Name: Metodologia doświadczalna szacowania lokalnych strumieni ciepła i szybkości spalania w stałych płomieniach dyfuzyjnych laminarnej warstwy granicznej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-06-01T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 29 s
Description: Poznaj metodę mikrotermopar do pomiaru lokalnych gradientów temperatury w laminarnych płomieniach dyfuzyjnych warstwy granicznej. Technika ta umożliwia precyzyjne szacowanie lokalnych strumieni ciepła i szybkości spalania w badaniach nad dynamiką ognia.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Autorzy chcieliby podziękować za wsparcie finansowe dla tej pracy od Fundacji Minta Martin na Uniwersytecie Maryland, College Park.

1. Planowanie eksperymentów
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Zaplanuj swoje eksperymenty z wyprzedzeniem, aby przeprowadzić wymagane testy. Weź pod uwagę szczegóły eksperymentu, transport wymaganych paliw i niezbędnego sprzętu.</li>
	<li>Zidentyfikuj interesujące Cię eksperymenty z paliwami ciekłymi lub stałymi. Odpowiednio przygotuj materiały.</li>
</ol>
2. Przygotowanie materiałów i oprzyrządowania
<ol>
	<li>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.
	<ol>
		<li>Piecz podany paliwowy przez około 20 minut, wystawiając go na działanie płomienia dyfuzyjnego z palnika propanowego w celu spalenia spoiw organicznych wewnątrz.</li>
		<li>W celu wyeliminowania wycieku ciekłego paliwa z boków, obficie nałóż ciekły krzemian sodu za pomocą strzykawki zakrywającej wszystkie powierzchnie z wyjątkiem górnej powierzchni</li>.
		<li>Osłoń całą powierzchnię folią aluminiową, z wyjątkiem górnej powierzchni. Użyj kleju wysokotemperaturowego, aby przykleić folię aluminiową do boków.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
	<li>Sprawdź podany sprzęt i oprogramowanie do akwizycji danych. Otwórz oprogramowanie i sprawdź algorytm mapowania temperatury przed przeprowadzeniem wymaganych testów.</li>
</ol>
3. Przygotowanie Zestawu Eksperymentalnego
<ol>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Umieścić mechanizm trawersu nad próbką paliwa. Ostrożnie przymocuj mikrotermoparę o średnicy drutu 50 μm do osi poziomej mechanizmu trawersowego.</li>
	<li>Włącz programowalny sterownik silnika krokowego.</li>
	<li>W przypadku eksperymentów z wymuszonym przepływem włącz dmuchawę odśrodkową w tunelu aerodynamicznym.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Przed przystąpieniem do badania należy założyć okulary ochronne i ognioodporne rękawice ręczne.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Ostrożnie umieść nasączony paliwem / płytkę na paliwo stałe w uchwycie paliwa. Sprawdź płaskość powierzchni paliwa za pomocą kątomierza.</li>
	<li>Otwórz oprogramowanie do bilansu masy i sprawdź ustawienia interfejsu USB. Sprawdź bilans masy i zanotuj jego odczyt przed badaniem.</li>
</ol>
4. Przeprowadzanie eksperymentów w laboratorium spalania lub pożaru
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
	<li>Rozpocznij czas eksperymentu natychmiast po równomiernym zapłonie. Użyj stopera, aby oznaczyć czas palenia.</li>
	<li>Naciśnij przycisk akwizycji danych w oprogramowaniu wagi masowej.</li>
	<li>Monitoruj utratę masy palącego się w określonym czasie i zapisz ją w pliku pomiarowym. Użyj oprogramowania do bilansu masy do tego celu.</li>
	<li>Powtórzyć kroki od 4.3 do 4.6 dla wielu testów w tych samych warunkach, aby zapewnić powtarzalność.</li>
	<li>Użyj krzywej ubytku masy w funkcji czasu, aby określić stały reżim spalania, w którym liniowe dopasowanie ubytku masy ma wysoką wartość R2.</li>
	<li>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.).</li>
	<li>Wytnij spalone paliwa stałe wzdłuż linii środkowej po schłodzeniu w celu przeprowadzenia testów regresyjnych.</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>Otwórz zdjęcie z boku próbki paliwa stałego w ImageJ za pomocą opcji Select File → Open Image.</li>
		<li>Otwórz obraz kalibracyjny (z linijką) próbki paliwa stałego w ImageJ za pomocą opcji Select File (Wybierz plik) → Otwórz obraz kalibracyjny.</li>
		<li>Ułóż w stos obraz kalibracyjny i obraz próbki paliwa stałego. Przejdź do Stosy obrazów → → Obrazy do stosu.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Narysuj nową linię i potwierdź, że skala pomiaru jest prawidłowa.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Zmierzyć regresję w każdym miejscu strumienia x, mierząc grubość próbki wypalonej i odejmując ją od początkowej grubości próbki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Ostrożnie wyrównaj mikrotermoparę z powierzchnią paliwa za pomocą suwaka jednosuwakowego XY. Umieścić daną termoparę w środku szerokości próbki.</li>
	<li>Ostrożnie przesuń mikrotermoparę do przedniej krawędzi paliwowego za pomocą suwaka jednosuwakowego XY.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Po zakończeniu zgaś płomień. Wyłącz sterownik PWM i odłącz wtyczkę zasilania dmuchawy od 3-fazowego gniazdka elektrycznego 240 VAC.</li>
	<li>Wyłącz sterownik silnika krokowego.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
</ol>
5. Analiza danych
<ol>
	<li>Wczytaj przetworzone dane z pliku LVM do Matlaba lub innego oprogramowania analitycznego.</li>
	<li>Uśrednij dane dotyczące temperatury w każdym punkcie przestrzennym z różnych testów.</li>
	<li>Oblicz poprawkę promieniowania na podstawie uśrednionych danych termopary w każdym miejscu strumienia, zgodnie z korelacją Collisa i Williamsa10 opisaną szczegółowo poniżej.</li>
	<li>Obliczanie skompensowanych pomiarów temperatury poprzez dodanie poprawki promieniowania do surowych danych temperatury.</li>
	<li>Nie wymiaruj danych temperatury i lokalizacji przestrzennej.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Obliczyć normalne niewymiarowe gradienty temperatury na powierzchni paliwa od nachylenia pasowania wielomianu wyższego rzędu do niewymiarowego rozkładu temperatury na powierzchni paliwa (y=0).</li>
	<li>Obliczyć lokalną masową szybkość spalania na podstawie odpowiedniego lokalnego niewymiarowego gradientu temperatury na powierzchni paliwa, stosując teoretyczną korelację opartą na analogii Reynoldsa4.</li>
	<li>Obliczyć konwekcyjne strumienie ciepła z gradientu temperatury na powierzchni paliwa5-6.</li>
</ol>

<ol><li>Babrauskas, V., Peacock, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heat+release+rate%3A+the+single+most+important+variable+in+fire+hazard%5BTitle%5D)+AND+%22Fire+Safety+J%22%5BJournal%5D)">Heat release rate: the single most important variable in fire hazard.</a> Fire Safety J. 18 (3), 255-272 (1992).</li>
<li>Pagni, P., Shih, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Excess+pyrolyzate%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Combust.+Inst%22%5BJournal%5D)">Excess pyrolyzate.</a> Proc. Combust. Inst. 16 (1), 1329-1343 (1977).</li>
<li>Orloff, L., Modak, A. T., Alpert, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Burning+of+large-scale+vertical+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Combust.+Inst%22%5BJournal%5D)">Burning of large-scale vertical surfaces.</a> Proc. Combust. Inst. 16 (1), 1345-1354 (1977).</li>
<li>Singh, A. V., Gollner, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Estimation+of+local+mass+burning+rates+for+steady+laminar+boundary+layer+diffusion+flames%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Combust.+Inst%22%5BJournal%5D)">Estimation of local mass burning rates for steady laminar boundary layer diffusion flames.</a> Proc. Combust. Inst. 35 (3), 2527-2534 (2015).</li>
<li>Singh, A. V., Gollner, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+methodology+for+estimation+of+local+heat+fluxes+in+steady+laminar+boundary+layer+diffusion+flames%5BTitle%5D)+AND+%22Combust.+Flame%22%5BJournal%5D)">A methodology for estimation of local heat fluxes in steady laminar boundary layer diffusion flames.</a> Combust. Flame. 162 (5), 2214-2230 (2015).</li>
<li>Singh, A. V., Gollner, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Local+burning+rates+and+heat+flux+for+forced+flow+boundary-layer+diffusion+flames%5BTitle%5D)+AND+%22AIAA+J%22%5BJournal%5D)">Local burning rates and heat flux for forced flow boundary-layer diffusion flames.</a> AIAA J. 54 (2), 408-418 (2016).</li>
<li>Collis, D., Williams, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two-dimensional+convection+from+heated+wires+at+low+Reynolds+numbers%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Two-dimensional convection from heated wires at low Reynolds numbers.</a> J. Fluid Mech. 6 (3), 357-384 (1959).</li>
<li>Jakob, L. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aJakob%2C+LM+%22Heat+Transfer%22">Heat Transfer</a>. , Wiley. New York, USA. (1967).</li>
<li>Sforza, P., Steiger, M., Trentacoste, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Studies+on+three-dimensional+viscous+jets%5BTitle%5D)+AND+%22AIAA+J%22%5BJournal%5D)">Studies on three-dimensional viscous jets.</a> AIAA J. 4 (5), 800-806 (1966).</li>
<li>Pizzo, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+observations+on+the+steady-state+burning+rate+of+a+vertically+oriented+PMMA+slab%5BTitle%5D)+AND+%22Combust.+Flame%22%5BJournal%5D)">Experimental observations on the steady-state burning rate of a vertically oriented PMMA slab.</a> Combust. Flame. 152 (3), 451-460 (2008).</li>
<li>Chilton, T. H., Colburn, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mass+transfer+%28absorption%29+coefficients+prediction+from+data+on+heat+transfer+and+fluid+friction%5BTitle%5D)+AND+%22Ind.+Eng.+Chem%22%5BJournal%5D)">Mass transfer (absorption) coefficients prediction from data on heat transfer and fluid friction.</a> Ind. Eng. Chem. 26 (1), 1183-1187 (1934).</li>
<li>Silver, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+the+Reynolds+analogy+to+combustion+of+solid+fuels%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Application of the Reynolds analogy to combustion of solid fuels.</a> Nature. 165, 725-726 (1950).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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.

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.

<table><tbody><tr><td colspan="4"><mocne>Termopary ze złączami i zaciskami</td></tr><tr><td>Unsheathed Fine Gauge T/C</td><td>P13R-002</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Mikrotermopary drobnodrutowe (typ R)</td></tr><tr><td>Nieosłonięty drobny miernik T/C</td><td>P13R-003</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Mikrotermopary drobnodrutowe (typ R)</td></tr><tr><td>Ceramika 2 otwory okrągłe - 5 sztuk</td><td>TRX-010364-6</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Rurki ceramiczne do mocowania termopar z cienkiego drutu</td></tr><tr><td>Przedłużacz termopary</td><td>EXTT-RS-24-100</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Przedłużacz termopary</td></tr><tr><td>Złącza męskie żeńskie</td><td>SHX-R/S-MF</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Złącza do termopar typu R&nbsp;</td></tr><tr><td>Akcesoria</td><td>MSRT-116-10</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Gumowe rurki do utrzymania przyczepności rurek ceramicznych na końcu złączy</td></tr><tr><td colspan="4">Mechanizm poprzeczny</td></tr><tr><td>X slide, skok = 10 cali, 0.025 in/rev, limity, NEMA 17</td><td>XN10-0100-E25-71</td><td>Velmex Inc.</td><td>Velmex unislide</td></tr><tr><td>Vexta typ 17, 1,8 st./krok 2-fazowy, jednowałowy silnik krokowy</td><td>PK245-01AA</td><td>Velmex Inc.</td><td>Silnik krokowy&nbsp;</td></tr><tr><td>Knaga montażowa, standardowo za pomocą 6-32</td><td>XMC-2</td><td>Velmex Inc.</td><td>Akcesoria montażowe do danego Velmex unislide</td></tr><tr><td>Śruba z walcowym 6-32 x 7/16 SH do Xslide w X i Oś Y</td><td>XMB-1</td><td>Velmex Inc.</td><td>Akcesoria montażowe do danego Velmex unislide</td></tr><tr><td>Suwak X, skok = 10 cali, 0,025 cala/obr, limity, NEMA 17</td><td>XN10-0100-E25-71</td><td>Velmex Inc.</td><td>Velmex unislide</td></tr><tr><td>Vexta typ 17, 1,8 st./krok 2-fazowy, jednowałowy silnik krokowy</td><td>PK245-01AA</td><td>Velmex Inc.</td><td>Silnik krokowy&nbsp;</td></tr><tr><td>Knaga montażowa, standardowo za pomocą 6-32</td><td>XMC-2</td><td>Velmex Inc.</td><td>Akcesoria montażowe do danego Velmex unislide</td></tr><tr><td>Śruba z walcowym 6-32 x 7/16 SH do Xslide w X i Oś Y</td><td>XMB-1</td><td>Velmex Inc.</td><td>Akcesoria montażowe do danego Velmex unislide</td></tr><tr><td>Sterowanie, 2-osiowe programowalne sterowanie silnikiem krokowym, 1 silnik na raz</td><td>VXM-2</td><td>Velmex Inc.</td><td>Sterownik silnika krokowego</td></tr><tr><td>komunikacyjny USB do RS232 DB9 10 stóp</td><td>RPC-USB-RS232-3M</td><td>Velmex Inc.</td><td>Szeregowy komunikacyjny pomiędzy sterownikiem silnika krokowego a&nbsp; komputerem</td></tr><tr><td colspan="4">Sprzęt do akwizycji danych</td></tr><tr><td>NI 9214 16-kanałowy izotermiczny TC, 24-bitowy moduł serii C do bardzo dokładnych pomiarów termopar (zawiera listwę zaciskową)</td><td>781510-01</td><td>National Instruments</td><td>Karta pozyskiwania danych termopary</td></tr><tr><td>Przewód zasilający, AC, USA, 120 VAC, 2,3 metra</td><td>763000-01</td><td>National Instruments</td><td>Przewód zasilający do 8-slotowej obudowy</td></tr> <tr><td>C-DAQcDAQ-9178, Obudowa CompactDAQ (8 gniazd USB)</td><td>781156-01</td><td>Obudowa National Instruments</td><td>C-DAQ dla NI 9214 i NI 9239</td></tr><tr><td>Ferryt tłumiący EMI dla NI 9229/39 BNC</td><td>782801-01</td><td>National Instruments</td><td>Akcesoria do karty danych NI 9239</td></tr><tr><td>NI 9239 BNC, 4-kanałowa +/-10&nbsp; V, 50&nbsp; kS&#8288;/&#8288; s na kanał</td><td>780181-01</td> Karta pozyskiwania danych <td>National Instruments</td><td>do systemu anemometru z gorącym drutem</td></tr><tr><td>cDAQ-9171, obudowa CompactDAQ (1 gniazdo USB)</td><td>781425-01</td><td>Obudowa National Instruments</td><td>C-DAQ dla NI 9214&nbsp;</td></tr><tr><td colspan="4"><silne>Aparaty</td></tr><tr><td>Nikon D7100 24,1 MP CMOS formatu DX z 18-105&nbsp; mm f/3.5-5.6 AF-S DX VR ED Obiektyw Nikkor</td><td>Nikon D7100</td><td>Amazon</td><td>Digital SLR do robienia zdjęć płomieni z widokiem z góry</td></tr><tr><td>Canon EOS Rebel T5 DSLR CMOS Cyfrowa lustrzanka jednoobiektywowa i obrazowanie DIGIC z EF-S 18-55&nbsp; Obiektyw mm f/3.5-5.6 IS Canon</td><td>EOS Rebel T5 DSLR&nbsp;</td><td>Amazon</td><td>Lustrzanka cyfrowa do robienia zdjęć</td></tr><tr> płomieni w widoku bocznym<td colspan="4"><silny>Bilans masy</silny></td></tr><tr><td>Mettler-Toledo, MS32001L Balance Prec 32,200&nbsp; g x 0,1&nbsp; g</td><td>97035-654</td><td></td><td>VWR Precyzyjny elektroniczny bilans masy do pomiaru średniej szybkości</td></tr><tr> spalania masy<td colspan="4">Mini system CTA</td></tr><tr><td>MiniCTA Anemometr Pakiet do sond drutowych i foliowych</td><td>9054T0461</td><td>Dantec Dynamics</td><td>System gorących przewodów do pomiaru prędkości i intensywności turbulencji na wylocie</td></tr><tr> z tunelu aerodynamicznego<td colspan="4">Wyposażenie tunelu aerodynamicznego</td></tr><tr><td>1/2 cala x 4 stopy x 8 stóp C-3 Cały kawałek Brzoza Sklejka domowa</td><td>Model # 833185</td><td>Home Depot</td><td>Służy do produkcji tunelu aerodynamicznego w skali laboratoryjnej</td></tr><tr><td>Woodgrain Millwork WM 206 11/16 cala x 11/16 cala x 96 cala. Listwa narożna z drewna sosnowego</td><td>model # 109610</td><td>Home Depot</td><td>Służy do wykonania tunelu aerodynamicznego w skali laboratoryjnej</td></tr><tr><td>Sprężyna naciągowa, końcówki pętli, długość całkowita 6,562 cala, zestaw 6 sztuk</td><td>1330K26</td><td>McMaster-Carr</td><td>Służy do produkcji tunelu aerodynamicznego w skali laboratoryjnej</td></tr><tr><td>Sitko Tkanina druciana, siatka 30x30, średnica drutu 0,0130". Arkusz 12 "x12"</td><td>9241T41</td><td>McMaster-Carr</td><td>Służy do wykonania tunelu aerodynamicznego w skali laboratoryjnej</td></tr><tr><td>Tkanina druciana klasy sitowej, siatka 40x40, średnica drutu 0,0065". Arkusz 12"x12"</td><td>9241T42</td><td>McMaster-Carr</td><td>Służy do produkcji tunelu aerodynamicznego w skali laboratoryjnej</td></tr><tr><td>Mobilny stół podnośny obsługiwany nogą, pojemność 600 #, 10 "- 33" Wysokość stołu</td><td>2791T22</td><td>McMaster-Carr</td><td>Stół do przechowywania zestawu</td></tr> <tr><td>eksperymentalnegoebm-papst p/n: G3G250-MW75-05 (EC Dmuchawa odśrodkowa, 200-240&nbsp; V, 3-fazowe, 50/60&nbsp; Hz, silnik M3G112-EA, 2.2&nbsp; kW)</td><td>G3G250-MW75-05</td><td>Ebm papst</td><td>Dmuchawa do tunelu aerodynamicznego</td></tr><tr><td>ebm-papst p/n: HX0C-003-000-04 (Sterownik)</td><td>HX0C-003-000-04</td><td>Ebm papst</td><td>Regulator modulacji szerokości impulsu do sterowania prędkością dmuchawy</td></tr><tr><td>8020 1" X 1" PROFIL Z ROWKIEM TEOWYM&nbsp;</td><td>8020-1010</td><td>80/20 (Rankin Automation)</td><td>Służy do tworzenia ram dla tunelu aerodynamicznego</td></tr><tr><td>Uszczelniacz silikonowy Momentive/GE RTV108, wkład 10,1 uncji, półprzezroczysty</td><td>7545A472</td><td>McMaster Carr</td><td>Uszczelniacz do drewna</td></tr><tr><td colspan="4">Software</td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>Skontaktuj się z dostawcą</td><td>National Instruments</td><td>Służy do ciągłego pozyskiwania i analizy danych o temperaturze. Alternatywnie służy do pozycjonowania termopary.</td></tr><tr><td>Oprogramowanie do bilansowania masy METTLER TOLEDO</td><td>Skontaktuj się z dostawcą</td><td>Mettler Toledo</td><td>Służy do pomiaru szybkości utraty masy skondensowanego paliwowego / solidnej płyty z czasem</td></tr><tr><td>ImageJ</td><td>Bezpłatne pobieranie</td><td>NIH, http://imagej.nih.gov/ij/</td> <td>Służy do pomiaru odległości dystansu płomienia i regresji powierzchniowej płyty na paliwo stałe</td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Skontaktuj się z dostawcą</td><td>Mathworks</td><td>Służy do przetwarzania końcowego danych</td></tr><tr><td>Fortran 90/95</td><td>Skontaktuj się z dostawcą</td><td>Firma Fortran</td><td>Służy do końcowego przetwarzania danych</td></tr><tr><td colspan="4">Materials</td></tr><tr><td>Methanol&nbsp;</td><td>UMD Chem Store</td><td>NA</td><td>Paliwo płynne</td></tr><tr><td>Etanol&nbsp;</td><td>UMD Chem Store</td><td>NA</td><td>Okulary ochronne na paliwo</td></tr><tr><td>płynne</td><td>UMD Chem Store</td><td>NA</td><td>Używany do celów bezpieczeństwa</td></tr><tr><td>Butelka z rozpylaczem</td><td>UMD Chem Store</td><td>NA</td><td>Służy do przenoszenia wody w nagłych wypadkach</td></tr><tr><td>Strzykawka 60 cc</td><td>UMD Chem Store</td><td>NA</td><td>Służy do namaczania paliwa płynnego paliwami płynnymi</td></tr><tr><td>Optycznie przezroczysty odlew akrylowy, grubość 1/8 ", 24" x 48"</td><td>Mc master carr</td><td>8560K262</td><td>Paliwo stałe PMMA</td></tr><tr><td>Loctite Proxy Pak (klej wysokotemperaturowy)</td><td>Mc master carr</td><td>7556A33</td><td>Służy do pokrywania boków folią aluminiową</td></tr><tr><td>Farba w aerozolu Hi-Temp ()</td><td>Mc master carr</td><td>7832T1</td><td>Służy do malowania izolacji&nbsp;</td></tr><tr><td>Samozapalająca się ekonomiczna latarka na gaz propan Regulowany płomień, 4,179&nbsp; Btu/hr</td><td>Mc master carr</td><td>78245A3</td><td>Palnik propanowy do zapalania płyty paliwa stałego</td></tr><tr><td>Żaroodporna rękawica bawełniana z powłoką nitrylową, 400 stopni F Max Temp, 10" Lg, duży</td><td>Mc master carr</td><td>56025T1</td><td>Używany do celów bezpieczeństwa</td></tr><tr><td>Modułowy ekran ochronny z kurtyną wiązaną, 6'&nbsp; Wysokość x 4'&nbsp; Szerokość Odporne na ścieranie włókno szklane</td><td>Mc master carr</td><td>9145T84</td><td>Ognioodporna kurtyna na tło</td></tr><tr><td>Uniwersalny stop aluminium 6061 o grubości 125 cali, 12 "x 24"</td> <td>Mc master carr</td><td>89015K28</td><td>Służy do przytrzymywania izolacji</td></tr><tr><td>Sklejka morska o grubości 1/2 cala, 12 "x 24"</td> <td>Mc master carr</td><td>1125T32</td><td>Służy do trzymania zestawu</td></tr> <tr><td>eksperymentalnegoUniwersalny kanał U ze stopu aluminium 6061, podstawa 2" x nogi 1-1/4", długość 1 '</td>Mc <td>master carr</td><td>1630T473</td><td>Służy do trzymania aluminiowej płyty, izolacji i</td></tr><tr><td>Architektoniczne anodowane aluminium (stop 6063) Kąt 90 stopni, 1/8" Thk, nogi 1/2" x 1/2", 6' L</td><td>Mc master carr</td><td>4630T21</td><td>Służy do trzymania płyty aluminiowej, izolacja i</td></tr><tr><td>Aluminiowy calowy system ramowy z rowkiem w kształcie litery T Ukryte złącze 90 stopni, do wytłaczania 1"</td><td>Mc master carr</td><td>47065T155</td><td>Służy do przytrzymywania aluminiowej płyty, izolacji i</td></tr><tr><td>Aluminiowy calowy system ramowy z rowkiem w kształcie litery T Przedłużony wspornik 90 stopni, pojedynczy, 4 otwory, do wytłaczania 1"</td><td>Mc master carr</td><td>47065T175</td><td>Służy do przytrzymywania aluminiowej płyty, izolacji i</td></tr><tr><td>Aluminiowy calowy system ramowy z rowkiem T Czteroszczelinowy pojedynczy, 1" solidny profil o długości 4 stóp</td><td>Mc master carr</td><td>47065T101</td><td>Służy do trzymania aluminiowej płyty, izolacji i</td></tr><tr><td>1/2" x 48" x 36" (płyta izolacyjna Superwool 607) 1 karton zawierający 12 arkuszy</td><td>Mccormick Insulation</td><td>Superwool 607&nbsp;</td><td>Materiał izolacyjny do wykonania i uchwytu</td></tr></tbody></table>

metodologia doświadczalna szacowania lokalnych strumieni ciepła i szybkości spalania w stałych płomieniach dyfuzyjnych laminarnej warstwy granicznej

Experimental Methodology for Estimation of Local Heat Fluxes and Burning Rates in Steady Laminar Boundary Layer Diffusion Flames

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.

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.

Metodologia doświadczalna szacowania lokalnych strumieni ciepła i szybkości spalania w stałych płomieniach dyfuzyjnych laminarnej warstwy granicznej

Modeling the realistic burning behavior of condensed-phase fuels has remained out of reach, in part because of an inability to resolve the complex ...

Ogólnym celem tego eksperymentu jest opisanie zastosowania mikrotermopar do szacowania lokalnych gradientów temperatury w powierzchniach skondensowanych paliw dla stacjonarnych laminarnych płomieni dyfuzyjnych warstwy przyściennej. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania z dziedziny nauki o pożarach, takie jak badanie dynamicznych zależności między powierzchnią palnego paliwa skondensowanego a płomieniami w fazie gazowej w laminarnych i turbulentnych warstwach przyściennych. Główną zaletą tej techniki jest możliwość dokładnego pomiaru lokalnych szybkości spalania masy w stacjonarnych laminarnych płomieniach dyfuzyjnych warstwy przyściennej.Procedurę tę zademonstrują Colin Miller i Wei Tang, oboje doktoranci w dziedzinie inżynierii mechanicznej. Do eksperymentów z paliwem ciekłym należy przygotować knot paliwowy z porowatego materiału niepalnego, takiego jak wełna krzemianów ziem alkalicznych.Wypalaj knot przez około 20 minut, używając płomienia dyfuzyjnego z palnika propanowego. Pozwoli to na usunięcie wszystkich organicznych spoiw znajdujących się wewnątrz knota. Następnie nałóż klej wysokotemperaturowy na folię aluminiową i przymocuj folię aluminiową do knota.Górna powierzchnia musi pozostać czysta. W przypadku eksperymentów z paliwem stałym należy przygotować arkusz paliwa stałego o tych samych wymiarach co knot. Aby zamontować paliwo stałe, należy wyciąć długi otwór w arkuszu izolacyjnej płyty z włókna ceramicznego lub użyć porowatego materiału niepalnego uszczelnionego matową czarną farbą wysokotemperaturową.W przypadku eksperymentów z konwekcją swobodną lub wymuszoną, należy ustawić cyfrową lustrzankę w miejscu, z którego widoczna będzie oś centralna paliwa oraz pełny bok płomienia. Dla płomieni konwekcji wymuszonej należy skierować widok na środek próbki paliwa w obszarze o wymiarach 16 na 8 centymetrów, aby możliwe było obliczenie odległości oderwania płomienia w strefie pirolizy. Następnie należy umieścić mechanizm przesuwny nad próbką paliwa.Następnie ostrożnie przymocuj termoparę drutową o grubości 50 mikronów do jego osi poziomej. Następnie włącz programowalny sterownik silnika krokowego, a w przypadku eksperymentów z wymuszonym przepływem podłącz dmuchawę odśrodkową tunelu aerodynamicznego. Następnie ustaw sterownik PWM zgodnie z prędkością dmuchawy.Użyj anemometru drutowego do weryfikacji prędkości przepływu na wylocie tunelu aerodynamicznego. Następnie załóż odzież ochronną i dokonaj końcowych przygotowań do przeprowadzenia testu. Nasącz knot paliwem ciekłym aż do pełnego nasycenia.Następnie ostrożnie umieść nasączony paliwem knot lub płytkę z paliwem stałym w uchwycie do knota. Teraz krytycznie zweryfikuj płaskość powierzchni knota paliwnego za pomocą kątomierza. Następnie sprawdź wagę i zapisz odczyt przed przystąpieniem do testu.Przed zapaleniem paliwa należy sprawdzić wentylację w pomieszczeniu. Wyciąg powinien działać, ale zostać ustawiony tak, aby w minimalnym stopniu zakłócać przepływ powietrza wokół eksperymentu. Przed zapaleniem próbki należy skalibrować kamerę cyfrową za pomocą linijki umieszczonej w miejscu, w którym znajdzie się próbka.Następnie rozpocznij akwizycję danych w oprogramowaniu wagi analitycznej. Teraz ustaw próbkę, a następnie podpal paliwo palnikiem propanowym. W przypadku knotów krótko dotknij powierzchni końcówki płomieniem.W przypadku paliw stałych należy równomiernie przesuwać płomień nad powierzchnią przez 50 do 60 sekund. Po zakończeniu procesu spalania należy zgasić płomień, zdmuchując go. W przypadku paliw stałych należy pozwolić na spalanie przez określony czas.Następnie powtórz proces wypalania kilka razy, stosując ten sam odstęp czasowy. Po zebraniu wszystkich danych z wypalania wyłącz dmuchawę, ustawiając kontroler PWN na zero i odłączając dmuchawę od zasilania. Na koniec wyłącz sterownik silnika krokowego.W ciągu kilku procesów spalania można zmierzyć przyrostową regresję paliwa stałego, aby zweryfikować inne parametry. Po każdym okresie spalania należy przeciąć spalony materiał stały wzdłuż linii środkowej. Następnie należy udokumentować regresję spalania za pomocą fotografii z widoku bocznego.Przeanalizuj zdjęcia widoku bocznego w programie ImageJ. Otwórz je, wybierając Select File, a następnie Open Image. Następnie otwórz zdjęcie linijki, korzystając z opcji Open Calibration Image.Następnie nałóż obraz kalibracyjny na obraz paliwa stałego. Teraz ustaw skalę pomiarową, rysując linię między dwoma punktami o znanej odległości na linijce. Następnie wybierz opcję Set Scale w menu Analyze.W oknie Set Scale wprowadź znaną odległość (Known Distance) linii i kliknij OK. Powtórz ten proces dla nowej linii, aby potwierdzić poprawność skali pomiarowej. Następnie mierz odległości na fotografii próbki, rysując linię, a następnie odczytaj kąt i odległość w pasku stanu. Po naciśnięciu Control M dane zostaną zapisane w oknie danych.Regresję spalania oblicza się jako różnicę między początkową grubością próbki a jej aktualną grubością. Należy zwrócić uwagę na przedział czasowy, w którym powierzchnia paliwa pozostaje w przybliżeniu płaska. Regresję spalania z tego okresu należy wykorzystać do porównania z mapowaniem temperatury lub do korekty pozycji termopar w celu skompensowania regresji powierzchni.Aby przeprowadzić mapowanie temperatury, należy starannie wyrównać mikrotermoparę z powierzchnią paliwa za pomocą przesuwu X-Y. Umieść ją w centrum knota w przypadku próbki stałej. W przypadku knota paliwowego użyj przesuwu X-Y, aby precyzyjnie ustawić mikrotermoparę wzdłuż krawędzi natarcia.Kluczowe jest, aby termopara była idealnie rozmieszczona na powierzchni próbki. Jeśli zostanie przesunięta, wszystkie pomiary będą obarczone określonym błędem. Dla zapewnienia dokładnych pomiarów musi ona znajdować się jak najbliżej powierzchni paliwa.W skrypcie Velmex ustaw interwał mapowania temperatury podczas stabilnego spalania na 150 s dla litego PMMA lub na 400 s dla knotów nasączonych cieczą. Ustaw wielkość kroku, mierzoną na powierzchni próbki, tak aby zbierać dane co ćwierć milimetra. Ustaw częstotliwość próbkowania w zakresie od 100 do 500 hertz.Jeśli powierzchnia ulegnie odkształceniu w granicach błędów pomiarowych podczas mapowania, wyniki przestaną być wiarygodne, dlatego kluczowe jest prawidłowe ustawienie okresu i odstępów pomiarowych. Przystępując do eksperymentu z wypalaniem, uruchom program akwizycji danych w taki sposób, aby odczytywał on algorytm skanowania siatki z folderu na pulpicie. Po uruchomieniu programu dane będą zapisywane automatycznie po wyzwoleniu przez moduł akwizycji danych w programie LabVIEW.Zmierzono szybkość ubytku masy oraz profile temperatury w warstwie przyściennej płomienia dyfuzyjnego z wymuszoną konwekcją dla próbek PMMA. Wyniki wykazują, że dzięki zastosowaniu mikrotermopar oraz metody korekcji promieniowania z dwóch termopar możliwe było precyzyjne uchwycenie temperatury w pobliżu powierzchni paliwa przy niewielkich błędach. Bezwymiarowe gradienty temperatury wzdłuż powierzchni paliwa w warstwie przyściennej płomienia dyfuzyjnego PMMA zmierzono przy dwóch prędkościach przepływu powietrza.Zmierzono również zmienność lokalnych szybkości spalania masy w różnych warunkach stumienia. Lokalne szybkości spalania masy uzyskane poprzez bezwymiarowe gradienty temperatury porównano z danymi eksperymentalnymi uzyskanymi poprzez regresję powierzchni PMMA. Wykazano bardzo dobrą zgodność.Składniki strumieni ciepła płomienia zostały zbadane bardziej szczegółowo przy wymuszonym przepływie wynoszącym 2,06 m/s. Szczegółowość pomiarów temperatury w pobliżu powierzchni umożliwiła wyznaczenie konwekcyjnych strumieni ciepła, które w połączeniu z szybkościami ubytku masy powierzchni dostarczyły wszystkich składników spalania do analizy lokalnej. Po opanowaniu techniki tej, może ona być przeprowadzona w ciągu kilku minut dla każdej próbki paliwa.Po przeprowadzeniu tej procedury można wykonać analizę lokalnych szybkości spalania masy oraz wymiany ciepła, aby lepiej zrozumieć procesy spalania materiałów i zweryfikować kody numeryczne. Należy pamiętać, że praca z takimi płomieniami może być niezwykle niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej procedury zawsze należy przestrzegać środków ostrożności, takich jak stosowanie okularów ochronnych, praca w dobrze wentylowanych pomieszczeniach oraz upewnienie się, że spalane materiały są nietoksyczne.

experimental-methodology-for-estimation-local-heat-fluxes-burning

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Pobieranie próbek gazu z płomieni na skalę laboratoryjną z analizą online wszystkich gatunków za pomocą spektrometrii mas to skuteczna metoda badania złożonej mieszaniny związków chemicznych występujących podczas procesów spalania. W połączeniu z przestrajalną miękką jonizacją za pomocą generowanego przez synchrotron promieniowania próżniowo-ultrafioletowego, technika ta dostarcza informacji o rozdzielczości izomerów i potencjalnie wolnych od fragmentów widm masowych.

Eksperymenty z płomieniem w zaawansowanym źródle światła: nowe spojrzenie na procesy tworzenia sadzy

Opracowanie nowych materiałów ablacyjnych i ich modelowanie numeryczne wymaga szeroko zakrojonych badań eksperymentalnych. Protokół ten opisuje procedury charakterystyki odpowiedzi materiału w przepływach plazmy, przy czym podstawowe techniki są nieinwazyjnymi metodami śledzenia recesji materiału wraz z chemią w reaktywnej warstwie granicznej za pomocą spektroskopii emisyjnej.

Badanie warstwy granicznej metodą spektroskopowej emisji podczas badania materiału ablacyjnego w plazmatronie

Protokół tworzenia modelu spalin spalinowych bogatych w paliwo jest rozwijany poprzez charakterystykę spalania i jest stosowany do testowania i badań ogniw paliwowych wspomaganych płomieniem mikrorurowym.

Charakterystyka spalania i opracowanie modelu paliwa dla mikrorurowych ogniw paliwowych wspomaganych płomieniem

Ten protokół opisuje eksperymenty w tunelu aerodynamicznym mające na celu zbadanie przejścia ognia z ziemi na baldachim krzewów chaparral.

Eksperymenty w tunelu aerodynamicznym w celu zbadania pożarów korony Chaparral

Przedstawiono badanie chemii spalania oksydacyjnego nowych biopaliw, składników paliw lub paliw do silników odrzutowych poprzez porównanie ilościowych danych specjacyjnych. Dane mogą być wykorzystane do walidacji modelu kinetycznego i umożliwiają strategię oceny paliwa. Manuskrypt ten opisuje atmosferyczny reaktor przepływowy o wysokiej temperaturze i demonstruje jego możliwości.

Chemia spalania paliw: ilościowe dane specjacyjne uzyskane z atmosferycznego wysokotemperaturowego reaktora przepływowego ze sprzężonym spektrometrem mas z wiązką molekularną

Tutaj prezentujemy protokół do jednoczesnego badania łatwopalności i efektywności spalania świeżej i zwietrzałej ropy naftowej w warunkach, które symulują operacje spalania in situ na morzu.

Procedura doświadczalna dla badań laboratoryjnych spalania in situ: palność i efektywność spalania ropy naftowej

Ten manuskrypt opisuje metody mające na celu pomiar lokalnych współczynników chwilowej konwekcyjnej wymiany ciepła w jednofazowym lub dwufazowym przepływie rurowym. Przedstawiono również prostą metodę optyczną służącą do wyznaczania długości i prędkości rozchodzenia się wydłużonego (Taylora) pęcherzyka powietrza poruszającego się ze stałą prędkością.

Pomiary lokalnej chwilowej konwekcyjnej wymiany ciepła w rurze - przepływ jednofazowy i dwufazowy

Technika gradientów dyfuzyjnych w cienkich warstwach (DGT) jest proponowana do badań specjacyjnych plutonu. Protokół ten opisuje eksperymenty dyfuzyjne badające zachowanie Pu(IV) i Pu(V) w obecności materii organicznej. DGT rozmieszczone w źródle krasowym pozwalają na ocenę biodostępności Pu.

Pomiary specjacji i biodostępności plutonu środowiskowego z wykorzystaniem dyfuzji w cienkich warstwach

Przedstawiono protokół pomiaru szybkości odgazowywania wodoru ze zwykłych stalowych komór próżniowych przy użyciu metody szybkości wzrostu ciśnienia.

Pomiar szybkości odgazowywania stali

Przedstawiono eksperymentalny protokół do oprzyrządowanego formowania na ciepło odlewanych stopów aluminium przy użyciu specjalnie zaprojektowanego urządzenia na skalę przemysłową. Omówiono rozważania eksperymentalne, w tym efekty termiczne i mechaniczne, a także podobieństwa z pełnoskalowym przetwarzaniem kół samochodowych.

Procedura doświadczalna przędzenia na ciepło elementów odlewanych z aluminium

Poznaj metodę mikrotermopar do pomiaru lokalnych gradientów temperatury w laminarnych płomieniach dyfuzyjnych warstwy granicznej. Technika ta umożliwia precyzyjne szacowanie lokalnych strumieni ciepła i szybkości spalania w badaniach nad dynamiką ognia.

Metodologia doświadczalna szacowania lokalnych strumieni ciepła i szybkości spalania w stałych płomieniach dyfuzyjnych laminarnej warstwy granicznej (Wideo) | JoVE Journal

Metodologia doświadczalna szacowania lokalnych strumieni ciepła i szybkości spalania w stałych płomieniach dyfuzyjnych laminarnej warstwy granicznej

Przeglądaj więcej filmów