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

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。