정상 층류 경계층 확산 불길에 지역 열 플럭스와 불타는 환율의 평​​가에 대한 실험 방법론

본 실험의 전반적인 목적은 정상 층류 경계층 확산 화염에서 응축 연료 표면의 국소 온도 구배를 추정하기 위한 마이크로 열전대(micro-thermocouple)의 사용법을 설명하는 것입니다. 이 방법은 층류 및 난류 경계층에서 가연성 응축 연료 표면과 기상 화염 사이의 동적 관계를 탐구하는 것과 같이 화재 과학 분야의 핵심 질문들에 답하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 정상 층류 경계층 확산 화염에서 국소 질량 연소 속도를 정확하게 측정하는 데 사용할 수 있다는 점입니다.

본 절차의 시연은 기계공학 박사 과정생인 Colin Miller와 Wei Tang이 진행하겠습니다. 액체 연료 실험을 위해 알칼리 토금속 규산염 울과 같이 다공성 비가연성 재료로 연료 심지를 준비하십시오.

프로판 토치의 확산 화염을 사용하여 심지를 약 20분 동안 가열합니다. 이렇게 하면 심지 내부의 모든 유기 결합제가 연소됩니다. 그다음, 고온 접착제를 알루미늄 호일에 도포하고 알루미늄 호일을 심지에 고정합니다.

상단은 깨끗한 상태를 유지해야 합니다. 고체 연료 실험의 경우, 심지와 동일한 크기의 고체 연료 시트를 준비하십시오. 고체 연료를 장착하려면 세라믹 섬유 단열 보드 시트에 긴 홈을 파거나, 고온 무광 검정색 페인트로 밀봉된 다공성 불연성 재료를 사용하십시오.

자연 대류 또는 강제 유동 실험 모두에서, 연료의 중심축과 화염의 측면 전체를 볼 수 있는 위치에 디지털 SLR 카메라를 배치하십시오. 강제 대류 화염의 경우, 열분해 영역의 화염 이격 거리를 계산할 수 있도록 연료 시편의 중심을 16 by 8cm 영역으로 촬영하십시오. 그런 다음, 연료 샘플 위에 트래버스 기구를 배치하십시오.

그런 다음, 50 micron 와이어 열전대를 수평축에 조심스럽게 부착하십시오. 이어서 프로그래밍 가능한 스테퍼 모터 컨트롤러를 켜고, 강제 유동 실험의 경우 풍동의 원심 송풍기 전원을 연결하십시오. 다음으로 송풍기 속도에 맞춰 PWM 컨트롤러를 설정하십시오.

열선 풍속계를 사용하여 풍동 출구의 속도를 확인하십시오. 이제 보호 장구를 착용하고 테스트 수행을 위한 최종 준비를 하십시오. 심지를 액체 연료에 완전히 포화될 때까지 적십니다.

그다음, 연료가 적셔진 심지나 고체 연료판을 연료 심지 홀더에 조심스럽게 배치하십시오. 이제 각도계를 사용하여 연료 심지 표면의 평탄도를 정밀하게 확인하십시오. 그런 다음 질량 균형을 점검하고 시험 전의 측정값을 기록하십시오.

연료에 점화하기 전, 실내 환기 상태를 확인하십시오. 배기 장치는 작동해야 하되, 실험 주변의 공기 흐름을 최소한으로 방해하도록 설정해야 합니다. 시료를 점화하기 전, 시료가 놓일 위치에 자를 배치하여 디지털 카메라를 보정하십시오.

또한, 질량 균형 소프트웨어에서 데이터 수집을 시작하십시오. 이제 시료를 배치한 후 프로판 토치로 연료에 점화하십시오. 심지의 경우, 화염으로 팁의 표면을 잠시 접촉시키십시오.

고체 연료의 경우, 표면 전체에 걸쳐 50~60초 동안 균일하게 불꽃을 통과시키십시오. 연소 시간이 지난 후에는 불꽃을 불어서 끕니다. 고체 연료의 경우에는 정해진 시간 동안 연소시키십시오.

그 다음, 동일한 시간 간격으로 연소 과정을 여러 번 반복합니다. 모든 연소 데이터가 수집되면, PWN 컨트롤러를 0으로 설정하고 블로워의 전원을 뽑아 블로워를 끕니다. 마지막으로, 스테퍼 모터의 컨트롤러 전원을 끕니다.

여러 번의 연소를 거치며 고체 연료의 점진적인 후퇴(regression)를 측정하여 다른 지표들을 검증할 수 있습니다. 매 연소 기간이 끝난 후, 연소된 고체를 중심선을 따라 절단하십시오. 그 다음, 측면 사진을 촬영하여 연소 후퇴 상태를 기록하십시오.

ImageJ에서 측면도 사진을 분석합니다. [Select File] 및 [Open Image]를 통해 사진을 엽니다. 그런 다음 [Open Calibration Image] 옵션을 사용하여 자(ruler) 이미지를 엽니다.

다음으로, 보정 이미지를 고체 연료 이미지 위에 겹칩니다. 이제 자 위에 거리가 알려진 두 지점 사이에 선을 그어 측정 척도를 설정합니다. 그런 다음, Analyze 메뉴에서 Set Scale을 선택하십시오.

Set Scale 창에서 선의 Known Distance를 입력하고 OK를 클릭합니다. 측정 척도가 정확한지 확인하기 위해 새로운 선으로 이 과정을 반복합니다. 이제 샘플 사진에서 선을 그려 거리를 측정하고 상태 표시줄의 각도와 거리를 확인합니다. Control M을 누르면 데이터가 데이터 창에 저장됩니다.

연소 후퇴량은 샘플의 초기 두께에서 현재 두께를 뺀 값으로 계산합니다. 특히, 연료 표면이 거의 평평하게 유지되는 시간 간격을 확인하십시오. 이 기간의 연소 후퇴량을 사용하여 온도 매핑과 비교하거나, 표면 후퇴를 보정하기 위해 조정된 열전대 위치를 수정하십시오.

온도 매핑을 설정하려면 X-Y 유니슬라이드를 사용하여 마이크로 열전대를 연료 표면에 조심스럽게 맞춥니다. 고체 시료의 심지 중심에 열전대를 배치하십시오. 연료 심지의 경우, X-Y 유니슬라이드를 사용하여 마이크로 열전대를 전단(leading edge)을 따라 조심스럽게 배치합니다.

열전대를 시료 표면에 정확하게 배치하는 것이 매우 중요합니다. 위치가 어긋나면 모든 측정값에 일정 수준의 오차가 발생하게 됩니다. 정확한 측정을 위해서는 연료 표면에 최대한 가깝게 배치해야 합니다.

Velmex 스크립트에서, 정상 연소 중 온도 매핑 간격을 고체 PMMA의 경우 150초로, 액체에 적신 심지의 경우 400초로 설정하십시오. 시료 표면에서 측정되는 단계 크기(step size)를 0.25mm마다 데이터를 수집하도록 설정하십시오. 샘플링 속도는 100에서 500Hz 사이로 설정하십시오.

매핑 중에 표면이 실험 오차 범위 내에서 변형되면 결과가 더 이상 유효하지 않으므로, 측정 주기와 간격을 정확하게 설정하는 것이 중요합니다. 이제 연소 실험을 수행할 때, 데이터 수집 프로그램이 바탕 화면의 폴더에서 그리드 스캐닝 알고리즘을 읽어오도록 실행하십시오. 프로그램이 실행 중인 상태에서 LabVIEW의 데이터 수집 모듈에 의해 트리거되면 데이터가 자동으로 기록됩니다.

PMMA 시료를 대상으로 강제 대류 경계층 확산 화염상의 질량 손실률과 온도 프로파일을 측정하였습니다. 그 결과, 마이크로 열전대와 두 개의 열전대를 이용한 복사 보정법 덕분에 연료 표면에 인접한 온도를 작은 오차로 정확하게 포착할 수 있음을 확인하였습니다. PMMA 경계층 확산 화염의 연료 표면을 따른 무차원 온도 구배를 두 가지 공기 유속에서 측정하였습니다.

서로 다른 자유 흐름 조건에서 국소 질량 연소율의 변화 또한 측정되었습니다. 무차원 온도 기울기를 통해 얻은 국소 질량 연소율을 PMMA 표면의 후퇴 분석을 통해 얻은 실험 데이터와 비교하였으며, 그 결과 매우 잘 일치하였습니다.

2.06 m/s의 강제 유동 조건에서 화염 열유속의 구성 성분을 더욱 상세히 조사하였습니다. 표면 근처의 온도 측정 상세 데이터를 통해 대류 열유속을 추출할 수 있었으며, 이를 표면 질량 손실률과 결합하여 국소 분석을 위한 연소의 모든 구성 성분을 도출하였습니다. 이 기술을 숙달하면 연료 시료당 몇 분 내에 수행할 수 있습니다.

이 절차에 따라 국부 질량 연소율 및 열전달 분석을 수행하여 재료의 연소 거동을 더욱 깊이 이해하고 수치 코드를 검증할 수 있습니다. 이러한 화염을 다루는 작업은 매우 위험할 수 있으므로, 이 절차를 수행하는 동안에는 반드시 보호 안경 착용, 환기가 잘 되는 환경에서의 작업, 연소 물질의 무독성 확인과 같은 예방 조치를 취해야 함을 잊지 마십시오.