Экспериментальная методика оценки тепловых потоков и локальной скорости горения в установившемся ламинарном пограничном слое диффузионных пламен

Общая цель данного эксперимента заключается в описании использования микротермопар для оценки локальных градиентов температуры на поверхностях конденсированного топлива при стационарных ламинарных диффузионных пламенах в пограничном слое. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области пожарной безопасности, такие как изучение динамической взаимосвязи между горючей поверхностью конденсированного топлива и фазой газопламени в ламинарных и турбулентных пограничных слоях. Основным преимуществом данной методики является возможность точного измерения локальной скорости выгорания массы в стационарных ламинарных диффузионных пламенах в пограничном слое.

Эту процедуру продемонстрируют Колин Миллер и Вэй Тан, аспиранты в области машиностроения. Для экспериментов с жидким топливом подготовьте топливный фитиль из пористого негорючего материала, например, из силикатной ваты щелочноземельных металлов.

Прокаливайте фитиль около 20 минут в диффузионном пламени пропановой горелки. Это позволит выжечь все органические связующие внутри фитиля. Затем нанесите высокотемпературный клей на алюминиевую фольгу и закрепите фольгу на фитиле.

Верхняя часть должна оставаться чистой. Для экспериментов с твердым топливом подготовьте пластину твердого топлива тех же размеров, что и фитиль. Для установки твердого топлива прорежьте длинный паз в листе изоляционной плиты из керамического волокна или используйте пористый негорючий материал, покрытый высокотемпературной матовой черной краской.

Для экспериментов как со свободной конвекцией, так и с принудительным потоком установите цифровой однообъективный зеркальный фотоаппарат так, чтобы в поле зрения находилась центральная ось топлива и вся боковая сторона пламени. При принудительной конвекции пламени запечатлейте центр образца топлива в области размером 16 на 8 сантиметров, чтобы можно было рассчитать расстояние отрыва пламени в зоне пиролиза. Затем расположите механизм перемещения над образцом топлива.

Затем осторожно прикрепите термопару с проволокой толщиной 50 micron к её горизонтальной оси. После этого включите программируемый контроллер шагового двигателя и, для экспериментов с принудительным потоком, подключите центробежный нагнетатель аэродинамической трубы. Затем настройте ШИМ-контроллер в соответствии со скоростью нагнетателя.

Используйте термоанемометр для проверки скорости потока на выходе из аэродинамической трубы. Затем наденьте средства индивидуальной защиты и проведите окончательную подготовку к испытанию. Пропитайте фитиль жидким топливом до полного насыщения.

Затем осторожно поместите пропитанный топливом фитиль или пластину из твердого топлива в держатель фитиля. После этого тщательно проверьте плоскостность поверхности топливного фитиля с помощью угломера. Затем проверьте баланс массы и запишите показания перед началом испытания.

Перед поджогом топлива проверьте вентиляцию в помещении. Вытяжка должна работать, но быть настроена так, чтобы минимально нарушать поток воздуха вокруг эксперимента. Перед поджогом образца откалибруйте цифровую камеру с помощью линейки в том месте, где будет размещен образец.

Также запустите сбор данных в программном обеспечении весового контроля. Теперь установите образец и подожгите топливо с помощью пропановой горелки. Для фитилей на мгновение коснитесь пламенем поверхности наконечника.

Для твердых видов топлива равномерно перемещайте пламя по поверхности в течение 50–60 секунд. По истечении периода горения погасите пламя, задув его. В случае с твердым топливом поддерживайте горение в течение установленного времени.

Затем несколько раз повторите процесс сжигания, используя тот же временной интервал. После сбора всех данных о сжигании выключите нагнетатель, установив значение ШИМ-контроллера на ноль и отключив нагнетатель от сети. В завершение выключите контроллер шагового двигателя.

В ходе нескольких циклов горения можно измерить постепенную регрессию твердого топлива для проверки других показателей. После каждого периода горения разрежьте обгоревшее твердое топливо по центральной линии. Затем задокументируйте регрессию горения с помощью фотографии в профиль.

Проанализируйте фотографии вида сбоку в ImageJ. Откройте их через Select File и Open Image. Затем откройте изображение линейки с помощью опции Open Calibration Image.

Затем наложите калибровочное изображение на изображение твердого топлива. Теперь установите масштаб измерения, проведя линию между двумя точками известного расстояния на линейке. После этого выберите «Set Scale» (Установить масштаб) в меню «Analyze» (Анализ).

В окне Set Scale введите известное расстояние (Known Distance) для линии и нажмите OK. Повторите этот процесс с новой линией, чтобы подтвердить правильность измерительного масштаба. Теперь измеряйте расстояния на фотографии образца, проводя линию, и следите за углом и расстоянием в строке состояния. При нажатии Control M данные сохраняются в окне данных.

Регрессия выгорания рассчитывается как разность между начальной толщиной образца и его толщиной в текущий момент. Важно отметить временной интервал, в течение которого поверхность топлива остается примерно плоской. Используйте значение регрессии выгорания за этот период для сравнения с картой распределения температуры или для корректировки положения термопар с целью компенсации регрессии поверхности.

Для проведения картирования температуры с помощью X-Y-перемещателя осторожно выровняйте микротермопару по поверхности топлива. Разместите ее в центре фитиля твердого образца. Для фитиля жидкого топлива используйте X-Y-перемещатель, чтобы аккуратно расположить микротермопару вдоль переднего края.

Крайне важно, чтобы термопара была расположена точно на поверхности образца. В противном случае все измерения будут иметь определенную погрешность. Для получения точных результатов термопара должна находиться максимально близко к поверхности топлива.

В скрипте Velmex установите интервал картирования температуры при стационарном горении на 150 секунд для твердого ПММА или на 400 секунд для пропитанных жидкостью фитилей. Установите шаг измерения на поверхности образца таким образом, чтобы сбор данных происходил каждые 0,25 мм. Установите частоту дискретизации в диапазоне от 100 до 500 Гц.

Если в процессе картирования поверхность деформируется в пределах погрешностей эксперимента, результаты становятся недействительными, поэтому крайне важно правильно установить период и интервал измерений. Теперь при проведении эксперимента по выжиганию запустите программу сбора данных таким образом, чтобы она считывала алгоритм сканирования сетки из папки на рабочем столе. При запущенной программе данные будут записываться автоматически по сигналу модуля сбора данных в LabVIEW.

Для образцов ПММА были измерены скорость потери массы и профили температуры над диффузионным пламенем в пограничном слое при вынужденной конвекции. Результаты показывают, что благодаря использованию микротермопар и метода коррекции излучения двух термопар можно с высокой точностью зафиксировать температуру вблизи поверхности топлива с минимальными погрешностями. Безразмерные градиенты температуры вдоль поверхности топлива в диффузионном пламени пограничного слоя ПММА были измерены при двух скоростях воздушного потока.

Также были измерены изменения локальной скорости выгорания массы при различных условиях свободного потока. Локальные скорости выгорания массы, полученные на основе безразмерных температурных градиентов, были сопоставлены с экспериментальными данными, полученными путем регрессионного анализа поверхности ПММА. Результаты показали очень хорошее соответствие.

Компоненты тепловых потоков пламени были изучены более детально при принудительном потоке со скоростью 2,06 метров в секунду. Детальность температурных измерений вблизи поверхности позволила выделить конвективные тепловые потоки, которые в сочетании со скоростью потери массы поверхности обеспечили получение всех компонентов горения для локального анализа. После освоения этот метод может быть выполнен за несколько минут для каждого образца топлива.

После выполнения данной процедуры можно провести анализ локальной скорости выгорания массы и теплопередачи, чтобы глубже понять особенности горения материалов и верифицировать численные коды. Помните, что работа с таким пламенем может быть крайне опасной, поэтому при выполнении данной процедуры необходимо всегда соблюдать меры предосторожности, такие как использование защитных очков, работа в хорошо проветриваемых помещениях и использование нетоксичных горючих материалов.