود أخطاء التجربة أثناء عملية المسح، فإن النتائج لن تعود صالحة، لذا فمن الضروري تحديد فترة القياس والتباعد بشكل صحيح. الآن، عند إجراء تجربة الحرق، قم بتشغيل برنامج الحصول على البيانات بحيث يقرأ خوارزمية مسح الشبكة من مجلد على سطح المكتب. ومع تشغيل البرنامج، سيتم تسجيل البيانات تلقائيًا عند تفعيلها بواسطة وحدة الحصول على البيانات في LabVIEW.

تم قياس معدلات فقد الكتلة ومخططات درجة الحرارة عبر طبقة حدية من لهب الانتشار بالحمل القسري لعينات من PMMA. وتظهر النتائج إمكانية رصد درجات حرارة دقيقة بالقرب من سطح الوقود وبأخطاء طفيفة، وذلك بفضل استخدام المزدوجات الحرارية الدقيقة وطريقة تصحيح الإشعاع باستخدام مزدوجتين حراريتين. كما تم قياس تدرجات درجة الحرارة غير البعدية على طول سطح الوقود للهب الانتشار في الطبقة الحدية لـ PMMA عند سرعتين لتيار الهواء.

كما تم قياس تباين معدلات حرق الكتلة المحلية في ظروف مختلفة لتدفق التيار الحر. وتمت مقارنة معدلات حرق الكتلة المحلية التي تم الحصول عليها من خلال تدرجات درجة الحرارة غير البعدية مع البيانات التجريبية التي تم الحصول عليها من خلال تراجع سطح PMMA، وقد تطابقت النتائج بشكل جيد جداً.

تم فحص مكونات تدفقات الحرارة الناتجة عن اللهب بمزيد من التفصيل عند تدفق قسري قدره 2.06 meters per second. وقد سمحت تفاصيل قياسات درجة الحرارة بالقرب من السطح باستخلاص تدفقات الحرارة الحملية، والتي أدت، عند دمجها مع معدلات فقدان الكتلة السطحية، إلى توفير جميع مكونات الاحتراق للتحليل الموضعي. وبمجرد إتقان هذه التقنية، يمكن تنفيذها في غضون دقائق قليلة لكل عينة وقود.

بعد اتباع هذا الإجراء، يمكن إجراء تحليل لمعدلات احتراق الكتلة المحلية وانتقال الحرارة من أجل فهم سلوك احتراق المواد بشكل أكبر والتحقق من صحة الأكواد العددية. لا تنسَ أن العمل مع هذه اللهبات قد يكون خطيراً للغاية، ويجب دائماً اتخاذ الاحتياطات أثناء تنفيذ هذا الإجراء، مثل ارتداء واقيات العين، والعمل في ظروف جيدة التهوية، والتأكد من أن المواد المحترقة غير سامة.