Experimentele Methodologie voor Schatting van lokale warmte Flux en Burning tarieven in Steady Laminar Boundary Layer Diffusion Flames

Het algemene doel van dit experiment is om het gebruik van micro-thermokoppels te beschrijven om lokale temperatuurgradiënten bij gecondenseerde brandstofoppervlakken te schatten voor stationaire laminaire grenslaagdiffusievlammen. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen binnen de brandwetenschap, zoals het onderzoeken van de dynamische relatie tussen een brandbaar gecondenseerd brandstofoppervlak en gasfasevlammen in laminaire en turbulente grenslagen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat deze kan worden gebruikt om lokale massaverbrandingssnelheden in stationaire laminaire grenslaagdiffusievlammen nauwkeurig te meten.

Deze procedure zal worden gedemonstreerd door Colin Miller en Wei Tang. Beiden zijn PhD-studenten in de werktuigbouwkunde. Bereid voor experimenten met vloeibare brandstof een brandstofpit voor van poreus onbrandbaar materiaal, zoals alkalisch aardalkalisilicaatwol.

Bak de pit gedurende ongeveer 20 minuten met een diffusievlam van een propaansbrander. Hiermee worden alle organische bindmiddelen in de pit verbrand. Breng vervolgens een hittebestendige lijm aan op aluminiumfolie en bevestig de aluminiumfolie aan de pit.

De bovenzijde moet schoon blijven. Bereid voor experimenten met vaste brandstof een vel vaste brandstof voor met dezelfde afmetingen als de lont. Om de vaste brandstof te monteren, snijdt u een lange sleuf in een plaat keramische vezelisolatieplaat, of gebruikt u een poreus onbrandbaar materiaal dat is verzegeld met matzwarte verf voor hoge temperaturen.

Plaats voor zowel experimenten met vrije convectie als geforceerde stroming een digitale spiegelreflexcamera zodanig dat de centrale as van de brandstof en een volledige zijkant van de vlam zichtbaar zijn. Bekijk bij vlammen met geforceerde convectie het midden van het brandstofmonster in een gebied van 16 bij acht centimeter, zodat de stand-offafstand van de vlam in de pyrolysezone kan worden berekend. Plaats vervolgens het traversemechanisme boven het brandstofmonster.

Bevestig vervolgens voorzichtig een thermocouple van 50 micron aan de horizontale as. Zet daarna de programmeerbare stappenmotorcontroller aan en sluit, voor experimenten met geforceerde stroming, de centrifugale blower van de windtunnel aan. Stel vervolgens de PWM-controller in op basis van de snelheid van de blower.

Gebruik een heat-wire anemometer om de snelheid bij de uitgang van de windtunnel te verifiëren. Trek vervolgens de beschermende kleding aan en maak de laatste voorbereidingen om de test uit te voeren. Doordrenk de pit met vloeibare brandstof tot verzadiging.

Plaats vervolgens voorzichtig de met brandstof doordrenkte pit of de vaste brandstofplaat in de houder voor de brandstofpit. Verifieer nu nauwkeurig de vlakheid van het oppervlak van de brandstofpit met behulp van een hoekmeter. Controleer daarna de massabalans en noteer de aflezing voorafgaand aan de test.

Controleer de ventilatie van de ruimte voordat de brandstof wordt ontstoken. De afzuiging moet functioneren, maar zo worden ingesteld dat de luchtstroom rondom het experiment minimaal wordt verstoord. Calibreer de digitale camera met een liniaal op de plek waar het monster zal worden geplaatst, voordat het monster wordt ontstoken.

Start daarnaast de gegevensverwerving via de software voor de massabalans. Plaats vervolgens het monster en steek de brandstof aan met een propaanbrander. Raak bij lonten het oppervlak van de punt kortstondig aan met de vlam.

Houd bij vaste brandstoffen de vlam gedurende 50 tot 60 seconden gelijkmatig over het oppervlak. Blaas de vlam na de brandperiode uit om deze te doven. Laat bij vaste brandstoffen de verbranding gedurende een vastgestelde tijd doorgaan.

Herhaal vervolgens het brandproces meerdere keren met hetzelfde tijdsinterval. Zodra alle brandgegevens zijn verzameld, schakelt u de blower uit door de PWN-controller op nul te zetten en de stekker van de blower te verwijderen. Schakel tot slot de controller voor de stappenmotor uit.

Over meerdere verbrandingen kan de incrementele regressie van een vaste brandstof worden gemeten om andere metrieken te verifiëren. Snijd na elke verbrandingsperiode het verbrande vaste materiaal langs de middellijn door. Documenteer vervolgens de verbrandingsregressie met een zijwaartse foto.

Analyseer de foto's van het zijzicht in ImageJ. Open deze via Select File en Open Image. Open vervolgens de afbeelding van de liniaal met de optie Open Calibration Image.

Stapel vervolgens de kalibratieafbeelding op de afbeelding van de vaste brandstof. Stel nu de meetlat in door een lijn te trekken tussen twee punten met een bekende afstand op de liniaal. Selecteer daarna Set Scale onder het Analyze-menu.

Voer in het venster 'Set Scale' de bekende afstand (Known Distance) van de lijn in en klik op OK. Herhaal dit proces met een nieuwe lijn om te bevestigen dat de meetschaal correct is. Meet nu afstanden in de monsterfoto door een lijn te trekken en bekijk vervolgens de hoek en afstand in de statusbalk. Door op Control M te drukken, worden de gegevens opgeslagen in het gegevensvenster.

De verbrandingsregressie wordt berekend als de dikte van het monster minus de initiële dikte. Noteer daarbij specifiek het tijdsinterval gedurende welk het oppervlak van de brandstof nagenoeg vlak blijft. Gebruik de verbrandingsregressie uit deze periode voor vergelijking met de temperatuurmapping of voor aanpassingen van de posities van de thermokoppels om te compenseren voor de oppervlakte-regressie.

Om temperatuurmapping in te stellen, wordt een microthermokoppel met een X-Y-unislide zorgvuldig uitgelijnd met het oppervlak van de brandstof. Plaats dit in het midden van de pit van een vaste monster. Gebruik bij een brandstofpit de X-Y-unislide om het microthermokoppel zorgvuldig langs de voorzijde te positioneren.

Het is cruciaal dat een thermokoppel perfect op het sampleoppervlak is geplaatst. Als dit niet het geval is, zullen alle metingen in bepaalde mate onjuist zijn. Voor nauwkeurige metingen moet het thermokoppel zo dicht mogelijk bij het oppervlak van de brandstof worden geplaatst.

Stel in het Velmex-script het temperatuurmapping-interval tijdens stationaire verbrandingen in op 150 seconden voor vaste PMMA of op 400 seconden voor met vloeistof verzadigde lonten. Stel de stapgrootte, gemeten aan het oppervlak van het monster, zo in dat er elke kwart millimeter gegevens worden verzameld. Stel de bemonsteringssnelheid in op een waarde tussen 100 en 500 hertz.

Als het oppervlak tijdens het mappen vervormt binnen de foutmarges van het experiment, zijn de resultaten niet langer geldig; daarom is het essentieel om de meetperiode en de tussenruimte correct in te stellen. Start nu, bij het uitvoeren van het verbrandingsexperiment, het programma voor gegevensverwerving zodat het het grid-scanalgoritme vanuit een map op het bureaublad uitleest. Terwijl het programma draait, worden de gegevens automatisch geregistreerd wanneer deze worden geactiveerd door de gegevensverwervingsmodule in LabVIEW.

Massaverliespercentages en temperatuurprofielen over een geforceerde convectie boundary layer diffusievlam werden gemeten voor PMMA-monsters. De resultaten laten zien dat nauwkeurige temperaturen dicht bij het brandstofoppervlak kunnen worden vastgelegd met geringe fouten, dankzij micro-thermokoppels en een methode voor stralingscorrectie met twee thermokoppels. Niet-dimensionale temperatuurgradiënten langs het brandstofoppervlak van een PMMA boundary layer diffusievlam werden gemeten bij twee luchtsnelheden.

Variaties in de lokale massaverbrandingssnelheden werden ook gemeten onder verschillende vrije stroomcondities. Lokale massaverbrandingssnelheden, bepaald via dimensieloze temperatuurgradiënten, werden even tevens vergeleken met de experimentele gegevens verkregen uit de regressie van het PMMA-oppervlak. Deze kwamen zeer goed overeen.

De componenten van de vlamwarmestromen werden in meer detail onderzocht bij een geforceerde stroming van 2,06 meters per seconde. De nauwkeurigheid van de temperatuurmetingen nabij het oppervlak maakte het mogelijk om convectieve warmestromen te extraheren die, in combinatie met oppervlaktemassaverliespercentages, alle componenten van de verbranding leverden voor lokale analyse. Zodra deze techniek onder de knie is, kan deze in enkele minuten per brandstofmonster worden uitgevoerd.

Na deze procedure kan een analyse van de lokale massaverbrandingssnelheden en warmteoverdracht worden uitgevoerd om het verbrandingsgedrag van materialen beter te begrijpen en numerieke codes te valideren. Vergeet niet dat het werken met deze vlammen extreem gevaarlijk kan zijn en dat er tijdens het uitvoeren van deze procedure altijd voorzorgsmaatregelen moeten worden genomen, zoals het dragen van een beschermende veiligheidsbril, het werken onder goed geventileerde omstandigheden en het waarborgen dat de brandbare materialen niet toxisch zijn.