定常流境界層の拡散火炎における局所熱フラックスとバーニング料金の推定のための実験的方法論

この実験の全体的な目的は、定常層流境界層拡散炎における凝縮燃料表面の局所温度勾配を推定するための、マイクロ熱電対の使用方法について記述することです。この手法は、層流および乱流境界層における可燃性凝縮燃料表面と気相炎の動的な関係の探索など、火災科学分野における重要な疑問への回答に役立ちます。この技術の主な利点は、定常層流境界層拡散炎における局所質量燃焼速度を正確に測定できることです。

この手順の実演を行うのは、機械工学の博士課程学生であるColin MillerとWei Tangです。液体燃料の実験では、アルカリ土類ケイ酸塩ウールなどの多孔質不燃性材料を用いて燃料芯を準備してください。

プロパン torches の拡散炎を用いて、芯を約 20 分間焼成します。これにより、芯内部の有機バインダーがすべて燃焼されます。次に、高温用接着剤をアルミホイルに塗布し、そのアルミホイルを芯に固定します。

上面は清潔に保つ必要があります。固体燃料の実験では、芯と同じ寸法の固体燃料シートを準備します。固体燃料を固定するには、セラミックファイバー断熱ボードに長いスロットを切り出すか、高温耐熱マットブラック塗料で密封した多孔性不燃材料を使用してください。

自然対流または強制流のいずれの実験においても、燃料の中心軸と火炎の側面全体を観察できる位置にデジタル一眼レフカメラを設置します。強制対流火炎の場合は、熱分解領域における火炎の離脱距離を算出できるよう、燃料試料の中心を16 cm × 8 cmの範囲で撮影します。次に、燃料試料の上にトラバース機構を配置します。

次に、50 micronのワイヤー熱電対を水平軸に慎重に取り付けます。続いて、プログラマブルステッピングモーターコントローラーの電源を入れ、強制流実験の場合は風洞の遠心ブロワーを接続します。次に、ブロワーの速度に合わせてPWMコントローラーを設定します。

熱線風速計を使用して、風洞出口の流速を確認します。次に、保護具を着用し、試験実施のための最終準備を行います。芯に液体燃料を飽和状態まで浸透させます。

次に、燃料を浸した芯または固体燃料プレートを燃料芯ホルダーに注意深く配置します。そして、角度計を用いて燃料芯表面の平面度を厳密に確認してください。その後、質量バランスを確認し、試験前の測定値を記録します。

燃料に点火する前に、室内の換気状態を確認してください。排気装置は作動させておく必要がありますが、実験周囲の気流を最小限に乱らす設定にしてください。サンプルの点火前に、サンプルを配置する場所に定規を置き、デジタルカメラの校正を行ってください。

また、マスバランスソフトウェアでデータ収集を開始します。次に、試料を配置し、プロパントーチで燃料に点火します。芯（ウィック）の場合は、先端の表面に一瞬だけ炎を近づけてください。

固体燃料の場合、表面に均一に炎を50〜60秒間当てます。燃焼期間の後、吹き消して炎を消火します。固体燃料については、規定の時間まで燃焼させてください。

次に、同じ時間間隔を用いて燃焼プロセスを数回繰り返します。すべての燃焼データの収集が完了したら、PWMコントローラーをゼロに設定してブロワーを停止させ、ブロワーのプラグを抜いてください。最後に、ステッピングモーターのコントローラーの電源を切ります。

数回の燃焼にわたり、固体燃料の漸次的な後退量を測定することで、他の指標を検証できます。各燃焼期間の後、燃焼した固体を中心線に沿って切断してください。その後、側面からの写真で燃焼後退量を記録します。

ImageJで側面の写真などを解析します。[Select File]から[Open Image]を選択して写真を開きます。次に、[Open Calibration Image]オプションを使用して定規の画像を開きます。

次に、キャリブレーション画像を固形燃料の画像に重ねます。次に、定規上の距離が既知である2点間に線を引き、測定スケールを設定します。その後、[Analyze]メニューから[Set Scale]を選択してください。

「Set Scale」ウィンドウに、直線の既知の距離（Known Distance）を入力し、OKをクリックします。このプロセスを新しい直線で繰り返し、測定スケールが正しいことを確認してください。次に、サンプル写真内で直線を描いて距離を測定し、ステータスバーに表示される角度と距離を確認します。Control Mキーを押すと、データがデータウィンドウに保存されます。

燃焼後退量は、試料の初期厚さから現在の厚さを差し引くことで算出します。重要な点として、燃料表面がほぼ平坦に保たれている時間間隔に留意してください。この期間の燃焼後退量を用いて、温度マッピングとの比較や、表面後退を補正するための熱電対位置の調整を行います。

温度マッピングを設定するために、X-Yユニスライドを使用して、マイクロ熱電対を燃料の表面に慎重に合わせてください。固体試料の場合は、芯の中央に配置します。燃料芯の場合は、X-Yユニスライドを用いて、マイクロ熱電対を前縁に沿って慎重に配置してください。

熱電対を試料表面に正確に配置することが極めて重要です。配置がずれていると、すべての測定値にある程度の誤差が生じます。正確な測定を行うためには、燃料の表面にできるだけ近づけて配置する必要があります。

Velmexのスクリプトにおいて、定常燃焼時の温度マッピング間隔を、固体PMMAの場合は150秒に、液体浸漬芯の場合は400秒に設定します。試料表面で測定されるステップサイズは、0.25 mmごとにデータを収集するように設定します。サンプリングレートは100〜500 Hzの間で設定してください。

マッピング中に表面が実験誤差の範囲内で変形した場合、結果は有効ではなくなるため、測定期間と間隔を正確に設定することが極めて重要です。次に、燃焼実験を行う際は、デスクトップ上のフォルダからグリッドスキャンアルゴリズムを読み込むようにデータ収集プログラムを実行してください。プログラムの実行中、LabVIEWのデータ収集モジュールによってトリガーされると、データが自動的に記録されます。

PMMA試料を用いて、強制対流境界層拡散火炎における質量減少率および温度分布を測定しました。その結果、マイクロ熱電対と2点熱電対放射補正法の採用により、燃料表面近傍の正確な温度を小さな誤差で捉えられることが示されました。また、2種類の空気流速において、PMMA境界層拡散火炎の燃料表面に沿った無次元温度勾配を測定しました。

異なる自由流条件下における局所質量燃焼速度の変動についても測定を行いました。無次元温度勾配から得られた局所質量燃焼速度を、PMMA表面の後退から得られた実験データと比較したところ、非常に良く一致しました。

2.06 m/sの強制流において、火炎熱流束の各成分をより詳細に検討しました。表面付近の温度測定を詳細に行うことで対流熱流束を抽出することができ、これを表面質量減少速度と組み合わせることで、局所分析に必要な燃焼の全成分を算出しました。この手法を習得すれば、燃料サンプル1つあたり数分で完了させることができます。

この手順に従うことで、局所的な質量燃焼速度および熱伝達の解析を行い、材料の燃焼挙動をさらに理解し、数値コードを検証することが可能です。これらの火炎を扱う操作は極めて危険であるため、本手順の実施中は、保護メガネの着用、十分な換気環境での作業、および燃焼材料が非毒性であることを確認するなど、常に十分な予防策を講じてください。