We describe the use of micro-thermocouples to estimate local temperature gradients in steady laminar boundary layer diffusion flames. By extension of the Reynolds Analogy, local temperature gradients can be further used to estimate the local mass burning rates and heat fluxes in such flames with high accuracy.
建模凝相燃料的现实燃烧行为仍然够不着,部分原因是因为一个未能解决在气相火焰和凝相燃料之间的界面发生的复杂的相互作用。目前的研究提供了一种技术,探索在层流边界层可燃浓缩燃料表面和气相火焰之间的动态关系。实验先前已在以上固体和液体燃料两者被迫和自由对流的环境下进行。一个独特的方法的基础上,雷诺相似,被用来估计当地质量燃烧率和火焰的热通量为利用当地温度梯度的燃料,这些表面层流边界层扩散火焰。当地质量燃烧速率和从火焰的对流和辐射热反馈通过使用壁邻近映射的温度梯度通过两轴TRAVER同时在热解和羽流区域测量被SE系统。这些实验是费时并且可以挑战以设计为冷凝的燃料表面稳定燃烧为以下点火的时间只有一个有限的时间。燃料表面附近的温度分布需要被稠燃料表面的稳定燃烧过程中以非常高的空间分辨率,以捕捉局部温度梯度的合理估计映射。从热电偶辐射热损失仔细校正也可用于精确测量是至关重要的。由于这些原因,在整个实验装置需要用计算机控制的横移机构是自动化的,从而消除大多数错误由于微热电偶的定位。步骤大纲可重复地捕捉近壁的温度梯度,并用它们来评估当地的燃烧速度和热通量提供。
而关键的进步已经在消防安全研究领域在过去一个世纪已经取得,预计火焰蔓延率仍然为许多材料在不同配置的挑战。火焰蔓延经常进行无论是在建或自然环境一系列新元素的点火,从点火的初始源发射。的个别燃烧材料的燃烧特性的知识是为了预测火焰蔓延的这些速率关键的,因为这有助于以未点燃的元件加热的速率。因此燃料元件的热释放速率(HRR)已被列为在火灾研究1最基本的量,约等于在凝相燃料的燃烧(质量损失)率,即的蒸发速度固体燃料的液体燃料或热解率。
燃烧速度可以被认为是一个母校的可燃性的量度IAL并在火灾危险性分析的关键参数和灭火系统的设计。本地质量损失(或燃烧)率,M“F,A垂直壁的是,特别是,在许多火有关的问题,例如在墙壁上的火焰传播,火灾增长,能量释放率中的一个重要的变量外壳火,烟和热气体羽流的传播有关的垂直壁向上火焰蔓延的预测,火焰高度必须计算,这取决于总的能量释放速率;即,反过来,是直接由影响集成翻墙2-3的整个热解地区的当地质量损失率。虽然这些集成的质量损失率方面的知识都比较熟知,在沿燃面增量位置质量燃烧率的认识不为人所熟知因为实验技术测量这些速率极为有限。提供这种“局部”质量燃烧率的技术信息可以以冷凝燃料的燃烧提供增加的洞察力,使研究人员能够进一步理解其区别不同的燃料或彼此配置的机制。因为大多数材料在小规模的第一评估( 例如,在一锥形量热仪1),逻辑第一步是提供一个技术以测量在小型,层流扩散火焰以上稠燃料表面局部质量燃烧速率。
这里介绍的工作,讨论了关于建立了浓缩燃料表面稳态层火焰进行实验,实验方法和协议。采用微型热电偶局部温度梯度的估计是当地的质量燃烧率和热通量在这些火焰4-6估计的特别有用的技术。文献数据的分析显示了在凝析确定局部传热,燃烧和摩擦系数的困难SED燃料表面,这对于理解物理和驱动一个特定的火,它的传播4-6的底层机制很重要。热流,这仍然可能超过燃料表面局部地区最完善的测量火属性,成分已被证明难以估量。效果,例如燃料的变异性,热通量的可扩展性,实现了稳定状态条件和不同的热通量量规技术的困难已经对数据的一个相当宽的散射这是在文献4可用作出了贡献。局部温度梯度以高精度的测量将有助于缓解这种变化,并且还提供了可用于层状壁火灾,一个典型的火研究问题的数值验证传热关系。这样的实验也在探索在层流和湍流边界层可燃浓缩燃料表面和气相火焰之间的动态关系有用秒。方法以精确和可重复的方式准确地捕捉这些温度梯度在下面描述。
本研究的目标是开发用于局部质量燃烧率下的各种流场条件液体和固体燃料的估计的新方法。这项研究考虑了两种情况下,自由对流边界层扩散火焰和不同的自由流条件下建立强制对流边界层扩散火焰,同时使用液体和固体燃料。
通过细线热电偶测量了两个液体燃料的灯芯浸泡和过PMMA的固板测量局部灼热率被发现匹配估计等手段,即燃料回归测量。使用基于雷诺数类比12-13,虽然需要稳定,层状燃烧,工作非常好为小规模的样品的相关性,确定所述燃料表面附近这些温度梯度,最终导致数据15%的精度为平均结果和多内多为当地measurem经济需求测试4-6。对于这些局部质量损失率的测量相关的因素取决于代表燃料和其可以计算一个先验的燃料的其他热物理性能的斯波尔丁传质数。结果表明,这种技术可以是提取这些量和理解小型燃料的燃烧在未来更详细地是有用的。
在文献中的其他研究已经在这里扩大了代表工作纳入对垂直方向的样品数值模拟4和实验,燃烧自如4,5和环境下风6水平安装的样品。对于这些配置中,热通量的分量也被局部地采用相同的细金属线热电偶技术非常靠近冷凝燃料表面确定在燃料表面上。而热通量的分量已在过去被测量通过使用嵌入式计,THI小号的技术是微创并提供对流热通量,这还不可能之前的直接测量。
应特别注意在实验过程中选择特定的配置和装置的设置时作出。在这些实验中,热电偶选择用于步骤3.2从一个小的陶瓷管伸出,保持在电线上的张力,使热电偶的位置相对固定。使用悬浮在整个火焰无管的热电偶丝将减少从陶瓷管可能的干扰,但它将使定位热电偶的具体位置更变量作为导线趋于随温度扩大。有时在配置改变可以诱导在样品的宽度的影响(例如倾斜样品)。如果安装是从那些在过去的4-6个研究修改,围绕一步4.14偶尔会检查火焰温度MEA在样品的宽度surements显示没有显著变化应采取( 即 ,2维假设仍持有)。否则,一个三维测绘系统将需要实施。
在执行实验中最重要的步骤有准备的燃料和正确使用热电偶要做。在热电偶的定位即使是轻微的偏差可能会造成误差,因此必须小心定位步骤3.2,4.13和4.14热电偶时服用。燃料燃烧芯也必须放置成使得平的表面尽可能保持(步骤2.1)和所有的填充材料应烘烤灯芯(步骤2.1.1)的。
排气系统,在步骤4.1激活也应保持最小或孤立尽可能接近的实验,以帮助消除流动障碍。这应该确保小阳线不是吹的地方测试将发生(无风)进行检查。挡板,屏幕在一大的空间的单独封闭设施或测试可以被用来实现此目的。在步骤4.2中,固体燃料必须尽可能均匀地点燃越好。而丙烷炬是不这样做的最理想的来源,实验没有发现以在过去的工作4-6点火源敏感。敏感性点火源应该在通过改变时间或曝光的强度和观察的稳定质量燃烧速率的实验结果记录在案。如果观察到的灵敏度辐射板应交替使用点燃样品。固体燃料,或通过质量损失率作为观察应该有一个短区域期间拍摄的温度映射不具有大的(> 300秒)稳定燃烧区域的任何燃料。例如,在步骤4.13的映射被推荐用于PMMA被接管的第150秒,而燃料仍然相对平坦和表面回归得到了很好的证明。面回归测量可以用ImageJ或其它类似图像处理软件来测量照片的像素,并转换为长度。可替代地,一个数字千分尺可以被用于测量固体板的表面回归其冷却后(注意的“鼓泡”的材料,如聚甲基丙烯酸甲酯的表面必须打磨第一)。
所提出的燃烧率的相关性是基于层的假设,但是,它是假设,此技术应遵循的燃料表面的紊流燃烧类似的形式,尽管它必须通过实验确定一个修改功能关系。这里提出的工作可随后扩展到湍流边界层燃烧和驱动入射光热通量到燃料表面可以进一步调查湍流和气相放热之间关联的相互作用。
该理论在其燃烧速度相关的基础也忽略了辐射。该理论过于简单化乐ading在其预测能力的不确定性,未涵盖目前的工作情况。例如,给定的方法可能不适合高烟熏火焰工作,其中的热通量的表面主要是辐射。对于大的紊流壁的火焰,在那里的辐射热通量的冷凝燃料表面是高,建议燃烧率的相关性可能会或可能不会起作用。在所提出的相关辐射效应列入是,因此,可取的和进一步的研究,必须以确定这个函数关系进行。本领域需要在模型改进如果确信预测方法可用于这样的火焰来实现。
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to acknowledge financial support for this work from the Minta Martin Foundation at the University of Maryland, College Park.
Thermocouples with connectors and clamps | |||
Unsheathed Fine Gauge T/C | P13R-002 | Omega Engineering, Inc. | Fine wire microthermocouples (R-type) |
Unsheathed Fine Gauge T/C | P13R-003 | Omega Engineering, Inc. | Fine wire microthermocouples (R-type) |
Ceramic 2 hole round -5pk | TRX-010364-6 | Omega Engineering, Inc. | Ceramic tubes to hold the fine wire thermocouples |
Thermocouple extension wire | EXTT-RS-24-100 | Omega Engineering, Inc. | Thermocouple extension wire |
Male Female Connectors | SHX-R/S-MF | Omega Engineering, Inc. | Connectors for R-type thermocouples |
Accessories | MSRT-116-10 | Omega Engineering, Inc. | Rubber tubes for maintaining grip for the ceramic tubes at the connectors's end |
Traverse mechanism | |||
X slide, travel = 10 inch, 0.025 in/rev, limits, NEMA 17 | XN10-0100-E25-71 | Velmex Inc. | Velmex unislide |
Vexta type 17, 1.8 deg/step 2phase, single shaft stepper motor | PK245-01AA | Velmex Inc. | Stepper motor |
Mounting cleat, standard using 6-32 bolts | XMC-2 | Velmex Inc. | Mounting accessories for the given Velmex unislide |
6-32 X 7/16 SH Cap Screw for Xslide in X & Y axis | XMB-1 | Velmex Inc. | Mounting accessories for the given Velmex unislide |
X slide, travel = 10 inch, 0.025 in/rev, limits, NEMA 17 | XN10-0100-E25-71 | Velmex Inc. | Velmex unislide |
Vexta type 17, 1.8 deg/step 2phase, single shaft stepper motor | PK245-01AA | Velmex Inc. | Stepper motor |
Mounting cleat, standard using 6-32 bolts | XMC-2 | Velmex Inc. | Mounting accessories for the given Velmex unislide |
6-32 X 7/16 SH Cap Screw for Xslide in X & Y axis | XMB-1 | Velmex Inc. | Mounting accessories for the given Velmex unislide |
Control, 2 Axis programmable stepping motor control, 1 motor at a time | VXM-2 | Velmex Inc. | Stepper motor controller |
USB to RS232 DB9 Serial Communication cable 10 ft | RPC-USB-RS232-3M | Velmex Inc. | Serial communication cable between the stepper motor controller and computer |
Data acquisition hardware | |||
NI 9214 16-Ch Isothermal TC, 24-bit C Series Module for high accuracy thermocouple measurements (includes terminal block) |
781510-01 | National Instruments | Thermocouple data acquistion card |
Power Cord, AC, U.S., 120 VAC, 2.3 meters | 763000-01 | National Instruments | Power cord for the 8 slot C-DAQ chassis |
cDAQ-9178, CompactDAQ chassis (8 slot USB) |
781156-01 | National Instruments | C-DAQ chassis for NI 9214 and NI 9239 |
EMI Suppression Ferrite for NI 9229/39 BNC | 782801-01 | National Instruments | Accessories for NI 9239 data acquistion card |
NI 9239 BNC, 4-Ch +/-10 V, 50 kS/s per channel | 780181-01 | National Instruments | Data acquistion card for hot wire anemometer system |
cDAQ-9171, CompactDAQ chassis (1 slot USB) | 781425-01 | National Instruments | C-DAQ chassis for NI 9214 |
Cameras | |||
Nikon D7100 24.1 MP DX-Format CMOS Digital SLR with 18-105mm f/3.5-5.6 AF-S DX VR ED Nikkor Lens | Nikon D7100 | Amazon | Digital SLR camera for taking top-view flame photographs |
Canon EOS Rebel T5 DSLR CMOS Digital SLR Camera and DIGIC Imaging with EF-S 18-55mm f/3.5-5.6 IS Lens | Canon EOS Rebel T5 DSLR | Amazon | Digital SLR camera for taking side-view flame photographs |
Mass balance | |||
Mettler-Toledo, MS32001L Balance Prec 32200g x 0.1g | 97035-654 | VWR | Precision electronic mass balance for measuring average mass burning rate |
Mini CTA system | |||
MiniCTA Anemometer Package for wire- and film- probes | 9054T0461 | Dantec Dynamics | Hot wire system for measuring velocities and turbulence intesity at the wind tunnel outlet |
Wind tunnel equipment | |||
1/2 in. x 4 ft. x 8 ft. C-3 Whole Piece Birch Domestic Plywood | Model # 833185 | Home Depot | Used to make the laboratory scale wind tunnel |
Woodgrain Millwork WM 206 11/16 in. x 11/16 in. x 96 in. Wood Pine Corner Moulding | Model # 109610 | Home Depot | Used to make the laboratory scale wind tunnel |
Extension Spring, Loop Ends, 6.562" Overall Length, Pack of 6 | 1330K26 | McMaster-Carr | Used to make the laboratory scale wind tunnel |
Strainer Grade Wire Cloth, 30×30 Mesh, 0.0130" wire diameter. 12"x12" sheet | 9241T41 | McMaster-Carr | Used to make the laboratory scale wind tunnel |
Strainer Grade Wire Cloth, 40×40 Mesh, 0.0065" wire diameter. 12"x12" sheet | 9241T42 | McMaster-Carr | Used to make the laboratory scale wind tunnel |
Mobile Lift Table Foot-Operated, 600# Capacity, 10" – 33" Table Height | 2791T22 | McMaster-Carr | Table to hold the experimental setup |
ebm-papst p/n: G3G250-MW75-05 (EC Centrifugal blower, 200-240V, 3-phase, 50/60Hz, M3G112-EA motor, 2.2kW) | G3G250-MW75-05 | Ebm papst | Blower for the wind tunnel |
ebm-papst p/n: HX0C-003-000-04 (Controller) | HX0C-003-000-04 | Ebm papst | Pulse width modulation controller for controlling the speed of the blower |
8020 1” X 1” T-SLOTTED PROFILE | 8020-1010 | 80/20 (Rankin Automation) | Used to create a framework for the wind tunnel |
Momentive/GE Silicone Sealant RTV108, 10.1-oz Cartridge, Semi-Clear | 7545A472 | McMaster Carr | Sealant for the wood |
Software | |||
LabVIEW | Contact vendor | National Instruments | Used for continuous temperature data acquistion and analysis. Alternatively used for positioning the thermocouple. |
Mettler Toledo mass balance software | Contact vendor | Mettler Toledo | Used for measuring the mass loss rate of the condensed fuel wick / solid plate with time |
ImageJ | Free download | NIH, http://imagej.nih.gov/ij/ | Used for measuring the flame standoff distance and surface regression of the solid fuel plate |
Matlab | Contact vendor | Mathworks | Used for post-processing of data |
Fortran 90/95 | Contact vendor | The Fortran company | Used for post-processing of data |
MATERIALS | |||
Methanol | UMD Chem Store | NA | Liquid fuel |
Ethanol | UMD Chem Store | NA | Liquid fuel |
safety glasses | UMD Chem Store | NA | Used for safety purpose |
spray bottle | UMD Chem Store | NA | Used for carrying water in case of emergency |
Syringe 60 cc | UMD Chem Store | NA | Used for soaking the liquid fuel wick with liquid fuels |
Optically Clear Cast Acrylic Sheet, 1/8" Thick, 24" X 48" | Mc master carr | 8560K262 | Solid fuel PMMA |
Loctite Proxy Pak (Hi-temp adhesive) | Mc master carr | 7556A33 | Used for covering the sides of the wick with aluminum foil |
Hi-Temp Aerosol Spray Paint (Black) | Mc master carr | 7832T1 | Used for painting the insulation |
Self-Igniting Economy Propane Gas Torch Adjustable Flame, 4179 Btu/hr | Mc master carr | 78245A3 | Propane torch for igniting the solid fuel plate |
Heat-Resistant Cotton Glove W/Nitrile Coating, 400 Deg F Max Temp, 10" Lg, Large | Mc master carr | 56025T1 | Used for safety purpose |
Modular Protective Screen with Tie-on Curtain, 6'Height x 4'Width Abrasion-Resistant Fiberglass | Mc master carr | 9145T84 | Fire-resistant curtain for the background |
Multipurpose Aluminium Alloy 6061 .125" thick, 12"X24" | Mc master carr | 89015K28 | Used for holding the insulation |
Marine grade plywood 1/2" thick, 12" X 24" | Mc master carr | 1125T32 | Used for holding the experimental setup |
Multipurpose Aluminium Alloy 6061 U-channel, 2" base X 1-1/4" legs, 1' length | Mc master carr | 1630T473 | Used for holding the aluminum plate, insulation and wick |
Architectural Anodized Aluminium (Alloy 6063) 90 deg angle, 1/8" Thk, 1/2" X 1/2" legs, 6' L | Mc master carr | 4630T21 | Used for holding the aluminum plate, insulation and wick |
Aluminium Inch T-Slotted Framing System Concealed 90 degree connector, for 1" extrusion | Mc master carr | 47065T155 | Used for holding the aluminum plate, insulation and wick |
Aluminium Inch T-Slotted Framing System Extended 90 degree bracket, Single, 4 Hole, for 1" extrusion | Mc master carr | 47065T175 | Used for holding the aluminum plate, insulation and wick |
Aluminium Inch T-Slotted Framing System Four-Slot single, 1" solid extrusion, 4' length | Mc master carr | 47065T101 | Used for holding the aluminum plate, insulation and wick |
1/2" X 48" X 36" (Superwool 607 insulation board) 1 carton containing 12 sheets | Mccormick Insulation | Superwool 607 | Insulation material for making the wick and the wick holder |