Name: Experimentelle Methoden zur Schätzung der lokalen Wärmeströme und Verbrennungsraten in Steady laminaren Grenzschicht Diffusion Flames (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-06-01T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 29 s
Description: Erfahren Sie, wie Mikro-Thermoelemente lokale Temperaturgradienten in stationären laminaren Grenzschicht-Diffusionsflammen messen. Diese Methode ermöglicht präzise Bestimmung lokaler Massenbrennraten und Wärmeströme für die Brandforschung.

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Die Autoren möchten sich bei der finanziellen Unterstützung für diese Arbeit durch die Minta Martin Foundation an der University of Maryland, College Park, bedanken.

1. Planung der Experimente <ol><li> Befolgen Sie die Anweisungen und Sicherheitshinweise, bevor das Feuer oder Verbrennung Forschungslabor betreten. Sicherheitstraining für neue Nutzer in der Regel erforderlich. </li><li> Planen Sie Ihre Experimente im Voraus, um die erforderlichen Tests durchzuführen. Betrachten wir die Einzelheiten des Versuchs, den Transport der erforderlichen Brennstoffe und notwendige Ausrüstung. </li><li> Identifizieren Sie die flüssigen oder festen Brennstoffen Experimente von Interesse. Bereiten Sie die Materialien entsprechend. </li></ol> 2. Herstellung von Materialien und Instrumentation <ol><li> Für flüssige Brennstoff Experimente, bereiten Sie einen Kraftstoff Docht aus porösem nicht brennbaren Material (Erdalkali-Silicat-Wolle). Frühere Experimente 4-6 wurden 8 cm x 8 cm x 1,27 cm für die freie Konvektion Tests genutzt und 10 cm x 10 cm x 1,27 cm dicken Platten für erzwungene Konvektion Tests. <ol><li> Backen Sie den gegebenen Brennstoff Docht für etwa 20 Minuten, indem sie einer Diffusionsflamme aus einem Propangasbrenner, um auszusetzenorganische Bindemittel in der Docht zu brennen. </li><li> Um eine Leckage des flüssigen Kraftstoffs von den Seiten des Dochts zu beseitigen, gelten zügig flüssiges Natriumsilicat mit einer Spritze alle Flächen des Dochts mit Ausnahme der oberen Fläche bedeckt. </li><li> Schirmen Sie alle, aber die Oberseite des Dochtes mit Aluminiumfolie. Verwenden, um eine Hochtemperaturklebstoff der Aluminiumfolie an den Seiten des Dochts einzufügen. </li></ol></li><li> Für feste Brennstoffe Experimente, schneiden Sie ein Blatt des festen Brennstoffs aus. In früheren Experimenten freie Konvektion 2, eine 8 cm x 8 cm x 1,27 cm dicke Folie aus einem klaren gegossenen Polymethylmethacrylat (PMMA) verwendet wurde. </li><li> Schnitten einen Schlitz in einem Blatt aus Keramikfaserisolationsplatte gleich der Größe der Kraftstoffprobe in die später die Probe zu montieren. Oft verwenden die gleiche poröse nicht brennbar als Brennstoff Docht; jedoch abdichten mit hoher Temperatur mattschwarze Farbe. </li><li> Überprüfen Sie die angegebenen Datenerfassungshardware und Software. Öffnen Sie die Software und überprüfen Sie die Stimmungature Mapping-Algorithmus vor erforderlichen Tests durchzuführen. </li></ol> 3. Vorbereitung der Versuchsaufbau <ol><li> Legen Sie eine Seitenansicht digitale Spiegelreflexkamera, so dass sie mit der Mittelachse des Kraftstoffs ausgerichtet ist und weit genug entfernt, so dass die volle Seitenansicht der gegebenen Flamme erfasst wird. <ol><li> Für zwangskonvektiv Flammen, Bild ein Sichtfeld in der Mitte der Brennstoffprobe mit einer Fläche von 16 cm x 8 cm für die Berechnung der Flammen Stand-off-Abstand in der Pyrolysezone. </li></ol></li><li> Setzen Sie den Quermechanismus über dem Kraftstoffprobe. Bringen Sie einen 50 &amp; mgr; m Draht-Durchmesser Mikrothermoelement zur horizontalen Achse des Quermechanismus mit Vorsicht. </li><li> Schalten Sie den programmierbaren Schrittmotorsteuerung. </li><li> Im Fall von Zwangsströmung Experimente, Macht das Radialgebläse des Windkanals auf. </li><li> Stellen Sie die Pulsbreitenmodulation (PWM) -Regler auf eine Frequenz von 7000 Hz mit Leistungseinstellungen ranging von 16% bis 50% für verschiedene Gebläsedrehzahlen, mit einem Heißdraht-Anemometer verifiziert. </li><li> Schutzbrille und feuerbeständige Handschuhe, bevor Sie mit dem Test fortfahren. </li><li> Bei jedem Versuch, tränken Sie den Docht mit flüssigem Brennstoff (Methanol oder Ethanol) bis zu seinem Sättigungspunkt. Für ein 8 cm x 8 cm x 1,27 cm dicken Docht, 90 ml ausreichend war, um vollständig den Docht mit zwei 60-ml-Spritzen, während für eine 10 cm x 10 cm x 1,27 cm dicken Docht einweichen wurden 120 ml ausreichend erwiesen. </li><li> Setzen Sie den Kraftstoff-getränkten Docht / Festbrennstoffplatte vorsichtig in den Kraftstoff-Dochthalter. Überprüfen Sie die Planheit des Brennstoffdocht Oberfläche mit einem Winkelmesser. </li><li> Öffnen Massenbilanz Software und überprüfen Sie die USB-Schnittstelle Einstellungen. Schauen Sie sich die Massenbilanz und beachten Sie seine Lesung vor dem Test. </li></ol> 4. Laufversuche in einer Verbrennung oder Brandlabor <ol><li> Achten Sie darauf, eine ausreichende Belüftung der Versuchsanlage, indem Sie auf das Abgas Drehen nach jedem Satz von Experimenten abgeschlossen. Exhaust sollte während der Experimente als minimal oder isoliert wie möglich sein, um Strömungsstörungen zu beseitigen. </li><li> Bevor eine Probe gezündet wird, kalibrieren Seitenansicht Digitalkamera durch ein Bild von einem Blatt Millimeterpapier oder Lineal nimmt, die entlang der Mittelachse der Kraftstoffoberfläche ausgerichtet ist. Erhalten durchschnittliche Pixel / mm Zählung von den Kalibrierungsbilder. Verwenden Sie diesen Wert von Pixel / mm während der Nachbearbeitung der Bilder (für die Messskala in ImageJ Einrichtung). </li><li> Zünden des Kraftstoffs mit einem Propangasbrenner, kurzzeitig für einen flüssigen Kraftstoff Docht berührt und Leiten der Flamme gleichmäßig über die Oberfläche für 50-60 sec mit einem festen Brennstoff. </li><li> Starten Sie experimentelle Zeit unmittelbar nach dem gleichmäßigen Zündung. Verwenden Sie eine Stoppuhr, um die Brennzeit bezeichnen. </li><li> Drücken Sie die Datenerfassung Taste auf die Massenbilanz Software. </li><li> Überwachen Sie den Masseverlust des brennenden Docht über einen Zeitintervall und schreibt sie in eine Messdatei. Verwenden Sie die Massenbilanz-Software für die gIven Zweck. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 4.3 bis 4.6 für mehrere Tests unter den gleichen Bedingungen Wiederholbarkeit sicherzustellen. </li><li> Verwenden Sie die Massenverlust-Zeit - Kurve , die stetig brennenden Regime , um zu bestimmen, wo eine lineare Anpassung der Masseverlust eine hohe R 2 Wert hat. </li><li> Für instationären festen Brennstoffen verbrennen Proben bei 50 Sekunden - Schritten von Zündung auszubrennen Oberfläche Regression zu messen (zB für 50 s, 100 s, 150 s, etc.). </li><li> Cut verbrannt feste Brennstoffe entlang der Mittellinie nach für Regressionstests Kühlung. </li><li> Nehmen Seitenansicht Aufnahmen von schneiden festen Brennstoffen und Last in ImageJ. Messen Sie die Regression in Strömungs Stellen von Pixeln Umwandlung mit einem Lineal bis cm. Vorgehen Schritt für Schritt ein bestimmtes Bild in ImageJ zu verarbeiten nachstehend aufgeführt ist. <ol><li> Offene Seitenansicht Fotografie des Festbrennstoffprobe in ImageJ über Wählen Sie Datei → Bild öffnen. </li><li> Öffnen Sie das Kalibrierungsbild (mit Lineal) des Festbrennstoff-Probe in ImageJüber Wählen Sie Datei → Öffnen Kalibrierung Bild. </li><li> Stapeln Sie die Kalibrierungsbild und Festbrennstoffprobenbild auf. Zum Bild → Stapel → Bilder zu stapeln. </li><li> Set Messskala: Zeichnen Sie eine Linie zwischen zwei Punkten bekannter Distanz wie ein Lineal auf dem Foto. Gehe zu → Set Maßstab zu analysieren. Im Fenster Set-Skala die Länge der Linie in Pixeln wird angezeigt. Geben Sie den bekannten Abstand und Maßeinheiten in die entsprechenden Felder ein und klicken Sie auf OK. </li><li> Zeichnen Sie eine neue Zeile und bestätigen, dass die Messskala korrekt ist. </li><li> Messabstand zwischen zwei Punkten in der gegebenen Probe Foto: Zeichnen Sie eine Linie zwischen zwei Punkten. Die Statusleiste zeigt den Winkel (von der Horizontalen) und die Länge. Analysieren → Messen (oder Strg + M oder geben Sie einfach M auf der Tastatur) überträgt die Werte in einem Datenfenster. </li><li> Messen Sie die Regression an jeder Stelle in Strömungsrichtung x durch die Dicke der Ausbrand Probe gemessen wird und aus der i Subtrahierennitial Dicke der Probe. </li></ol></li><li> Beachten Sie das Zeitintervall, über die die Oberfläche von festen Brennstoffen etwa flach bleiben und verwenden für Temperatur-Mapping oder Anpassungen von Thermoelement-Positionen gemacht für die Oberflächen Regression zu kompensieren. </li><li> Stellen Sie die Temperatur-Mapping Intervallmessungen während des stationären Brennen Regime zu erfassen, etwa 150 Sekunden für feste PMMA und 400 sec für Flüssigkeit getränkte Dochte. Stellen Sie die Temperatur-Mapping-Intervall basierend auf dem stationären Brennzeitintervall von flüssigen und festen Brennstoffen. Eine empfohlene Schrittgröße in der Nähe der Oberfläche beträgt 0,25 mm 4-6. </li><li> Richten eines Mikrothermoelement genau mit der Oberfläche des Kraftstoffs eine XY UnISLIDE verwenden. Platzieren Sie den gegebenen Thermoelement in der Mitte der Breite der Probe. </li><li> Bewegen Sie den Mikro-Thermoelement vorsichtig auf die Vorderkante des Brennstoff Docht die XY-UnISLIDE verwenden. </li><li> Führen Sie einen Datenerfassungs-Programm auf einem Computer und lesen Sie das Rasterscanalgorithmus von einem Ordner auf dem desktop. Hinweis: Wenn das Experiment im Gange ist, die Datenerfassung erfolgt automatisch und der Benutzer braucht nur zu überwachen, um sicherzustellen, dass das Experiment wie geplant wird. </li><li> Verwendung eines Datenerfassungsprogramm auf einem Computer, zu erwerben Daten und schreibt sie in eine Messdatei. Beachten Sie , Abtastraten von 100 bis 500 4-5 6 Hz wurden in den vergangenen Experimenten verwendet. </li><li> Wenn Sie fertig sind, löschen Sie die Flamme. Schalten Sie die PWM-Steuerung aus und ziehen Sie den Netzstecker des Gebläses von der 3-Phasen 240 VAC Steckdose. </li><li> Drehen Sie den Schrittmotorsteuerung aus. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 4,12-4,18 für zusätzliche Versuche an ähnlichen oder unterschiedlichen Strömungsbedingungen mit dem gleichen Thermoelement. Ein Minimum von 5 Tests sollte für jeden gegebenen Strömungsbedingungen (beispielsweise Zwangsströmungsgeschwindigkeit oder vertikale Ausrichtung) wiederholt werden. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 4,12-4,18 für einen 75 &amp; mgr; m Mikrothermoelement. Traverse zwei Thermoelemente (50 und 75 um Drahtdurchmesser) entlang der same Weg in der Mitte der Flamme für eine genaue Strahlungs korrigiert. Kleinere Thermoelemente können auch verwendet werden könnten, jedoch häufig für Drähte unter 50 um trat Bruch. </li></ol> 5. Datenanalyse <ol><li> Lesen Sie die verarbeiteten Daten von der LVM-Datei in Matlab oder andere analytische Software. </li><li> Der Mittelwert der Temperaturdaten an jedem Raumpunkt aus verschiedenen Tests. </li><li> Berechnen eines Strahlungskorrektur von gemittelten Thermoelement - Daten an jeder Stelle in Strömungsrichtung nach der Korrelation von Collis und Williams 10 unten im Detail beschrieben. </li><li> Berechnen Sie kompensierten Temperaturmessungen durch die Strahlungskorrektur auf rohe Temperaturdaten hinzugefügt wird. </li><li> Nicht dimensionalize die Temperaturdaten und der räumlichen Lage. </li><li> Montieren Sie die dimensionslose Temperaturdaten an der Kraftstoffoberfläche mit einem geeigneten höherer Ordnung Polynomfit einer Kurvenanpassung Algorithmus in Matlab oder andere spezielle Software verwenden. 4 bis 6 Punkte in der Nähe der OberflächeEs wurde gefunden , 4-6 in früheren Studien gut zu funktionieren. </li><li> Berechnen der normalen nicht-dimensionsmäßigen Temperaturgradienten an der Kraftstoffoberfläche von der Steigung der Polynom höherer Ordnung Anpassung an die dimensionslose Temperaturverteilung an der Kraftstoffoberfläche (y = 0). </li><li> Berechnen Sie die lokalen Massenverbrennungsrate aus dem entsprechenden lokalen nicht-dimensionalen Temperaturgradienten an der Kraftstoffoberfläche eine theoretische Korrelation auf der Basis der Reynolds - Analogie - 4. </li><li> Berechne den konvektiven Wärmeflusses von dem Temperaturgradienten an der Oberfläche des Kraftstoff 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>
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<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>
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<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>

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Das Ziel dieser Untersuchung war es, eine neue Methode zur Schätzung der lokalen Massenverbrennungsraten zu entwickeln, sowohl für flüssige und feste Brennstoffe unter einer Vielzahl von Strömungsfeldbedingungen. Die Studie betrachtet zwei Fällen eine freie Konvektion Grenzschicht Diffusionsflamme und erzwungene Konvektion Grenzschicht Diffusionsflammen unter verschiedenen Bedingungen freiStrom etabliert, sowohl flüssige als auch feste Brennstoffe verwenden. Lokale Brenngeschwindigkeiten gemessen über Feintemperaturmessungen über beide flüssigen Brennstoff getränkten Dochten und über feste Platten aus PMMA gefunden wurden andere Mittel der Schätzung übereinstimmen, nämlich Kraftstoff Regressions Messungen. Diese Temperaturgradienten in der Nähe der Kraftstoffoberfläche wurden unter Verwendung einer Korrelation auf der Reynolds - Analogie basiert bestimmt 12-13, die während einer stetigen, laminare Verbrennung funktionierte sehr gut für kleine Proben, was letztlich zu Daten innerhalb von 15% Genauigkeit für mittlere Ergebnisse und vieles mehr für die lokale Measurements 4-6. Der Korrelationsfaktor für diesen lokalen Massenverlustrate Messungen hängt von der Spalding Massentransfer Anzahl der repräsentativen Treibstoff und anderen thermophysikalischen Eigenschaften des Kraftstoffs , der von vornherein berechnet werden kann. Die Ergebnisse legen nahe, dass diese Technik nützlich sein können, um diese Mengen zu extrahieren und die Verbrennung von Brennstoffen in kleinem Maßstab in größerem Detail in der Zukunft zu verstehen. Andere Studien in der Literatur haben die Vertreter der Arbeit hier erweitert enthält numerische Simulationen 4 und Experimente an vertikal orientierten Proben frei 4,5 Brennen und horizontal montierten Proben unter Umgebungs Winde 6. Für diesen Konfigurationen haben Komponenten der Wärmeflüsse auch lokal über die Brennstoffoberfläche unter Verwendung des gleichen Feindraht-Thermoelement-Technik sehr nahe an der kondensierten Kraftstoffoberfläche ermittelt. Während Komponenten des Wärmestroms in der Vergangenheit durch die Verwendung von eingebetteten Lehren gemessen, this-Technik ist minimal-invasiv und bietet eine direkte Messung der konvektiven Wärmeflüsse, die vor nicht möglich gewesen. Besondere Vorsicht ist bei Versuchen getroffen werden, wenn bestimmte Konfigurationen und Einrichtung des Geräts muss so gewählt. In diesen Experimenten wurden Thermoelemente für den Schritt 3.2 ragt aus einem kleinen Keramikrohr gewählt wird, an dem Draht zu halten Spannung und macht die Lage des Thermoelements relativ fixiert. ein Thermoelement-Draht über die ganze Flamme ohne Schlauch von dem Keramikrohr mögliche Störungen reduzieren würde suspendiert Verwendung jedoch würde es den spezifischen Ort des Thermoelements Lokalisieren viel variabler als der Draht mit steigenden Temperaturen zu erweitern neigt. Manchmal Änderungen in der Konfiguration könnte Effekte über die Breite der Probe (beispielsweise die Probe Neigen) induzieren. Wenn das Setup von den in der Vergangenheit 4-6, um Schritt 4.14 gelegentliche Kontrollen untersucht modifiziert , dass die Flammentemperatur measungen über die Breite der Probe zeigen keine signifikante Veränderung (dh ein 2-D Annahme hält noch) genommen werden sollte. Andernfalls wird ein 3-D-Abbildungssystem müssen implementiert werden. Die wichtigsten Schritte während der Durchführung der Experimente haben mit der Vorbereitung des Brennstoffs und die ordnungsgemäße Verwendung von Thermoelemente zu tun. Schon geringe Abweichungen bei der Positionierung der Thermoelemente können Fehler verursachen, daher muss darauf geachtet werden, wenn das Thermoelement die Positionierung in den Schritten 3.2, 4.13 und 4.14. Der Kraftstoff Docht muss auch so angeordnet werden, dass möglichst ebene wie möglich gehalten wird (Schritt 2.1) und alle Füllmaterial sollte aus Dochten (Schritt 2.1.1) gebacken werden. Das Abgassystem, aktiviert in Schritt 4.1 sollte auch als minimal oder isoliert wie möglich nahe dem Experiment beseitigen zu helfen, Strömungsstörungen gehalten werden. Dies sollte, indem sichergestellt wird eine kleine Kerze überprüft werden nicht durchgebrannt ist, wo der Test stattfinden wird (ohne Wind). Leitbleche, BildschirmeEine separate geschlossenen Anlage oder beim Testen in einem großen Raum kann diese verwendet werden, zu erreichen. In Schritt 4.2 muss der feste Brennstoff möglichst gleichmäßig gezündet werden. Während der Propangasbrenner nicht die ideale Quelle ist , dies zu tun, wurden Experimente nicht 4-6 in früheren Arbeiten zu empfindlich auf die Zündquelle vorhanden. Empfindlichkeit gegenüber der Zündquelle sollte durch Variieren der Zeit oder Intensität der Belichtung und Beobachten der Ergebnisse auf dem stationären Massenverbrennungsrate während der Experimente dokumentieren. Wenn die Empfindlichkeit ein Fußbodenheizungs beobachtet wird, sollte alternativ verwendet werden, um Proben zu entzünden. Feste Brennstoffe oder jeder Brennstoff, der nicht eine große (&gt; 300 sec) stetig brennende Region hat wie durch Massenverlustraten beobachtet sollte während einer kurzen Region genommen Temperatur-Mapping haben. Zum Beispiel wird in Schritt 4.13 die Zuordnung für PMMA empfohlen über den ersten 150 Sekunden genommen werden, während der Brennstoff noch relativ flach und Oberflächen Regression wurde gut dokumentiert. Oberflächenregressions Messungen kann ichmageJ oder andere ähnliche Bild Software Pixel auf den Fotos zu messen und auf Länge zu konvertieren. Alternativ kann eine digitale Mikrometer der Oberfläche Regression der Festplatte zu messen, verwendet werden, nachdem sie abkühlt (beachten Sie die Oberfläche von &quot;Sprudeln&quot; Materialien wie PMMA müssen zunächst geschliffen werden). Die vorgeschlagene Abbrandgeschwindigkeit Korrelation auf laminar Annahmen beruht, es wird jedoch vermutet, dass diese Technik eine ähnliche Form für turbulente Verbrennung einer Brennstoffoberfläche folgen sollte, wenn auch mit einer modifizierten funktionellen Beziehung, die experimentell bestimmt werden müssen. Die Arbeit hier präsentiert werden können anschließend verlängert Grenzschichtverbrennung und die damit verbundenen Wechselwirkungen zwischen Turbulenz und Gasphasen-Wärmefreisetzung zu turbulent, die den Vorfall Wärmefluss auf die Kraftstoffoberfläche treiben kann weiter untersucht werden. Die Theorie, auf die die Brenngeschwindigkeit Korrelation beruht vernachlässigt auch Strahlung. Die Theorie wird stark vereinfacht leading zu Unsicherheit in seiner prädiktiven Fähigkeiten unter Umständen, die durch die vorliegende Arbeit nicht abgedeckt sind. Zum Beispiel kann die angegebene Methode nicht für hohe Rußbildung Flammen arbeiten, wo der Wärmestrom auf die Oberfläche weitgehend Strahlungs ist. Für große turbulenten Wand Flammen, wo die Strahlungswärmefluss in die kondensierte Kraftstoffoberfläche hoch ist, die Brenngeschwindigkeit Korrelation vorgeschlagen kann oder auch nicht. Aufnahme von Strahlungseffekten in der vorgeschlagenen Korrelation ist somit wünschenswert, und weitere Forschung muss, um diese Funktionsbeziehung zu bestimmen, durchgeführt werden. Dieser Bereich erfordert Verbesserungen in dem Modell, wenn sicher Vorhersageverfahren sind für solche Flammen erreicht werden.

Während kritische Fortschritte haben im Bereich der Brandschutzforschung im vergangenen Jahrhundert, die Vorhersage Raten von Flammenausbreitung bleibt immer noch eine Herausforderung für viele Materialien in den verschiedensten Konfigurationen vorgenommen. Flammenausbreitung verläuft häufig in entweder die eingebauten oder natürlichen Umgebungen als eine Reihe von Zündungen neuer Elemente, ausgehend von einer anfänglichen Zündquelle. Kenntnisse über die Brenneigenschaften der einzelnen Brennmaterialien ist von entscheidender Bedeutung, um diese Sätze von Flammenausbreitung zu prognostizieren, denn dies trägt zu Raten von Erhitzen auf nicht entzündetem Elemente. Die Wärmefreisetzungsrate (HRR) eines Brennelements ist daher als die grundlegendste Menge in Brand Forschung 1 zitiert worden sind, etwa gleich dem Brennen (Massenverlust) Rate der kondensierten Phase Kraftstoff, nämlich die Verdampfungsrate von ein flüssiger Brennstoff oder Pyrolyse Rate eines festen Brennstoffs. Die Verbrennungsgeschwindigkeit kann als ein Maß für die Entflammbarkeit einer mater gedacht werden,ial und ist ein kritischer Parameter in Brandrisikoanalyse und das Design von Feuerlöschanlagen. Die lokale Massenverlust (oder Brennen) Rate, M &quot;f, einer vertikalen Wand, insbesondere eine wichtige Variable in vielen brandbedingten Probleme, wie die Flammenausbreitung an einer Wand, Feuer Wachstum und Energiefreisetzungsraten innerhalb ein Gehäuse, Feuer, und die Ausbreitung von Rauch und heißen Gasfahnen Für Vorhersage nach oben Flammenausbreitung an einer senkrechten Wand, die Flammenhöhe berechnet werden müssen, die auf die Gesamtenergiefreisetzungsrate abhängt;. das wiederum wird direkt beeinflusst durch die lokale Massenverlustrate der gesamten Pyrolysetank Bereich der Wand 2-3 integriert über. Während die Kenntnis dieser integrierten Massenverlustraten sind relativ gut bekannt, Kenntnis der Massen Abbrandgeschwindigkeiten an inkrementalen Positionen entlang einer Kraftstoffoberfläche sind nicht gut bekannt weil experimentelle Techniken wie Raten zu messen sind äußerst begrenzt. Eine Technik, die diese &quot;lokalen&quot; Massenverbrennungsrate liefertInformationen könnten besseren Einblick auf die Verbrennung von kondensierten Brennstoffe liefern Forscher können die Mechanismen besser zu verstehen, die verschiedene Kraftstoffe oder Konfigurationen voneinander unterscheiden. Da die meisten Materialien zunächst in der kleinen Skala bewertet werden (zB in einem Kegel - Kalorimeter 1), ein logischer erster Schritt ist es, eine Technik zu schaffen , lokale Massenverbrennungsraten in kleinen, laminare Diffusionsflammen über kondensierter Kraftstoff Oberflächen zu messen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die experimentelle Methodik und Protokolle für die Durchführung von Experimenten auf stetigen laminaren Flammen über kondensierter Kraftstoff Oberflächen etabliert. Die Einschätzung der lokalen Temperaturgradienten Mikrothermoelemente verwendet , ist eine besonders nützliche Technik für die Schätzung der lokalen Massenverbrennungsraten und Wärmeströme in diesen Flammen 4-6. Eine Analyse der Daten aus der Literatur zeigt die Schwierigkeit, lokale Wärmeübertragung, Verbrennung und Reibungskoeffizienten an der conden der Bestimmungsed Kraftstoffoberfläche, die die Physik für das Verständnis und die zugrunde liegenden Mechanismen sind wichtig , die einen bestimmten Bränden und ihrer Ausbreitung 4-6 fahren. Die Komponenten der Wärmeflüsse, die vielleicht die wohldosierten Feuer Eigentum an lokalen Standorten über eine Kraftstoffoberfläche geblieben sind, haben sich als schwierig erwiesen zu messen. Effekte wie Variabilität von Brennstoffen, Wärmefluß Skalierbarkeit Schwierigkeit Gleichgewichtsbedingungen zu erreichen und unterschiedliche Wärmestrommesser Technologien haben zu einer ziemlich breiten Streuung von Daten trugen , die in der Literatur 4 verfügbar ist. Die Messungen der lokalen Temperaturgradienten mit hoher Genauigkeit wird dazu beitragen, diese Variabilität zu lindern und auch die Wärmeübertragung Korrelationen bereitzustellen, die für die numerische Validierung von laminaren Wandbrände, eine kanonische Feuer Forschungsproblem verwendet werden könnten. Solche Experimente sind auch nützlich in der dynamischen Beziehung zwischen einer brennbaren kondensierte Brennstoffoberfläche und der Gasphase in Flammen laminare und turbulente Grenzschicht zu erkundens. Verfahren, um genau diese Temperaturgradienten in einer genauen und wiederholbaren Weise erfassen sind unten beschrieben.

<table><tbody><tr><td colspan="4">Thermoelemente mit Anschlüssen und Klemmen</td></tr><tr><td>Unummanteltes Feinmessgerät T/C</td><td>P13R-002</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Feindraht-Mikrothermoelemente (R-Typ)</td></tr><tr><td>Unummanteltes Feinmessgerät T/C</td><td>P13R-003</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Feindraht-Mikrothermoelemente (R-Typ)</td></tr><tr><td>Keramik 2 Loch rund - 5 Stück</td><td>TRX-010364-6</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Keramikrohre zur Aufnahme der Feindraht-Thermoelemente</td></tr><tr><td>Thermoelement-Verlängerungskabel</td><td>EXTT-RS-24-100</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Thermoelement-Verlängerungskabel</td></tr><tr><td>Männliche Buchsen</td><td>SHX-R/S-MF</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Steckverbinder für Thermoelemente vom Typ R&nbsp;</td></tr><tr><td>Zubehör</td><td>MSRT-116-10</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Gummischläuche zur Aufrechterhaltung des Halts der Keramikrohre am Ende der Verbinder</td></tr><tr><td colspan="4">Verfahrmechanismus</td></tr><tr><td>X Schlitten, Verfahrweg = 10 Zoll, 0,025 in/U, Grenzen, NEMA 17</td><td>XN10-0100-E25-71</td><td>Velmex Inc.</td><td>Velmex Unislide</td></tr><tr><td>Vexta Typ 17, 1,8 Grad/Schritt 2phasig, Einwellen-Schrittmotor</td><td>PK245-01AA</td><td>Velmex Inc.</td><td>Schrittmotor&nbsp;</td></tr><tr><td>Montageklemme, Standard mit 6-32 Schrauben</td><td>XMC-2</td><td>Velmex Inc.</td><td>Montagezubehör für den gegebenen Velmex Unislide</td></tr><tr><td>6-32 x 7/16 SH Zylinderschraube für Xslide in X & Y-Achse</td><td>XMB-1</td><td>Velmex Inc.</td><td>Montagezubehör für den gegebenen Velmex Unislide</td></tr><tr><td>X-Schlitten, Verfahrweg = 10 Zoll, 0,025 Zoll/Umdrehung, Grenzwerte, NEMA 17</td><td>XN10-0100-E25-71</td><td>Velmex Inc.</td><td>Velmex Unislide</td></tr><tr><td>Vexta Typ 17, 1,8 Grad/Schritt 2phasig, Einwellen-Schrittmotor</td><td>PK245-01AA</td><td>Velmex Inc.</td><td>Schrittmotor&nbsp;</td></tr><tr><td>Montageklemme, Standard mit 6-32 Schrauben</td><td>XMC-2</td><td>Velmex Inc.</td><td>Montagezubehör für den gegebenen Velmex Unislide</td></tr><tr><td>6-32 x 7/16 SH Zylinderschraube für Xslide in X & Y-Achse</td><td>XMB-1</td><td>Velmex Inc.</td><td>Montagezubehör für den gegebenen Velmex Unislide</td></tr><tr><td>Steuerung, Steuerung des programmierbaren Schrittmotors mit 2 Achsen, jeweils 1 Motor</td><td>VXM-2</td><td>Velmex Inc.</td><td>Schrittmotor-Steuerung</td></tr><tr><td>USB auf RS232 DB9 Serielles Kommunikationskabel 10 ft</td><td>RPC-USB-RS232-3M</td><td>Velmex Inc.</td><td>Serielles Kommunikationskabel zwischen der Schrittmotorsteuerung und dem Computer</td></tr><tr><td colspan="4">Datenerfassungshardware</td></tr><tr><td>NI 9214 16-Kanal-isothermes TC-Modul der C-Serie, 24 Bit für hochpräzise Thermoelementmessungen (mit Klemmenblock)</td><td>781510-01</td> National <td>Instruments</td><td>Thermoelement-Datenerfassungskarte</td></tr><tr><td>Netzkabel, Wechselstrom, USA, 120 VAC, 2,3 Meter</td><td>763000-01</td><td>National Instruments</td><td>Netzkabel für das C-Datenerfassungsgehäuse</td></tr> <tr><td>mit 8 SteckplätzencDAQ-9178, CompactDAQ-Chassis (USB mit 8 Steckplätzen)</td><td>781156-01</td><td></td><td>C-DAQ-Chassis von National Instruments für NI 9214 und NI 9239</td></tr><tr><td>EMI-Unterdrückungsferrit für NI 9229/39 BNC</td><td>782801-01</td><td>National Instruments</td><td>Zubehör für NI 9239 Datenerfassungskarte</td></tr><tr><td>NI 9239 BNC, 4-Kanal +/-10&nbsp; V, 50&nbsp; kS&#8288;/&#8288; s pro Kanal</td><td>780181-01</td><td>National Instruments</td><td>Datenerfassungskarte für Hitzdraht-Anemometersystem</td></tr><tr><td>cDAQ-9171, CompactDAQ-Chassis (1 USB-Steckplatz)</td><td>781425-01</td><td>National Instruments</td><td>C-DAQ-Chassis für NI 9214</td></tr><tr><td colspan="4">Kameras</strong</td></tr><tr><td>>Nikon D7100 24.1 MP DX-Format CMOS Digital SLR mit 18-105&nbsp; mm f/3.5-5.6 AF-S DX VR ED Nikkor Objektiv</td><td>Nikon D7100</td><td>Amazon</td><td>Digitale SLR-Kamera für Aufnahmen von oben Canon</td></tr><tr><td>EOS Rebel T5 DSLR CMOS Digitale SLR-Kamera und DIGIC Imaging mit EF-S 18-55 mm f/3.5-5.6 IS Objektiv</td><td>Canon EOS Rebel T5 DSLR&nbsp;</td><td>Amazon</td><td>Digital SLR-Kamera zum Aufnehmen von Flammenfotos in der Seitenansicht<</td></tr><tr>td colspan="4">Massenbilanz</td></tr><tr><td>Mettler-Toledo, MS32001L Balance Prec 32,200&nbsp; g x 0,1&nbsp; g</td><td>97035-654</td><td>VWR</td><td>Elektronische Präzisions-Massenwaage zur Messung der durchschnittlichen Brenngeschwindigkeit</td></tr><tr><td colspan="4">Mini CTA-System</td></tr><tr><td>MiniCTA Anemometer Gehäuse für Draht- und Filmsonden</td><td>9054T0461</td><td>Dantec Dynamics</td><td>Hitzdrahtsystem zur Messung von Geschwindigkeiten und Turbulenzintensität am Windkanalauslass</td></tr><tr><td colspan="4">Windkanalausrüstung</td></tr><tr><td>1/2 Zoll x 4 Fuß x 8 Fuß C-3 Ganzes Stück Birke Haushaltssperrholz</td><td>Modell # 833185</td><td>Home Depot</td><td>Wird verwendet, um den Windkanal im Labormaßstab</td></tr><tr><td>Holzmaserung Fräswerk WM 206 11/16 Zoll x 11/16 Zoll x 96 Zoll herzustellen. Holz Kiefer Eckleiste</td><td>Modell # 109610</td><td>Home Depot</td><td>Wird verwendet, um die Verlängerungsfeder des Windkanals im Labormaßstab</td></tr><tr><td>herzustellen, Schlaufenenden, 6,562" Gesamtlänge, Packung mit 6</td><td>1330K26</td><td>McMaster-Carr</td><td>Wird verwendet, um den Windkanal im Labormaßstab</td></tr><tr><td>herzustellen Sieb Grade Drahtgewebe, 30x30 Mesh, 0,0130" Drahtdurchmesser. 12"x12" Blatt</td><td>9241T41</td><td>McMaster-Carr</td><td>Wird verwendet, um den Windkanal im Labormaßstab herzustellen</td></tr><tr><td>Drahtgewebe in Siebqualität, 40x40 Mesh, 0,0065" Drahtdurchmesser. 12"x12" Blatt</td><td>9241T42</td><td>McMaster-Carr</td><td>Wird verwendet, um den Windkanal im Labormaßstab</td></tr><tr><td>herzustellen Mobiler Hubtisch Fußbetrieben, 600# Kapazität, 10" - 33" Tischhöhe</td><td>2791T22</td><td>McMaster-Carr</td><td>Tisch zum Halten des Versuchsaufbaus</td></tr><tr><td>ebm-papst p/n: G3G250-MW75-05 (EC Zentrifugalgebläse, 200-240&nbsp; V, 3-phasig, 50/60&nbsp; Hz, M3G112-EA Motor, 2,2&nbsp; kW)</td><td>G3G250-MW75-05</td><td>Ebm papst</td><td>Gebläse für den Windkanal</td></tr><tr><td>ebm-papst p/n: HX0C-003-000-04 (Steuerung)</td><td>HX0C-003-000-04</td><td>Ebm papst</td><td>Pulsweitenmodulationsregler zur Regelung der Drehzahl des Gebläses</td></tr><tr><td>8020 1" X 1" T-NUT-PROFIL&nbsp;</td><td>8020-1010</td><td>80/20 (Rankin Automation)</td><td>Wird verwendet, um ein Gerüst für den Windkanal</td></tr><tr><td>zu erstellen Momentive/GE Silikondichtstoff RTV108, 10,1-Unzen-Kartusche, halbklar</td><td>7545A472</td><td>McMaster Carr</td><td>Dichtstoff für das Holz</td></tr><tr><td colspan="4">Software</td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>Anbieter</td><td>kontaktieren National Instruments</td><td>Wird für die kontinuierliche Erfassung und Analyse von Temperaturdaten verwendet. Alternativ zur Positionierung des Thermoelements.</td></tr><tr><td>Mettler Toledo Massenbilanzsoftware</td><td>Anbieter kontaktieren</td><td>Mettler Toledo</td><td>Wird zur Messung der Massenverlustrate des Dochts / der Feststoffplatte für kondensierten Brennstoff im Laufe der Zeit</td></tr><tr><td>verwendet ImageJ</td><td>Kostenloser Download</td><td>NIH, http://imagej.nih.gov/ij/</td> <td>Wird zur Messung des Flammenabstandsabstands und der Oberflächenregression der Festbrennstoffplatte</td></tr><tr><td>verwendet Matlab</td><td>Anbieter kontaktieren</td><td>Mathworks</td><td>Wird für die Nachbearbeitung von Daten verwendet</td></tr><tr><td>Fortran 90/95</td><td>Anbieter kontaktieren</td><td>Die Firma Fortran</td><td>Wird für die Nachbearbeitung von Daten</td></tr><tr> verwendet<td colspan="4">Materials</td></tr><tr><td>Methanol&nbsp;</td><td>UMD Chem Store</td><td>NA</td><td>Flüssigbrennstoff</td></tr><tr><td>Ethanol&nbsp;</td><td>UMD Chem Store</td><td>NA</td> Sicherheitsbrille für <td>flüssige Brennstoffe</td></tr><tr><td></td><td>UMD Chem Store</td><td>NA</td><td>Wird zu Sicherheitszwecken</td></tr><tr><td>verwendet Sprühflasche</td><td>UMD Chem Store</td><td>NA</td><td>Wird zum Transport von Wasser im Notfall verwendet</td></tr><tr><td>Spritze 60 cc</td><td>UMD Chem Store</td><td>NA</td><td>Wird zum Einweichen des Dochts für flüssigen Kraftstoff verwendet</td></tr><tr><td>Optisch klare gegossene Acrylplatte, 1/8" dick, 24" x 48"</td><td>Mc master carr</td><td>8560K262</td><td>Festbrennstoff PMMA</td></tr><tr><td>Loctite Proxy Pak (Hi-Temp-Klebstoff)</td><td>Mc master carr</td><td>7556A33</td><td>Wird zum Abdecken der Seiten des Dochts mit Aluminiumfolie</td></tr><tr><td>verwendet Hi-Temp Aerosol Spray Paint (Schwarz)</td><td>Mc master carr</td><td>7832T1</td><td>Wird zum Streichen der Isolierung verwendet&nbsp;</td></tr><tr><td>Selbstzündende wirtschaftliche Propangasfackel mit einstellbarer Flamme, 4.179 & nbsp; Btu/hr</td><td>Mc Master Carr</td><td>78245A3</td><td>Propanbrenner zum Zünden der Festbrennstoffplatte</td></tr><tr><td>Hitzebeständiger Baumwollhandschuh mit Nitrilbeschichtung, 400 Grad F Max Temp, 10" Lg, Groß</td><td>Mc Master Carr</td><td>56025T1</td><td>Wird zu Sicherheitszwecken</td></tr><tr><td>verwendet Modularer Schutzschirm mit Anbindevorhang, 6'&nbsp; Höhe x 4'&nbsp; Breite Abriebfestes Fiberglas</td><td>Mc Master Carr</td><td>9145T84</td><td>Feuerfester Vorhang für den Hintergrund</td></tr><tr><td>Mehrzweck-Aluminiumlegierung 6061 .125" dick, 12" x 24"</td> <td>Mc Master Carr</td><td>89015K28</td><td>Wird zum Halten der Isolierung verwendet</td></tr><tr><td>Marine-Sperrholz 1/2" dick, 12" x 24"</td> <td>Mc Master Carr</td><td>1125T32</td><td>Wird zum Halten des Versuchsaufbaus verwendet</td></tr><tr><td>Mehrzweck-Aluminiumlegierung 6061 U-Kanal, 2" Basis x 1-1/4" Beine, 1' Länge</td><td>Mc Master Carr</td><td>1630T473</td><td>Wird zum Halten der Aluminiumplatte, Isolierung und Docht verwendet</td></tr><tr><td>Architektonisches eloxiertes Aluminium (Legierung 6063) 90 Grad Winkel, 1/8" Thk, 1/2" x 1/2" Beine, 6' L</td><td>Mc Master Carr</td><td>4630T21</td><td>Wird zum Halten der Aluminiumplatte verwendet, Isolierung und Docht</td></tr><tr><td>Aluminium Inch T-Schlitz-Rahmensystem Verdeckter 90-Grad-Verbinder, für 1" Extrusion</td><td>Mc Master Carr</td><td>47065T155</td><td>Wird zum Halten der Aluminiumplatte, der Isolierung und des Dochts</td></tr><tr><td>verwendet Aluminium Inch T-Schlitz-Rahmensystem Verlängerte 90-Grad-Halterung, einzeln, 4 Loch, für 1" Extrusion</td><td>Mc Master Carr</td><td>47065T175</td><td>Wird zum Halten der Aluminiumplatte, der Isolierung und des Dochts verwendet</td></tr><tr><td>Aluminium-Zoll-T-Schlitz-Rahmensystem mit vier Schlitzen einzeln, 1" massives Profil, 4' Länge</td><td>Mc Master Carr</td><td>47065T101</td><td>Wird zum Halten der Aluminiumplatte, der Isolierung und des Dochts</td></tr><tr><td>verwendet 1/2" x 48" x 36" (Superwool 607 Dämmplatte) 1 Karton mit 12 Blättern</td><td>Mccormick Isolierung</td><td>Superwool 607&nbsp;</td><td>Isolationsmaterial für die Herstellung des Dochts und des Dochthalters</td></tr></tbody></table>

experimentelle methoden zur schätzung der lokalen wärmeströme und verbrennungsraten in steady laminaren grenzschicht diffusion flames

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

Gasphasen auftretenden Flammen und in kondensierter Phase Brennstoffe Modellierung des realistischen Brennverhalten von kondensierter Phase Brennstoffen außer Reichweite, zum Teil blieb wegen der Unfähigkeit, an der Schnittstelle zwischen der komplexen Wechselwirkungen zu lösen. Die aktuelle Forschung stellt eine Technik die dynamische Beziehung zwischen einem brennbaren kondensierten Kraftstoffoberfläche und Gasphasen Flammen in laminaren Grenzschichten zu erkunden. Versuche haben bisher in beiden gezwungen und freie konvektive Umgebungen sowohl über feste und flüssige Brennstoffe durchgeführt worden. Eine einzigartige Methodik, basierend auf der Analogie Reynolds wurde verwendet, um lokale Massenverbrennungsraten und Flamme Wärmeflüsse für diese laminaren Grenzschicht Diffusionsflammen zu schätzen lokale Temperaturgradienten an der Kraftstoffoberfläche verwendet. Lokale Massenverbrennungsraten und Konvektionswärme und Strahlungswärme Feedback von den Flammen wurden sowohl in der Pyrolyse und plume Regionen gemessen durch Temperaturgradienten abgebildet in der Nähe der Wand durch eine Zwei-Achsen-Traver mitse-System. Diese Versuche sind zeitaufwendig und kann schwierig sein, zu entwerfen, die kondensierte Kraftstoffoberfläche nur für eine begrenzte Zeit nach der Zündung ständig brennt. Die Temperaturprofile in der Nähe der Kraftstoffoberfläche benötigen während des stationären Verbrennung eines kondensierten Kraftstoffoberfläche mit einer sehr hohen räumlichen Auflösung, um eine angemessene Schätzung der lokalen Temperaturgradienten zu erfassen abgebildet werden. Eine sorgfältige Korrekturen für die Strahlungswärmeverluste aus den Thermoelemente sind auch für genaue Messungen unerlässlich. Aus diesen Gründen muss die gesamte Versuchsaufbau mit einem computergesteuerten Traversenmechanismus automatisiert werden, die meisten Fehler aufgrund der Positionierung einer Mikrothermoelement eliminiert wird. Eine Übersicht über die Schritte reproduzierbar wandnahe Temperaturgradienten zu erfassen und nutzen sie lokale Verbrennungsraten und Wärmeflüsse zu beurteilen, ist vorgesehen.

Wir beschreiben die Verwendung von Mikro-Thermoelementen zur Abschätzung lokaler Temperaturgradienten in stationären laminaren Grenzschichtdiffusionsflammen. Durch die Erweiterung der Reynolds-Analogie können lokale Temperaturgradienten weiter verwendet werden, um die lokalen Massenbrennraten und Wärmeflüsse in solchen Flammen mit hoher Genauigkeit abzuschätzen.

Experimentelle Methoden zur Schätzung der lokalen Wärmeströme und Verbrennungsraten in Steady laminaren Grenzschicht Diffusion Flames

Modeling the realistic burning behavior of condensed-phase fuels has remained out of reach, in part because of an inability to resolve the complex ...

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments besteht darin, die Verwendung von Mikrothermoelementen zur Abschätzung lokaler Temperaturgradienten an kondensierten Brennstoffoberflächen für stationäre laminare Grenzschicht-Diffusionsflammen zu beschreiben. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der Brandforschung zu beantworten, beispielsweise den dynamischen Zusammenhang zwischen der Oberfläche eines brennbaren kondensierten Brennstoffs und gasförmigen Flammen in laminaren und turbulenten Grenzschichten zu untersuchen. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass sie zur genauen Bestimmung lokaler Massenbrennraten in stationären laminaren Grenzschicht-Diffusionsflammen eingesetzt werden kann.Diese Prozedur werden Colin Miller und Wei Tang demonstrieren. Beide sind Doktoranden im Fachbereich Maschinenbau. Für Experimente mit flüssigem Brennstoff bereiten Sie einen Brennstoffdocht aus porösem, nichtbrennbarem Material wie alkalisch-erdalkalischen Silikatwolle vor.Backen Sie den Docht etwa 20 Minuten lang mit einer Diffusionsflamme aus einem Propangasbrenner. Dadurch werden alle organischen Bindemittel im Docht verbrannt. Tragen Sie danach einen Hochtemperaturkleber auf eine Aluminiumfolie auf und befestigen Sie die Aluminiumfolie am Docht.Die Oberseite muss sauber bleiben. Für Festbrennstoffexperimente bereiten Sie ein Blatt des Festbrennstoffs mit denselben Abmessungen wie des Dochts vor. Zum Befestigen des Festbrennstoffs schneiden Sie einen langen Schlitz in ein Blatt aus Keramikfaserdämmplatte oder verwenden Sie ein poröses, nichtbrennbares Material, das mit hochtemperaturbeständiger mattschwarzer Farbe versiegelt ist.Positionieren Sie für Experimente mit freier Konvektion oder erzwungener Strömung eine digitale Spiegelreflexkamera so, dass sie die zentrale Achse des Brennstoffs und eine komplette Seite der Flamme erfassen kann. Bei Flammen mit erzwungener Konvektion betrachten Sie die Mitte der Brennstoffprobe in einem Bereich von 16 mal acht Zentimetern, damit der Flammenabstand in der Pyrolysezone berechnet werden kann. Bringen Sie danach den Verfahrmechanismus über der Brennstoffprobe an.Danach vorsichtig ein 50-Mikrometer-Draht-Thermoelement an seiner horizontalen Achse befestigen. Anschließend den programmierbaren Schrittmotor-Controller einschalten und für Experimente mit erzwungener Strömung den Zentrifugalgebläser des Windkanals anschließen. Danach den PWM-Controller entsprechend der Gebläsedrehzahl einstellen.Verwenden Sie ein Heißdrahtanemometer, um die Geschwindigkeit am Ausgang des Windkanals zu überprüfen. Legen Sie nun die Schutzausrüstung an und treffen Sie die letzten Vorbereitungen für die Durchführung des Tests. Tränken Sie den Docht mit flüssigem Brennstoff bis zur Sättigung.Danach den mit Brennstoff getränkten Docht oder die feste Brennstoffplatte vorsichtig in den Brennstoff-Dochthalter einsetzen. Überprüfen Sie nun kritisch die Flachheit der Docht-Oberfläche mithilfe eines Winkelmessgeräts. Prüfen Sie anschließend die Waagebilanz und notieren Sie den Anzeigewert vor dem Test.Bevor der Brennstoff entzündet wird, überprüfen Sie die Raumbelüftung. Die Absaugung sollte funktionieren, aber so eingestellt sein, dass sie den Luftstrom um das Experiment so gering wie möglich stört. Kalibrieren Sie die Digitalkamera mithilfe eines Lineals an der Stelle, an der die Probe platziert wird, bevor eine Probe entzündet wird.Starten Sie außerdem die Datenaufnahme mit der Waagensoftware. Positionieren Sie nun die Probe und zünden Sie den Brennstoff mit einer Propangasflamme an. Bei Dochten berühren Sie die Oberfläche der Spitze kurz mit der Flamme.Bei festen Brennstoffen die Flamme gleichmäßig 50 bis 60 Sekunden lang über die Oberfläche führen. Nach der Brennphase die Flamme durch Ausblasen löschen. Bei festen Brennstoffen die Verbrennung für eine festgelegte Zeitdauer ablaufen lassen.Wiederholen Sie anschließend den Brennvorgang mehrmals mit dem gleichen Zeitintervall. Sobald alle Brenndaten gesammelt sind, schalten Sie den Gebläselüfter aus, indem Sie den PWM-Regler auf null stellen und das Gebläse abkoppeln. Schalten Sie abschließend die Steuerung für den Schrittmotor aus.Über mehrere Brennvorgänge hinweg kann die inkrementelle Rückverlagerung eines festen Brennstoffs gemessen werden, um andere Kenngrößen zu überprüfen. Nach jedem Brennzeitraum den verbrannten Feststoff entlang der Mittellinie abschneiden. Anschließend die Brennrückverlagerung mit einer Seitenansichtsfotografie dokumentieren.Analysieren Sie die Seitenansichtsfotos in ImageJ. Öffnen Sie sie über Datei auswählen und Bild öffnen. Öffnen Sie dann das Bild des Lineals mit der Option Kalibrierungsbild öffnen.Als Nächstes stapeln Sie das Kalibrierungsbild auf das Bild des festen Brennstoffs. Legen Sie nun die Messskala fest, indem Sie eine Linie zwischen zwei Punkten mit bekanntem Abstand auf dem Lineal zeichnen. Wählen Sie dann „Skala festlegen“ im Menü „Analysieren“.Im Fenster „Skala festlegen“ die bekannte Distanz der Linie eingeben und auf „OK“ klicken. Diesen Vorgang mit einer neuen Linie wiederholen, um zu bestätigen, dass die Messskala korrekt ist. Nun Distanzen in der Beispielabbildung messen, indem eine Linie gezeichnet wird, und den Winkel sowie die Distanz in der Statusleiste beachten. Durch Drücken von Strg+M werden die Daten im Datenfenster gespeichert.Die Brandregression wird berechnet, indem die Dicke der Probe von ihrer Anfangsdicke subtrahiert wird. Beachten Sie besonders das Zeitintervall, während dessen die Oberfläche des Brennstoffs annähernd eben bleibt. Verwenden Sie die Brandregression aus diesem Zeitraum, um sie mit der Temperaturkartierung zu vergleichen oder um Anpassungen der Thermoelementpositionen vorzunehmen, die zur Kompensation der Oberflächenregression erforderlich sind.Um die Temperaturmessung einzurichten, richten Sie ein Mikrothermoelement vorsichtig mit der Oberfläche des Brennstoffs mithilfe eines X-Y-Unislide aus. Platzieren Sie es in der Mitte des Dochts einer festen Probe. Bei einem Brennstoffdocht positionieren Sie das Mikrothermoelement mit dem X-Y-Unislide vorsichtig entlang der Vorderkante.Es ist entscheidend, dass ein Thermoelement exakt auf der Probenoberfläche positioniert ist. Falls es nicht exakt sitzt, weichen alle Messungen mehr oder weniger ab. Für genaue Messungen muss es so nah wie möglich an der Oberfläche des Brennstoffs angebracht sein.Legen Sie im Velmex-Skript das Temperatur-Mapping-Intervall während stationärer Verbrennungen auf 150 Sekunden für festes PMMA oder auf 400 Sekunden für flüssigkeitsgetränkte Dochte fest. Stellen Sie die Schrittweite, gemessen an der Oberfläche der Probe, so ein, dass alle Viertelmillimeter Daten erfasst werden. Wählen Sie die Abtastrate zwischen 100 und 500 Hertz.Wenn sich die Oberfläche innerhalb der Fehlergrenzen des Experiments während der Kartierung verformt, sind die Ergebnisse nicht mehr gültig. Daher ist es entscheidend, die Messdauer und den Abstand korrekt einzustellen. Führen Sie beim Durchführen des Brennversuchs das Datenerfassungsprogramm aus, sodass es den Rasterscan-Algorithmus aus einem Ordner auf dem Desktop liest. Sobald das Programm läuft, werden die Daten automatisch erfasst, sobald sie durch das Datenerfassungsmodul in LabVIEW ausgelöst werden.Massverlustraten und Temperaturprofile über einer Diffusionsflamme in einer erzwungenen Konvektionsgrenzschicht wurden für PMMA-Proben gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass genaue Temperaturen nahe der Brennstoffoberfläche mit geringen Fehlern erfasst werden können, dank Mikrothermoelementen und einer Methode zur Strahlungskorrektur von zwei Thermoelementen. Dimensionslose Temperaturgradienten entlang der Brennstoffoberfläche einer PMMA-Grenzschichtdiffusionsflamme wurden bei zwei Luftstromgeschwindigkeiten gemessen.Die Variation der lokalen Massenbrennraten wurde ebenfalls unter verschiedenen Freistrombedingungen gemessen. Die aus dimensionslosen Temperaturgradienten ermittelten lokalen Massenbrennraten wurden zudem mit den experimentellen Daten verglichen, die durch die Regression der PMMA-Oberfläche gewonnen wurden. Die Übereinstimmung war sehr gut.Die Bestandteile der Wärmestromdichten der Flamme wurden bei einer erzwungenen Strömung von 2,06 Metern pro Sekunde genauer untersucht. Die Genauigkeit der Temperaturmessungen nahe der Oberfläche ermöglichte die Ermittlung der konvektiven Wärmestromdichten, die zusammen mit den Massenverlustraten an der Oberfläche sämtliche Komponenten der Verbrennung für eine lokale Analyse lieferten. Sobald die Technik beherrscht ist, kann sie pro Brennstoffprobe innerhalb weniger Minuten durchgeführt werden.Nach Durchführung dieses Verfahrens können Analysen der lokalen Massenbrennraten und des Wärmetransports durchgeführt werden, um das Brennverhalten von Materialien besser zu verstehen und numerische Modelle zu validieren. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit diesen Flammen äußerst gefährlich sein kann, und Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen von Schutzbrille, Arbeiten unter gut belüfteten Bedingungen und die Gewährleistung, dass die brennenden Materialien nicht toxisch sind, sollten stets beachtet werden, während dieses Verfahren durchgeführt wird.

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Forschung

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Ingenieurwesen

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Experimentelle Methoden zur Schätzung der lokalen Wärmeströme und Verbrennungsraten in Steady laminaren Grenzschicht Diffusion Flames (Video) | JoVE Journal

Experimentelle Methoden zur Schätzung der lokalen Wärmeströme und Verbrennungsraten in Steady laminaren Grenzschicht Diffusion Flames

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