Metodologia doświadczalna szacowania lokalnych strumieni ciepła i szybkości spalania w stałych płomieniach dyfuzyjnych laminarnej warstwy granicznej
1 czerwca 2016
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.
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.
Przegląd
Niniejsze badanie opisuje zastosowanie mikrotermopar do szacowania lokalnych gradientów temperatury w stacjonarnych laminarnych płomieniach dyfuzyjnych warstwy przyściennej. Metoda ta umożliwia dokładny pomiar lokalnych szybkości spalania masy oraz strumieni ciepła, co przyczynia się do postępów w nauce o pożarach.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nauka o pożarach
- Analiza termiczna
- Dynamika spalania
Wstęp
- Zrozumienie gradientów temperatury jest kluczowe w badaniach nad spalaniem.
- Lokalne pomiary temperatury mogą dostarczyć informacji o szybkościach spalania masy.
- Mikrotermopary zapewniają wysoką dokładność odczytów temperatury.
- Technika ta może poszerzyć wiedzę na temat zachowania płomienia w różnych warunkach.
Cel badania
- W celu dokładnego pomiaru lokalnych gradientów temperatury w płomieniach dyfuzyjnych.
- W celu zbadania zależności między powierzchniami skondensowanego paliwa a płomieniami w fazie gazowej.
- W celu udoskonalenia metodologii oceny strumieni ciepła w procesach spalania.
Zastosowane metody
- Przygotowanie knotów paliwowych oraz próbek paliwa stałego.
- Wykorzystanie aparatów cyfrowych do gromadzenia danych wizualnych.
- Zastosowanie programowalnych silników krokowych do precyzyjnego pozycjonowania termopar.
- Akwizycja danych dotyczących szybkości ubytku masy oraz mapowania temperatury.
Główne wyniki
- Pomyślny pomiar lokalnych gradientów temperatury z wykorzystaniem mikrotermopar.
- Dokładne oszacowanie szybkości spalania masy w laminarnych warstwach przyściennych.
- Walidacja metod eksperymentalnych poprzez powtarzalne testy spalania.
- Wgląd w dynamikę oddziaływań płomienia z powierzchniami paliwa.
Wnioski
- Metoda mikrotermopary jest skuteczna w badaniu zjawisk spalania.
- Wyniki przyczyniają się do głębszego zrozumienia dynamiki pożaru.
- Niniejsze badania mogą stanowić podstawę do opracowania protokołów bezpieczeństwa oraz poprawy wydajności spalania.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niniejsza metodologia umożliwia precyzyjny pomiar lokalnych gradientów temperatury oraz szybkości spalania masy w laminarnych płomieniach dyfuzyjnych warstwy przyściennej, dostarczając danych ilościowych niezbędnych do walidacji modeli spalania i oceny charakterystyki palności paliwa. Technika ta wspiera mechanistyczną redukcję ryzyka we wczesnych etapach oceny bezpieczeństwa materiałów poprzez powiązanie zachowania pirolizy powierzchniowej z dynamiką płomienia w fazie gazowej. Takie spostrzeżenia zwiększają pewność predykcyjną w procesach doboru materiałów i analizy zagrożenia pożarowego w ramach potoków badawczo-rozwojowych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie dynamiki regresji powierzchni paliwa w kontrolowanych warunkach przepływu w celu wyjaśnienia mechanizmów pirolizy.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalne pomiary lokalnej szybkości spalania masy, które wspierają funkcjonalną walidację stabilności termicznej paliwa.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Generuje zestandaryzowane profile gradientu temperatury, które służą jako ilościowe odczyty do porównywania charakterystyki spalania paliw.
- Wartość operacyjna: Ułatwia przygotowanie analizy poprzez zautomatyzowane mapowanie trajektorii i akwizycję danych z termopar z korekcją radiacyjną.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wspiera modelowanie układów istotnych dla chorób, umożliwiając kontrolowane badanie oddziaływań płomienia z paliwem w laminarnych warstwach przyściennych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia ciągłość od etapu odkrycia po walidację przedkliniczną poprzez powtarzalną analizę regresji spalania i strumienia ciepła.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z procesami badawczymi, dostarczając lokalnych danych o utracie masy i efektach termicznych, które pozwalają na wczesne określenie zagrożeń oraz przewidywanie właściwości materiałów.
- Biologia odkrywcza: Wspiera weryfikację hipotez dotyczących mechanizmów regresji powierzchni przy zmiennych warunkach przepływu dzięki precyzyjnemu mapowaniu gradientów temperatury.
- Przesiewanie: Dostarcza gotowych do analizy, powtarzalnych wyników poprzez standaryzowany krok przesuwania oraz wysokoczęstotliwościowe próbkowanie temperatury.
- Analityka: Zapewnia pomiary bezwymiarowego gradientu temperatury oraz szybkości spalania masy, co umożliwia porównywanie różnych warunków i walidację modeli.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość przedkliniczną poprzez walidację podejść eksperymentalnych w oparciu o dane dotyczące regresji powierzchni w celu dostosowania postępów prac do poziomu ryzyka.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy możliwość wielokrotnego wykorzystania zautomatyzowanego, wysokorozdzielczego mapowania termicznego w obszarze przyściennym dla różnych rodzajów paliw i warunków przepływu.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną w modelowaniu oddziaływań płomień-paliwo dzięki zwalidowanym szacunkom lokalnego strumienia ciepła i szybkości spalania.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację i powtarzalność dzięki sterowanemu komputerowo przesuwowi oraz pomiarom mikrotermoparami z korektą radiacyjną.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji go/no-go w screeningu materiałów poprzez redukcję niepewności w prognozach degradacji termicznej.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację formulacji paliw z uwzględnieniem ryzyka w oparciu o ilościowe określenie zachowania spalania w warunkach laminarnej warstwy przyściennej.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie technik pomiarów termicznych oraz eksperymentalnych układów spalania.
- Wymaga aparatury, w tym mikrotermopar, dwuosiowego systemu przesuwnego, programowalnego silnika krokowego oraz modułu akwizycji danych.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej w celu zapewnienia spójnego pozycjonowania sond, korekcji promieniowania oraz protokołów pomiaru czasu spalania.
- Obejmuje kwestie adaptacji do różnych geometrii paliw, utrzymania płaskości powierzchni oraz tolerancji odkształceń podczas mapowania.
- Ograniczone przez przejściowe okno stabilnego spalania paliw skondensowanych, co wymaga szybkiego, zautomatyzowanego rejestrowania danych w celu zapewnienia ich poprawności.
