Name: 在稳定层流边界层扩散火焰本地热通量和燃烧率的估计实验方法 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-06-01T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 29 s
Description: 学习使用微型热电偶测量稳态层流边界层扩散火焰的局部温度梯度，以准确估算质量燃烧率和热通量。该方法为火灾科学与燃烧动力学研究提供了可靠的实验手段。

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作者感谢马里兰大学帕克分校的明塔·马丁基金会为本工作提供的经费支持。

1. 实验设计
<ol>
	<li>进入火灾或燃烧研究实验室前，请遵循相关说明和安全注意事项。通常要求新用户接受安全培训。</li>
	<li>提前安排实验以开展必要的测试。需考虑实验细节、所需燃料的运输以及必要设备的准备。</li>
	<li>确定感兴趣的液体或固体燃料实验，并相应地准备材料。</li>
</ol>
2. 材料与仪器的准备
<ol>
	<li>进行液体燃料实验时，准备由多孔不可燃材料（碱土硅酸盐棉）制成的燃料灯芯。以往的实验4-6在自然对流测试中使用了8 cm x 8 cm x 1.27 cm的尺寸，在强制对流测试中则使用了10 cm x 10 cm x 1.27 cm厚的片材。
	<ol>
		<li>将给定的燃料灯芯暴露于丙烷喷灯的扩散火焰中，烘烤约20分钟，以烧除灯芯内部的有机粘结剂。</li>
		<li>为防止液体燃料从灯芯侧面泄漏，使用注射器将液态硅酸钠充分涂抹于灯芯除顶面外的所有表面。</li>
		<li>用铝箔遮蔽灯芯除顶面以外的所有表面。使用耐高温胶粘剂将铝箔粘贴在灯芯的侧面。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>进行固体燃料实验时，裁剪出一块固体燃料片。在以往的自然对流实验2中，使用了一块尺寸为8 cm&#160;x 8 cm x 1.27 cm的透明浇铸聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）片材。</li>
	<li>在陶瓷纤维隔热板上切割出一个与燃料样品尺寸相同的槽，用于后续安装样品。通常使用与燃料灯芯相同的多孔不可燃材料，但需用耐高温哑光黑漆进行密封。</li>
	<li>检查所提供的数据采集硬件和软件。打开软件，并在执行必要测试前确认温度映射算法的设置。</li>
</ol>
3. 实验装置的准备
<ol>
	<li>将一台侧视数码单反相机对准燃料的中心轴线放置，并保持足够远的距离，以完整捕捉给定火焰的侧面视图。
	<ol>
		<li>对于强制对流火焰，成像区域应位于燃料试样中心，覆盖16 cm × 8 cm的范围，用于计算热解区的火焰离焰距离。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将移动装置置于燃料样品上方。小心地将直径为50 µm的微细热电偶固定在移动装置的水平轴上。</li>
	<li>打开可编程步进电机控制器。</li>
	<li>在强制气流实验中，启动风洞的离心鼓风机。</li>
	<li>将脉宽调制（PWM）控制器设置为7,000 Hz频率，功率设定范围为16%至50%，以实现不同的鼓风机转速，并使用热线风速仪进行验证。</li>
	<li>进行测试前，请佩戴安全护目镜和防火手套。</li>
	<li>每次测试时，将灯芯浸入液体燃料（甲醇或乙醇）中直至达到饱和状态。对于8 cm × 8 cm × 1.27 cm厚的灯芯，使用两个60 ml注射器注入90 ml燃料即可完全浸透；而对于10 cm × 10 cm × 1.27 cm厚的灯芯，120 ml燃料已足够。</li>
	<li>小心地将浸有燃料的灯芯或固体燃料板放入燃料灯芯夹持器中。使用角度规检查燃料灯芯表面的平整度。</li>
	<li>打开天平软件并检查USB接口设置。检查天平状态，并记录测试前的读数。</li>
</ol>
4. 在燃烧或火灾实验室中进行实验
<ol>
	<li>每次实验结束后，应开启排风系统以确保实验场所的适当通风。实验过程中，排风应尽可能调至最小或保持隔离状态，以减少气流干扰。</li>
	<li>在点燃样品之前，将坐标纸或直尺沿燃料表面中心轴线对齐，并拍摄其侧视数字图像，以校准侧视数字相机。从校准图像中获取平均像素/毫米值。在图像后期处理过程中（在ImageJ中设置测量尺度时）使用该像素/毫米值。</li>
	<li>使用丙烷喷灯点燃燃料，液体燃料点燃时需短暂接触灯芯，固体燃料则将火焰均匀地在表面移动燃烧50-60秒。</li>
	<li>在均匀点燃后立即开始实验计时。使用秒表记录燃烧时间。</li>
	<li>按下质量平衡软件中的数据采集按钮。</li>
	<li>在规定的时间间隔内监测燃烧灯芯的质量损失，并将数据记录至测量文件中。使用给定的天平软件完成该操作。</li>
	<li>在相同条件下重复步骤 4.3 至 4.6，进行多次测试以确保可重复性。</li>
	<li>利用质量损失随时间变化的曲线确定稳定燃烧阶段，其中质量损失的线性拟合具有较高的拟合度 R2 值</li>
	<li>对于不稳定的固体燃料，从点火到燃尽以50秒为间隔燃烧样品，以测量表面退缩情况例如， 50 秒、100 秒、150 秒 等等。).</li>
	<li>冷却后沿中心线切割烧蚀的固体燃料，用于燃面退缩测试。</li>
	<li>拍摄固体燃料侧面照片并导入ImageJ。使用标尺将像素转换为厘米，测量流向位置的退缩量。以下为在ImageJ中处理给定图像的逐步操作步骤。
	<ol>
		<li>通过“文件”→“打开图像”在 ImageJ 中打开固体燃料样品的侧面视图照片。</li>
		<li>通过选择文件 → 打开校准图像，在 ImageJ 中打开固体燃料样品的校准图像（含标尺）。</li>
		<li>将校准图像与固体燃料样品图像堆叠。依次选择图像 → 堆叠 → 图像到堆叠。</li>
		<li>设定测量尺度：在照片上两个已知距离的点之间画一条线（例如标尺上的两点）。进入分析（Analyze）→ 设定尺度（Set Scale）。在“设定尺度”窗口中将显示该线的像素长度。在相应输入框中填入已知距离数值及单位，然后点击确定（OK）。</li>
		<li>绘制一条新线段，并确认测量比例尺正确。</li>
		<li>测量给定样本照片中两点之间的距离：在两点之间绘制一条线段。状态栏将显示该线段的角度（相对于水平方向）和长度。选择“分析 → 测量”（或按 Ctrl+M，或直接在键盘上键入 M），可将数值传输至数据窗口。</li>
		<li>在每个流向位置测量回归&#160;通过测量烧蚀后样品的厚度，并从样品的初始厚度中减去该值。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>记录固体燃料表面保持近似平坦的时间区间，并将其用于温度分布测量，或根据表面退缩情况对热电偶位置进行调整。</li>
	<li>将温度映射间隔设置为在稳定燃烧阶段进行测量，对于固体PMMA约为150秒，对于液体浸渍灯芯约为400秒。根据液体和固体燃料的稳定燃烧时间间隔设置温度映射间隔。靠近表面的推荐步长为0.25 mm4-6.</li>
	<li>使用X-Y单滑轨小心地将微型热电偶与燃料表面校准。将给定的热电偶置于样品宽度的中心位置。</li>
	<li>使用X-Y单滑轨小心地将微型热电偶移至燃料灯芯的前缘。</li>
	<li>在计算机上运行数据采集程序，并从桌面文件夹中读取网格扫描算法。 
	注意：实验开始后，数据采集将自动进行，用户只需监督实验过程，确保实验按计划进行。</li>
	<li>使用计算机上的数据采集程序采集数据，并将其写入测量文件。注意，采样率应为1004-5 至 5006 赫兹（Hz）在以往的实验中被使用。</li>
	<li>实验结束后，熄灭火焰。关闭脉宽调制控制器，并将鼓风机的电源插头从三相240 VAC电源插座上拔下。</li>
	<li>关闭步进电机控制器。</li>
	<li>对同一热电偶在相同或不同的流动条件下进行额外实验时，重复步骤 4.12 至 4.18。每种给定的流动条件至少应重复 5 次测试。例如强制流速或垂直方向</li>
	<li>重复步骤 4.12 至 4.18，使用一根 75 µm 的微型热电偶。将两根热电偶（直径分别为 50 µm 和 75 µm）沿火焰中心的相同路径移动，以实现准确的辐射校正。也可使用更小的热电偶，但直径小于 50 µm 的热电偶导线容易断裂。</li>
</ol>
5. 数据分析
<ol>
	<li>从 LVM 文件中读取处理后的数据至 Matlab 或其他分析软件中。</li>
	<li>对不同测试中各空间点的温度数据进行平均。</li>
	<li>根据下文详细描述的 Collis 和 Williams10 相关性，利用每个流向位置处平均后的热电偶数据计算辐射修正值。</li>
	<li>将辐射修正值加入原始温度数据，得到经补偿的温度测量值。</li>
	<li>对温度数据和空间位置进行无量纲化处理。</li>
	<li>在燃料表面处，使用 Matlab 或其他专用软件中的曲线拟合算法，采用适当的高阶多项式对无量纲温度数据进行拟合。此前的研究发现，靠近表面的 4 至 6 个点较为适用4-6。</li>
	<li>根据燃料表面（y=0）处无量纲温度分布的高阶多项式拟合曲线的斜率，计算燃料表面处的法向无量纲温度梯度。</li>
	<li>基于雷诺类比理论相关性4，利用燃料表面相应的局部无量纲温度梯度计算局部质量燃烧速率。</li>
	<li>根据燃料表面处的温度梯度计算对流热通量5-6。</li>
</ol>

<ol><li>Babrauskas, V., Peacock, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heat+release+rate%3A+the+single+most+important+variable+in+fire+hazard%5BTitle%5D)+AND+%22Fire+Safety+J%22%5BJournal%5D)">Heat release rate: the single most important variable in fire hazard.</a> Fire Safety J. 18 (3), 255-272 (1992).</li>
<li>Pagni, P., Shih, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Excess+pyrolyzate%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Combust.+Inst%22%5BJournal%5D)">Excess pyrolyzate.</a> Proc. Combust. Inst. 16 (1), 1329-1343 (1977).</li>
<li>Orloff, L., Modak, A. T., Alpert, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Burning+of+large-scale+vertical+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Combust.+Inst%22%5BJournal%5D)">Burning of large-scale vertical surfaces.</a> Proc. Combust. Inst. 16 (1), 1345-1354 (1977).</li>
<li>Singh, A. V., Gollner, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Estimation+of+local+mass+burning+rates+for+steady+laminar+boundary+layer+diffusion+flames%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Combust.+Inst%22%5BJournal%5D)">Estimation of local mass burning rates for steady laminar boundary layer diffusion flames.</a> Proc. Combust. Inst. 35 (3), 2527-2534 (2015).</li>
<li>Singh, A. V., Gollner, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+methodology+for+estimation+of+local+heat+fluxes+in+steady+laminar+boundary+layer+diffusion+flames%5BTitle%5D)+AND+%22Combust.+Flame%22%5BJournal%5D)">A methodology for estimation of local heat fluxes in steady laminar boundary layer diffusion flames.</a> Combust. Flame. 162 (5), 2214-2230 (2015).</li>
<li>Singh, A. V., Gollner, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Local+burning+rates+and+heat+flux+for+forced+flow+boundary-layer+diffusion+flames%5BTitle%5D)+AND+%22AIAA+J%22%5BJournal%5D)">Local burning rates and heat flux for forced flow boundary-layer diffusion flames.</a> AIAA J. 54 (2), 408-418 (2016).</li>
<li>Collis, D., Williams, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two-dimensional+convection+from+heated+wires+at+low+Reynolds+numbers%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Two-dimensional convection from heated wires at low Reynolds numbers.</a> J. Fluid Mech. 6 (3), 357-384 (1959).</li>
<li>Jakob, L. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aJakob%2C+LM+%22Heat+Transfer%22">Heat Transfer</a>. , Wiley. New York, USA. (1967).</li>
<li>Sforza, P., Steiger, M., Trentacoste, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Studies+on+three-dimensional+viscous+jets%5BTitle%5D)+AND+%22AIAA+J%22%5BJournal%5D)">Studies on three-dimensional viscous jets.</a> AIAA J. 4 (5), 800-806 (1966).</li>
<li>Pizzo, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+observations+on+the+steady-state+burning+rate+of+a+vertically+oriented+PMMA+slab%5BTitle%5D)+AND+%22Combust.+Flame%22%5BJournal%5D)">Experimental observations on the steady-state burning rate of a vertically oriented PMMA slab.</a> Combust. Flame. 152 (3), 451-460 (2008).</li>
<li>Chilton, T. H., Colburn, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mass+transfer+%28absorption%29+coefficients+prediction+from+data+on+heat+transfer+and+fluid+friction%5BTitle%5D)+AND+%22Ind.+Eng.+Chem%22%5BJournal%5D)">Mass transfer (absorption) coefficients prediction from data on heat transfer and fluid friction.</a> Ind. Eng. Chem. 26 (1), 1183-1187 (1934).</li>
<li>Silver, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+the+Reynolds+analogy+to+combustion+of+solid+fuels%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Application of the Reynolds analogy to combustion of solid fuels.</a> Nature. 165, 725-726 (1950).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本研究的目的是开发一种新方法，用于在多种流场条件下估算液体和固体燃料的局部质量燃烧速率。研究考虑了两种情况：自由对流边界层扩散火焰，以及在不同自由来流条件下建立的强制对流边界层扩散火焰，均使用液体和固体燃料进行实验。
通过细丝热电偶在液体燃料浸渍的灯芯和PMMA固体平板上方测量得到的局部燃烧速率，与其他估算方法（即燃料回归速率测量）结果一致。燃料表面附近的这些温度梯度是基于雷诺类比相关性确定的。12-13 尽管需要稳定的层流燃烧，但对于小规模样品效果很好，最终使平均结果的测量数据精度在15%以内，局部测量的精度更高4-6与这些局部质量损失率测量值相关的因素取决于代表性燃料的斯伯丁质量传递数以及其他可计算的燃料热物理性质。 先验的结果表明，该技术可能有助于提取这些参数，并在未来更深入地理解小尺度燃料的燃烧过程。
文献中的其他研究已将此处的代表性工作扩展至包含数值模拟4，以及对垂直取向试样进行的自由燃烧实验4,5，和在环境风作用下水平安装试样的实验6。对于这些配置，同样采用细丝热电偶技术，在靠近凝聚相燃料表面的极近距离处，对燃料表面局部的热通量组分进行了测定。尽管过去已通过嵌入式传感器测量过热通量组分，但该技术侵入性极小，且能够直接测量对流热通量，这是此前无法实现的。
在实验过程中，选择特定的装置构型和设置时应格外谨慎。在这些实验中，步骤 3.2 所选用的热电偶从一根小型陶瓷管中伸出，使导线保持张力，从而相对固定热电偶的位置。若使用未加陶瓷管、直接悬于整个火焰上方的热电偶导线，虽可减少陶瓷管可能引起的干扰，但导线在温度升高时容易膨胀，导致热电偶具体位置的不确定性显著增加。有时构型的改变可能在样品宽度方向上引发影响（例如使样品倾斜）。如果对过去研究中所采用的装置4-6在步骤 4.14 左右进行了修改，则应定期检查样品宽度方向上的火焰温度测量是否存在显著差异（即，仍可满足二维假设）。否则，需采用三维映射系统。
实验过程中最关键的步骤涉及燃料的制备以及热电偶的正确使用。热电偶位置的微小偏差都可能导致误差，因此在步骤 3.2、4.13 和 4.14 中放置热电偶时必须格外小心。燃料灯芯也必须放置妥当，以保持尽可能平坦的表面（步骤 2.1），且所有灯芯中的填充材料均应通过烘烤去除（步骤 2.1.1）。
在步骤4.1中启动的排风系统应尽可能保持最小化或在靠近实验区域处实现隔离，以帮助消除气流扰动。可通过确认实验区域（无风条件下）的小蜡烛不会被吹灭来检查该条件。可使用挡板、筛网、独立封闭设施或在较大空间内进行测试来实现此目的。在步骤4.2中，固体燃料必须尽可能均匀地点燃。尽管丙烷喷灯并非最理想的点火源，但以往的研究4-6并未发现实验结果对点火源敏感。在实验过程中，应通过改变暴露时间或强度并观察其对稳态质量燃烧速率的影响，来记录对点火源的敏感性。若观察到敏感性，则应改用辐射面板来点燃样品。对于固体燃料或任何在质量损失率观测中未表现出较大（&#62;300秒）稳态燃烧区域的燃料，应在较短时间内进行温度分布测量。例如，在步骤4.13中，建议在前150秒内对PMMA进行温度映射，此时燃料表面仍相对平坦，且表面退缩现象已有充分记录。表面退缩测量可使用ImageJ或其他类似图像软件，通过照片上的像素测量并转换为长度单位。或者，也可在样品冷却后使用数字千分尺测量固体板的表面退缩量（注意：对于PMMA等呈&#34;起泡&#34;状的材料，测量前必须先将表面打磨平整）。
所提出的燃烧速率关联式基于层流假设，然而，据推测，该方法在燃料表面湍流燃烧中也应遵循类似形式，只是其函数关系需经实验确定。本文所展示的工作可进一步扩展至湍流边界层燃烧，并可深入研究驱动向燃料表面入射热通量的湍流与气相放热之间的相互作用。
燃烧速率关联式所依据的理论同样忽略了辐射的影响。该理论过于简化，导致其在本研究未涵盖的情况下预测能力存在不确定性。例如，对于高烟炱火焰，由于向表面传递的热通量主要以辐射形式存在，所给出的方法可能不适用。对于大尺度湍流壁面火焰，当向凝聚相燃料表面的辐射热通量较高时，所提出的燃烧速率关联式可能适用，也可能不适用。因此，有必要在所提出的关联式中引入辐射效应的影响，必须开展进一步研究以确定这一函数关系。若要实现对这类火焰的可靠预测，该模型仍需在此方面加以改进。

尽管在过去的一个世纪中，火灾安全研究领域取得了关键性进展，但对于许多不同构型的材料而言，预测火焰蔓延速率仍然是一个挑战。火焰蔓延通常在建筑环境或自然环境中发生，表现为从初始点火源向外扩散的一系列新单元的点燃过程。了解单个可燃材料的燃烧特性对于预测此类火焰蔓延速率至关重要，因为这些特性直接影响未点燃单元的受热速率。因此，燃料单元的放热速率（HRR）被公认为火灾研究中最基本的物理量1，其值近似等于凝聚相燃料的燃烧（质量损失）速率，即液体燃料的蒸发速率或固体燃料的热解速率。
燃烧速率可被视为衡量材料可燃性的一个指标，是火灾风险分析和灭火系统设计中的关键参数。对于垂直墙面而言，局部质量损失（或燃烧）速率 ṁ"f 在许多与火灾相关的问题中尤为重要，例如火焰沿墙面的蔓延、火灾发展过程、封闭空间火灾中的能量释放速率，以及烟雾和高温气体羽流的扩散。在预测垂直墙面火焰向上蔓延时，必须计算火焰高度，而火焰高度取决于总能量释放速率；后者又直接受墙面整个热解区域上局部质量损失速率积分值的影响2-3。尽管对这些积分形式的质量损失速率已有相对充分的认识，但对于燃料表面各微小位置处的质量燃烧速率，目前了解仍十分有限，原因是可用于测量此类速率的实验技术极为匮乏。若能有一种方法提供“局部”质量燃烧速率的信息，则将有助于更深入理解凝聚相燃料的燃烧行为，使研究人员能够进一步揭示不同燃料或构型之间燃烧特性的差异机制。由于大多数材料最初均在小尺度条件下进行评估（例如，使用锥形量热仪1），因此一个合理的首要步骤是建立一种可在凝聚相燃料表面的小型层流扩散火焰中测量局部质量燃烧速率的技术。
本文介绍在凝聚相燃料表面建立的稳态层流火焰上开展实验的研究方法与操作规程。利用微型热电偶估算局部温度梯度，是估算此类火焰中局部质量燃烧速率和热通量的一种特别有效的方法4-6。对文献数据的分析表明，在凝聚相燃料表面确定局部传热系数、燃烧系数和摩擦系数仍存在困难，而这些参数对于理解特定火灾及其蔓延背后的物理机制至关重要4-6。热通量的各个分量虽可能是燃料表面局部位置中测量最为充分的火灾特性之一，但其测量仍具挑战性。燃料的变异性、热通量的尺度效应、稳态条件难以实现以及不同热通量测量装置技术的差异，导致文献中可用数据存在较大离散性4。高精度测量局部温度梯度将有助于减小这种变异性，并提供可用于层流壁面火灾数值模拟验证的传热关联式，而层流壁面火灾是火灾研究中的典型问题。此类实验还有助于探索可燃凝聚相燃料表面与层流及湍流边界层中气相火焰之间的动态关系。下文将描述准确、可重复获取这些温度梯度的方法。

<table><tbody><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;带连接器和夹具的热电偶&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>未包鞘细径热电偶</td><td>P13R-002</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>细丝微型热电偶（R型）</td></tr><tr><td>未包鞘细径热电偶</td><td>P13R-003</td><td>欧米茄工程公司</td><td>细丝微型热电偶（R型）</td></tr><tr><td>陶瓷双孔圆片 - 5个装</td><td>TRX-010364-6</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>用于固定细丝热电偶的陶瓷管</td></tr><tr><td>热电偶延长线</td><td>EXTT-RS-24-100</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>热电偶延长线</td></tr><tr><td>公头与母头连接器</td><td>SHX-R/S-MF</td><td>欧米茄工程公司</td><td>R型热电偶连接器&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>配件</td><td>MSRT-116-10</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>用于在连接器末端固定陶瓷管的橡胶管</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;平移机构&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>X轴滑台，行程 = 10英寸，0.025英寸/转，限位开关，NEMA 17</td><td>XN10-0100-E25-71</td><td>Velmex 公司</td><td>Velmex Unislide</td></tr><tr><td>Vexta 型号 17，1.8°/步，两相，单轴步进电机</td><td>PK245-01AA</td><td>Velmex 公司</td><td>步进电机&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>标准安装夹具，使用 6-32 螺栓</td><td>XMC-2</td><td>Velmex 公司</td><td>Velmex Unislide 的安装附件</td></tr><tr><td>用于X滑块X方向的6-32 x 7/16英寸SH帽头螺钉 &amp;和 Y 轴</td><td>XMB-1</td><td>Velmex 公司</td><td>Velmex Unislide 的安装附件</td></tr><tr><td>X 轴滑台，行程 = 10 英寸，0.025 英寸/转，限位开关，NEMA 17</td><td>XN10-0100-E25-71</td><td>Velmex 公司</td><td>Velmex Unislide</td></tr><tr><td>Vexta 型号 17，1.8°/步，两相，单轴步进电机</td><td>PK245-01AA</td><td>Velmex 公司</td><td>步进电机&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>标准安装夹具，使用 6-32 螺栓</td><td>XMC-2</td><td>Velmex公司</td><td>Velmex Unislide 的安装附件</td></tr><tr><td>用于X滑块的6-32 x 7/16英寸SH帽头螺钉 &amp;和 Y 轴</td><td>XMB-1</td><td>Velmex 公司</td><td>给定 Velmex 单轨滑台的安装附件</td></tr><tr><td>控制，双轴可编程步进电机控制，每次控制一个电机</td><td>VXM-2</td><td>Velmex 公司</td><td>步进电机控制器</td></tr><tr><td>USB 转 RS232 DB9 串行通信电缆 10 英尺</td><td>RPC-USB-RS232-3M</td><td>Velmex 公司</td><td>步进电机控制器之间的串行通信电缆&amp;nbsp; 计算机</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;数据采集硬件&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>NI 9214 16通道等温热电偶模块，24位C系列模块，用于高精度热电偶测量（包含接线端子块）</td><td>781510-01</td><td>国家仪器公司</td><td>热电偶数据采集卡</td></tr><tr><td>电源线，交流，美国标准，120 VAC，2.3 米</td><td>763000-01</td><td>国家仪器公司</td><td>8槽C-DAQ机箱电源线</td></tr><tr><td>cDAQ-9178，CompactDAQ 机箱（8 插槽 USB）</td><td>781156-01</td><td>国家仪器公司</td><td>用于 NI 9214 和 NI 9239 的 C-DAQ 机箱</td></tr><tr><td>用于NI 9229/39 BNC的电磁干扰抑制铁氧体</td><td>782801-01</td><td>国家仪器公司</td><td>NI 9239 数据采集卡配件</td></tr><tr><td>NI 9239 BNC，4通道，±10&amp;nbsp;V, 50&amp;nbsp;kS&amp;#8288;/&amp;#8288;每通道 s</td><td>780181-01</td><td>国家仪器公司</td><td>热线风速仪系统的数据采集卡</td></tr><tr><td>cDAQ-9171，CompactDAQ 机箱（1 插槽 USB）</td><td>781425-01</td><td>国家仪器公司</td><td>用于 NI 9214 的 C-DAQ 机箱&amp;nbsp;</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;相机&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>尼康 D7100 2410万像素 DX画幅 CMOS 数码单反相机，配备18-105镜头&amp;nbsp;mm f/3.5-5.6 AF-S DX VR ED Nikkor镜头</td><td>尼康 D7100</td><td>亚马逊</td><td>用于拍摄火焰俯视图像的数码单反相机</td></tr><tr><td>佳能 EOS Rebel T5 数码单反 CMOS 数码单镜头反光相机，配备 DIGIC 影像处理器及 EF-S 18-55 镜头&amp;nbsp;毫米 f/3.5-5.6 IS 镜头</td><td>佳能 EOS Rebel T5 数码单反相机&amp;nbsp;</td><td>亚马逊</td><td>用于拍摄火焰侧视图像的数码单反相机</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;质量平衡&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Mettler-Toledo，MS32001L 天平，精度 32,200&amp;nbsp;g × 0.1&amp;nbsp;g</td><td>97035-654</td><td>VWR</td><td>用于测量平均质量燃烧速率的精密电子天平</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;微型CTA系统&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>用于热线和热膜探针的MiniCTA热线风速仪套件</td><td>9054T0461</td><td>Dantec Dynamics</td><td>用于测量风洞出口处流速和湍流强度的热线测量系统</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;风洞设备&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>1/2英寸 x 4英尺 x 8英尺 C-3整张桦木国产胶合板</td><td>型号 # 833185</td><td>家得宝</td><td>用于制作实验室规模的风洞</td></tr><tr><td>Woodgrain Millwork WM 206 11/16 英寸 × 11/6 英寸 × 96 英寸 松木木制角线</td><td>型号 # 109610</td><td>家得宝</td><td>用于制作实验室规模的风洞</td></tr><tr><td>拉伸弹簧，环形端，6.562&quot; 总长度，6 件装</td><td>1330K26</td><td>McMaster-Carr</td><td>用于制作实验室规模的风洞</td></tr><tr><td>筛网规格金属丝布，30x30目，0.0130&quot; 线径。12&quot;x12&quot; 片</td><td>9241T41</td><td>McMaster-Carr</td><td>用于制作实验室规模的风洞</td></tr><tr><td>筛网规格金属丝布，40×40目，0.0065英寸&quot; 线径。12&quot;x12&quot; 片</td><td>9241T42</td><td>McMaster-Carr</td><td>用于制作实验室规模的风洞</td></tr><tr><td>移动式升降平台，脚踏操作，承重600磅，10英寸&quot; - 33&quot; 桌高</td><td>2791T22</td><td>McMaster-Carr</td><td>用于放置实验装置的实验台</td></tr><tr><td>ebm-papst 型号：G3G250-MW75-05（EC 离心式鼓风机，200-240）&amp;nbsp;伏特，三相，50/60&amp;nbsp;赫兹，M3G112-EA 电机，2.2&amp;nbsp;kW</td><td>G3G250-MW75-05</td><td>Ebm papst</td><td>风洞用吹风机</td></tr><tr><td>ebm-papst 型号：HX0C-003-000-04（控制器）</td><td>HX0C-003-000-04</td><td>Ebm papst</td><td>用于控制鼓风机转速的脉宽调制控制器</td></tr><tr><td>8020 1&amp;rdquo; X 1&amp;rdquo; T型槽型材&amp;nbsp;</td><td>8020-1010</td><td>80/20（Rankin Automation）</td><td>用于构建风洞的框架</td></tr><tr><td>Momentive/GE 硅酮密封胶 RTV108，10.1 盎司筒装，半透明</td><td>7545A472</td><td>McMaster Carr</td><td>木材密封剂</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;软件&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>联系供应商</td><td>国家仪器公司</td><td>用于连续温度数据的采集与分析，也可用于热电偶的定位。</td></tr><tr><td>梅特勒-托利多天平软件</td><td>联系供应商</td><td>Mettler Toledo</td><td>用于测量凝结燃料灯芯/固体板随时间的质量损失速率</td></tr><tr><td>ImageJ</td><td>免费下载</td><td>美国国立卫生研究院，http://imagej.nih.gov/ij/</td><td>用于测量固体燃料板的火焰脱离距离和表面回归速率</td></tr><tr><td>Matlab</td><td>联系供应商</td><td>Mathworks</td><td>用于数据的后期处理</td></tr><tr><td>Fortran 90/95</td><td>联系供应商</td><td>Fortran 公司</td><td>用于数据的后期处理</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;材料&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>甲醇&amp;nbsp;</td><td>UMD 化学品商店</td><td>NA</td><td>液体燃料</td></tr><tr><td>乙醇&amp;nbsp;</td><td>马里兰大学化学品商店</td><td>NA</td><td>液体燃料</td></tr><tr><td>护目镜</td><td>UMD 化学品商店</td><td>NA</td><td>用于安全防护目的</td></tr><tr><td>喷雾瓶</td><td>UMD 化学品商店</td><td>NA</td><td>用于紧急情况下运水</td></tr><tr><td>60 cc 注射器</td><td>马里兰大学化学品仓库</td><td>NA</td><td>用于将液体燃料浸入液体燃料芯中</td></tr><tr><td>光学透明浇铸亚克力板，1/8英寸&quot; 厚，24&quot; × 48&quot;</td><td>Mc master carr</td><td>8560K262</td><td>固体燃料PMMA</td></tr><tr><td>Loctite Proxy Pak（高温胶粘剂）</td><td>Mc master carr</td><td>7556A33</td><td>用于用铝箔包裹灯芯的侧面</td></tr><tr><td>Hi-Temp 高温气雾喷漆（黑色）</td><td>Mc master carr</td><td>7832T1</td><td>用于涂刷绝缘层&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>可调节火焰自点火经济型丙烷气炬，4,179&amp;nbsp;Btu/hr</td><td>Mc master carr</td><td>78245A3</td><td>用于点燃固体燃料板的丙烷喷灯</td></tr><tr><td>耐热棉手套，带丁腈涂层，最高耐温400华氏度，10双装&quot; Lg，大</td><td>Mc master carr</td><td>56025T1</td><td>出于安全目的使用</td></tr><tr><td>带系带帘布的模块化防护屏，6&#039;&amp;nbsp;高度 × 4&#039;&amp;nbsp;宽度耐磨玻璃纤维</td><td>Mc master carr</td><td>9145T84</td><td>防火背景帘</td></tr><tr><td>多功能铝合金 6061 .125&quot; 厚，12&quot; × 24&quot;</td><td>Mc master carr</td><td>89015K28</td><td>用于固定隔热材料</td></tr><tr><td>1/2 英寸海洋级胶合板&quot; 厚，12&quot; × 24&quot;</td><td>Mc master carr</td><td>1125T32</td><td>用于固定实验装置</td></tr><tr><td>多功能铝合金 6061 U 型槽，2&quot; 底座 × 1-1/4&quot; 腿，1' 长度</td><td>Mc master carr</td><td>1630T473</td><td>用于固定铝板、隔热和导液芯</td></tr><tr><td>建筑用阳极氧化铝（合金6063）90度角，1/8&quot; Thk，1/2&quot; x 1/2&quot; 腿，6 英尺长</td><td>Mc master carr</td><td>4630T21</td><td>用于固定铝板、隔热和吸液芯</td></tr><tr><td>铝制英寸T型槽框架系统隐藏式90度连接件，适用于1&quot; 挤出</td><td>Mc master carr</td><td>47065T155</td><td>用于固定铝板、保温材料和灯芯</td></tr><tr><td>铝合金英寸T型槽框架系统扩展90度角支架，单件式，4孔，适用于1&quot; 挤出</td><td>Mc master carr</td><td>47065T175</td><td>用于固定铝板、隔热和导液芯</td></tr><tr><td>铝制英寸T型槽框架系统，四槽单件，1&quot; 固体挤出，4英尺长度</td><td>Mc master carr</td><td>47065T101</td><td>用于固定铝板、隔热和吸液芯</td></tr><tr><td>1/2&quot; × 48&quot; × 36&quot; （Superwool 607 保温板）1 个纸箱，内含 12 张板材</td><td>Mccormick 绝缘材料</td><td>Superwool 607&amp;nbsp;</td><td>用于制作灯芯和灯芯支架的绝缘材料</td></tr></tbody></table>

稳态层流边界层扩散火焰中局部热通量和燃烧速率估算的实验方法

Experimental Methodology for Estimation of Local Heat Fluxes and Burning Rates in Steady Laminar Boundary Layer Diffusion Flames

对凝聚相燃料真实燃烧行为的建模一直难以实现，部分原因在于无法解析气相火焰与凝聚相燃料界面处发生的复杂相互作用。本研究提供了一种方法，用于探究层流边界层中可燃凝聚相燃料表面与气相火焰之间的动态关系。此前已在强制对流和自然对流环境中，针对固体和液体燃料开展了相关实验。研究采用一种基于雷诺类比的独特方法，利用燃料表面局部温度梯度，估算这些层流边界层扩散火焰的局部质量燃烧速率和火焰热通量。通过使用二维移动系统测量近壁面区域的温度梯度，分别在热解区和羽流区测定了局部质量燃烧速率以及火焰的对流和辐射热反馈。由于点燃后凝聚相燃料表面仅能在有限时间内保持稳定燃烧，因此这类实验耗时较长且设计难度较大。为了获得合理的局部温度梯度估算值，需要在凝聚相燃料表面稳定燃烧期间，以极高的空间分辨率测绘燃料表面附近的温度分布。此外，为准确测量，还必须仔细校正热电偶的辐射热损失。鉴于上述原因，整个实验装置需配备计算机控制的移动机构实现自动化，以消除微热电偶定位过程中产生的大部分误差。本文提供了可重复获取近壁面温度梯度并用于评估局部燃烧速率和热通量的实验步骤概要。

我们描述了使用微热电偶来估算稳态层流边界层扩散火焰中的局部温度梯度。通过雷诺类比的扩展，局部温度梯度可进一步用于高精度估算此类火焰中的局部质量燃烧速率和热通量。

模拟凝聚相燃料的真实燃烧行为一直难以实现，部分原因在于无法解析其复杂的……

本实验的总体目标是描述如何利用微热电偶来估算稳态层流边界层扩散火焰中凝聚相燃料表面的局部温度梯度。该方法有助于回答火灾科学领域中的关键问题，例如探究层流和湍流边界层中可燃凝聚相燃料表面与气相火焰之间的动态关系。该技术的主要优势在于，可用于精确测量稳态层流边界层扩散火焰中的局部质量燃烧速率。演示该实验操作的将是 Colin Miller 和 Wei Tang。两人均为机械工程专业的博士研究生。进行液体燃料实验时，需准备由多孔非易燃材料（如碱土硅酸盐棉）制成的燃料灯芯。使用丙烷喷灯的扩散火焰将灯芯烘烤约20分钟。这将烧除灯芯内部所有的有机粘合剂。接着，在铝箔上涂抹高温胶粘剂，并将铝箔牢固地粘附在灯芯上。顶部必须保持清洁。对于固体燃料实验，准备一张与灯芯相同尺寸的固体燃料片。安装固体燃料时，可在陶瓷纤维隔热板上切割出一条长槽，或使用经高温哑光黑漆密封的多孔不可燃材料。无论是进行自然对流还是强制对流实验，均应将数码单反相机置于能够观察到燃料中心轴线及火焰完整侧面的位置。对于强制对流火焰，应使燃料试样中心区域在16厘米×8厘米范围内成像，以便计算热解区域的火焰脱离距离。随后，将移动装置放置在燃料样品上方。然后，小心地将一根50微米的细丝热电偶固定在其水平轴上。接着，打开可编程步进电机控制器，并在进行强制气流实验时，接通风洞的离心式鼓风机电源。随后，根据鼓风机转速设置PWM控制器。使用热线风速仪验证风洞出口处的流速。现在，穿戴好防护装备，并完成测试前的最后准备工作。将灯芯浸泡在液体燃料中直至饱和。然后，小心地将浸有燃料的灯芯或固体燃料板放入燃料-灯芯支架中。接下来，使用角度规严格检查燃料灯芯表面的平整度。随后检查天平质量并记录测试前的读数。在点燃燃料前，检查房间通风情况。排风系统应正常工作，但需调节至对实验区域周围气流的干扰最小。在点燃样品前，使用刻度尺在样品放置位置对数码相机进行校准。同时，从天平软件开始数据采集。现在放置样品，然后用丙烷喷灯点燃燃料。对于灯芯，将火焰短暂接触其顶端表面以点燃。对于固体燃料，将火焰均匀地通过表面持续50至60秒。燃烧结束后，通过吹气熄灭火焰。对于固体燃料，应让其燃烧一定的时间。然后，使用相同的时间间隔重复燃烧过程数次。所有燃烧数据采集完毕后，将PWM控制器调至零并拔掉鼓风机电源，关闭鼓风机。最后，关闭步进电机的控制器。经过多次燃烧后，可测量固体燃料的逐步后退量，以验证其他指标。每次燃烧结束后，沿中心线切割已燃烧的固体部分，然后通过侧视照片记录燃烧后退情况。在 ImageJ 中分析侧面照片。通过选择文件并打开图像来加载照片。然后使用“打开校准图像”选项打开标尺的图像。接下来，将校准图像叠加到固体燃料图像上。然后，在标尺上已知距离的两点之间画一条线，以设置测量尺度。接着，在“分析”菜单下选择“设置尺度”。在“设置标尺”窗口中，输入直线的已知距离，然后点击“确定”。使用新的直线重复此步骤，以确认测量标尺的准确性。现在，通过在样本照片中绘制一条直线来测量距离，并注意状态栏中显示的角度和距离。按下 Control+M，数据将保存至数据窗口。烧蚀回归量的计算方法为样品初始厚度减去其当前厚度。需特别注意燃料表面保持近似平坦的时间区间。利用该时间段内的烧蚀回归量数据，与温度映射结果进行比较，或用于调整热电偶位置以补偿表面烧蚀回归的影响。为建立温度分布图，使用X-Y单向滑台将微型热电偶小心地与燃料表面校准。对于固体样品，将其置于灯芯中心位置。对于燃料灯芯，则使用X-Y单向滑台将微型热电偶沿灯芯前缘仔细定位。热电偶必须精确地放置在样品表面。如果位置偏移，则所有测量结果都会产生一定程度的偏差。为了获得准确的测量数据，热电偶必须尽可能靠近燃料表面。在 Velmex 脚本中，将稳态燃烧期间的温度映射间隔设置为：固体 PMMA 150 秒，液体浸泡灯芯 400 秒。将步长（在样品表面测量）设置为每四分之一毫米采集一次数据。将采样率设置在 100 至 500 赫兹之间。如果在映射过程中表面的形变超出了实验误差范围，则结果将不再有效，因此正确设置测量周期和间距至关重要。现在进行烧蚀实验时，运行数据采集程序，使其从桌面的文件夹中读取网格扫描算法。程序运行后，当触发LabVIEW中的数据采集模块时，数据将自动记录。对PMMA样品在强制对流边界层扩散火焰中的质量损失速率和温度分布进行了测量。结果表明，得益于微型热电偶和双热电偶辐射校正方法，能够以较小的误差精确捕捉燃料表面附近的温度。在两种气流速度下，测量了PMMA边界层扩散火焰沿燃料表面的无量纲温度梯度。在不同的自由流条件下，还测量了局部质量燃烧速率的变化。通过无量纲温度梯度获得的局部质量燃烧速率与通过PMMA表面回归实验数据得到的结果进行了比较，两者吻合良好。在强制气流为 2.06 米每秒的条件下，更详细地研究了火焰热通量的各个组分。对表面附近温度测量的详细分析，使得能够提取对流热通量；结合表面质量损失速率后，即可获得用于局部分析的全部燃烧组分信息。一旦掌握该技术，每份燃料样品的测试可在数分钟内完成。通过该实验步骤，可对局部质量燃烧速率和传热过程进行分析，从而进一步理解材料的燃烧行为并验证数值计算模型。请注意，操作此类火焰具有极高危险性，因此在实施该实验过程中，必须始终采取必要的安全防护措施，例如佩戴护目镜、在通风良好的环境中操作，并确保所燃烧的材料无毒。

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工程

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