Méthodologie expérimentale pour l'estimation de la section locale Heat fondants et Brûler Tarifs en Steady laminaire limite Flames Diffusion Layer

L'objectif général de cette expérience est de décrire l'utilisation de micro-thermocouples pour estimer les gradients de température locaux au niveau des surfaces de combustibles condensés dans des flammes de diffusion en couche limite laminaire stationnaire. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de la recherche sur l'incendie, notamment en explorant la relation dynamique entre une surface de combustible condensé inflammable et les flammes en phase gazeuse dans des couches limites laminaires et turbulentes. Le principal avantage de cette technique réside dans sa capacité à mesurer précisément les taux de combustion massique locaux dans des flammes de diffusion en couche limite laminaire stationnaire.

Colin Miller et Wei Tang démontreront cette procédure. Tous deux sont étudiants au doctorat en génie mécanique. Pour les expériences avec des carburants liquides, préparez une mèche à partir d'un matériau poreux non combustible, tel que de la laine de silicate de terre alcaline.

Faites cuire la mèche environ 20 minutes à l’aide d’une flamme de diffusion issue d’un chalumeau au propane. Cela brûlera tous les liants organiques présents dans la mèche. Ensuite, appliquez un adhésif haute température sur une feuille d’aluminium et fixez la feuille d’aluminium sur la mèche.

Le dessus doit rester propre. Pour les expériences avec un combustible solide, préparez une feuille de combustible solide ayant les mêmes dimensions que la mèche. Pour fixer le combustible solide, découpez une fente longue dans une feuille de panneau isolant en fibre céramique, ou utilisez un matériau poreux non combustible scellé avec une peinture noire mate résistante aux hautes températures.

Pour des expériences en convection libre ou en écoulement forcé, positionnez un appareil photo numérique reflex de manière à pouvoir observer l'axe central du combustible et un côté complet de la flamme. Pour les flammes en convection forcée, observez le centre de l'échantillon de combustible dans une zone de 16 par 8 centimètres, afin de pouvoir calculer la distance de maintien de la flamme dans la zone de pyrolyse. Ensuite, placez le mécanisme de translation au-dessus de l'échantillon de combustible.

Ensuite, fixez soigneusement une sonde thermocouple de 50 microns à son axe horizontal. Puis, allumez le contrôleur de moteur pas à pas programmable et, pour les expériences avec écoulement forcé, branchez le ventilateur centrifuge de la soufflerie. Ensuite, réglez le contrôleur PWM selon la vitesse du ventilateur.

Utilisez un anémomètre à fil chaud pour vérifier la vitesse à la sortie de la soufflerie. Ensuite, portez les équipements de protection et effectuez les préparatifs finaux pour réaliser l'essai. Imprégnez la mèche de combustible liquide jusqu'à saturation.

Ensuite, placez soigneusement la mèche imbibée de carburant ou la plaque de carburant solide dans le support de mèche. Vérifiez ensuite de manière critique la planéité de la surface de la mèche à l’aide d’un inclinomètre. Puis, vérifiez la balance de masse et notez sa lecture avant l’essai.

Avant d'allumer le combustible, vérifiez la ventilation de la pièce. Le système d'évacuation doit fonctionner, mais être réglé de manière à perturber au minimum l'écoulement de l'air autour de l'expérience. Avant d'enflammer un échantillon, étalonnez l'appareil photo numérique à l'aide d'une règle placée là où sera positionné l'échantillon.

En outre, démarrez l'acquisition des données à partir du logiciel de la balance de masse. Placez maintenant l'échantillon, puis enflammez le combustible à l'aide d'un chalumeau au propane. Pour les mèches, touchez brièvement la surface de l'extrémité avec la flamme.

Pour les combustibles solides, passez la flamme uniformément sur la surface pendant 50 à 60 secondes. Après la période de combustion, éteignez la flamme en soufflant dessus. Dans le cas des combustibles solides, laissez brûler pendant une durée déterminée.

Ensuite, répétez plusieurs fois le processus de combustion en utilisant le même intervalle de temps. Une fois toutes les données de combustion recueillies, arrêtez le ventilateur en réglant le contrôleur PWN à zéro et en débranchant le ventilateur. Enfin, éteignez le contrôleur du moteur pas à pas.

Au cours de plusieurs combustions, la régression incrémentielle d'un combustible solide peut être mesurée afin de vérifier d'autres paramètres. Après chaque période de combustion, découpez le combustible brûlé le long de la ligne médiane. Ensuite, documentez la régression de la combustion à l'aide d'une photographie prise en vue latérale.

Analysez les photos de vue latérale dans ImageJ. Ouvrez-les via Sélectionner un fichier et Ouvrir une image. Ensuite, ouvrez l'image du règle à l'aide de l'option Ouvrir l'image d'étalonnage.

Ensuite, superposez l'image de calibration sur l'image du combustible solide. Réglez ensuite l'échelle de mesure en traçant une ligne entre deux points dont la distance est connue sur la règle. Puis, sélectionnez Définir l'échelle dans le menu Analyser.

Dans la fenêtre Définir l'échelle, saisissez la distance connue de la ligne et cliquez sur OK. Répétez ce processus avec une nouvelle ligne afin de confirmer que l'échelle de mesure est correcte. Mesurez maintenant les distances sur la photographie de l'échantillon en traçant une ligne, puis observez l'angle et la distance dans la barre d'état. En appuyant sur Ctrl+M, les données sont enregistrées dans la fenêtre de données.

La régression de combustion est calculée comme étant la différence entre l'épaisseur initiale et l'épaisseur de l'échantillon. Notez particulièrement l'intervalle de temps pendant lequel la surface du combustible reste approximativement plane. Utilisez la régression de combustion mesurée durant cette période pour la comparer à la cartographie de température ou pour ajuster la position des thermocouples afin de compenser la régression de surface.

Pour configurer la cartographie thermique, alignez soigneusement un microthermocouple avec la surface du combustible à l’aide d’un unislide X-Y. Placez-le au centre de la mèche d’un échantillon solide. Pour une mèche de combustible, utilisez l’unislide X-Y afin de positionner précisément le microthermocouple le long du bord d’attaque.

Il est essentiel qu'un thermocouple soit positionné parfaitement sur la surface de l'échantillon. S'il est mal positionné, toutes les mesures seront entachées d'une certaine erreur. Il doit être placé aussi près que possible de la surface du combustible pour des mesures précises.

Dans le script Velmex, réglez l'intervalle de cartographie de température pendant les combustions stables à 150 secondes pour le PMMA solide ou à 400 secondes pour les mèches imbibées de liquide. Réglez la taille du pas, mesurée à la surface de l'échantillon, afin d'acquérir des données tous les quart de millimètre. Réglez la fréquence d'échantillonnage entre 100 et 500 hertz.

Si la surface se déforme dans les marges d'erreur de l'expérience pendant le balayage, les résultats ne sont plus valides ; il est donc essentiel de régler correctement la période de mesure et l'espacement. Lors de la réalisation de l'expérience de combustion, lancez le programme d'acquisition de données afin qu'il lise l'algorithme de balayage de la grille à partir d'un dossier sur le bureau. Une fois le programme en marche, les données seront enregistrées automatiquement lorsqu'elles seront déclenchées par le module d'acquisition de données dans LabVIEW.

Les taux de perte de masse et les profils de température dans une flamme de diffusion en couche limite avec convection forcée ont été mesurés pour des échantillons de PMMA. Les résultats montrent que des températures précises peuvent être obtenues près de la surface du combustible avec de faibles erreurs, grâce à des microthermocouples et à une méthode de correction du rayonnement pour deux thermocouples. Les gradients de température adimensionnels le long de la surface du combustible d'une flamme de diffusion en couche limite de PMMA ont été mesurés à deux vitesses de courant d'air.

Des variations des vitesses de combustion massique locales ont également été mesurées dans différentes conditions d'écoulement libre. Les vitesses de combustion massique locales obtenues à partir des gradients de température adimensionnels ont également été comparées aux données expérimentales obtenues par régression de la surface du PMMA. Elles correspondaient très bien.

Les composantes des flux de chaleur de la flamme ont été examinées plus en détail à un débit forcé de 2,06 mètre par seconde. La précision des mesures de température près de la surface a permis d'extraire les flux de chaleur convectifs qui, combinés aux taux de perte de masse à la surface, fournissent toutes les composantes de la combustion pour une analyse locale. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en quelques minutes par échantillon de combustible.

Après cette procédure, une analyse des taux de combustion massique locaux et des transferts de chaleur peut être effectuée afin de mieux comprendre le comportement à la combustion des matériaux et de valider des codes numériques. N'oubliez pas que le travail avec ces flammes peut être extrêmement dangereux et que des précautions, telles que le port de lunettes de protection, le travail dans des conditions bien ventilées et l'assurance que les matériaux en combustion sont non toxiques, doivent toujours être prises lors de l'exécution de cette procédure.