Abstract
Gasphasen auftretenden Flammen und in kondensierter Phase Brennstoffe Modellierung des realistischen Brennverhalten von kondensierter Phase Brennstoffen außer Reichweite, zum Teil blieb wegen der Unfähigkeit, an der Schnittstelle zwischen der komplexen Wechselwirkungen zu lösen. Die aktuelle Forschung stellt eine Technik die dynamische Beziehung zwischen einem brennbaren kondensierten Kraftstoffoberfläche und Gasphasen Flammen in laminaren Grenzschichten zu erkunden. Versuche haben bisher in beiden gezwungen und freie konvektive Umgebungen sowohl über feste und flüssige Brennstoffe durchgeführt worden. Eine einzigartige Methodik, basierend auf der Analogie Reynolds wurde verwendet, um lokale Massenverbrennungsraten und Flamme Wärmeflüsse für diese laminaren Grenzschicht Diffusionsflammen zu schätzen lokale Temperaturgradienten an der Kraftstoffoberfläche verwendet. Lokale Massenverbrennungsraten und Konvektionswärme und Strahlungswärme Feedback von den Flammen wurden sowohl in der Pyrolyse und plume Regionen gemessen durch Temperaturgradienten abgebildet in der Nähe der Wand durch eine Zwei-Achsen-Traver mitse-System. Diese Versuche sind zeitaufwendig und kann schwierig sein, zu entwerfen, die kondensierte Kraftstoffoberfläche nur für eine begrenzte Zeit nach der Zündung ständig brennt. Die Temperaturprofile in der Nähe der Kraftstoffoberfläche benötigen während des stationären Verbrennung eines kondensierten Kraftstoffoberfläche mit einer sehr hohen räumlichen Auflösung, um eine angemessene Schätzung der lokalen Temperaturgradienten zu erfassen abgebildet werden. Eine sorgfältige Korrekturen für die Strahlungswärmeverluste aus den Thermoelemente sind auch für genaue Messungen unerlässlich. Aus diesen Gründen muss die gesamte Versuchsaufbau mit einem computergesteuerten Traversenmechanismus automatisiert werden, die meisten Fehler aufgrund der Positionierung einer Mikrothermoelement eliminiert wird. Eine Übersicht über die Schritte reproduzierbar wandnahe Temperaturgradienten zu erfassen und nutzen sie lokale Verbrennungsraten und Wärmeflüsse zu beurteilen, ist vorgesehen.
Introduction
Während kritische Fortschritte haben im Bereich der Brandschutzforschung im vergangenen Jahrhundert, die Vorhersage Raten von Flammenausbreitung bleibt immer noch eine Herausforderung für viele Materialien in den verschiedensten Konfigurationen vorgenommen. Flammenausbreitung verläuft häufig in entweder die eingebauten oder natürlichen Umgebungen als eine Reihe von Zündungen neuer Elemente, ausgehend von einer anfänglichen Zündquelle. Kenntnisse über die Brenneigenschaften der einzelnen Brennmaterialien ist von entscheidender Bedeutung, um diese Sätze von Flammenausbreitung zu prognostizieren, denn dies trägt zu Raten von Erhitzen auf nicht entzündetem Elemente. Die Wärmefreisetzungsrate (HRR) eines Brennelements ist daher als die grundlegendste Menge in Brand Forschung 1 zitiert worden sind, etwa gleich dem Brennen (Massenverlust) Rate der kondensierten Phase Kraftstoff, nämlich die Verdampfungsrate von ein flüssiger Brennstoff oder Pyrolyse Rate eines festen Brennstoffs.
Die Verbrennungsgeschwindigkeit kann als ein Maß für die Entflammbarkeit einer mater gedacht werden,ial und ist ein kritischer Parameter in Brandrisikoanalyse und das Design von Feuerlöschanlagen. Die lokale Massenverlust (oder Brennen) Rate, M "f, einer vertikalen Wand, insbesondere eine wichtige Variable in vielen brandbedingten Probleme, wie die Flammenausbreitung an einer Wand, Feuer Wachstum und Energiefreisetzungsraten innerhalb ein Gehäuse, Feuer, und die Ausbreitung von Rauch und heißen Gasfahnen Für Vorhersage nach oben Flammenausbreitung an einer senkrechten Wand, die Flammenhöhe berechnet werden müssen, die auf die Gesamtenergiefreisetzungsrate abhängt;. das wiederum wird direkt beeinflusst durch die lokale Massenverlustrate der gesamten Pyrolysetank Bereich der Wand 2-3 integriert über. Während die Kenntnis dieser integrierten Massenverlustraten sind relativ gut bekannt, Kenntnis der Massen Abbrandgeschwindigkeiten an inkrementalen Positionen entlang einer Kraftstoffoberfläche sind nicht gut bekannt weil experimentelle Techniken wie Raten zu messen sind äußerst begrenzt. Eine Technik, die diese "lokalen" Massenverbrennungsrate liefertInformationen könnten besseren Einblick auf die Verbrennung von kondensierten Brennstoffe liefern Forscher können die Mechanismen besser zu verstehen, die verschiedene Kraftstoffe oder Konfigurationen voneinander unterscheiden. Da die meisten Materialien zunächst in der kleinen Skala bewertet werden (zB in einem Kegel - Kalorimeter 1), ein logischer erster Schritt ist es, eine Technik zu schaffen , lokale Massenverbrennungsraten in kleinen, laminare Diffusionsflammen über kondensierter Kraftstoff Oberflächen zu messen.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die experimentelle Methodik und Protokolle für die Durchführung von Experimenten auf stetigen laminaren Flammen über kondensierter Kraftstoff Oberflächen etabliert. Die Einschätzung der lokalen Temperaturgradienten Mikrothermoelemente verwendet , ist eine besonders nützliche Technik für die Schätzung der lokalen Massenverbrennungsraten und Wärmeströme in diesen Flammen 4-6. Eine Analyse der Daten aus der Literatur zeigt die Schwierigkeit, lokale Wärmeübertragung, Verbrennung und Reibungskoeffizienten an der conden der Bestimmungsed Kraftstoffoberfläche, die die Physik für das Verständnis und die zugrunde liegenden Mechanismen sind wichtig , die einen bestimmten Bränden und ihrer Ausbreitung 4-6 fahren. Die Komponenten der Wärmeflüsse, die vielleicht die wohldosierten Feuer Eigentum an lokalen Standorten über eine Kraftstoffoberfläche geblieben sind, haben sich als schwierig erwiesen zu messen. Effekte wie Variabilität von Brennstoffen, Wärmefluß Skalierbarkeit Schwierigkeit Gleichgewichtsbedingungen zu erreichen und unterschiedliche Wärmestrommesser Technologien haben zu einer ziemlich breiten Streuung von Daten trugen , die in der Literatur 4 verfügbar ist. Die Messungen der lokalen Temperaturgradienten mit hoher Genauigkeit wird dazu beitragen, diese Variabilität zu lindern und auch die Wärmeübertragung Korrelationen bereitzustellen, die für die numerische Validierung von laminaren Wandbrände, eine kanonische Feuer Forschungsproblem verwendet werden könnten. Solche Experimente sind auch nützlich in der dynamischen Beziehung zwischen einer brennbaren kondensierte Brennstoffoberfläche und der Gasphase in Flammen laminare und turbulente Grenzschicht zu erkundens. Verfahren, um genau diese Temperaturgradienten in einer genauen und wiederholbaren Weise erfassen sind unten beschrieben.
Protocol
1. Planung der Experimente
- Befolgen Sie die Anweisungen und Sicherheitshinweise, bevor das Feuer oder Verbrennung Forschungslabor betreten. Sicherheitstraining für neue Nutzer in der Regel erforderlich.
- Planen Sie Ihre Experimente im Voraus, um die erforderlichen Tests durchzuführen. Betrachten wir die Einzelheiten des Versuchs, den Transport der erforderlichen Brennstoffe und notwendige Ausrüstung.
- Identifizieren Sie die flüssigen oder festen Brennstoffen Experimente von Interesse. Bereiten Sie die Materialien entsprechend.
2. Herstellung von Materialien und Instrumentation
- Für flüssige Brennstoff Experimente, bereiten Sie einen Kraftstoff Docht aus porösem nicht brennbaren Material (Erdalkali-Silicat-Wolle). Frühere Experimente 4-6 wurden 8 cm x 8 cm x 1,27 cm für die freie Konvektion Tests genutzt und 10 cm x 10 cm x 1,27 cm dicken Platten für erzwungene Konvektion Tests.
- Backen Sie den gegebenen Brennstoff Docht für etwa 20 Minuten, indem sie einer Diffusionsflamme aus einem Propangasbrenner, um auszusetzenorganische Bindemittel in der Docht zu brennen.
- Um eine Leckage des flüssigen Kraftstoffs von den Seiten des Dochts zu beseitigen, gelten zügig flüssiges Natriumsilicat mit einer Spritze alle Flächen des Dochts mit Ausnahme der oberen Fläche bedeckt.
- Schirmen Sie alle, aber die Oberseite des Dochtes mit Aluminiumfolie. Verwenden, um eine Hochtemperaturklebstoff der Aluminiumfolie an den Seiten des Dochts einzufügen.
- Für feste Brennstoffe Experimente, schneiden Sie ein Blatt des festen Brennstoffs aus. In früheren Experimenten freie Konvektion 2, eine 8 cm x 8 cm x 1,27 cm dicke Folie aus einem klaren gegossenen Polymethylmethacrylat (PMMA) verwendet wurde.
- Schnitten einen Schlitz in einem Blatt aus Keramikfaserisolationsplatte gleich der Größe der Kraftstoffprobe in die später die Probe zu montieren. Oft verwenden die gleiche poröse nicht brennbar als Brennstoff Docht; jedoch abdichten mit hoher Temperatur mattschwarze Farbe.
- Überprüfen Sie die angegebenen Datenerfassungshardware und Software. Öffnen Sie die Software und überprüfen Sie die Stimmungature Mapping-Algorithmus vor erforderlichen Tests durchzuführen.
3. Vorbereitung der Versuchsaufbau
- Legen Sie eine Seitenansicht digitale Spiegelreflexkamera, so dass sie mit der Mittelachse des Kraftstoffs ausgerichtet ist und weit genug entfernt, so dass die volle Seitenansicht der gegebenen Flamme erfasst wird.
- Für zwangskonvektiv Flammen, Bild ein Sichtfeld in der Mitte der Brennstoffprobe mit einer Fläche von 16 cm x 8 cm für die Berechnung der Flammen Stand-off-Abstand in der Pyrolysezone.
- Setzen Sie den Quermechanismus über dem Kraftstoffprobe. Bringen Sie einen 50 & mgr; m Draht-Durchmesser Mikrothermoelement zur horizontalen Achse des Quermechanismus mit Vorsicht.
- Schalten Sie den programmierbaren Schrittmotorsteuerung.
- Im Fall von Zwangsströmung Experimente, Macht das Radialgebläse des Windkanals auf.
- Stellen Sie die Pulsbreitenmodulation (PWM) -Regler auf eine Frequenz von 7000 Hz mit Leistungseinstellungen ranging von 16% bis 50% für verschiedene Gebläsedrehzahlen, mit einem Heißdraht-Anemometer verifiziert.
- Schutzbrille und feuerbeständige Handschuhe, bevor Sie mit dem Test fortfahren.
- Bei jedem Versuch, tränken Sie den Docht mit flüssigem Brennstoff (Methanol oder Ethanol) bis zu seinem Sättigungspunkt. Für ein 8 cm x 8 cm x 1,27 cm dicken Docht, 90 ml ausreichend war, um vollständig den Docht mit zwei 60-ml-Spritzen, während für eine 10 cm x 10 cm x 1,27 cm dicken Docht einweichen wurden 120 ml ausreichend erwiesen.
- Setzen Sie den Kraftstoff-getränkten Docht / Festbrennstoffplatte vorsichtig in den Kraftstoff-Dochthalter. Überprüfen Sie die Planheit des Brennstoffdocht Oberfläche mit einem Winkelmesser.
- Öffnen Massenbilanz Software und überprüfen Sie die USB-Schnittstelle Einstellungen. Schauen Sie sich die Massenbilanz und beachten Sie seine Lesung vor dem Test.
4. Laufversuche in einer Verbrennung oder Brandlabor
- Achten Sie darauf, eine ausreichende Belüftung der Versuchsanlage, indem Sie auf das Abgas Drehen nach jedem Satz von Experimenten abgeschlossen. Exhaust sollte während der Experimente als minimal oder isoliert wie möglich sein, um Strömungsstörungen zu beseitigen.
- Bevor eine Probe gezündet wird, kalibrieren Seitenansicht Digitalkamera durch ein Bild von einem Blatt Millimeterpapier oder Lineal nimmt, die entlang der Mittelachse der Kraftstoffoberfläche ausgerichtet ist. Erhalten durchschnittliche Pixel / mm Zählung von den Kalibrierungsbilder. Verwenden Sie diesen Wert von Pixel / mm während der Nachbearbeitung der Bilder (für die Messskala in ImageJ Einrichtung).
- Zünden des Kraftstoffs mit einem Propangasbrenner, kurzzeitig für einen flüssigen Kraftstoff Docht berührt und Leiten der Flamme gleichmäßig über die Oberfläche für 50-60 sec mit einem festen Brennstoff.
- Starten Sie experimentelle Zeit unmittelbar nach dem gleichmäßigen Zündung. Verwenden Sie eine Stoppuhr, um die Brennzeit bezeichnen.
- Drücken Sie die Datenerfassung Taste auf die Massenbilanz Software.
- Überwachen Sie den Masseverlust des brennenden Docht über einen Zeitintervall und schreibt sie in eine Messdatei. Verwenden Sie die Massenbilanz-Software für die gIven Zweck.
- Wiederholen Sie die Schritte 4.3 bis 4.6 für mehrere Tests unter den gleichen Bedingungen Wiederholbarkeit sicherzustellen.
- Verwenden Sie die Massenverlust-Zeit - Kurve , die stetig brennenden Regime , um zu bestimmen, wo eine lineare Anpassung der Masseverlust eine hohe R 2 Wert hat.
- Für instationären festen Brennstoffen verbrennen Proben bei 50 Sekunden - Schritten von Zündung auszubrennen Oberfläche Regression zu messen (zB für 50 s, 100 s, 150 s, etc.).
- Cut verbrannt feste Brennstoffe entlang der Mittellinie nach für Regressionstests Kühlung.
- Nehmen Seitenansicht Aufnahmen von schneiden festen Brennstoffen und Last in ImageJ. Messen Sie die Regression in Strömungs Stellen von Pixeln Umwandlung mit einem Lineal bis cm. Vorgehen Schritt für Schritt ein bestimmtes Bild in ImageJ zu verarbeiten nachstehend aufgeführt ist.
- Offene Seitenansicht Fotografie des Festbrennstoffprobe in ImageJ über Wählen Sie Datei → Bild öffnen.
- Öffnen Sie das Kalibrierungsbild (mit Lineal) des Festbrennstoff-Probe in ImageJüber Wählen Sie Datei → Öffnen Kalibrierung Bild.
- Stapeln Sie die Kalibrierungsbild und Festbrennstoffprobenbild auf. Zum Bild → Stapel → Bilder zu stapeln.
- Set Messskala: Zeichnen Sie eine Linie zwischen zwei Punkten bekannter Distanz wie ein Lineal auf dem Foto. Gehe zu → Set Maßstab zu analysieren. Im Fenster Set-Skala die Länge der Linie in Pixeln wird angezeigt. Geben Sie den bekannten Abstand und Maßeinheiten in die entsprechenden Felder ein und klicken Sie auf OK.
- Zeichnen Sie eine neue Zeile und bestätigen, dass die Messskala korrekt ist.
- Messabstand zwischen zwei Punkten in der gegebenen Probe Foto: Zeichnen Sie eine Linie zwischen zwei Punkten. Die Statusleiste zeigt den Winkel (von der Horizontalen) und die Länge. Analysieren → Messen (oder Strg + M oder geben Sie einfach M auf der Tastatur) überträgt die Werte in einem Datenfenster.
- Messen Sie die Regression an jeder Stelle in Strömungsrichtung x durch die Dicke der Ausbrand Probe gemessen wird und aus der i Subtrahierennitial Dicke der Probe.
- Beachten Sie das Zeitintervall, über die die Oberfläche von festen Brennstoffen etwa flach bleiben und verwenden für Temperatur-Mapping oder Anpassungen von Thermoelement-Positionen gemacht für die Oberflächen Regression zu kompensieren.
- Stellen Sie die Temperatur-Mapping Intervallmessungen während des stationären Brennen Regime zu erfassen, etwa 150 Sekunden für feste PMMA und 400 sec für Flüssigkeit getränkte Dochte. Stellen Sie die Temperatur-Mapping-Intervall basierend auf dem stationären Brennzeitintervall von flüssigen und festen Brennstoffen. Eine empfohlene Schrittgröße in der Nähe der Oberfläche beträgt 0,25 mm 4-6.
- Richten eines Mikrothermoelement genau mit der Oberfläche des Kraftstoffs eine XY UnISLIDE verwenden. Platzieren Sie den gegebenen Thermoelement in der Mitte der Breite der Probe.
- Bewegen Sie den Mikro-Thermoelement vorsichtig auf die Vorderkante des Brennstoff Docht die XY-UnISLIDE verwenden.
- Führen Sie einen Datenerfassungs-Programm auf einem Computer und lesen Sie das Rasterscanalgorithmus von einem Ordner auf dem desktop.
Hinweis: Wenn das Experiment im Gange ist, die Datenerfassung erfolgt automatisch und der Benutzer braucht nur zu überwachen, um sicherzustellen, dass das Experiment wie geplant wird. - Verwendung eines Datenerfassungsprogramm auf einem Computer, zu erwerben Daten und schreibt sie in eine Messdatei. Beachten Sie , Abtastraten von 100 bis 500 4-5 6 Hz wurden in den vergangenen Experimenten verwendet.
- Wenn Sie fertig sind, löschen Sie die Flamme. Schalten Sie die PWM-Steuerung aus und ziehen Sie den Netzstecker des Gebläses von der 3-Phasen 240 VAC Steckdose.
- Drehen Sie den Schrittmotorsteuerung aus.
- Wiederholen Sie die Schritte 4,12-4,18 für zusätzliche Versuche an ähnlichen oder unterschiedlichen Strömungsbedingungen mit dem gleichen Thermoelement. Ein Minimum von 5 Tests sollte für jeden gegebenen Strömungsbedingungen (beispielsweise Zwangsströmungsgeschwindigkeit oder vertikale Ausrichtung) wiederholt werden.
- Wiederholen Sie die Schritte 4,12-4,18 für einen 75 & mgr; m Mikrothermoelement. Traverse zwei Thermoelemente (50 und 75 um Drahtdurchmesser) entlang der same Weg in der Mitte der Flamme für eine genaue Strahlungs korrigiert. Kleinere Thermoelemente können auch verwendet werden könnten, jedoch häufig für Drähte unter 50 um trat Bruch.
5. Datenanalyse
- Lesen Sie die verarbeiteten Daten von der LVM-Datei in Matlab oder andere analytische Software.
- Der Mittelwert der Temperaturdaten an jedem Raumpunkt aus verschiedenen Tests.
- Berechnen eines Strahlungskorrektur von gemittelten Thermoelement - Daten an jeder Stelle in Strömungsrichtung nach der Korrelation von Collis und Williams 10 unten im Detail beschrieben.
- Berechnen Sie kompensierten Temperaturmessungen durch die Strahlungskorrektur auf rohe Temperaturdaten hinzugefügt wird.
- Nicht dimensionalize die Temperaturdaten und der räumlichen Lage.
- Montieren Sie die dimensionslose Temperaturdaten an der Kraftstoffoberfläche mit einem geeigneten höherer Ordnung Polynomfit einer Kurvenanpassung Algorithmus in Matlab oder andere spezielle Software verwenden. 4 bis 6 Punkte in der Nähe der OberflächeEs wurde gefunden , 4-6 in früheren Studien gut zu funktionieren.
- Berechnen der normalen nicht-dimensionsmäßigen Temperaturgradienten an der Kraftstoffoberfläche von der Steigung der Polynom höherer Ordnung Anpassung an die dimensionslose Temperaturverteilung an der Kraftstoffoberfläche (y = 0).
- Berechnen Sie die lokalen Massenverbrennungsrate aus dem entsprechenden lokalen nicht-dimensionalen Temperaturgradienten an der Kraftstoffoberfläche eine theoretische Korrelation auf der Basis der Reynolds - Analogie - 4.
- Berechne den konvektiven Wärmeflusses von dem Temperaturgradienten an der Oberfläche des Kraftstoff 5-6.
Representative Results
Experimente haben in Abbildung 1 an der University of Maryland, gezeigt sowohl in einer vertikalen Anordnung und eine einzigartige horizontale Windkanal durchgeführt worden ist . Vielmehr traditionellen Zug oder geschlossenen Rückwindkanal als nutzt der Windkanal an der University of Maryland eine Variable stufiges Gebläse 100 x 75 x 100 cm Plenum, die den Luftstrom treibt einen Kanal am anderen Ende unter Druck zu setzen. Diese Konfiguration ermöglicht eine kontinuierliche Verbrennungsversuche wie Rauch wird nicht rezirkuliert, ist der Windkanal nicht durch das Feuer beschädigt oder beeinflußt und Thermoelemente sind in der Lage auf der ganzen Abtastabschnitt frei zu bewegen. Der Austrittskanal besteht aus einem 122 cm, 30,5 cm breit konvergierenden Abschnitt mit dem Plenum verbunden. Um den Fluss begradigen und reduzieren die eingehende Turbulenzintensität werden feinmaschigen Sieben am Eingang und am Ausgang des konvergierenden Abschnitt und eine 5 cm dicke Waben mit 0,3 cm Löcher platziert ist110 cm stromaufwärts vom Tunnelausgang platziert. Die Geschwindigkeit der Strömung der Windkanal verlass durch Variieren der Geschwindigkeit des Gebläses mit einer Pulsbreitenmodulation (PWM) -Steuerung und die Kraftstoffproben werden am Ausgang des Tunnels angeordnet ist, wo Strömungsgeschwindigkeiten wurden durch die Verwendung kontrolliert gesteuert wird eines hotwire Anemometer.
Kraftstoffproben am Auslass des Windkanals wurden oben auf einer Wägezelle angeordnet, die kontinuierlich den Massenverlust der Probe im Laufe der Zeit misst. Um Störungen des Windes an der Wägezelle zu vermeiden, die Probe auf einem Blech aus Aluminium erhöht wurde (30,5 x 61,0 cm x 1,5 mm dick) durch zwei U-Klammern und von 1,27 cm dicken Keramikfaserdämmplatten umgeben eine glatte Oberfläche, um sicherzustellen, um die Brennprobe. Die obere Oberfläche der Platte wurde mit einem Hochtemperatur-schwarz matt Farbe mit einem Emissionsvermögen beschichtet ca. 98% eine gute Kulisse, um sicherzustellen, für die visuelle Beobachtung der Flamme und die Isolierung zu versiegelndie auch enthält organische Bindemittel. Da die Dämmplatten mit einer relativ stumpfen Körper auf die Anströmung präsentiert, direkt auf die Probe Setup-Platzierung führte zum Austritt des Windkanals in Strömungsablösungen und erhebliche Turbulenzen in Flammen beobachtet. Frühere Arbeiten von Ha et al. , Dass eine Verlängerungsplatte mit dem vorderen Abschnitt einer Kraftstoffprobe Anbringen dieses Strömungsablösung verhindert und gewährleistet eine laminare Strömungsprofil eingehenden zur Probe. Eine 10 cm breit, 40,6 cm langen , dünnen, Metalllippe war daher von der Vorderkante der Probe mit dem Ausgang des Windkanals angebracht ist , eine laminare Diffusionsflamme bietet , die schließlich gefunden wurde 7 bestehende Theorie übereinstimmen.
Bei der Prüfung flüssiger Brennstoffe wurde ein poröses nicht brennbaren Docht benötigt. Ein 10 cm x 10 cm x 1,27 cm dicke Platte aus Erdalkali-Silicat-Wolle wurde für erzwungene Strömung Experimente ausgewählt aufgrund seiner hohen Porosität und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. in order Leckage von Kraftstoff aus der Probe, Natriumsilikat zu verhindern, wurde Leim Aluminiumfolie, um alle mit Ausnahme der vorderen Fläche anzuwenden. Die Probe wurde auch "gebacken" organische Bindemittel zu entfernen, indem eine Lötlampe über die Probe für etwa 20 Minuten vorbei, an welchem Punkt die Flamme von gelb nach blau gewechselt (mit Angabe der Entfernung von Bindemittel aus der Probe). Während des Tests Dochte waren durchnässt mit ca. 120 ml flüssigem Brennstoff (Ethanol oder Methanol), die den Punkt der Sättigung zu sein für die 10 cm breite Dochte gefunden wurde.
Die Massenverbrennungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs wurde durch Messen der Masse aus der Probe über die Zeit während der Verbrennung bei einer Rate von 1 Hz verloren bestimmt. Die Probe Aufbau wurde über eine Präzisions-Massenbilanz mit einer maximalen Kapazität von 32,2 kg und einer Auflösung von 0,1 g, fein genug unterstützte diese Massenverlustrate mit hoher Genauigkeit zu messen. Nach der Zündung der Probe durch eine Lötlampe, die Massenverlustrate der condensed Kraftstoff nimmt als Funktion der Zeit, was schließlich eine konstante Geschwindigkeit erreicht, die schließlich gegen Ende des Tests verblaßt, wenn der Brennstoff verbrennt. Diese "steady" Region, wo die Verdampfung des Kraftstoffs statt Diffusion durch den Docht brennt dominiert ist der interessierende Bereich in dem Daten abgetastet wird. Für eine flüssige Docht wurden Proben gefunden für etwa 400 sec mit einem stetigen Massenverlustrate zu verbrennen, etwa in der Mitte 80% eines Tests. Alle Abbrandgeschwindigkeiten dargestellt sind Mittelwerte von mindestens sechs wiederholten Tests unter bestimmten Bedingungen, in denen die Wiederholbarkeit der Messungen gefunden wurden innerhalb von 1,2% des Mittelwertes zu sein.
Zum Testen einer festen Kraftstoffprobe, Polymethylmethacrylat (PMMA) wurde ausgewählt, da es relativ kontinuierlich brennt und nicht char. Um die Probe zu entzünden, wurde eine Lötlampe über die Probenoberfläche geführt 50-60 sec, an welchem Punkt die gesamte Oberfläche gleichmäßig gezündet wurde. Weil dasKraftstoffprobe war klein und die experimentellen Ergebnisse sehr reproduzierbar zu sein, wurde das Verfahren als für eine Zündung ausreichend. Im Gegensatz zu flüssigen Brennstoffen in einen nicht brennbaren Docht getränkt, regredieren feste Brennstoffe als Funktion der Zeit und werden deshalb nie wirklich einen stetigen Regime erreichen. Stattdessen wurden frühen Zeiten des Brennens gewählt abgetastet werden, wo der Brennstoff relativ flach blieb, experimentell während der ersten 150 Sekunden nach der Zündung auftreten bestimmt.
Für beide flüssige und feste Brennstoffe, die Temperaturen über die Kraftstoffoberfläche wurden in der Gasphase abgebildet mit Feindrahtthermoelemente. Für PMMA wurden Temperaturen an 6 Punkten über der Oberfläche der geschmolzenen Schicht in der Gasphase bei 0,25 mm Abständen (für Zwangskonvektion tests) ausgehend abgetastet. Für flüssige Brennstoffe, diese Messungen wurden von der dünnen Schicht von Kraftstoff an der Oberfläche, um 6 Punkte mit der gleichen Auflösung durchgeführt. Diese Profile wurden an 12 Standorten genommen alOng die Länge der Kraftstoffoberfläche, innerhalb von 400 Sekunden der Zündung für flüssige Proben und innerhalb von 150 Sekunden für PMMA.
Die zuvor genannten Temperaturmessungen wurden durchgeführt unter Verwendung von R-Typ Pt / Pt-13% Rh Mikrothermoelemente (punktgeschweißt) mit zwei Drahtdurchmesser von 50 um (0,002 in) und 75 & mgr; m (0,003 in) mit Kugeldurchmessern von etwa 100 um und 150 & mgr; m, respectively. Die Größe der Thermoelemente wurde so gewählt, daß das Thermoelement so klein wie möglich war, ohne Bruch wiederkehrende (benötigte Strahlungskorrekturen zu minimieren), jedoch einige Strahlungskorrekturen waren immer noch notwendig. Die Verwendung von zwei Thermoelemente mit unterschiedlichen Durchmessern wurden gewählt, um besser eine geeignete Strahlungskorrektur (später beschrieben) bestimmen. Mikrothermoelemente wurden dann durchlaufen unter Verwendung eines Satzes von computergesteuerten XY unislides mit einer maximalen räumlichen Auflösung von 1,5 um. Spannungssignale wurden dann wurden ACQuired, konditioniert und digitalisiert über ein Datenerfassungsmodul auf 0,02 ° C Messempfindlichkeit bewertet werden. LabVIEW-Software wurde verwendet, um Bewegung von zu synchronisieren beiden 50 und 75 um Drahtdurchmesser Thermoelemente mit Temperaturmessung über die Probe.
Um eine relativ genaue Strahlungskorrektur, die beiden Thermoelement Größen beschrieben wurden über die gleiche Stelle zu bestimmen, während der wiederholten Tests durchlaufen. Die Korrelation von Collis und Williams wurde für die Wärmeverluste aus der Probe angewendet 5-6,8,
(1)
wobei Nu die Nußelt - Zahl und Re = Ud w / v ist die Reynolds - Zahl, die für 0,02 <Re <44, mit Eigenschaften erhalten wurde bewertet ,an der Filmtemperatur, Τ m, eine durchschnittliche des Gases, Τ g und einem Thermoelement, Τ tc Temperaturen. Hier wird die Reynolds - Zahl Re , definiert als für die lokale Gasströmungsgeschwindigkeit U und der kinematischen Viskosität v angegeben. D w in Gl. (1) stellt das Thermoelement Drahtdurchmesser.
Für stationäre Messungen, wie im hier beschriebenen Fall eine Energiebilanz auf dem Thermoelement-Übergang reduziert zu einer konvektiven-Strahlungswärmebilanz (Fehler aufgrund von Wärmeleitung und katalytische Effekte vernachlässigt), gegeben durch
(2)
60, (3)
wobei Τ g der Realgastemperatur, Τ tc das Thermoelement - Übergang (oder Wulst) Temperatur ist, Τ surr die Temperatur der Umgebung ist, ε tc die Emissivität des Thermoelementverbindung ist, σ die Stefan-Boltzmann - Konstante und h der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient der Strömung über das Thermoelement - Übergang als h = k Nu / d definiert. k die thermische Leitfähigkeit des Gases ist, Nu die Nußelt - Zahl, und d der Thermoelement - Drahtdurchmesser. Die Wahl der Korrelations Nusselt-Zahl ist von größter Bedeutung eines Strahlungs Korrektur der gemessenen Thermoelementtemperatur bei der Berechnung, da, wie in Gl. (3) ist die Strahlungs Korrektur umgekehrt proportional der Nusselt-Zahl. Diese Wahl ist jedoch kompliziert aufgrund der exi Stence mehrerer "angemessen" Nusselt-Zahl Korrelationen und die Schwierigkeit bei der Abschätzung der Eigenschaften des Gasgemisches, das Thermoelement umgibt, insbesondere dessen Wärmeleitfähigkeit. Der Großteil der Beweise in der Literatur zeigt jedoch deutlich , dass eine zylindrische Nusselt - Zahl Korrelation ist am besten geeignet für die Beschreibung der konvektiven Wärmeübertragung auf fast allen praktischen Thermoelemente 5-6, bevorzugt , dass von Collis und Williams 8.
Die Nusselt - Zahl Korrelation muss in einem stationären Zustand konvektiven-Strahlungsbilanz (Gleichung 3) und Vernachlässigung geringe Temperaturabhängigkeit, ein System von zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten (nämlich Τ g und U) substituiert sein kann gebildet werden ,
(4)
(5)
Gleichungen (4) und (5) muß in jedem Punkt iterativ gemeinsam gelöst werden, da Gasphasen Leitfähigkeiten und kinematische Viskositäten sowohl eine Funktion der Temperatur sind. Die Sicke Temperatur sollte wie die erste Iteration der Gastemperatur verwendet werden, um die Wärmeleitfähigkeit und die kinematische Viskosität, die mit der iterative Wert wieder aufgenommen zu bewerten, bis niedrige Fehler fahren werden. Wenn die Gleichungen zu lösen, erscheint es , dass die Strahlungskorrektur (dh die Differenz zwischen dem Thermoelement - Messwert und der Ist - Temperatur) für größere Durchmesser Thermoelemente erhöht und verringert sich mit einer Erhöhung der bead Strömungsgeschwindigkeiten über. D w 1 und d w 2 in Gl . (4) und (5) repärgern sich über die Thermoelement Drahtdurchmesser in unserer Studie verwendet.
Das Emissionsvermögen des Wulstes (ε tc) auch als Funktion der Temperatur ermittelt werden , ein Verfahren Jakob 9 umrissen werden. In seiner Analyse Jakob löst für die komplexen Brechungsindizes auf einer metallischen Oberfläche als Funktion ihrer spezifischen elektrischen Widerstand Wellen Maxwell-Gleichungen. Eine Annahme wird in der Grenze von niedrigem Widerstand und großem Brechungsindizes entnommen, die für Metalle gilt, eine einfache Korrelation für den halbkugeligen Gesamt Emissivität von Platin Nachgeben (Pt) als,
(6)
wo, für Platin, r e ≈ r e, 273 T / 273, mit T in K und r e, 273 <em> = 11x10 -6 Ω-cm.
Daher wird das Platin Emissivität 5-6
(7)
für 0 <T <2330 K. Der Emissions des Thermo Perl- oder Kreuzung, wie in den Gleichungen erscheint. (4) und (5) kann daher unter Verwendung der obigen Ausdruck ausgewertet werden. Eine Iteration ist nicht erforderlich, Gln. (6) und (7), da der Ist-Wert des Wulstes Temperatur bekannt ist, werden nur die Gastemperatur und der Geschwindigkeit in Gln. (4) und (5) müssen iterativ gelöst werden.
Während der Experimente wurden zwei Thermoelemente durchlaufen exakt den gleichen Messpunkten und wurde abgetastete Daten für die Strahlungskorrektur in den Temperaturmessungen Rechnung zu tragen. Die Korrekturen als Folge angewendet of Iterieren Gln. (4) und (5) waren klein, beispielsweise nur +79 K für die 50 & mgr; m Drahtdurchmesser Thermoelement auf 1.700 K und weniger als 5 K in der Nähe der Kraftstoffoberfläche 6. Da die Thermoelemente auch Quer Bereiche hoher Temperatur Berücksichtigung von Leitungsverluste durch den Draht Gradienten muß jedoch auch in Betracht gezogen werden, aufgrund der kleinen Querschnittsflächen der Thermodrähte wurden solche Fehler berechnet auf <1%, daher wurden keine Korrekturen notwendig 5-6.
Mit der Kraftstoffoberfläche in der Mitte des Luftstroms am Ausgang des Windkanals angeordnet ist, einen einfachen Zugang zu der Kraftstoffoberfläche wurde für die Mikrothermoelement und Hitzdraht-Anemometer-Messungen zur Verfügung gestellt. Während Kaltfließdurchläufe des Windkanals (keine Verbrennung) der Freistromgeschwindigkeit, U ∞ des Windkanals wurde mit einem Heißdraht - Anemometer , die mit einer Geschwindigkeit von 50.000 Samples / Sekunde für insgesamt duratio abgetastet kalibriertn von 10 sec pro Punkt. Das Geschwindigkeitsprofil entlang des Auslasses des gesamten Tunnel wurde enthüllt genommen, dass eine konsistente Pfropfenströmung von der Mitte des Tunnels Auslass ausgeht. Dies wird für einen quadratischen Kanal, wie beispielsweise den Auslass der Windkanal erwartet. Früheren Messungen von Sforza et al. 10 zeigte , daß das Potential Kernlänge eines quadratischen Strahl mit Reynolds - Zahl Re d zwischen 2,6 und 8,8 x 10 4 sollte etwa 5 d stromabwärts der Austritts sein, wobei d die Höhe des Kanals ist. Für d = 30,48 cm, die Breite des Windkanals Auslass, Re d zwischen 1,5 x 10 4 und 3,9 x 10 4 in der Bedeutung der Probe innerhalb 1 d bleibt (20 cm) des Tunnels Auslass. Die Wiederholbarkeit der Messungen lag innerhalb 3% des Mittelwerts.
Die Temperaturen wurden über die Oberfläche eines gezündeten Blatt von 10 cm gemessen x 10 cm x 1,27cm PMMA am Ausgang eines Windkanals platziert bei U ∞ = 0,79 m / s und 2,06 m / s arbeitet. Die Verfahren oben umrissenen wurden verwendet , Temperaturmessungen zu erfassen , die in Bezug auf die normale Länge y * = y / L und der Temperatur T * = nicht-dimensions waren (T - T w, p / T fl, ad - T w, p) gegebenen Τ w, p und Τ fl, ad Wand und adiabatische Flammentemperaturen darstellen, die jeweils für einen bestimmten Kraftstoff, y die Position senkrecht zu der Kraftstoffoberfläche in dem die Temperatur gemessen wird , und L die Länge der Kraftstoffoberfläche. Die dimensionslose Temperatur auf der Oberfläche Gradienten normale wurden dann berechnet (∂ T * / ∂ y *) y * = 0 durch ein Polynom fünfter Ordnung in den dimensionslosen Temperaturen Montage und die Steigung an der Kraftstoffoberfläche zu extrahieren, y * = 0.
2 (a) zeigt die entlang der Länge der Kraftstoffoberfläche diese dimensionslosen Temperaturgradienten. Sie sind deutlich am höchsten an der Vorderkante der Kraftstoffoberfläche, wo die Flamme am nächsten an der Kraftstoffoberfläche ist, und eine Verringerung in Richtung auf die Hinterkante (x = 100 mm), wobei die Flamme am weitesten von der Kraftstoffoberfläche ist. Die dimensionslose Temperaturgradienten können verwendet werden , um die lokale Massenverbrennungsrate zu bestimmen , indem die Korrelation 4,6 Anwendung
(8)
wobei B die Massenübergangszahl des bestimmten Kraftstoff, k w die Wärmeleitfähigkeit von Luft an der Wandtemperatur ausgewertet, c p die spezifische Wärme der Luft bei einer adiabaten Flammentemperatur des Kraftstoffs ausgewertet und L </ Em> die Länge der Pyrolysieren Kraftstoffoberfläche. Die lokale Massenverbrennungsgeschwindigkeit wird dann ähnlich wie die dimensionslose Temperaturgradienten in einer Weise zu variieren , gefunden, das in Abbildung 2 (b).
Im Gegensatz zu flüssigen Brennstoffen, für PMMA der lokale Massenverbrennungsrate kann auch nachträglich durch Messung lokale Oberflächen Regression über feste Zeitintervalle 2,11 angenähert werden. PMMA-Proben wurden bei 50 sec und die Erhöhung in 50 Sekunden-Intervallen für Zeiträume beginnend gefolgt unter repräsentativen Bedingungen verbrannt durch Extinktion der Probe. Die Pyrolyse Massenströmungsrate für PMMA ist an jedem x - Position entlang der zentralen Symmetrie berechnet eine Näherung erster Ordnung von Pizzo gegebene Achse unter Verwendung et al. 11, in der Literatur 4-6 an anderer Stelle diskutiert. Eine durchschnittliche Dichte von PMMA, ρ s = 1,190 kg / m 3 zusammen mit gemessenen Oberflächenregressions entlang der Kraftstoffoberfläche verwendet wurde , umwährend jeder 50 Sekunden Intervall entlang der Länge der Kraftstoffprobe bei Massenverlustraten kommen. Obwohl eine kürzere Schrittzeit wünschenswert wäre, Fehler bei der Messung machen es unpraktisch, wenn Zeitschritte sind weniger als 50 sec 5.
Zum Vergleich wurden lokale Massenverlustraten von Thermoelemente mit denen aus Regressions Profile, Daten aus Brennstoff Burnout Zeiten von 100 und 150 s verwendet , um die lokalen Massenverbrennungsraten in Abbildung gezeigt vergleichen 2 (b). Diese Zeiten entsprechen ungefähr der gleichen Zeit diese Messungen aufgenommen wurden. Wie in der Figur zu sehen ist, erscheinen zueinander beide Verfahren die lokale Massenverbrennungsgeschwindigkeit des Messens sehr nahe, was auf die Methode eignet sich gut für diese Art von Flammen.
Für konvektiv-dominiertem Flammen wie diese kleinen, laminare diejenigen, Temperaturgradienten an der Kraftstoffoberfläche kann auch zu extrahieren con verwendet werdenvective Wärmeflüsse, wie sie sind, im Wesentlichen direkt an der Oberfläche des Temperaturgradienten bezogen. Mit gemessenen Massenverlustraten, Komponenten der Flamme Wärmefluss kann auch entlang der Pyrolysezone extrahiert werden. Verwendung von mehreren Annäherungen an die Wärmebilanz an der Kraftstoffoberfläche, angegeben in der Literatur anderswo 2-3 können diese Komponenten über die Oberfläche einer brennenden Platte aus PMMA bestimmt werden. 3 zeigt dieses Ergebnis für eine PMMA - Flamme mit einer Umgebungs frei stabilisiertes -Strom Geschwindigkeit U ∞ = 2,06 m / sec. Die Technik kann daher äußerst nützlich sein, verschiedene Maßnahmen bei der Bewertung der Verbrennung von kleinen Proben der Kraftstoffe zu beschreiben, was das Verständnis des Verbrennungsprozesses erhöht, insbesondere die Beziehung zwischen dem Feststoff und Gasphase.
Abbildung 1. Experimental - Setup. (a) Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus verwendet , um Massenverlustraten und Temperaturprofile über eine zwangskonvektiv Grenzschicht Diffusionsflamme messen. (B) Versuchsaufbau zur Grenzschicht Diffusionsflammen unter Zwangsströmung zu untersuchen. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2. Temperaturgefälle und Lokale Brenngeschwindigkeit Ergebnisse. (A) Variation der normalen , nicht-dimensionalen Temperaturgradienten entlang der Kraftstoffoberfläche für PMMA - Grenzschicht - Diffusionsflamme bei U ∞ = 0,79 m / s und 2,06 m / s auf. (B) Variation der lokalen Massen Abbrandgeschwindigkeiten für PMMA Grenzschicht diffusidie Flammen an verschiedenen Freistrahlbedingungen. Lokale Massenverbrennungsraten dimensionslose Temperaturgradienten erhalten durch gegen den experimentellen Daten verglichen wird durch Regression der Oberfläche PMMA erhalten. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3. Wärmefluss - Ergebnisse unter Zwangsströmung. Verteilung der verschiedenen Komponenten der Flamme Wärmefluss in der Pyrolysezone für PMMA - Grenzschicht - Diffusionsflamme bei U ∞ = 2,06 m / s. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Discussion
Das Ziel dieser Untersuchung war es, eine neue Methode zur Schätzung der lokalen Massenverbrennungsraten zu entwickeln, sowohl für flüssige und feste Brennstoffe unter einer Vielzahl von Strömungsfeldbedingungen. Die Studie betrachtet zwei Fällen eine freie Konvektion Grenzschicht Diffusionsflamme und erzwungene Konvektion Grenzschicht Diffusionsflammen unter verschiedenen Bedingungen freiStrom etabliert, sowohl flüssige als auch feste Brennstoffe verwenden.
Lokale Brenngeschwindigkeiten gemessen über Feintemperaturmessungen über beide flüssigen Brennstoff getränkten Dochten und über feste Platten aus PMMA gefunden wurden andere Mittel der Schätzung übereinstimmen, nämlich Kraftstoff Regressions Messungen. Diese Temperaturgradienten in der Nähe der Kraftstoffoberfläche wurden unter Verwendung einer Korrelation auf der Reynolds - Analogie basiert bestimmt 12-13, die während einer stetigen, laminare Verbrennung funktionierte sehr gut für kleine Proben, was letztlich zu Daten innerhalb von 15% Genauigkeit für mittlere Ergebnisse und vieles mehr für die lokale Measurements 4-6. Der Korrelationsfaktor für diesen lokalen Massenverlustrate Messungen hängt von der Spalding Massentransfer Anzahl der repräsentativen Treibstoff und anderen thermophysikalischen Eigenschaften des Kraftstoffs , der von vornherein berechnet werden kann. Die Ergebnisse legen nahe, dass diese Technik nützlich sein können, um diese Mengen zu extrahieren und die Verbrennung von Brennstoffen in kleinem Maßstab in größerem Detail in der Zukunft zu verstehen.
Andere Studien in der Literatur haben die Vertreter der Arbeit hier erweitert enthält numerische Simulationen 4 und Experimente an vertikal orientierten Proben frei 4,5 Brennen und horizontal montierten Proben unter Umgebungs Winde 6. Für diesen Konfigurationen haben Komponenten der Wärmeflüsse auch lokal über die Brennstoffoberfläche unter Verwendung des gleichen Feindraht-Thermoelement-Technik sehr nahe an der kondensierten Kraftstoffoberfläche ermittelt. Während Komponenten des Wärmestroms in der Vergangenheit durch die Verwendung von eingebetteten Lehren gemessen, this-Technik ist minimal-invasiv und bietet eine direkte Messung der konvektiven Wärmeflüsse, die vor nicht möglich gewesen.
Besondere Vorsicht ist bei Versuchen getroffen werden, wenn bestimmte Konfigurationen und Einrichtung des Geräts muss so gewählt. In diesen Experimenten wurden Thermoelemente für den Schritt 3.2 ragt aus einem kleinen Keramikrohr gewählt wird, an dem Draht zu halten Spannung und macht die Lage des Thermoelements relativ fixiert. ein Thermoelement-Draht über die ganze Flamme ohne Schlauch von dem Keramikrohr mögliche Störungen reduzieren würde suspendiert Verwendung jedoch würde es den spezifischen Ort des Thermoelements Lokalisieren viel variabler als der Draht mit steigenden Temperaturen zu erweitern neigt. Manchmal Änderungen in der Konfiguration könnte Effekte über die Breite der Probe (beispielsweise die Probe Neigen) induzieren. Wenn das Setup von den in der Vergangenheit 4-6, um Schritt 4.14 gelegentliche Kontrollen untersucht modifiziert , dass die Flammentemperatur measungen über die Breite der Probe zeigen keine signifikante Veränderung (dh ein 2-D Annahme hält noch) genommen werden sollte. Andernfalls wird ein 3-D-Abbildungssystem müssen implementiert werden.
Die wichtigsten Schritte während der Durchführung der Experimente haben mit der Vorbereitung des Brennstoffs und die ordnungsgemäße Verwendung von Thermoelemente zu tun. Schon geringe Abweichungen bei der Positionierung der Thermoelemente können Fehler verursachen, daher muss darauf geachtet werden, wenn das Thermoelement die Positionierung in den Schritten 3.2, 4.13 und 4.14. Der Kraftstoff Docht muss auch so angeordnet werden, dass möglichst ebene wie möglich gehalten wird (Schritt 2.1) und alle Füllmaterial sollte aus Dochten (Schritt 2.1.1) gebacken werden.
Das Abgassystem, aktiviert in Schritt 4.1 sollte auch als minimal oder isoliert wie möglich nahe dem Experiment beseitigen zu helfen, Strömungsstörungen gehalten werden. Dies sollte, indem sichergestellt wird eine kleine Kerze überprüft werden nicht durchgebrannt ist, wo der Test stattfinden wird (ohne Wind). Leitbleche, BildschirmeEine separate geschlossenen Anlage oder beim Testen in einem großen Raum kann diese verwendet werden, zu erreichen. In Schritt 4.2 muss der feste Brennstoff möglichst gleichmäßig gezündet werden. Während der Propangasbrenner nicht die ideale Quelle ist , dies zu tun, wurden Experimente nicht 4-6 in früheren Arbeiten zu empfindlich auf die Zündquelle vorhanden. Empfindlichkeit gegenüber der Zündquelle sollte durch Variieren der Zeit oder Intensität der Belichtung und Beobachten der Ergebnisse auf dem stationären Massenverbrennungsrate während der Experimente dokumentieren. Wenn die Empfindlichkeit ein Fußbodenheizungs beobachtet wird, sollte alternativ verwendet werden, um Proben zu entzünden. Feste Brennstoffe oder jeder Brennstoff, der nicht eine große (> 300 sec) stetig brennende Region hat wie durch Massenverlustraten beobachtet sollte während einer kurzen Region genommen Temperatur-Mapping haben. Zum Beispiel wird in Schritt 4.13 die Zuordnung für PMMA empfohlen über den ersten 150 Sekunden genommen werden, während der Brennstoff noch relativ flach und Oberflächen Regression wurde gut dokumentiert. Oberflächenregressions Messungen kann ichmageJ oder andere ähnliche Bild Software Pixel auf den Fotos zu messen und auf Länge zu konvertieren. Alternativ kann eine digitale Mikrometer der Oberfläche Regression der Festplatte zu messen, verwendet werden, nachdem sie abkühlt (beachten Sie die Oberfläche von "Sprudeln" Materialien wie PMMA müssen zunächst geschliffen werden).
Die vorgeschlagene Abbrandgeschwindigkeit Korrelation auf laminar Annahmen beruht, es wird jedoch vermutet, dass diese Technik eine ähnliche Form für turbulente Verbrennung einer Brennstoffoberfläche folgen sollte, wenn auch mit einer modifizierten funktionellen Beziehung, die experimentell bestimmt werden müssen. Die Arbeit hier präsentiert werden können anschließend verlängert Grenzschichtverbrennung und die damit verbundenen Wechselwirkungen zwischen Turbulenz und Gasphasen-Wärmefreisetzung zu turbulent, die den Vorfall Wärmefluss auf die Kraftstoffoberfläche treiben kann weiter untersucht werden.
Die Theorie, auf die die Brenngeschwindigkeit Korrelation beruht vernachlässigt auch Strahlung. Die Theorie wird stark vereinfacht leading zu Unsicherheit in seiner prädiktiven Fähigkeiten unter Umständen, die durch die vorliegende Arbeit nicht abgedeckt sind. Zum Beispiel kann die angegebene Methode nicht für hohe Rußbildung Flammen arbeiten, wo der Wärmestrom auf die Oberfläche weitgehend Strahlungs ist. Für große turbulenten Wand Flammen, wo die Strahlungswärmefluss in die kondensierte Kraftstoffoberfläche hoch ist, die Brenngeschwindigkeit Korrelation vorgeschlagen kann oder auch nicht. Aufnahme von Strahlungseffekten in der vorgeschlagenen Korrelation ist somit wünschenswert, und weitere Forschung muss, um diese Funktionsbeziehung zu bestimmen, durchgeführt werden. Dieser Bereich erfordert Verbesserungen in dem Modell, wenn sicher Vorhersageverfahren sind für solche Flammen erreicht werden.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 - 5 pk | 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 18-105 mm 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 18-55 mm 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 32,200 g x 0.1 g | 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, 30x30 Mesh, 0.0130" wire diameter. 12"x12" sheet | 9241T41 | McMaster-Carr | Used to make the laboratory scale wind tunnel |
| Strainer Grade Wire Cloth, 40x40 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, 200-240 V, 3-phase, 50/60 Hz, M3G112-EA motor, 2.2 kW) | 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, 4,179 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" x 24" | 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 |
References
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- 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).
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- Collis, D., Williams, M. Two-dimensional convection from heated wires at low Reynolds numbers. J. Fluid Mech. 6 (3), 357-384 (1959).
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- Pizzo, Y. Experimental observations on the steady-state burning rate of a vertically oriented PMMA slab. Combust. Flame. 152 (3), 451-460 (2008).
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- Silver, R. Application of the Reynolds analogy to combustion of solid fuels. Nature. 165, 725-726 (1950).
