Metodologia sperimentale per la stima della locale Calore flussi e masterizzazione Tariffe a Steady limite laminare Fiamme strato di diffusione
1 giugno 2016
Descriviamo l'uso di micro-termocoppie per stimare i gradienti di temperatura locali in fiamme di diffusione dello strato limite laminare costante. Per estensione dell'analogia di Reynolds, i gradienti di temperatura locali possono essere ulteriormente utilizzati per stimare i tassi di combustione di massa locali e i flussi di calore in tali fiamme con elevata precisione.
L'obiettivo generale di questo esperimento è descrivere l'uso di termocoppie microscopiche per stimare i gradienti di temperatura locali a livello delle superfici di combustibili condensati in fiamme di diffusione a strato limite laminare stazionario. Questo metodo può contribuire a rispondere a questioni fondamentali nel campo della scienza degli incendi, come lo studio della relazione dinamica tra una superficie di combustibile condensato infiammabile e le fiamme nella fase gassosa in strati limite laminari e turbolenti. Il principale vantaggio di questa tecnica consiste nella sua capacità di misurare con precisione i tassi locali di combustione per unità di massa in fiamme di diffusione a strato limite laminare stazionario.
La dimostrazione di questa procedura sarà effettuata da Colin Miller e Wei Tang. Entrambi sono studenti di dottorato in ingegneria meccanica. Per gli esperimenti con combustibili liquidi, preparare uno stoppino di combustibile utilizzando un materiale poroso non infiammabile, come la lana di silicato di terre alcaline.
Scalda il reattore per circa 20 minuti utilizzando una fiamma di diffusione proveniente da un cannello a propano. Questo processo brucerà tutti i leganti organici presenti all'interno del reattore. Successivamente, applica un adesivo ad alta temperatura sulla carta d'alluminio e fissa la carta d'alluminio al reattore.
La parte superiore deve rimanere pulita. Per esperimenti con combustibili solidi, preparare un foglio di combustibile solido con le stesse dimensioni dello stoppino. Per montare il combustibile solido, tagliare una fessura lunga in un foglio di pannello isolante in fibra ceramica, oppure utilizzare un materiale poroso non infiammabile sigillato con vernice nera opaca resistente ad alte temperature.
Per esperimenti in convezione libera o con flusso forzato, posizionare una fotocamera digitale reflex in modo che possa visualizzare l'asse centrale del combustibile e un intero lato della fiamma. Per le fiamme in convezione forzata, osservare il centro del campione di combustibile in un'area di 16 per otto centimetri, in modo da poter calcolare la distanza di distacco della fiamma nella zona di pirolisi. Successivamente, posizionare il meccanismo di scorrimento sopra il campione di combustibile.
Quindi, fissare con attenzione una termocoppia con filo da 50 micron al suo asse orizzontale. Successivamente, accendere il controller programmabile del motore passo-passo e, per gli esperimenti con flusso forzato, collegare il ventilatore centrifugo della galleria del vento. Impostare quindi il controller PWM in base alla velocità del ventilatore.
Utilizzare un anemometro a filo caldo per verificare la velocità all'uscita della galleria del vento. Indossare ora l'equipaggiamento di protezione e completare i preparativi finali per eseguire la prova. Inzuppare lo stoppino con il combustibile liquido fino a saturazione.
Quindi, posizionare con attenzione lo stoppino imbevuto di combustibile o la piastra di combustibile solido nel supporto dello stoppino. A questo punto, verificare attentamente la planarità della superficie dello stoppino utilizzando un goniometro. Successivamente, controllare la bilancia e annotarne la lettura prima della prova.
Prima di accendere il combustibile, verificare la ventilazione della stanza. L'aspirazione deve funzionare ma essere regolata in modo da disturbare al minimo il flusso d'aria intorno all'esperimento. Prima di accendere un campione, calibrare la fotocamera digitale utilizzando un righello nel punto in cui verrà posizionato il campione.
Inoltre, avviare l'acquisizione dei dati dal software della bilancia analitica. Ora posizionare il campione e quindi accendere il combustibile con una fiamma di propano. Per le micce, toccare momentaneamente la superficie della punta con la fiamma.
Per i combustibili solidi, passare la fiamma in modo uniforme sulla superficie per 50-60 secondi. Al termine del periodo di combustione, spegnere la fiamma soffiandola. Nel caso di combustibili solidi, lasciare bruciare per un tempo prestabilito.
Quindi, ripetere il processo di combustione diverse volte utilizzando lo stesso intervallo di tempo. Una volta raccolti tutti i dati di combustione, spegnere il ventilatore impostando il controller PWN a zero e scollegando il ventilatore. Infine, spegnere il controller del motore passo-passo.
Effettuando diverse combustioni, è possibile misurare la regressione incrementale di un combustibile solido per verificare altre metriche. Dopo ogni periodo di combustione, tagliare il combustibile solido lungo la linea centrale. Successivamente, documentare la regressione della combustione mediante una fotografia di profilo.
Analizzare le foto della vista laterale in ImageJ. Aprirle tramite Seleziona File e Apri Immagine. Quindi aprire l'immagine del righello utilizzando l'opzione Apri Immagine di Calibrazione.
Successivamente, sovrapporre l'immagine di calibrazione all'immagine del combustibile solido. Ora, impostare la scala di misura tracciando una linea tra due punti con distanza nota sul righello. Quindi, selezionare Imposta scala dal menu Analizza.
Nella finestra Imposta scala, inserire la Distanza nota della linea e fare clic su OK. Ripetere questo processo con una nuova linea per confermare che la scala di misurazione sia corretta. A questo punto, misurare le distanze nella fotografia del campione tracciando una linea e osservare quindi l'angolo e la distanza nella barra di stato. Premendo Controllo M, i dati vengono salvati nella finestra dei dati.
La regressione della combustione viene calcolata come la differenza tra lo spessore iniziale e lo spessore attuale del campione. È importante notare l'intervallo di tempo durante il quale la superficie del combustibile rimane approssimativamente piana. Utilizzare la regressione della combustione relativa a questo periodo per confrontarla con la mappatura della temperatura o per effettuare aggiustamenti delle posizioni delle termocoppie, necessari per compensare la regressione superficiale.
Per configurare la mappatura termica, allineare con attenzione un termocoppia microscopica con la superficie del combustibile utilizzando un unislide X-Y. Posizionarla al centro dello stoppino di un campione solido. Per uno stoppino di combustibile, utilizzare l'unislide X-Y per posizionare con cura la termocoppia microscopica lungo il bordo anteriore.
È fondamentale che una termocoppia sia posizionata perfettamente sulla superficie del campione. Se è spostata, tutte le misurazioni risulteranno alterate in misura maggiore o minore. Per ottenere misurazioni accurate, deve essere il più vicina possibile alla superficie del combustibile.
Nello script Velmex, impostare l'intervallo di mappatura della temperatura durante le combustioni stazionarie a 150 secondi per il PMMA solido o a 400 secondi per le micce impregnate di liquido. Impostare l'incremento, misurato sulla superficie del campione, in modo da raccogliere dati ogni quarto di millimetro. Impostare la frequenza di campionamento tra 100 e 500 hertz.
Se la superficie si deforma entro gli errori dell'esperimento durante la mappatura, i risultati non sono più validi; è quindi fondamentale impostare correttamente il periodo di misurazione e l'intervallo. Ora, durante l'esecuzione dell'esperimento di combustione, eseguire il programma di acquisizione dati in modo che legga l'algoritmo di scansione della griglia da una cartella sul desktop. Con il programma in esecuzione, i dati verranno registrati automaticamente quando attivati dal modulo di acquisizione dati in LabVIEW.
Sono state misurate le velocità di perdita di massa e i profili di temperatura in una fiamma di diffusione in strato limite con convezione forzata per campioni di PMMA. I risultati mostrano che è possibile acquisire temperature accurate vicino alla superficie del combustibile con errori ridotti, grazie a termocoppie microscopiche e al metodo di correzione della radiazione basato su due termocoppie. I gradienti di temperatura adimensionali lungo la superficie del combustibile di una fiamma di diffusione in strato limite di PMMA sono stati misurati a due velocità della corrente d'aria.
Sono state inoltre misurate le variazioni dei tassi locali di combustione in diverse condizioni della corrente libera. I tassi locali di combustione ottenuti attraverso gradienti di temperatura adimensionali sono stati confrontati con i dati sperimentali ottenuti dalla regressione della superficie del PMMA. I risultati hanno mostrato un’elevata corrispondenza.
I componenti dei flussi termici della fiamma sono stati esaminati in maggiore dettaglio a una velocità di flusso forzato di 2,06 metri al secondo. Il dettaglio delle misurazioni della temperatura vicino alla superficie ha permesso l'estrazione dei flussi termici convettivi che, combinati con i tassi di perdita di massa superficiale, hanno fornito tutti i componenti della combustione per un'analisi locale. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in pochi minuti per ogni campione di combustibile.
Seguendo questa procedura, è possibile effettuare l'analisi dei tassi locali di combustione e del trasferimento di calore al fine di approfondire la comprensione del comportamento alla combustione dei materiali e validare codici numerici. Non dimenticare che lavorare con queste fiamme può essere estremamente pericoloso e che è sempre necessario adottare precauzioni, come indossare dispositivi di protezione oculare, lavorare in condizioni di buona ventilazione e assicurarsi che i materiali in combustione siano non tossici, durante l'esecuzione di questa procedura.
Panoramica
Questo studio descrive l'uso di termocoppie microscopiche per stimare i gradienti di temperatura locali in fiamme di diffusione a strato limite laminare stazionario. Il metodo consente misurazioni accurate dei tassi locali di combustione massica e dei flussi termici, contribuendo ai progressi nella scienza dell'incendio.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Scienza del Fuoco
- Analisi Termica
- Dinamica della Combustione
Sfondo
- Comprendere i gradienti di temperatura è fondamentale nella ricerca sulla combustione.
- Misurazioni locali della temperatura possono fornire informazioni sui tassi di combustione massica.
- I microtermocoppie offrono un'elevata precisione nelle letture di temperatura.
- Questa tecnica può migliorare la conoscenza del comportamento della fiamma in diverse condizioni.
Scopo dello studio
- Misurare con precisione i gradienti di temperatura locali in fiamme di diffusione.
- Esplorare la relazione tra superfici di combustibile condensato e fiamme nella fase gassosa.
- Migliorare le metodologie per la valutazione dei flussi termici nei processi di combustione.
Metodi Utilizzati
- Preparazione di stoppini per combustibile e campioni di combustibile solido.
- Utilizzo di fotocamere digitali per la raccolta di dati visivi.
- Impiego di motori passo-passo programmabili per il posizionamento preciso delle termocoppie.
- Acquisizione di dati relativi ai tassi di perdita di massa e alla mappatura della temperatura.
Risultati principali
- Misurazione accurata dei gradienti di temperatura locali mediante termocoppie microscopiche.
- Stima precisa dei tassi di combustione massici in strati limite laminari.
- Convalida dei metodi sperimentali attraverso ripetuti test di combustione.
- Approfondimenti sulle dinamiche delle interazioni tra fiamma e superfici combustibili.
Conclusioni
- Il metodo della termocoppia microscopica è efficace per lo studio dei fenomeni di combustione.
- I risultati contribuiscono a una comprensione più approfondita della dinamica degli incendi.
- Questa ricerca può fornire indicazioni per i protocolli di sicurezza e per il miglioramento dell'efficienza della combustione.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questa metodologia consente una misurazione precisa dei gradienti di temperatura locali e delle velocità di combustione massica in fiamme di diffusione laminari dello strato limite, fornendo dati quantitativi essenziali per la validazione dei modelli di combustione e la valutazione delle caratteristiche di infiammabilità dei combustibili. La tecnica supporta la riduzione dei rischi meccanicistici nelle valutazioni iniziali della sicurezza dei materiali collegando il comportamento della pirolisi superficiale alla dinamica della fiamma nella fase gassosa. Queste informazioni migliorano l'affidabilità predittiva nella selezione dei materiali e nei processi di valutazione del rischio di incendio all'interno dei flussi di lavoro di ricerca e sviluppo.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi della dinamica di regressione della superficie del combustibile in condizioni di flusso controllate, al fine di chiarire i meccanismi di pirolisi.
- Valore operativo: Fornisce misurazioni riproducibili del tasso locale di combustione massica che supportano la validazione funzionale della stabilità termica del combustibile.
Sviluppo di Screening e Saggi
- Valore scientifico: Genera profili standardizzati di gradiente termico che fungono da letture quantitative per confrontare il comportamento della combustione del carburante.
- Valore operativo: Facilita la preparazione del saggio attraverso la mappatura automatizzata del percorso e l'acquisizione di dati da termocoppia corretti per la radiazione.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Supporta la modellizzazione di sistemi rilevanti per le malattie consentendo lo studio controllato delle interazioni tra fiamma e combustibile negli strati limite laminari.
- Valore operativo: Garantisce la continuità dalla scoperta alla validazione preclinica mediante analisi ripetibili della regressione della bruciatura e del flusso termico.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si integra nei flussi di lavoro di scoperta fornendo dati termici e di perdita di massa localizzati, che informano la valutazione precoce dei rischi e la previsione del comportamento dei materiali.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi sui meccanismi di regressione superficiale in condizioni di flusso variabili attraverso una mappatura precisa dei gradienti di temperatura.
- Screening: Fornisce output pronti per il saggio e riproducibili mediante un attraversamento standardizzato con passo definito e un campionamento della temperatura ad alta frequenza.
- Analisi: Fornisce misurazioni adimensionali del gradiente di temperatura e del tasso di combustione massico che consentono il confronto tra diverse condizioni e la validazione dei modelli.
- Ricerca traslazionale: Si collega alla continuità preclinica validando gli approcci sperimentali rispetto ai dati di regressione superficiale per un avanzamento con rischio adeguatamente valutato.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una capacità riutilizzabile per la mappatura termica automatizzata e ad alta risoluzione nelle zone prossimali alla parete, applicabile a diversi tipi di combustibile e condizioni di flusso.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Migliora la fiducia predittiva nella modellizzazione dell'interazione fiamma-combustibile grazie a stime convalidate del flusso termico locale e del tasso di combustione.
- Valore operativo: Garantisce standardizzazione e riproducibilità mediante misurazioni computerizzate del movimento e di micro-termocoppie corrette per la radiazione.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di accettazione o esclusione nel screening dei materiali riducendo l'incertezza nelle previsioni di degradazione termica.
- Impatto sul portafoglio: Permette una priorizzazione dei formulati di combustibile adeguata al rischio, basata sul comportamento di combustione quantificato in condizioni di strato limite laminare.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nelle tecniche di misurazione termica e nell'allestimento sperimentale della combustione.
- Necessita di strumentazione comprendente termocoppie microscopiche, sistema di traslazione biaxiale, motore passo-passo programmabile e modulo di acquisizione dati.
- Richiede una standardizzazione tra i vari gruppi di lavoro per garantire protocolli coerenti di posizionamento della sonda, correzione della radiazione e tempistica della combustione.
- Comporta considerazioni di adattamento relative a geometrie variabili del combustibile, mantenimento della planarità della superficie e tolleranza alle deformazioni durante la mappatura.
- È limitato dalla finestra transitoria di combustione stabile dei combustibili condensati, che richiede un'acquisizione dati rapida e automatizzata per assicurarne la validità.
