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

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.