Opisujemy użycie mikro-termopar do szacowania lokalnych gradientów temperatury w stałych laminarnych płomieniach dyfuzyjnych warstwy granicznej. Rozszerzając analogię Reynoldsa, lokalne gradienty temperatury mogą być dalej wykorzystywane do oszacowania lokalnego tempa spalania masy i strumieni ciepła w takich płomieniach z dużą dokładnością.
Artykuł metodologiczny
Metodologia doświadczalna szacowania lokalnych strumieni ciepła i szybkości spalania w stałych płomieniach dyfuzyjnych laminarnej warstwy granicznej
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Modelowanie realistycznego spalania paliw w fazie skondensowanej pozostało poza zasięgiem, częściowo z powodu niemożności rozwiązania złożonych interakcji zachodzących na styku płomieni w fazie gazowej i paliw w fazie skondensowanej. Obecne badania dostarczają techniki do badania dynamicznej zależności między palną powierzchnią skondensowanego paliwa a płomieniami fazy gazowej w laminarnych warstwach granicznych. Eksperymenty prowadzono wcześniej zarówno w wymuszonych, jak i swobodnych środowiskach konwekcyjnych zarówno na paliwach stałych, jak i ciekłych. Unikalna metodologia, oparta na analogii Reynoldsa, została wykorzystana do oszacowania lokalnego tempa spalania masy i strumieni ciepła płomienia dla tych laminarnych płomieni dyfuzyjnych warstwy granicznej, wykorzystując lokalne gradienty temperatury na powierzchni paliwa. Lokalne tempo spalania masy oraz konwekcyjne i radiacyjne sprzężenie zwrotne ciepła z płomieni mierzono zarówno w obszarach pirolizy, jak i pióropuszy, za pomocą gradientów temperatury odwzorowanych w pobliżu ściany przez dwuosiowy system trawersów. Eksperymenty te są czasochłonne i mogą być trudne do zaprojektowania, ponieważ skondensowana powierzchnia paliwa pali się równomiernie tylko przez ograniczony czas po zapłonie. Profile temperatury w pobliżu powierzchni paliwa muszą być odwzorowywane podczas równomiernego spalania skondensowanej powierzchni paliwa w bardzo wysokiej rozdzielczości przestrzennej w celu uchwycenia rozsądnych szacunków lokalnych gradientów temperatury. Staranne korekty radiacyjnych strat ciepła z termopar są również niezbędne do dokładnych pomiarów. Z tych powodów cała konfiguracja eksperymentalna musi być zautomatyzowana za pomocą sterowanego komputerowo mechanizmu trawersu, co eliminuje większość błędów wynikających z pozycjonowania mikrotermopary. Przedstawiono zarys kroków mających na celu powtarzalne uchwycenie gradientów temperatury przy ścianach i wykorzystanie ich do oceny lokalnych szybkości spalania i strumieni ciepła.
Wprowadzenie
Chociaż w ciągu ostatniego stulecia poczyniono ogromne postępy w dziedzinie badań nad bezpieczeństwem pożarowym, przewidywanie szybkości rozprzestrzeniania się płomieni nadal pozostaje wyzwaniem dla wielu materiałów w różnych konfiguracjach. Rozprzestrzenianie się płomienia często przebiega zarówno w środowisku zabudowanym, jak i naturalnym jako seria zapłonów nowych elementów, pochodzących z początkowego źródła zapłonu. Wiedza na temat charakterystyki spalania poszczególnych palących się materiałów ma kluczowe znaczenie dla przewidywania tych szybkości rozprzestrzeniania się płomienia, ponieważ przyczynia się to do szybkości nagrzewania się niezapalonych elementów. Szybkość wydzielania ciepła (HRR) elementu paliwowego została zatem uznana za najbardziej podstawową wielkość w badaniach nad ogniem1, będąc w przybliżeniu równa szybkości spalania (utraty masy) paliwa w fazie skondensowanej, a mianowicie szybkości parowania paliwa ciekłego lub szybkości pirolizy paliwa stałego.
Szybkość spalania może być traktowana jako miara palności materiału i jest krytycznym parametrem w analizie ryzyka pożaru i projektowaniu systemów przeciwpożarowych. Lokalne tempo utraty masy (lub spalania) pionowej ściany jest w szczególności ważną zmienną w wielu problemach związanych z pożarem, takich jak rozprzestrzenianie się płomienia na ścianie, wzrost pożaru i szybkość uwalniania energii w pożarze obudowy oraz rozprzestrzenianie się dymu i pióropuszy gorącego gazu. Aby przewidzieć rozprzestrzenianie się płomienia w górę na pionowej ścianie, należy obliczyć wysokość płomienia, która zależy od całkowitej szybkości uwalniania energii; Na to z kolei bezpośredni wpływ ma lokalne tempo ubytku masy zintegrowane na całym obszarze pirolizy ściany2-3. Podczas gdy wiedza na temat tych zintegrowanych wskaźników utraty masy jest stosunkowo dobrze znana, wiedza na temat szybkości masowego spalania w przyrostowych miejscach wzdłuż powierzchni paliwa nie jest dobrze znana, ponieważ eksperymentalne techniki pomiaru takich wskaźników są niezwykle ograniczone. Technika, która dostarcza informacji o "lokalnym" tempie masowego spalania, może dostarczyć więcej informacji na temat spalania paliw skondensowanych, umożliwiając naukowcom lepsze zrozumienie mechanizmów, które odróżniają od siebie różne paliwa lub konfiguracje. Ponieważ większość materiałów jest najpierw oceniana w małej skali (np. w kalorymetrze stożkowym1), logicznym pierwszym krokiem jest zapewnienie techniki pomiaru lokalnego tempa spalania masy w małych, laminarnych płomieniach dyfuzyjnych na skondensowanych powierzchniach paliwa.
Praca przedstawiona tutaj omawia metodologię eksperymentalną i protokoły przeprowadzania eksperymentów na stałych płomieniach laminarnych ustanowionych na skondensowanych powierzchniach paliwa. Szacowanie lokalnych gradientów temperatury za pomocą mikrotermopar jest szczególnie przydatną techniką do szacowania lokalnych szybkości spalania masy i strumieni ciepła w tych płomieniach4-6. Analiza danych literaturowych wskazuje na trudność w określeniu lokalnych współczynników wymiany ciepła, spalania i tarcia na powierzchni skondensowanego paliwa, które są ważne dla zrozumienia fizyki i mechanizmów leżących u podstaw danego pożaru i jego rozprzestrzeniania się4-6. Składowe strumieni ciepła, które pozostały prawdopodobnie najlepiej zmierzoną właściwością pożarową w lokalnych lokalizacjach nad powierzchnią paliwa, okazały się trudne do zmierzenia. Efekty takie jak zmienność paliw, skalowalność strumienia ciepła, trudność w osiągnięciu warunków stanu ustalonego oraz różne technologie mierników strumienia ciepła przyczyniły się do dość dużego rozproszenia danych, które są dostępne w literaturze4. Pomiary lokalnych gradientów temperatury z dużą dokładnością pomogą złagodzić tę zmienność, a także dostarczą korelacji wymiany ciepła, które można wykorzystać do numerycznej walidacji pożarów ścian laminarnych, co stanowi kanoniczny problem badań nad pożarami. Takie eksperymenty są również przydatne w badaniu dynamicznej zależności między palną powierzchnią skondensowanego paliwa a płomieniami fazy gazowej w laminarnych i turbulentnych warstwach granicznych. Metody dokładnego uchwycenia tych gradientów temperatury w dokładny i powtarzalny sposób opisano poniżej.
Protokół
1. Planowanie eksperymentów
- Postępuj zgodnie z instrukcjami i środkami ostrożności przed wejściem do laboratorium badań nad ogniem lub spalaniem. Szkolenie w zakresie bezpieczeństwa jest zazwyczaj wymagane dla nowych użytkowników.
- Zaplanuj swoje eksperymenty z wyprzedzeniem, aby przeprowadzić wymagane testy. Weź pod uwagę szczegóły eksperymentu, transport wymaganych paliw i niezbędnego sprzętu.
- Zidentyfikuj interesujące Cię eksperymenty z paliwami ciekłymi lub stałymi. Odpowiednio przygotuj materiały.
2. Przygotowanie materiałów i oprzyrządowania
- Do eksperymentów z paliwami ciekłymi przygotuj paliwowy z porowatego niepalnego materiału (wełna krzemianowa ziem alkalicznych). W poprzednich eksperymentach4-6 wykorzystano arkusze o wymiarach 8 cm x 8 cm x 1,27 cm do testów konwekcji swobodnej oraz arkusze o grubości 10 cm x 10 cm x 1,27 cm do testów konwekcji wymuszonej.
- Piecz podany paliwowy przez około 20 minut, wystawiając go na działanie płomienia dyfuzyjnego z palnika propanowego w celu spalenia spoiw organicznych wewnątrz.
- W celu wyeliminowania wycieku ciekłego paliwa z boków, obficie nałóż ciekły krzemian sodu za pomocą strzykawki zakrywającej wszystkie powierzchnie z wyjątkiem górnej powierzchni .
- Osłoń całą powierzchnię folią aluminiową, z wyjątkiem górnej powierzchni. Użyj kleju wysokotemperaturowego, aby przykleić folię aluminiową do boków.
- W przypadku eksperymentów na paliwie stałym wytnij arkusz paliwa stałego. W poprzednich eksperymentach z konwekcją swobodną2 użyto arkusza o grubości 8 cm x 8 cm x 1,27 cm z przezroczystego odlewu z polimetakrylanu metylu (PMMA).
- Wyciąć szczelinę w arkuszu płyty izolacyjnej z włókna ceramicznego równą rozmiarowi próbki paliwa, w której później zamontować próbkę. Często używaj tego samego porowatego, niepalnego co paliwa; Należy jednak uszczelnić go czarną farbą matową o wysokiej temperaturze.
- Sprawdź podany sprzęt i oprogramowanie do akwizycji danych. Otwórz oprogramowanie i sprawdź algorytm mapowania temperatury przed przeprowadzeniem wymaganych testów.
3. Przygotowanie Zestawu Eksperymentalnego
- Umieść lustrzankę cyfrową z widokiem z boku tak, aby była wyrównana z centralną osią paliwa i wystarczająco daleko, aby uchwycić pełny widok z boku danego płomienia.
- W przypadku płomieni z wymuszoną konwekcją należy zobrazować pole widzenia w środku próbki paliwa o powierzchni 16 cm x 8 cm w celu obliczenia odległości zapłonu płomienia w strefie pirolizy.
- Umieścić mechanizm trawersu nad próbką paliwa. Ostrożnie przymocuj mikrotermoparę o średnicy drutu 50 μm do osi poziomej mechanizmu trawersowego.
- Włącz programowalny sterownik silnika krokowego.
- W przypadku eksperymentów z wymuszonym przepływem włącz dmuchawę odśrodkową w tunelu aerodynamicznym.
- Ustaw regulator modulacji szerokości impulsu (PWM) na częstotliwość 7 000 Hz z ustawieniami mocy w zakresie od 16% do 50% dla różnych prędkości dmuchawy, weryfikowanych za pomocą anemometru z gorącym drutem.
- Przed przystąpieniem do badania należy założyć okulary ochronne i ognioodporne rękawice ręczne.
- Podczas każdego badania należy nasączyć płynnym paliwem (metanolem lub etanolem) do punktu nasycenia. W przypadku o wymiarach 8 cm x 8 cm x 1,27 cm 90 ml wystarczyło do całkowitego namoczenia za pomocą dwóch strzykawek o pojemności 60 ml, podczas gdy w przypadku o grubości 10 cm x 10 cm x 1,27 cm 120 ml okazało się wystarczające.
- Ostrożnie umieść nasączony paliwem / płytkę na paliwo stałe w uchwycie paliwa. Sprawdź płaskość powierzchni paliwa za pomocą kątomierza.
- Otwórz oprogramowanie do bilansu masy i sprawdź ustawienia interfejsu USB. Sprawdź bilans masy i zanotuj jego odczyt przed badaniem.
4. Przeprowadzanie eksperymentów w laboratorium spalania lub pożaru
- Zapewnić odpowiednią wentylację obiektu doświadczalnego, włączając wydech po zakończeniu każdego zestawu eksperymentów. Spaliny powinny być jak najmniejsze lub odizolowane podczas eksperymentów, aby wyeliminować zakłócenia przepływu.
- Przed zapaleniem próbki należy skalibrować boczną kamerę cyfrową, wykonując zdjęcie arkusza papieru milimetrowego lub linijki, która jest wyrównana wzdłuż środkowej osi powierzchni paliwa. Uzyskaj średnią liczbę pikseli/mm z obrazów kalibracyjnych. Użyj tej wartości pikseli/mm podczas przetwarzania końcowego obrazów (do ustawiania skali pomiarowej w ImageJ).
- Zapal paliwo za pomocą palnika propanowego, na chwilę dotykając go, aby uzyskać paliwa płynnego i przesuwając płomień równomiernie po powierzchni przez 50-60 sekund z paliwem stałym.
- Rozpocznij czas eksperymentu natychmiast po równomiernym zapłonie. Użyj stopera, aby oznaczyć czas palenia.
- Naciśnij przycisk akwizycji danych w oprogramowaniu wagi masowej.
- Monitoruj utratę masy palącego się w określonym czasie i zapisz ją w pliku pomiarowym. Użyj oprogramowania do bilansu masy do tego celu.
- Powtórzyć kroki od 4.3 do 4.6 dla wielu testów w tych samych warunkach, aby zapewnić powtarzalność.
- Użyj krzywej ubytku masy w funkcji czasu, aby określić stały reżim spalania, w którym liniowe dopasowanie ubytku masy ma wysoką wartość R2.
- W przypadku niestabilnych paliw stałych próbki należy spalać w odstępach 50 sekund od zapłonu do wypalenia, aby zmierzyć regresję powierzchniową (np. przez 50 sekund, 100 sekund, 150 sekund itd.).
- Wytnij spalone paliwa stałe wzdłuż linii środkowej po schłodzeniu w celu przeprowadzenia testów regresyjnych.
- Rób zdjęcia pociętych paliw stałych w widoku z boku i ładuj je do ImageJ. Zmierz regresję w lokalizacjach strumieniowych, konwertując piksele na cm za pomocą linijki. Procedura krok po kroku do przetworzenia danego obrazu w ImageJ jest wymieniona poniżej.
- Otwórz zdjęcie z boku próbki paliwa stałego w ImageJ za pomocą opcji Select File → Open Image.
- Otwórz obraz kalibracyjny (z linijką) próbki paliwa stałego w ImageJ za pomocą opcji Select File (Wybierz plik) → Otwórz obraz kalibracyjny.
- Ułóż w stos obraz kalibracyjny i obraz próbki paliwa stałego. Przejdź do Stosy obrazów → → Obrazy do stosu.
- Ustaw skalę pomiaru: Narysuj linię między dwoma punktami o znanej odległości, takimi jak linijka na zdjęciu. Przejdź do pozycji Analizuj → ustaw skalę. W oknie Ustaw skalę zostanie wyświetlona długość linii w pikselach. Wpisz znaną odległość i jednostki miary w odpowiednich polach, a następnie kliknij przycisk OK.
- Narysuj nową linię i potwierdź, że skala pomiaru jest prawidłowa.
- Pomiar odległości między dwoma punktami na podanym przykładowym zdjęciu: Narysuj linię między dwoma punktami. Pasek stanu pokaże kąt (od poziomu) i długość. Analizuj → Mierz (lub Ctrl+M lub po prostu wpisz M na klawiaturze) przesyła wartości do okna danych.
- Zmierzyć regresję w każdym miejscu strumienia x, mierząc grubość próbki wypalonej i odejmując ją od początkowej grubości próbki.
- Zwróć uwagę na przedział czasu, w którym powierzchnia paliw stałych pozostaje w przybliżeniu płaska i użyj go do mapowania temperatury lub korekt pozycji termopar dokonanych w celu skompensowania regresji powierzchniowej.
- Ustaw interwał mapowania temperatury, aby rejestrować pomiary podczas stałego reżimu spalania, około 150 sekund dla stałego PMMA i 400 sekund dla nasączonych cieczą. Ustaw interwał mapowania temperatury w oparciu o stały interwał czasu spalania paliw ciekłych i stałych. Zalecany rozmiar kroku w pobliżu powierzchni to 0,25 mm4-6.
- Ostrożnie wyrównaj mikrotermoparę z powierzchnią paliwa za pomocą suwaka jednosuwakowego XY. Umieścić daną termoparę w środku szerokości próbki.
- Ostrożnie przesuń mikrotermoparę do przedniej krawędzi paliwowego za pomocą suwaka jednosuwakowego XY.
- Uruchom program do akwizycji danych na komputerze i odczytaj algorytm skanowania siatki z folderu na pulpicie.
Uwaga: Po rozpoczęciu eksperymentu zbieranie danych odbywa się automatycznie, a użytkownik musi je tylko nadzorować, aby upewnić się, że eksperyment przebiega zgodnie z planem. - Korzystając z programu do akwizycji danych na komputerze, pobierz dane i zapisz je w pliku pomiarowym. Należy zauważyć, że w poprzednich eksperymentach stosowano częstotliwości próbkowania od 1004-5 do 5006 Hz.
- Po zakończeniu zgaś płomień. Wyłącz sterownik PWM i odłącz wtyczkę zasilania dmuchawy od 3-fazowego gniazdka elektrycznego 240 VAC.
- Wyłącz sterownik silnika krokowego.
- Powtórzyć kroki od 4.12 do 4.18 dla dodatkowych eksperymentów w podobnych lub różnych warunkach przepływu z tą samą termoparą. Należy powtórzyć co najmniej 5 badań dla każdego danego warunku przepływu (np. wymuszonej prędkości przepływu lub orientacji pionowej).
- Powtórz kroki od 4.12 do 4.18 dla mikropary 75 μm. Przeprowadź dwie termopary (o średnicy drutu 50 μm i 75 μm) po tej samej ścieżce w środku płomienia, aby uzyskać dokładne poprawki promieniowania. Można również stosować mniejsze termopary, jednak w przypadku przewodów poniżej 50 μm często dochodziło do pęknięć.
5. Analiza danych
- Wczytaj przetworzone dane z pliku LVM do Matlaba lub innego oprogramowania analitycznego.
- Uśrednij dane dotyczące temperatury w każdym punkcie przestrzennym z różnych testów.
- Oblicz poprawkę promieniowania na podstawie uśrednionych danych termopary w każdym miejscu strumienia, zgodnie z korelacją Collisa i Williamsa10 opisaną szczegółowo poniżej.
- Obliczanie skompensowanych pomiarów temperatury poprzez dodanie poprawki promieniowania do surowych danych temperatury.
- Nie wymiaruj danych temperatury i lokalizacji przestrzennej.
- Dopasuj niewymiarowe dane temperatury na powierzchni paliwa do odpowiedniego dopasowania wielomianowego wyższego rzędu za pomocą algorytmu dopasowania krzywej w Matlabie lub innym dedykowanym oprogramowaniu. Stwierdzono, że 4 do 6 punktów w pobliżu powierzchni działa dobrze w poprzednich badaniach4-6.
- Obliczyć normalne niewymiarowe gradienty temperatury na powierzchni paliwa od nachylenia pasowania wielomianu wyższego rzędu do niewymiarowego rozkładu temperatury na powierzchni paliwa (y=0).
- Obliczyć lokalną masową szybkość spalania na podstawie odpowiedniego lokalnego niewymiarowego gradientu temperatury na powierzchni paliwa, stosując teoretyczną korelację opartą na analogii Reynoldsa4.
- Obliczyć konwekcyjne strumienie ciepła z gradientu temperatury na powierzchni paliwa5-6.
Wyniki
Eksperymenty przeprowadzono zarówno w konfiguracji pionowej, jak i w unikalnym poziomym tunelu aerodynamicznym na University of Maryland, przedstawionym na Rysunku 1. Zamiast tradycyjnego tunelu o obiegu zamkniętym lub z systemem zasysania, instalacja na University of Maryland wykorzystuje dmuchawę o zmiennej prędkości do wytworzenia nadciśnienia w komorze plenumerowej o wymiarach 100 x 75 x 100 cm, która wymusza przepływ powietrza przez kanał na przeciwległym końcu. Taka konfiguracja umożliwia prowadzenie ciągłych eksperymentów spalania, ponieważ dym nie jest recyrkulowany, tunel aerodynamiczny nie ulega uszkodzeniu i nie jest oddziaływany przez ogień, a termopary mogą swobodnie przemieszczać się w sekcji próbkowania. Kanał wylotowy składa się z zbieżnej sekcji o długości 122 cm i szerokości 30,5 cm, połączonej z komorą plenumerową. Aby wyprostować przepływ i zmniejszyć intensywność turbulencji wlotowych, przy wejściu i wyjściu sekcji zbieżnej umieszczono gęste ekrany siatkowe, a 110 cm przed wylotem tunelu zainstalowano strukturę plastra miodu o grubości 5 cm z otworami o średnicy 0,3 cm. Prędkość przepływu opuszczającego tunel aerodynamiczny jest regulowana poprzez zmianę prędkości wentylatora za pomocą sterownika szerokości impulsu (PWM), a próbki paliwa umieszcza się przy wylocie tunelu, gdzie prędkości przepływu zostały zweryfikowane przy użyciu anemometru drutowego.
Próbki paliwa przy wylocie tunelu aerodynamicznego umieszczono na ogniwie obciążenia, które w sposób ciągły mierzy ubytek masy próbki w czasie. Aby uniknąć zakłóceń wywołanych przez wiatr w obrębie ogniwa obciążenia, próbka została uniesiona na arkuszu aluminium (30,5 x 61,0 cm x 1,5 mm grubości) za pomocą dwóch uchwytów w kształcie litery U i otoczona izolacyjną płytą z włókna ceramicznego o grubości 1,27 cm, aby zapewnić gładką powierzchnię wokół palącej się próbki. Górna powierzchnia płyty została pokryta czarną matową farbą wysokotemperaturową o emisyjności około 98%, aby zapewnić odpowiednie tło do wizualnej obserwacji płomienia oraz uszczelnić izolację, która zawiera również spoiwa organiczne. Ponieważ płyta izolacyjna stanowi względnie tępy korpus dla nadchodzącego przepływu, umieszczenie układu z próbką bezpośrednio w wylocie tunelu aerodynamicznego prowadziło do separacji przepływu i znacznych turbulencji obserwowanych w płomieniach. Wcześniejsze prace Ha et al. wykazały, że przymocowanie płyty przedłużającej do przedniej części próbki paliwa zapobiega tej separacji przepływu i zapewnia laminarny profil przepływu dopływającego do próbki. W związku z tym od przedniej krawędzi próbki do wylotu tunelu aerodynamicznego zamontowano cienką, metalową wargę o szerokości 10 cm i długości 40,6 cm, co pozwoliło uzyskać laminarny płomień dyfuzyjny, który ostatecznie okazał się zgodny z istniejącą teorią7.
Do testowania paliw ciekłych potrzebny był porowaty, niepalny knot. Do eksperymentów z przepływem wymuszonym wybrano arkusz wełny krzemianowej metali alkalicznych o wymiarach 10 cm x 10 cm x 1,27 cm ze względu na wysoką porowatość i niską przewodność cieplną. Aby zapobiec wyciekowi paliwa z próbki, zastosowano klej krzemian sodu do przymocowania folii aluminiowej do wszystkich ścian poza powierzchnią przednią. Próbkę poddano również „wypalaniu” w celu usunięcia spoiw organicznych, przesuwając palnikiem nad próbką przez około 20 minut, aż do momentu zmiany barwy płomienia z żółtej na niebieską (co wskazywało na usunięcie spoiw z próbki). Podczas testów knoty nasączano około 120 ml paliwa ciekłego (etanolu lub metanolu), co okazało się punktem nasycenia dla knotów o szerokości 10 cm.
Masową szybkość spalania paliwa określono poprzez pomiar utraty masy próbki w czasie podczas spalania przy częstotliwości 1 Hz. Układ próbki był umieszczony na precyzyjnej wadze o maksymalnym zakresie 32,2 kg i rozdzielczości 0,1 g, co było wystarczające do pomiaru tej szybkości ubytku masy z wysoką precyzją. Po zapaleniu próbki palnikiem gazowym szybkość ubytku masy skondensowanego paliwa wzrasta w funkcji czasu, aż do osiągnięcia stałej wartości, która następnie stopniowo spada pod koniec badania w miarę wypalania się paliwa. Ten obszar „stacjonarny”, w którym procesem spalania dominuje parowanie paliwa, a nie dyfuzja przez knot, jest obszarem zainteresowania, z którego pobierane są dane. W przypadku knota cieczowego stwierdzono, że próbki spalają się ze stałą szybkością ubytku masy przez około 400 s, co stanowi w przybliżeniu środkowe 80% czasu trwania badania. Wszystkie przedstawione szybkości spalania są średnimi z co najmniej sześciu powtórzonych testów w określonych warunkach, przy czym powtarzalność pomiarów znajdowała się w granicach 1,2% wartości średniej.
Do badań próbki paliwa stałego wybrano polimetakrylan metylu (PMMA), ponieważ spala się on stosunkowo stabilnie i nie ulega zwęglaniu. Aby zapalić próbkę, nad jej powierzchnią przesunięto palnik acetylenowy przez 50-60 sec, aż cała powierzchnia została równomiernie zapalona. Ze względu na niewielki rozmiar próbki paliwa oraz stwierdzoną wysoką powtarzalność wyników eksperymentalnych, metodę tę uznano za wystarczającą do inicjacji zapłonu. W przeciwieństwie do paliw ciekłych nasączonych w niepalnym knocie, paliwa stałe ulegają regresji w funkcji czasu, przez co nigdy nie osiągają w pełni ustalonego reżimu spalania. Zamiast tego wybrano pobieranie próbek z wczesnych etapów spalania, gdy paliwo pozostawało stosunkowo płaskie, co na podstawie pomiarów eksperymentalnych określono jako pierwsze 150 sec po zapłonie.
W przypadku paliw w stanie ciekłym i stałym rozkład temperatur nad powierzchnią paliwa mapowano w fazie gazowej przy użyciu termopar cienkodrutowych. Dla PMMA pomiary temperatury przeprowadzono w 6 punktach nad powierzchnią, zaczynając od warstwy stopionej w głąb fazy gazowej w odstępach 0,25 mm (dla testów konwekcji wymuszonej). W przypadku paliw ciekłych pomiary te wykonywano od cienkiej warstwy paliwa na powierzchni aż do 6 punktów z tą samą rozdzielczością. Profile te pobierano w 12 lokalizacjach wzdłuż długości powierzchni paliwa, w ciągu 400 s od zapłonu dla próbek ciekłych i w ciągu 150 s dla PMMA.
Wspomniane pomiary temperatury przeprowadzono przy użyciu mikrotermopar typu R Pt/Pt-13% Rh (zgrzewanych punktowo) o dwóch średnicach drutu, 50 μm (0.002 in) i 75 μm (0.003 in), z odpowiednio przybliżonymi średnicami złącz pomiarowych wynoszącymi 100 μm i 150 μm. Rozmiar termopar dobrano tak, aby były one jak najmniejsze, unikając jednocześnie częstego pękania (w celu zminimalizowania konieczności stosowania korekt radiacyjnych), niemniej niektóre korekty radiacyjne były nadal niezbędne. Zastosowano dwie termopary o różnych średnicach, aby lepiej określić odpowiednią korektę radiacyjną (opisaną poniżej). Mikrotermopary przesuwano za pomocą zestawu sterowanych komputerowo stolików X-Y unislides o maksymalnej rozdzielczości przestrzennej 1.5 μm. Sygnały napięciowe były następnie pozyskiwane, warunkowane i digitalizowane za pomocą modułu akwizycji danych o czułości pomiarowej do 0.02 °C. Oprogramowanie LabVIEW wykorzystano do synchronizacji ruchu obu termopar o średnicach drutu 50 μm i 75 μm z pomiarem temperatury w obrębie próbki.
Aby określić stosunkowo dokładną korektę promieniowania, dwa opisane rozmiary termopar przesuwano nad tym samym obszarem podczas powtórnych testów. W celu obliczenia strat ciepła z próbki zastosowano korelację Collisa i Williamsa5-6,8,
(1)
gdzie Nu to liczba Nusselta, a Re = Udw / v to liczba Reynoldsa, wyznaczona dla 0,02 < Re < 44, przy właściwościach ocenianych w temperaturze filmu, Τm, będącej średnią z temperatury gazu, Τg, oraz temperatury termopary, Τtc. Tutaj liczba Reynoldsa Re jest zdefiniowana zgodnie z powyższym dla lokalnej prędkości przepływu gazu U i lepkości kinematycznej v. dw w równaniu (1) oznacza średnicę drutu termopary.
W przypadku pomiarów w stanie ustalonym, takich jak opisany tutaj, bilans energii na złączu termopary sprowadza się do konwekcyjno-radiacyjnego bilansu ciepła (pomijając błędy wynikające z przewodnictwa i efektów katalitycznych), wyrażonego wzorem
(2)
(3)
gdzie Τg jest rzeczywistą temperaturą gazu, Τtc jest temperaturą złącza (lub kuleczki) termopary, Τsurr jest temperaturą otoczenia, εtc jest emisyjnością złącza termopary, σ jest stałą Stefana-Boltzmanna, a h jest współczynnikiem konwekcyjnego przekazywania ciepła przepływu nad złączem termopary, zdefiniowanym jako h = k Nu/d. k to przewodność cieplna gazu, Nu to liczba Nusselta, a d to średnica drutu termopary. Wybór korelacji liczby Nusselta ma kluczowe znaczenie przy obliczaniu korekty radiacyjnej do zmierzonej temperatury termopary, ponieważ, jak pokazano w równaniu (3), korekta radiacyjna jest odwrotnie proporcjonalna do liczby Nusselta. Wybór ten jest jednak utrudniony ze względu na istnienie wielu „odpowiednich” korelacji liczby Nusselta oraz trudność w oszacowaniu właściwości mieszaniny gazów otaczającej termoparę, w szczególności jej przewodności cieplnej. Większość dowodów w literaturze wyraźnie wskazuje jednak, że korelacja liczby Nusselta dla cylindra jest najbardziej odpowiednia do opisu konwekcyjnego przekazywania ciepła dla niemal wszystkich praktycznych termopar5-6, najlepiej korelacja Collisa i Williamsa8.
Korelację liczby Nusselta należy podstawić do stanu ustalonego bilansu konwekcyjno-promienistego (równanie 3), a pomijając niewielką zależność od temperatury, powstaje układ dwóch równań z dwiema niewiadomymi (a mianowicie Τg oraz U),
(4)
i
(5)
Równania (4) i (5) muszą być rozwiązywane iteracyjnie wspólnie w każdym punkcie, ponieważ przewodność elektryczna fazy gazowej oraz lepkość kinematyczna są funkcjami temperatury. Temperaturę kuleczki należy przyjąć jako pierwszą iterację temperatury gazu do wyznaczenia przewodności cieplnej i lepkości kinematycznej, a wartość iteracyjną należy aktualizować aż do osiągnięcia niskich błędów. Podczas rozwiązywania równań wynika, że poprawka na promieniowanie (tj. różnica między odczytem termopary a temperaturą rzeczywistą) zwiększa się dla termopar o większej średnicy i maleje wraz ze wzrostem prędkości przepływu nad kuleczką. dw1 oraz dw2 w równaniach (4) i (5) reprezentują średnice drutów termopary użytych w naszej badaniu.
Emisyjność kuleczki (εtc) może być również wyznaczona jako funkcja temperatury przy użyciu metody opisanej przez Jakoba9. W swojej analizie Jakob rozwiązuje równania falowe Maxwella dla zespolonych współczynników załamania na powierzchni metalicznej jako funkcję jej oporności elektrycznej. Przyjęto założenie dla granicy niskiej oporności i dużych współczynników załamania, co jest prawdziwe dla metali, co pozwala uzyskać prostą korelację dla całkowitej emisyjności półsferycznej platyny (Pt) w postaci:
(6)
gdzie dla platyny re ≈ re,273T / 273, przy czym T jest podane w K, a re,273 = 11x10-6 Ω–cm.
Zatem emisyjność platyny wynosi5-6
(7)
dla 0 < T < 2,330 K. Emisyjność kuleczki termopary lub złącza, występująca w równaniach (4) i (5), może zatem zostać obliczona przy użyciu powyższego wyrażenia. W przypadku równań (6) i (7) iteracja nie jest konieczna, ponieważ rzeczywista wartość temperatury kuleczki jest znana; jedynie temperaturę i prędkość gazu w równaniach (4) i (5) należy wyznaczyć iteracyjnie.
Podczas eksperymentów dwie termopary wprowadzono dokładnie do tych samych punktów pomiarowych, a dane pobrano w celu uwzględnienia korekty radiacyjnej w pomiarach temperatury. Korekty zastosowane w wyniku iteracji równań (4) i (5) były niewielkie, na przykład wyniosły jedynie +79 K dla termopary o średnicy drutu 50 μm przy 1 700 K i mniej niż 5 K w pobliżu powierzchni paliwa6. Ponieważ termopary przechodzą również przez obszary wysokich gradientów temperatury, należy rozważyć straty wynikające z przewodzenia ciepła przez drut; jednak ze względu na małe powierzchnie przekroju drutów termopar, błędy te obliczono na poziomie < 1%, w związku z czym żadne korekty nie były konieczne5-6.
Dzięki umieszczeniu powierzchni paliwa w centrum strumienia powietrza przy wylocie tunelu aerodynamicznego zapewniono łatwy dostęp do powierzchni paliwa w celu wykonania pomiarów za pomocą mikrotermopary i anemometru drutowego. Podczas prób zimnego przepływu w tunelu aerodynamicznym (bez spalania) prędkość strumienia swobodnego, U∞ tunelu aerodynamicznego była kalibrowana przy użyciu anemometru drutowego z częstotliwością próbkowania 50 000 próbek/s przez łączny czas 10 s na punkt. Wyznaczono profil prędkości wzdłuż wylotu całego tunelu, co wykazało występowanie spójnego przepływu tłokowego emanującego z centrum wylotu tunelu. Jest to spodziewane w przypadku kanału kwadratowego, takiego jak wylot naszego tunelu aerodynamicznego. Wcześniejsze pomiary przeprowadzone przez Sforza et al.10 wykazały, że długość rdzenia potencjalnego kwadratowego strumienia przy liczbie Reynoldsa Red w zakresie od 2,6 do 8,8 x 104 powinna wynosić około 5 d w dół strumienia od wylotu, gdzie d jest wysokością kanału. Dla d = 30,48 cm, czyli szerokości wylotu tunelu aerodynamicznego, Red mieści się w zakresie od 1,5 x 104 do 3,9 x 104, co oznacza, że próbka pozostaje w odległości 1d (20 cm) od wylotu tunelu. Powtarzalność tych pomiarów mieściła się w granicach 3% wartości średniej.
Temperatury mierzono na powierzchni zapalonej płyty z PMMA o wymiarach 10 cm x 10 cm x 1,27 cm, umieszczonej przy wylocie z tunelu aerodynamicznego pracującego przy U∞ = 0,79 m/sec i 2,06 m/sec. Opisane powyżej procedury wykorzystano do przeprowadzenia pomiarów temperatury, które poddano bezwymiarowaniu w odniesieniu do długości normalnej y*=y/L oraz temperatury, T* = (T - Tw,p / Tfl,ad - Tw,p), gdzie Τw,p oraz Τfl,ad reprezentują odpowiednio temperaturę ścianki i adiabatyczną temperaturę płomienia dla danego paliwa, y to pozycja normalna do powierzchni paliwa, w której mierzona jest temperatura, a L to długość powierzchni paliwa. Następnie obliczono bezwymiarowe gradienty temperatury normalne do powierzchni, (∂T* / ∂y*)y*=0, dopasowując wielomian piątego stopnia do bezwymiarowych temperatur i wyznaczając nachylenie na powierzchni paliwa, y*=0.
Rycina 2 (a) przedstawia te bezwymiarowe gradienty temperatury wzdłuż powierzchni paliwa. Są one wyraźnie najwyższe przy krawędzi natarcia powierzchni paliwa, gdzie płomień znajduje się najbliżej powierzchni paliwa, i maleją w kierunku krawędzi spływu (x = 100 mm), gdzie płomień jest najdalej od powierzchni paliwa. Bezwymiarowe gradienty temperatury można wykorzystać do wyznaczenia lokalnej szybkości spalania masy poprzez zastosowanie korelacji4,6,
(8)
gdzie B to liczba przenikania masy dla danego paliwa, kw przewodność cieplna powietrza wyznaczona w temperaturze ścianki, cp ciepło właściwe powietrza wyznaczone w adiabatycznej temperaturze płomienia paliwa, a L długość powierzchni pirolizującego paliwa. Stwierdzono wówczas, że lokalna szybkość spalania masy zmienia się w sposób podobny do bezwymiarowych gradientów temperatury, przedstawionych na Rysunku 2 (b).
W przeciwieństwie do paliw ciekłych, w przypadku PMMA lokalną szybkość spalania masy można również przybliżyć a posteriori poprzez pomiar lokalnego ubytku powierzchni w stałych odstępach czasu2,11. Próbki PMMA spalano w reprezentatywnych warunkach przez okresy czasu zaczynając od 50 sec i zwiększając je w interwałach 50 sec, po czym następowało wygaszenie próbki. Strumień masy pirolizy dla PMMA oblicza się dla każdego położenia x wzdłuż osi symetrii centralnej, korzystając z przybliżenia pierwszego rzędu podanego przez Pizzo et al.11, omówionego w innych publikacjach4-6. Średnią gęstość PMMA, ρs = 1,190 kg/m3, wykorzystano wraz z pomiarami ubytku powierzchni wzdłuż powierzchni paliwa do wyznaczenia szybkości utraty masy podczas każdego 50 sec interwału na całej długości próbki paliwa. Chociaż pożądany byłby krótszy krok czasowy, błędy pomiarowe sprawiają, że staje się on niepraktyczny, gdy kroki czasowe są krótsze niż 50 sec5.
Aby porównać lokalne szybkości ubytku masy mierzone za pomocą termopar z tymi uzyskanymi z profili regresji, wykorzystano dane z czasów wypalania paliwa wynoszących 100 i 150 s w celu porównania lokalnych szybkości spalania masy przedstawionych na Ryc. 2 (b). Czasy te odpowiadają w przybliżeniu momentom, w których dokonano pomiarów. Jak widać na rycinie, obie metody pomiaru lokalnej szybkości spalania masy dają bardzo zbliżone wyniki, co sugeruje, że zastosowana metodologia sprawdza się w przypadku tego typu płomieni.
W przypadku płomieni zdominowanych przez konwekcję, takich jak te małe płomienie laminarne, gradienty temperatury na powierzchni paliwa mogą być również wykorzystane do wyznaczenia konwekcyjnych strumieni ciepła, ponieważ są one w istocie bezpośrednio powiązane z gradientem temperatury na powierzchni. Wykorzystując pomiary szybkości ubytku masy, można również wyznaczyć składowe strumienia ciepła płomienia wzdłuż strefy pirolizy. Stosując kilka przybliżeń bilansu cieplnego na powierzchni paliwa, opisanych w literaturze2-3, składowe te można określić dla powierzchni płonącej płyty z PMMA. Rysunek 3 przedstawia ten wynik dla płomienia PMMA stabilizowanego przy prędkości swobodnego strumienia otoczenia U∞= 2,06 m/s. Technika ta może być zatem niezwykle użyteczna w ocenie wielu parametrów opisujących spalanie małych próbek paliw, co prowadzi do lepszego zrozumienia procesu spalania, a w szczególności zależności między fazą stałą a gazową.
Rysunek 1. Układ eksperymentalny. (a) Schemat układu eksperymentalnego wykorzystanego do pomiaru szybkości ubytku masy i profilu temperatury w płomieniu dyfuzyjnym warstwy przyściennej z wymuszonym konwekcją. (b) Układ eksperymentalny do badania płomieni dyfuzyjnych warstwy przyściennej w warunkach wymuszonego przepływu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 2. Wyniki gradientu temperatury i lokalnej szybkości spalania. (a) Zmienność normalnych bezwymiarowych gradientów temperatury wzdłuż powierzchni paliwa dla płomienia dyfuzyjnego warstwy przyściennej PMMA przy U∞= 0.79 m/sec i 2.06 m/sec, odpowiednio. (b) Zmienność lokalnych szybkości spalania masy dla płomieni dyfuzyjnych warstwy przyściennej PMMA przy różnych warunkach strumienia swobodnego. Lokalne szybkości spalania masy uzyskane poprzez bezwymiarowe gradienty temperatury zestawiono z danymi eksperymentalnymi uzyskanymi poprzez regresję powierzchni PMMA. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
Rysunek 3. Wyniki strumienia ciepła w warunkach przepływu wymuszonego. Rozkład poszczególnych składowych strumienia ciepła płomienia w strefie pirolizy dla dyfuzyjnego płomienia warstwy przyściennej PMMA przy U∞= 2.06 m/sec. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Dyskusja
Celem tego badania było opracowanie nowej metodologii szacowania lokalnych wskaźników masowego spalania zarówno paliw płynnych, jak i stałych w różnych warunkach pola przepływu. W badaniu uwzględniono dwa przypadki: płomień dyfuzyjny w warstwie granicznej swobodnej konwekcji oraz płomienie dyfuzyjne w warstwie granicznej wymuszonej konwekcji powstające w różnych warunkach swobodnego strumienia, przy użyciu zarówno paliw ciekłych, jak i stałych.
Stwierdzono, że lokalne szybkości spalania mierzone za pomocą termopar z cienkiego drutu zarówno na nasączonych paliwem ciekłym, jak i na stałych płytach PMMA są zgodne z innymi sposobami szacowania, a mianowicie z pomiarami regresji paliwa. Te gradienty temperatury w pobliżu powierzchni paliwa zostały określone przy użyciu korelacji opartej na analogii Reynoldsa12-13 , która, choć wymagała stałego, laminarnego spalania, działała bardzo dobrze w przypadku próbek na małą skalę, ostatecznie skutkując danymi z dokładnością 15% dla średnich wyników i znacznie większą dla pomiarów lokalnych4-6. Współczynnik korelujący dla tych lokalnych pomiarów szybkości utraty masy zależy od liczby transferu masy Spaldinga reprezentatywnego paliwa i innych właściwości termofizycznych paliwa, które można obliczyć a priori. Wyniki sugerują, że technika ta może być przydatna do ekstrakcji tych ilości i bardziej szczegółowego zrozumienia spalania paliw na małą skalę w przyszłości.
Inne badania w literaturze poszerzyły reprezentatywną pracę o symulacjenumeryczne4 i eksperymenty na próbkach zorientowanych pionowo, swobodnie spalających4,5 i próbkach montowanych poziomo pod wpływem wiatru otoczenia6. W przypadku tych konfiguracji składowe strumieni ciepła zostały również określone lokalnie nad powierzchnią paliwa przy użyciu tej samej techniki termopary drobnodrutowej bardzo blisko skondensowanej powierzchni paliwa. Podczas gdy składowe strumienia ciepła były mierzone w przeszłości za pomocą wbudowanych mierników, technika ta jest minimalnie inwazyjna i oferuje bezpośredni pomiar konwekcyjnych strumieni ciepła, co wcześniej nie było możliwe.
Szczególną ostrożność należy zachować podczas eksperymentów przy doborze konkretnych konfiguracji i konfiguracji aparatury. W tych eksperymentach termopary wybrane do kroku 3.2 wystawały z małej rurki ceramicznej, utrzymując napięcie na drucie i sprawiając, że położenie termopary było względnie stałe. Użycie drutu termopary zawieszonego nad całym płomieniem bez rurki zmniejszyłoby możliwe zakłócenia ze strony rurki ceramicznej, jednak zlokalizowanie konkretnego położenia termopary byłoby znacznie bardziej zmienne, ponieważ drut ma tendencję do rozszerzania się wraz ze wzrostem temperatury. Czasami zmiany w konfiguracji mogą wywoływać efekty na całej szerokości próbki (na przykład nachylenie próbki). Jeśli konfiguracja jest modyfikowana w stosunku do tych badanych w ciągu ostatnich4-6, około kroku 4.14 od czasu do czasu sprawdza, czy pomiary temperatury płomienia na całej szerokości próbki nie wykazują żadnych znaczących zmian (tj. założenie 2D nadal obowiązuje). W przeciwnym razie konieczne będzie wdrożenie systemu mapowania 3D.
Najbardziej krytyczne etapy podczas wykonywania eksperymentów dotyczą przygotowania paliwa i prawidłowego użycia termopar. Nawet niewielkie odchylenia w ustawieniu termopar mogą powodować błędy, dlatego należy zachować ostrożność podczas ustawiania termopary w krokach 3.2, 4.13 i 4.14. paliwowy należy również umieścić w taki sposób, aby zachować jak najbardziej płaską powierzchnię (krok 2.1), a cały materiał wypełniający powinien być wypalony z (krok 2.1.1).
Układ wydechowy, aktywowany w kroku 4.1, powinien być również umieszczony w jak najmniejszym stopniu lub odizolowany w jak najmniejszej odległości od miejsca eksperymentu, aby wyeliminować zakłócenia przepływu. Należy to sprawdzić, upewniając się, że mała świeca nie jest dmuchana w miejscu, w którym odbędzie się test (bez wiatru). W tym celu można wykorzystać przegrody, ekrany, oddzielny zamknięty obiekt lub testowanie na dużej przestrzeni. W kroku 4.2 paliwo stałe musi być zapalone tak równomiernie, jak to możliwe. Chociaż palnik propanowy nie jest najbardziej idealnym źródłem do tego celu, eksperymenty nie wykazały, aby były wrażliwe na źródło zapłonu w poprzednich pracach4-6. Wrażliwość na źródło zapłonu powinna być udokumentowana podczas doświadczeń poprzez zmianę czasu lub intensywności narażenia i obserwację wyników dotyczących stałej szybkości spalania masy. W przypadku zaobserwowania czułości należy alternatywnie użyć panelu promiennika do zapłonu próbek. Paliwa stałe lub inne paliwo, które nie ma dużego (>300 s) stałego obszaru spalania, obserwowanego na podstawie wskaźników utraty masy, powinno mieć mapowanie temperatury wykonane w krótkim obszarze. Na przykład w kroku 4.13 zaleca się mapowanie PMMA, które należy wykonać w ciągu pierwszych 150 sekund, podczas gdy paliwo jest nadal stosunkowo płaskie, a regresja powierzchniowa została dobrze udokumentowana. Pomiary regresji powierzchniowej mogą wykorzystywać ImageJ lub inne podobne oprogramowanie do przetwarzania obrazów do pomiaru pikseli na zdjęciach i konwersji na długość. Alternatywnie, mikrometr cyfrowy może być użyty do pomiaru regresji powierzchni litej płyty po jej ostygnięciu (należy pamiętać, że najpierw należy przeszlifować powierzchnię "bulgoczących" materiałów, takich jak PMMA).
Proponowana korelacja szybkości spalania opiera się na założeniach laminarnych, jednak przypuszcza się, że technika ta powinna mieć podobną formę dla turbulentnego spalania powierzchni paliwa, aczkolwiek ze zmodyfikowaną zależnością funkcjonalną, która musi zostać wyznaczona eksperymentalnie. Zaprezentowane tutaj prace mogą być następnie rozszerzone na turbulentne spalanie w warstwie granicznej i związane z tym interakcje między turbulencjami a uwalnianiem ciepła w fazie gazowej, które napędzają padający strumień ciepła na powierzchnię paliwa, mogą być dalej badane.
Teoria, na której opiera się korelacja szybkości spalania, również pomija promieniowanie. Teoria jest nadmiernie uproszczona, co prowadzi do niepewności co do jej zdolności predykcyjnych w okolicznościach, które nie są objęte niniejszą pracą. Na przykład podana metodologia może nie działać w przypadku silnych płomieni sadzy, w których strumień ciepła docierający do powierzchni jest w dużej mierze promieniujący. W przypadku dużych turbulentnych płomieni ściennych, w których strumień ciepła promieniowania docierający do skondensowanej powierzchni paliwa jest wysoki, proponowana korelacja szybkości spalania może, ale nie musi działać. Włączenie efektów promieniowania do proponowanej korelacji jest zatem pożądane i należy podjąć dalsze badania w celu określenia tej zależności funkcjonalnej. Obszar ten wymaga ulepszeń w modelu, jeśli chcemy uzyskać pewne metody przewidywania dla takich płomieni.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Autorzy chcieliby podziękować za wsparcie finansowe dla tej pracy od Fundacji Minta Martin na Uniwersytecie Maryland, College Park.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Termopary ze złączami i zaciskami | |||
| Unsheathed Fine Gauge T/C | P13R-002 | Omega Engineering, Inc. | Mikrotermopary drobnodrutowe (typ R) |
| Nieosłonięty drobny miernik T/C | P13R-003 | Omega Engineering, Inc. | Mikrotermopary drobnodrutowe (typ R) |
| Ceramika 2 otwory okrągłe - 5 sztuk | TRX-010364-6 | Omega Engineering, Inc. | Rurki ceramiczne do mocowania termopar z cienkiego drutu |
| Przedłużacz termopary | EXTT-RS-24-100 | Omega Engineering, Inc. | Przedłużacz termopary |
| Złącza męskie żeńskie | SHX-R/S-MF | Omega Engineering, Inc. | Złącza do termopar typu R |
| Akcesoria | MSRT-116-10 | Omega Engineering, Inc. | Gumowe rurki do utrzymania przyczepności rurek ceramicznych na końcu złączy |
| Mechanizm poprzeczny | |||
| X slide, skok = 10 cali, 0.025 in/rev, limity, NEMA 17 | XN10-0100-E25-71 | Velmex Inc. | Velmex unislide |
| Vexta typ 17, 1,8 st./krok 2-fazowy, jednowałowy silnik krokowy | PK245-01AA | Velmex Inc. | Silnik krokowy |
| Knaga montażowa, standardowo za pomocą 6-32 | XMC-2 | Velmex Inc. | Akcesoria montażowe do danego Velmex unislide |
| Śruba z walcowym 6-32 x 7/16 SH do Xslide w X i Oś Y | XMB-1 | Velmex Inc. | Akcesoria montażowe do danego Velmex unislide |
| Suwak X, skok = 10 cali, 0,025 cala/obr, limity, NEMA 17 | XN10-0100-E25-71 | Velmex Inc. | Velmex unislide |
| Vexta typ 17, 1,8 st./krok 2-fazowy, jednowałowy silnik krokowy | PK245-01AA | Velmex Inc. | Silnik krokowy |
| Knaga montażowa, standardowo za pomocą 6-32 | XMC-2 | Velmex Inc. | Akcesoria montażowe do danego Velmex unislide |
| Śruba z walcowym 6-32 x 7/16 SH do Xslide w X i Oś Y | XMB-1 | Velmex Inc. | Akcesoria montażowe do danego Velmex unislide |
| Sterowanie, 2-osiowe programowalne sterowanie silnikiem krokowym, 1 silnik na raz | VXM-2 | Velmex Inc. | Sterownik silnika krokowego |
| komunikacyjny USB do RS232 DB9 10 stóp | RPC-USB-RS232-3M | Velmex Inc. | Szeregowy komunikacyjny pomiędzy sterownikiem silnika krokowego a komputerem |
| Sprzęt do akwizycji danych | |||
| NI 9214 16-kanałowy izotermiczny TC, 24-bitowy moduł serii C do bardzo dokładnych pomiarów termopar (zawiera listwę zaciskową) | 781510-01 | National Instruments | Karta pozyskiwania danych termopary |
| Przewód zasilający, AC, USA, 120 VAC, 2,3 metra | 763000-01 | National Instruments | Przewód zasilający do 8-slotowej obudowy |
| C-DAQcDAQ-9178, Obudowa CompactDAQ (8 gniazd USB) | 781156-01 | Obudowa National Instruments | C-DAQ dla NI 9214 i NI 9239 |
| Ferryt tłumiący EMI dla NI 9229/39 BNC | 782801-01 | National Instruments | Akcesoria do karty danych NI 9239 |
| NI 9239 BNC, 4-kanałowa +/-10 V, 50 kS/ s na kanał | 780181-01 | National Instruments | do systemu anemometru z gorącym drutem |
| cDAQ-9171, obudowa CompactDAQ (1 gniazdo USB) | 781425-01 | Obudowa National Instruments | C-DAQ dla NI 9214 |
| Aparaty | |||
| Nikon D7100 24,1 MP CMOS formatu DX z 18-105 mm f/3.5-5.6 AF-S DX VR ED Obiektyw Nikkor | Nikon D7100 | Amazon | Digital SLR do robienia zdjęć płomieni z widokiem z góry |
| Canon EOS Rebel T5 DSLR CMOS Cyfrowa lustrzanka jednoobiektywowa i obrazowanie DIGIC z EF-S 18-55 Obiektyw mm f/3.5-5.6 IS Canon | EOS Rebel T5 DSLR | Amazon | Lustrzanka cyfrowa do robienia zdjęć |
| Bilans masy | |||
| Mettler-Toledo, MS32001L Balance Prec 32,200 g x 0,1 g | 97035-654 | VWR Precyzyjny elektroniczny bilans masy do pomiaru średniej szybkości | |
| Mini system CTA | |||
| MiniCTA Anemometr Pakiet do sond drutowych i foliowych | 9054T0461 | Dantec Dynamics | System gorących przewodów do pomiaru prędkości i intensywności turbulencji na wylocie |
| Wyposażenie tunelu aerodynamicznego | |||
| 1/2 cala x 4 stopy x 8 stóp C-3 Cały kawałek Brzoza Sklejka domowa | Model # 833185 | Home Depot | Służy do produkcji tunelu aerodynamicznego w skali laboratoryjnej |
| Woodgrain Millwork WM 206 11/16 cala x 11/16 cala x 96 cala. Listwa narożna z drewna sosnowego | model # 109610 | Home Depot | Służy do wykonania tunelu aerodynamicznego w skali laboratoryjnej |
| Sprężyna naciągowa, końcówki pętli, długość całkowita 6,562 cala, zestaw 6 sztuk | 1330K26 | McMaster-Carr | Służy do produkcji tunelu aerodynamicznego w skali laboratoryjnej |
| Sitko Tkanina druciana, siatka 30x30, średnica drutu 0,0130". Arkusz 12 "x12" | 9241T41 | McMaster-Carr | Służy do wykonania tunelu aerodynamicznego w skali laboratoryjnej |
| Tkanina druciana klasy sitowej, siatka 40x40, średnica drutu 0,0065". Arkusz 12"x12" | 9241T42 | McMaster-Carr | Służy do produkcji tunelu aerodynamicznego w skali laboratoryjnej |
| Mobilny stół podnośny obsługiwany nogą, pojemność 600 #, 10 "- 33" Wysokość stołu | 2791T22 | McMaster-Carr | Stół do przechowywania zestawu |
| eksperymentalnegoebm-papst p/n: G3G250-MW75-05 (EC Dmuchawa odśrodkowa, 200-240 V, 3-fazowe, 50/60 Hz, silnik M3G112-EA, 2.2 kW) | G3G250-MW75-05 | Ebm papst | Dmuchawa do tunelu aerodynamicznego |
| ebm-papst p/n: HX0C-003-000-04 (Sterownik) | HX0C-003-000-04 | Ebm papst | Regulator modulacji szerokości impulsu do sterowania prędkością dmuchawy |
| 8020 1" X 1" PROFIL Z ROWKIEM TEOWYM | 8020-1010 | 80/20 (Rankin Automation) | Służy do tworzenia ram dla tunelu aerodynamicznego |
| Uszczelniacz silikonowy Momentive/GE RTV108, wkład 10,1 uncji, półprzezroczysty | 7545A472 | McMaster Carr | Uszczelniacz do drewna |
| Software | |||
| LabVIEW | Skontaktuj się z dostawcą | National Instruments | Służy do ciągłego pozyskiwania i analizy danych o temperaturze. Alternatywnie służy do pozycjonowania termopary. |
| Oprogramowanie do bilansowania masy METTLER TOLEDO | Skontaktuj się z dostawcą | Mettler Toledo | Służy do pomiaru szybkości utraty masy skondensowanego paliwowego / solidnej płyty z czasem |
| ImageJ | Bezpłatne pobieranie | NIH, http://imagej.nih.gov/ij/ | Służy do pomiaru odległości dystansu płomienia i regresji powierzchniowej płyty na paliwo stałe |
| Matlab | Skontaktuj się z dostawcą | Mathworks | Służy do przetwarzania końcowego danych |
| Fortran 90/95 | Skontaktuj się z dostawcą | Firma Fortran | Służy do końcowego przetwarzania danych |
| Materials | |||
| Methanol | UMD Chem Store | NA | Paliwo płynne |
| Etanol | UMD Chem Store | NA | Okulary ochronne na paliwo |
| płynne | UMD Chem Store | NA | Używany do celów bezpieczeństwa |
| Butelka z rozpylaczem | UMD Chem Store | NA | Służy do przenoszenia wody w nagłych wypadkach |
| Strzykawka 60 cc | UMD Chem Store | NA | Służy do namaczania paliwa płynnego paliwami płynnymi |
| Optycznie przezroczysty odlew akrylowy, grubość 1/8 ", 24" x 48" | Mc master carr | 8560K262 | Paliwo stałe PMMA |
| Loctite Proxy Pak (klej wysokotemperaturowy) | Mc master carr | 7556A33 | Służy do pokrywania boków folią aluminiową |
| Farba w aerozolu Hi-Temp () | Mc master carr | 7832T1 | Służy do malowania izolacji |
| Samozapalająca się ekonomiczna latarka na gaz propan Regulowany płomień, 4,179 Btu/hr | Mc master carr | 78245A3 | Palnik propanowy do zapalania płyty paliwa stałego |
| Żaroodporna rękawica bawełniana z powłoką nitrylową, 400 stopni F Max Temp, 10" Lg, duży | Mc master carr | 56025T1 | Używany do celów bezpieczeństwa |
| Modułowy ekran ochronny z kurtyną wiązaną, 6' Wysokość x 4' Szerokość Odporne na ścieranie włókno szklane | Mc master carr | 9145T84 | Ognioodporna kurtyna na tło |
| Uniwersalny stop aluminium 6061 o grubości 125 cali, 12 "x 24" | Mc master carr | 89015K28 | Służy do przytrzymywania izolacji |
| Sklejka morska o grubości 1/2 cala, 12 "x 24" | Mc master carr | 1125T32 | Służy do trzymania zestawu |
| eksperymentalnegoUniwersalny kanał U ze stopu aluminium 6061, podstawa 2" x nogi 1-1/4", długość 1 ' | master carr | 1630T473 | Służy do trzymania aluminiowej płyty, izolacji i |
| Architektoniczne anodowane aluminium (stop 6063) Kąt 90 stopni, 1/8" Thk, nogi 1/2" x 1/2", 6' L | Mc master carr | 4630T21 | Służy do trzymania płyty aluminiowej, izolacja i |
| Aluminiowy calowy system ramowy z rowkiem w kształcie litery T Ukryte złącze 90 stopni, do wytłaczania 1" | Mc master carr | 47065T155 | Służy do przytrzymywania aluminiowej płyty, izolacji i |
| Aluminiowy calowy system ramowy z rowkiem w kształcie litery T Przedłużony wspornik 90 stopni, pojedynczy, 4 otwory, do wytłaczania 1" | Mc master carr | 47065T175 | Służy do przytrzymywania aluminiowej płyty, izolacji i |
| Aluminiowy calowy system ramowy z rowkiem T Czteroszczelinowy pojedynczy, 1" solidny profil o długości 4 stóp | Mc master carr | 47065T101 | Służy do trzymania aluminiowej płyty, izolacji i |
| 1/2" x 48" x 36" (płyta izolacyjna Superwool 607) 1 karton zawierający 12 arkuszy | Mccormick Insulation | Superwool 607 | Materiał izolacyjny do wykonania i uchwytu |
Bibliografia
- Babrauskas, V., Peacock, R. D. Heat release rate: the single most important variable in fire hazard. Fire Safety J. 18 (3), 255-272 (1992).
- Pagni, P., Shih, T. M. Excess pyrolyzate. Proc. Combust. Inst. 16 (1), 1329-1343 (1977).
- Orloff, L., Modak, A. T., Alpert, R. Burning of large-scale vertical surfaces. Proc. Combust. Inst. 16 (1), 1345-1354 (1977).
- Singh, A. V., Gollner, M. J. Estimation of local mass burning rates for steady laminar boundary layer diffusion flames. Proc. Combust. Inst. 35 (3), 2527-2534 (2015).
- Singh, A. V., Gollner, M. J. A methodology for estimation of local heat fluxes in steady laminar boundary layer diffusion flames. Combust. Flame. 162 (5), 2214-2230 (2015).
- Singh, A. V., Gollner, M. J. Local burning rates and heat flux for forced flow boundary-layer diffusion flames. AIAA J. 54 (2), 408-418 (2016).
- Collis, D., Williams, M. Two-dimensional convection from heated wires at low Reynolds numbers. J. Fluid Mech. 6 (3), 357-384 (1959).
- Jakob, L. M. Heat Transfer. , Wiley. New York, USA. (1967).
- Sforza, P., Steiger, M., Trentacoste, N. Studies on three-dimensional viscous jets. AIAA J. 4 (5), 800-806 (1966).
- Pizzo, Y. Experimental observations on the steady-state burning rate of a vertically oriented PMMA slab. Combust. Flame. 152 (3), 451-460 (2008).
- Chilton, T. H., Colburn, A. P. Mass transfer (absorption) coefficients prediction from data on heat transfer and fluid friction. Ind. Eng. Chem. 26 (1), 1183-1187 (1934).
- Silver, R. Application of the Reynolds analogy to combustion of solid fuels. Nature. 165, 725-726 (1950).
Przedruki i uprawnienia
