Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Eksperimentell metodikk for estimering av lokal varme flukser og Burning priser i Steady Laminar grenselaget Diffusion Flames

Published: June 1, 2016 doi: 10.3791/54029
Automatic Translation
1, 1
1Department of Fire Protection Engineering, University of Maryland

Abstract

Modellering realistisk brenning oppførselen kondensert-fase brensel har vært utenfor rekkevidde, delvis på grunn av en manglende evne til å løse komplekse samspillet som oppstår i skjæringspunktet mellom gass-fase flammer og kondensert-fase brensel. Den nåværende forskning gir en teknikk for å utforske det dynamiske forholdet mellom en brenn kondensert drivstoff overflate og gass-fase flammer i laminære grensesjikt. Forsøk har tidligere vært gjennomført i begge tvungen og fri konvektive miljøer enn både faste og flytende brensel. En unik metode, basert på Reynolds Analogi, ble anvendt for å estimere lokale massebrennhastigheter og flamme varmeflukser for disse laminære grensesjikt diffusjonsflamme som anvender lokale temperaturgradienter i brennstoffoverflaten. Lokale masse brennhastigheter og konvektive og strålingsvarme tilbakemeldinger fra flammene ble målt i både pyrolyse og plume regioner ved hjelp av temperaturgradienter kartlagt nær veggen av en to-akse Traverse system. Disse eksperimentene er tidkrevende og kan være utfordrende å utforme som kondens drivstoff overflaten brenner jevnt kun for et begrenset tidsrom etter tenning. Temperaturprofilene i nærheten av brennstoffet overflate trenger å bli kartlagt i løpet av jevn brenning av et brennstoff kondensert overflate ved en meget høy romlig oppløsning for å fange rimelige estimater av de lokale temperaturgradienter. Forsiktig korreksjoner for strålings varmetap fra termo er også avgjørende for nøyaktige målinger. Av disse grunner, må hele eksperimentelle oppsett for å være automatisert med en datastyrt travers mekanisme, eliminere de fleste feilene skyldes posisjonering av en mikro-termo. En oversikt over tiltak for å reproduserbart fange nær-vegg temperaturgradienter og bruke dem til å vurdere lokal brennhastigheter og varmeflukser er gitt.

Introduction

Mens kritiske fremskritt har blitt gjort på området brannsikkerhet forskning over det siste århundret, forutsi forekomsten av flammespredning er fremdeles en utfordring for mange materialer i ulike konfigurasjoner. Flammespredning fortsetter ofte i enten bygget eller naturlige miljøer som en serie av tenninger av nye elementer, som kommer fra en innledende tennkilde. Kunnskap om de brennende egenskapene til de enkelte brennbare materialer er avgjørende for å forutsi disse tallene for flammespredning, fordi dette bidrar til utbredelsen av oppvarming til unignited elementer. Varmeavgivelseshastighet (HRR) den av et brenselelement har derfor vært nevnt som det mest grunnleggende kvantum i brann forskning 1, er tilnærmet lik den brennende (massetapet) hastigheten av kondensert-fase brensel, nemlig fordampning hastigheten et flytende brennstoff eller pyrolyse hastighet på en fast brensel.

Forbrenningshastigheten kan betraktes som et mål på brennbarheten av et material og er en kritisk parameter i brann risikoanalyse og utformingen av brannslokningsutstyr. Den lokale massetapet (eller brenning) hastighet, m "f, av en vertikal vegg er spesielt en viktig variabel i mange brannrelaterte problemer, for eksempel flammespredning på en vegg, brann vekst, og energi-frigjøringshastigheter innenfor et avlukke brann, og spredning av røyk og varme gass- fjær for prediksjon av oppover flammespredning på en vertikal vegg, må det flammehøyden bli beregnet, som avhenger av det totale energifrigjøringshastigheten,., som i sin tur er direkte påvirket av den lokale massetapet hastighet integrert over hele pyrolysering område av veggen 2-3. Selv om kjennskap til disse integrerte masse-tap priser er forholdsvis godt kjent, kjennskap til massebrennhastigheter på inkrementelle lokasjoner langs en ​​brensel overflate ikke er godt kjent fordi eksperimentelle teknikker for å måle slike priser er svært begrenset. En teknikk som gir denne "lokale" masse-forbrenningshastighetinformasjon kan gi økt innsikt til brenning av kondenserte brennstoffer, slik at forskere for ytterligere å forstå mekanismene som skiller forskjellige brennstoffer eller konfigurasjoner fra hverandre. Som de fleste materialer blir først evaluert i liten skala (for eksempel i en kjegle kalorimeteret 1), er et logisk første skritt for å tilveiebringe en teknikk for å måle lokale massebrennhastigheter i små, laminær diffusjonsflamme enn kondenserte brensel overflater.

Arbeidet presenteres her diskuterer eksperimentell metodikk og protokoller for å utføre eksperimenter på jevn laminære flammer etablert i løpet av kondenserte drivstoff overflater. Vurdering av lokale temperaturgradienter som bruker mikrotermo er en spesielt nyttig teknikk for estimering av lokale massebrennhastigheter og varmeflukser i disse flammene 4-6. En analyse av litteratur data viser vanskelighetene med å bestemme lokale varmeoverføring, forbrenning og friksjonskoeffisienter på kondenssed drivstoff overflate, noe som er viktig for å forstå fysikken og de ​​underliggende mekanismene som driver en spesiell brann- og spredning 4-6. Komponenter av varmeflukser, som har ligget kanskje den mest godt målt brann eiendom på lokale steder enn drivstoff overflaten, har vist seg vanskelig å måle. Effekter som variasjon av drivstoff, varmefluks skalerbarhet, vanskeligheter med å oppnå stabile forhold og ulike varme flux måler teknologi har bidratt til en ganske bred spredning av data som er tilgjengelig i litteraturen 4. Målinger av lokale temperaturgradienter med høy nøyaktighet vil bidra til å lindre denne variasjonen, og også gi varmeoverførings sammenhenger som kan brukes for numerisk validering av laminære vegg branner, en kanonisk brann problemstilling. Slike eksperimenter er også nyttige i å utforske det dynamiske forholdet mellom et brennbart brensel kondensert på overflaten og i gassfase flammer på laminær og turbulent grensesjikts. Metoder for å nøyaktig fange disse temperaturgradienter på en nøyaktig og repeterbar måte er beskrevet nedenfor.

Protocol

1. Planlegging av eksperimenter

  1. Følg instruksjonene og sikkerhetsregler før vi går i brann eller forbrenning forskningslaboratorium. Sikkerhetsopplæring er vanligvis nødvendig for nye brukere.
  2. Planlegg dine eksperimenter på forhånd for å gjennomføre de nødvendige testene. Vurdere detaljene i forsøket, transport av nødvendige drivstoff og nødvendig utstyr.
  3. Identifiser flytende eller fast brensel eksperimenter av interesse. Forbered materialer tilsvarende.

2. Utarbeidelse av materialer og Instrumentering

  1. For flytende brensel eksperimenter, utarbeide en drivstoff veke av porøs ikke-brennbart materiale (alkalisk jord silikat ull). Tidligere forsøk 4-6 har utnyttet 8 cm x 8 cm x 1,27 cm for naturlig konveksjon tester og 10 cm x 10 cm x 1,27 cm tykke ark for tvungen konveksjon tester.
    1. Stek den gitte drivstoff veke for ca 20 min ved å utsette det til en diffusjon flamme fra en propanbrenner forå brenne organiske bindemidler inne i veke.
    2. For å eliminere lekkasje av flytende brensel fra sidene av veken, ent anvende flytende natriumsilikat med en sprøyte som dekker alle flater av veken, bortsett fra toppflaten.
    3. Beskytt alle unntatt den øverste siden av veken med aluminiumsfolie. Bruke en høy temperatur klebemiddel for å lime aluminiumfolien til sidene av veken.
  2. For fast brensel eksperimenter, skåret ut av et ark av det faste brensel. I tidligere fri konveksjon forsøk 2, en 8 cm x 8 cm x 1,27 cm tykk plate av en klar støpt polymetylmetakrylat (PMMA) har blitt brukt.
  3. Skåret ut en sliss i et ark av keramisk fiber isolasjonsplate lik størrelsen av brennstoffet prøve hvor for senere å montere prøven. Ofte bruker samme porøse brennbart som drivstoff veke; men forsegle den med høy temperatur matt svart maling.
  4. Sjekk den gitte datainnsamling maskinvare og programvare. Åpne programvaren og kontrollere temperamentetperatur kartlegging algoritme før du utfører nødvendige tester.

3. Utarbeidelse av Forsøksoppsett

  1. Plasser en side-visning digitalt speilreflekskamera, slik at den er på linje med den sentrale aksen av drivstoff og langt nok unna, slik at hele side-visning av den gitte flammen er tatt.
    1. For tvungen konveksjon flammer, bilde et felt av utsikt i sentrum av drivstoff prøven dekker et areal på 16 cm x 8 cm for beregning av fl ame stand-off avstand i pyrolysesonen.
  2. Plasser traversen mekanismen over drivstoff prøven. Feste en 50 um tråddiameter mikrotermoelement til den horisontale akse av traversmekanismen med forsiktighet.
  3. Slå på den programmerbare stepper motor kontrolleren.
  4. I tilfelle av tvang flømmingseksperimenter, strøm opp sentrifugal blåser av vindtunnel.
  5. Sett pulsbreddemodulering (PWM) kontrolleren til en frekvens på 7000 Hz med strøminnstillinger ranging fra 16% til 50% for ulike blåsehastigheter, verifisert med en hot-leder vindmåler.
  6. Bruk vernebriller og brannsikre hånd hansker før du fortsetter med testen.
  7. Under hver test suge veken med flytende brensel (metanol eller etanol) opp til dens metningspunktet. For en 8 cm x 8 cm x 1,27 cm tykk veke, 90 ml var tilstrekkelig til fullstendig å suge veken med to 60 ml sprøyter mens for en 10 cm x 10 cm x 1,27 cm tykk veke, ble 120 ml funnet å være tilstrekkelig.
  8. Plasser drivstoff gjennomvåt veke / fast brensel plate forsiktig inn i drivstoffvekeholderen. Kontroller flathet av brennstoff veken flate med en vinkelmåler.
  9. Åpne massebalanse programvare og kontroller USB-grensesnittinnstillinger. Sjekk massebalansen og merk sin lesing før testen.

4. Start Eksperimenter i en Combustion eller Brann Lab

  1. Sørg for tilstrekkelig ventilasjon av den eksperimentelle anlegget ved å slå på eksos etter å ha fullført hvert sett av eksperimenter. Exhaust bør være så minimal eller isolert som mulig under forsøkene for å bidra til å eliminere strømningsforstyrrelser.
  2. Før en prøve er antent, kalibrere sideriss digitalt kamera ved å ta et bilde av et ark av millimeterpapir eller linjal som er innrettet langs den sentrale akse av drivstoffet overflate. Skaff en gjennomsnittlig piksel / mm count fra kalibreringsbilder. Bruk denne verdien for piksler / mm i løpet av etterbehandling av bildene (for å sette opp måleskala i ImageJ).
  3. Antenne drivstoffet med en propanbrenner, et øyeblikk berøre det for en flytende drivstoff veke og passerer flammen jevnt over overflaten for 50-60 sek med en fast brensel.
  4. Begynn eksperimentelle tiden umiddelbart etter uniform tenning. Bruk en stoppeklokke for å betegne brenntid.
  5. Trykk på datainnsamling knappen på massebalanse programvare.
  6. Overvåke massetapet av den brennende veke i løpet av et tidsbestemt intervall, og skriver det til en måle fil. Bruk massebalansen programvare for gIven formål.
  7. Gjenta trinn 4.3 til 4.6 for flere tester under de samme betingelsene for å sikre repeterbarhet.
  8. Bruk av massetapet mot tid kurve for å bestemme en jevn brenning regime, hvor en lineær tilpasning av massetapet har en høy R2 verdi.
  9. For ustø fast brensel, brenne prøver på 50 sek intervaller fra tenning til utbrenthet for å måle overflate regresjon (f.eks for 50 sek, 100 sek, 150 sek, etc.).
  10. Cut brent fast brensel langs midtlinjen etter avkjøling for regresjonstesting.
  11. Ta side-view fotografier av kuttet fast brensel og last inn ImageJ. Mål regresjon på strømvis steder ved å konvertere piksler til cm med en linjal. Trinnvis fremgangsmåte for å behandle et gitt bilde i ImageJ er oppført herunder.
    1. Åpne side-view bilde av fast brensel prøven i ImageJ via Fil → Åpne bilde.
    2. Åpne kalibreringsbilde (med linjal) av det faste brensel prøven i ImageJvia Fil → Åpne Kalibrering bilde.
    3. Stable opp kalibreringsbildet og fast brensel eksempelbilde. Gå til Image → Bilder Stacks → å stable.
    4. Sett målestokk: Tegn en linje mellom to punkter med kjent avstand som en linjal på fotografiet. Gå til Analyze → Set Scale. I Set Scale vinduet lengden av linjen, i piksler, vil bli vist. Skriv inn kjent distanse og måleenheter i de aktuelle boksene, og klikk OK.
    5. Tegn en ny linje og bekrefte at målingen skalaen er riktig.
    6. Måle avstanden mellom to punkter i den gitte prøven fotografiet: Tegn en linje mellom to punkter. Statuslinjen viser vinkelen (fra vannrett) og lengden. Analyser → Mål (eller Ctrl + M eller bare skrive M på tastaturet) overfører verdier til en data-vinduet.
    7. Mål regresjon på hvert sted strømvis x ved å måle tykkelsen av det burn-out prøven og trekke den fra jegnitial tykkelsen til prøven.
  12. Legg merke til at tidsintervallet over hvilket overflaten av faste brennstoffer forblir tilnærmet flat og bruk for temperatur kartlegging eller justeringer av termoelementposisjoner gjort for å kompensere for overflate regresjon.
  13. Still temperaturen kartlegging intervall for å fange målinger under den stadige brennende regime, ca 150 sek for solid PMMA og 400 sek for væske gjennomvåt veker. Sett temperaturintervallet kartlegging basert på en jevn brenning tidsintervall av flytende og faste brensler. En anbefalt trinnstørrelsen i nærheten av overflaten er 0,25 mm 4-6.
  14. Justere en mikro termo forsiktig med overflaten av brennstoffet ved hjelp av en XY UniSlide. Plasser den gitte termoelementet på midten av bredden av prøven.
  15. Flytt mikro termo nøye til forkanten av drivstoff veke med XY UniSlide.
  16. Kjør en datainnsamlingsprogram på en datamaskin og lese rutenettet skanning algoritme fra en mappe på desktop.
    Merk: Når eksperimentet er i gang, datainnsamling er automatisk, og brukeren trenger bare å overvåke det å sørge for at eksperimentet går som planlagt.
  17. Ved hjelp av en datainnsamlingsprogram på en datamaskin, innhente data og skrive det til en måling fil. Note, samplingsfrekvenser på 100 4-5 500 6 Hz ble brukt i tidligere forsøk.
  18. Når du er ferdig, slukke flammen. Slå av PWM-kontrolleren og trekke ut støpselet av blåseren fra 3-fase 240 volts strømuttak.
  19. Slå av stepper motor kontrolleren.
  20. Gjenta trinn 04.12 til 04.18 for ytterligere forsøk på lignende eller ulike strømningsforhold med samme termo. Minimum 5 tester bør gjentas for hver gitt flyt tilstand (f.eks, tvunget strømningshastighet eller vertikal retning).
  21. Gjenta trinn 04.12 til 04.18 for en 75 mikrometer mikrotermo. Traverse to termo (50 mikrometer og 75 mikrometer wire-diameter) langs same bane i sentrum av flammen for nøyaktig stråle korreksjoner. Mindre termo kan også brukes, men brekker ofte skjedde for ledninger under 50 mikrometer.

5. Data Analysis

  1. Les bearbeidet data fra LVM filen til Matlab eller annen analytisk programvare.
  2. Gjennomsnittlig temperaturdataene ved hver romlig punkt fra forskjellige tester.
  3. Beregne en korreksjon stråling fra gjennomsnittstermoelement-data ved hver strømvis sted, som følge av korrelasjonen av Collis og Williams 10 beskrevet i detalj nedenfor.
  4. Beregn kompensert temperaturmålinger ved å legge stråling korreksjon til rå temperaturdata.
  5. Non-dimensionalize temperaturen data og romlig plassering.
  6. Monter de ikke-dimensjonale temperaturdata på drivstoff overflaten med en passende høyere ordens polynomisk tilpasning ved hjelp av en kurve algoritme i Matlab eller annen dedikert programvare. 4 til 6 punkter nær overflatenble funnet å fungere godt i tidligere studier 4-6.
  7. Beregn de normale ikke-dimensjonale temperaturgradienter på brensel overflaten fra helningen av de høyere ordens polynomisk tilpasning til den ikke-dimensjonale temperaturfordeling i brennstoffet overflaten (y = 0).
  8. Beregn den lokale masseforbrenningshastighet fra den tilsvarende lokale ikke-dimensjonale temperaturgradient ved drivstoffoverflaten ved hjelp av en teoretisk korrelasjon basert på den Reynolds Analogi 4.
  9. Beregn den konvektive varmestrømmen fra temperaturgradienten på overflaten av brensel-5-6.

Representative Results

Eksperimenter er blitt utført både i en vertikal konfigurasjon, og et unikt horisontal vindtunnel anlegget ved University of Maryland, vist i figur 1. I stedet for en tradisjonell pull eller lukket returvindtunnel, vindtunnelen anlegget ved University of Maryland benytter en variabel trinns vifte for å trykksette en 100 x 75 x 100 cm plenum som styrer strømmen av luft ut en kanal i den motsatte enden. Denne konfigurasjonen gjør kontinuerlige forbrennings eksperimenter som røyken er ikke resirkuleres, blir vindtunnel ikke skadet eller påvirket av brannen og termo er i stand til å bevege seg fritt i hele prøveseksjonen. Den utgang kanal består av en 122 cm, 30,5 cm bred konvergerende seksjon koblet til plenum. Å rette flyten og redusere innkommende turbulensintensitet, er finmaskede sikter plassert ved inngangen og utgangen av konvergerende delen og en 5 cm tykk honeycomb med 0,3 cm hull erplasseres 110 cm oppstrøms fra tunnelen exit. Hastigheten av strømmen som kommer ut av vindtunnelen styres ved å variere hastigheten på viften med en pulsbredde-modulasjon (PWM) kontroller og drivstoffprøver er plassert ved utløpet av tunnelen, hvor strømningshastigheter er kontrollert via bruken av en hotwire vindmåler.

Brennstoffprøver ved utløpet av vindtunnelen ble plassert på toppen av en lastcelle som kontinuerlig måler massetapet av prøven over tid. For å unngå forstyrrelser av vinden til belastningen celle, ble prøven forhøyet på et ark av aluminium (30,5 x 61,0 cm x 1,5 mm tykke) av to U-brak og omgitt av 1,27 cm tykt keramisk fiber isolasjon bord for å sikre en jevn overflate rundt den brennende prøven. Den øverste overflaten av styret ble belagt med en høy temperatur sort matt maling med en emissivitet ca 98% for å sikre et godt bakteppe for visuelt observere flammen og å forsegle isolasjonsom også inneholder organiske bindemidler. På grunn av at isolasjonsplaten oppviser en forholdsvis butt legeme til den innkommende strømningen, å plassere prøven satt opp direkte i utløpet av vindtunnelen resulterte i strømningsdeling og turbulens av betydning observert i flammer. Tidligere arbeid av Ha et al. Fant at feste en skjøteplate til den fremre delen av et brennstoff prøve forhindret denne strømningsdeling og sikres en laminær strømningsprofil innkommende til prøven. En 10 cm bred, 40,6 cm lang tynn metall leppe var derfor monteres fra den fremre kant av prøven til utløpet av vindtunnelen, noe som gir en laminær diffusjonsflamme som til slutt ble funnet å samsvare med eksisterende teori 7.

I testing flytende brensel en porøs brennbart veke var nødvendig. En 10 cm x 10 cm x 1,27 cm tykke ark av alkaliske jord silikat ull ble valgt for tvangs flømmingseksperimenter på grunn av sin høye porøsitet og lav varmeledningsevne. i order å hindre lekkasje av drivstoff fra prøven, ble natriumsilikat lim brukes til å anvende aluminiumfolie for alle bortsett fra forsiden. Prøven ble også «bakt» for å fjerne organiske bindemidler ved å føre en blåselampe over prøven i omtrent 20 minutter, ved hvilket punkt flammen endret seg fra gult til blått (som viser fjernelse av bindemidler fra prøven). Under testing veker var gjennomvåt med ca 120 ml flytende brensel (etanol eller metanol) som ble funnet å være den metningspunktet for den 10 cm brede veker.

Massen forbrenningshastighet av drivstoffet ble bestemt ved å måle massen tapt fra prøven over tid i løpet av forbrenning ved en hastighet på 1 Hz. Prøven oppsettet ble støttet over en presisjon massebalanse med en maksimal kapasitet på 32,2 kg og oppløsning av 0,1 g, fine nok til å måle dette massetapet hastighet med høy presisjon. Etter tenning av prøven ved hjelp av en blåselampe, massetapsprosent av kondensed brensel øker som en funksjon av tid, til slutt nå en konstant hastighet som til slutt forsvinner mot slutten av testen som brensel brenner ut. Denne "jevn" region, hvor fordampning av brennstoffet snarere enn diffusjon gjennom veken dominerer brenning, er området av interesse, hvor data blir samplet. For en flytende veke, ble prøvene funnet å brenne med en jevn massetapet hastighet i omtrent 400 sekunder, omtrent den midterste 80% av en test. Alle brennhastigheter som presenteres er gjennomsnitt av minst seks gjentatte tester under spesifiserte betingelser, hvor det repeterbarhet av målinger ble funnet å være innenfor 1,2% av middelverdien.

For testing av et fast brensel prøve ble polymetylmetakrylat (PMMA) valgt som det brenner forholdsvis jevnt og ikke røye. For å tenne prøve ble en blåselampe ført over prøvens overflate for 50-60 sek, ved hvilket punkt på hele overflaten var jevnt antent. Fordi detdrivstoff prøven var liten og de eksperimentelle resultater funnet å være svært repeterbare, hvor fremgangsmåten ble ansett å være tilstrekkelig for tenning. I motsetning til flytende brensel fuktet til et ikke-brennbart veke, faste brensler regress som en funksjon av tid og blir derfor aldri virkelig oppnå en jevn regime. I stedet ble det tidlige tider av brenn valgt til å bli samplet hvor brennstoffet forble forholdsvis flat, eksperimentelt bestemt til å oppstå i løpet av den første 150 sekunder etter tenning.

For både flytende og faste brensler, ble temperaturer over drivstoffoverflaten kartlagt i gassfasen ved hjelp av fin-tråds termoelementer. For PMMA ble temperaturen samplet på 6 punkter over overflaten fra det smeltede lag inn i gassfasen ved 0,25 mm intervaller (for tvungen konveksjon tester). For flytende brensel, ble disse målingene utføres fra det tynne laget av drivstoff på overflaten ut til 6 punkter med samme oppløsning. Disse profiler ble tatt ved 12 steder along lengden av brennstoffoverflaten, i 400 sekunder for tenning av flytende prøver og i løpet av 150 sekunder for PMMA.

De forannevnte temperaturmålinger ble utført ved anvendelse av R-typen Pt / Pt-13% Rh mikrotermoelementer (punktsveiset) med to tråddiameter, er 50 um (0,002 i) og 75 mikrometer (0,003 tommer) med perlediameter på ca 100 um og 150 pm, respektivt. Størrelsen av termoelementene ble valgt slik at den termoelement var så liten som mulig uten tilbakevendende brudd (for å minimalisere nødvendige korreksjoner stråling), men noen stråling korreksjoner ble fortsatt nødvendig. Ved hjelp av to termoelementer med forskjellig diameter ble valgt for bedre å kunne bestemme en passende strålings korreksjon (beskrevet senere). Mikrotermoelementer ble deretter gjennomløpes ved hjelp av et sett av datamaskin-styrt XY unislides med en maksimal romlig oppløsning på 1,5 um. Spenningssignaler ble deretter ble ACQuired, klimaanlegg og digitalisert via en datamodulen vurdert opp til 0,02 ° C måling følsomhet. LabVIEW programvare ble brukt til å synkronisere bevegelsen av både de 50 um og 75 um tråd-diameter termoelementer med temperaturmåling over prøven.

For å bestemme en forholdsvis nøyaktig strålings korreksjon, ble de to termoelementstørrelser som er beskrevet traverseres over samme sted i løpet av gjentatte tester. Korrelasjonen av Collis og Williams ble brukt for varmetap fra prøven 5-6,8,

ligning 1 (1)

hvor Nu er Nusselt nummer og Re = Ud w / v er Reynolds-tallet som ble oppnådd for 0,02 <Re <44, med egenskaper evaluertpå filmens temperatur, Τ m, et gjennomsnitt av gassen, Τ g, og termoelement, x tc temperaturer. Her blir Reynolds tall Re er definert som angitt for den lokale gass-strømningshastighet u og kinematiske viskositet v. D w i ligning. (1) representerer termoelementledning diameter.

For steady-state-målinger, som i det tilfelle som er beskrevet her, en energibalanse på termoelementet krysset reduseres til en konvektiv-strålingsvarmebalansen (neglisjere feil på grunn av konduksjon og katalytiske virkninger), gitt ved

ligning 2 (2)

ligning 360, (3)

hvor Τ g er den virkelige gasstemperatur, er Τ tc termoelementet kobling (eller vulst) temperatur, er Τ surr temperaturen av omgivelsene, ε tc er emissivitet av termoelementet krysset, er σ Stefan-Boltzmanns konstant og h er den konvektive varmeovergangstall av strømningen over termoelementet krysset definert som h = k Nu / d. k er den termiske ledningsevnen til gassen, er det Nu Nusselt nummer, og d er den termotråddiameteren. Valg av Nusselt antall korrelasjonen er av avgjørende betydning ved beregning av en strålings korreksjon av den målte termo temperatur fordi, som vist i ligning. (3), er strålingen korreksjon omvendt proporsjonal med Nusselt nummer. Dette valget er komplisert, men på grunn av exi stence av flere «riktige» Nusselt tall korrelasjoner og vanskeligheten med estimering av egenskapene til gassblandingen som omgir termoelement, spesielt dens varmeledningsevne. Hovedtyngden av bevis i litteraturen, men indikerer klart at en sylindrisk Nusselt rekke sammenheng er mest hensiktsmessig for å beskrive den konvektive varmeoverføring til nesten alle praktiske termo 5-6, fortrinnsvis at av Collis og Williams 8.

Den Nusselt antall sammenheng må byttes inn i en stabil tilstand konvektive-strålingsbalansen (ligning 3) og neglisjere liten temperaturavhengighet, er et system av to likninger med to ukjente (nemlig Τ g og U) dannet,

ligning 4 (4)

t "fo: keep-together.within-page =" 1 "> og

ligning 5 (5)

Ligningene (4) og (5) må løses iterativt sammen ved hvert punkt, ettersom gass-fase ledningsevner og kinematiske viskositeter er både en funksjon av temperaturen. Vulsten Temperaturen bør brukes som den første iterasjon av gasstemperatur for å evaluere varmeledningsevne og kinematisk viskositet, med den iterative verdi gjentatt inntil lave feil blir kontaktet. Ved å løse ligningene, ser det ut til at strålingen korreksjon (dvs. differansen mellom termoelementet lesing og den virkelige temperatur) øker for større diameter termoelementer og reduseres med økende strømningshastigheter over vulsten. D w 1 og d w 2 i ligningene . (4) og (5) repmisliker termotråddiameter brukt i vår studie.

Emissivitet av vulsten (ε tc) kan også bli funnet som en funksjon av temperatur ved anvendelse av en metode som er beskrevet av Jakob 9. I sin analyse, løser Jakob Maxwells ligninger bølge for de komplekse brytningsindeksene på en metallisk overflate som en funksjon av dens elektriske motstand. En antagelse er tatt i grensen av lav resistivitet og store brytningsindekser, som gjelder for metaller, noe som gir en enkel korrelasjon for den halvkuleformede total emissivitet av platina (Pt) som,

ligning 6 (6)

der, for platina, r e ≈ r e, 273 T / 273, med T i K og r e, 273 <em> = 11x10 -6 Ω-cm.
Derfor blir det platina emissivitet 5-6

ligning 7 (7)

for 0 <T <2330 K. emissivitet av termo perle eller veikryss, som vises i ligningene. (4) og (5) kan derfor bli vurdert ved hjelp av ovennevnte uttrykk. En iterasjon er ikke nødvendig for ligningene. (6) og (7) fordi den faktiske verdien av vulsten temperatur er kjent, bare gasstemperaturen og hastighet i ligningene. (4) og (5) må løses iterativt.

Under forsøk ble to termoelementer traver nøyaktig de samme målepunkter og data ble prøvetatt for å ta hensyn til strålings korreksjon i temperaturmålinger. Korreksjonene påført som et resultat of itera ligningene. (4) og (5) var små, for eksempel bare 79 K til 50 mikron tråddiameter termoelementet ved 1700 K og mindre enn 5 K nær drivstoffoverflaten 6. Siden termo også kryss områder med høye temperaturgradienter hensyntagen til lednings tap gjennom ledningen må også tas i betraktning, men på grunn av de små tverrsnittsarealer for de termo ledninger, ble slike feil beregnet til å være <1%, og derfor finnes det ikke noen korreksjoner var nødvendige 5-6.

Med drivstoff flate plassert i sentrum av luftstrømmen ved utkjørselen av vindtunnelen, ble enkel tilgang til drivstoff overflaten gitt for micro termo og hot-tråds anemometer målinger. I løpet av kald-flyt kjøringer av vindtunnelen (ingen forbrenning) fri-strømningshastigheten, ble U ∞ av vindtunnelen kalibreres ved hjelp av en varmtråd anemometer som samplet med en hastighet på 50000 sampler / sek for en total duration av ti sekunder per punkt. Den hastighetsprofil langs utløpet av hele tunnelen ble tatt, avslørte at en konsistent pluggstrøm som stråler ut fra midten av tunnelen utløp. Dette er forventet for en kvadratisk kanal, slik som utløpet av vår vindtunnel. Tidligere målinger av Sforza, et al. 10 viste at potensialet kjernen lengden av et kvadrat stråle med Reynolds-tall Re d mellom 2,6 og 8,8 x 10 4 bør være omtrent 5 d nedstrøms for utgangen, hvor d er høyden av kanalen. For d = 30,48 cm, bredden av vindtunnelen utløp, er Re d mellom 1,5 x 10 og 3,9 x 4 10 4 betydningen prøven forblir i en d (20 cm) av tunnelen utløp. Den repeterbarhet av disse målingene var innenfor 3% av gjennomsnittet.

Temperaturen ble målt på overflaten av en brennende ark på 10 cm x 10 cm x 1,27cm PMMA plassert ved utløpet av en vindtunnel som arbeider ved U ∞ = 0,79 m / sek, og 2,06 m / sek. Prosedyrene er beskrevet ovenfor ble brukt til å fange temperaturmålinger som var ikke-dimensionalized i form av normal lengde y * = y / L og temperatur, T * = (T - T w, p / T fl, ad - T w, p) , hvor Τ w, p og Τ fl, representerer ad veggen og adiabatiske flammetemperaturer, henholdsvis for en gitt brennstoff, y posisjon vinkelrett på brennstoff overflaten hvor temperaturen blir målt og L lengden av brensel overflaten. Den ikke-dimensjonale temperaturgradienter vinkelrett på overflaten ble så beregnet, (∂ T * / ∂ y *) y * = 0 ved å montere en femte-ordens polynom til de ikke-dimensjonale temperaturer og ekstrahering av skråningen på brennstoffoverflaten, y * = 0.

Figur 2 (a) viser disse ikke-dimensjonale temperaturgradienter langs lengden av brennstoffoverflaten. De er klart størst ved den fremre kant av brensel overflaten, hvor flammen er nærmest drivstoff overflate, og minke mot den bakre kant (x = 100 mm), hvor flammen er lengst fra brenseloverflaten. De ikke-dimensjonale temperaturgradienter kan brukes til å bestemme den lokale massebrennhastighet ved å bruke korrelasjons 4,6,

ligning 8 (8)

hvor B er masseovergangs antallet den gitte brensel, k w den termiske ledningsevnen for luft evaluert ved veggtemperaturen, c p den spesifikke varmen av luft evaluert ved en adiabatisk flammetemperatur av drivstoffet, og L </ Em> lengden av pyrolysering av drivstoff overflate. Den lokale massebrennhastigheten blir så funnet å variere på en måte som er lik den ikke-dimensjonale temperaturgradienter, vist i figur 2 (b).

I motsetning til flytende drivstoff, for PMMA den lokale masseforbrenningshastighet kan også tilnærmes a posteriori ved å måle lokal overflate regresjon løpet faste tidsintervaller 2,11. PMMA prøver ble brent under representative forhold for perioder som starter på 50 sek og økende på 50 sek intervaller etterfulgt av utryddelse av prøven. Pyrolysemassestrømningshastighet for PMMA er beregnet på hvert sted x langs den sentrale symmetriakse ved hjelp av en første-ordens tilnærmelse gitt ved Pizzo et al. 11, diskutert i litteraturen ellers 4-6. En gjennomsnittlig tetthet på PMMA, ρ s = 1,190 kg / m 3 ble benyttet sammen med målte overflate regresjon langs brensel overflaten for åkomme frem til masse-tap priser i løpet av hver 50 sek intervaller langs lengden av brennstoffprøven. Selv om en kortere tid skritt ville være ønskelig, feil i målingen gjøre det blir upraktisk når tidssteg er mindre enn 50 sek 5.

Å sammenligne lokale masse tap priser fra termo med de fra regresjon profiler, ble data fra drivstoff utbrenthets tider med 100 og 150 sek brukes til å sammenligne de lokale massebrennhastigheter vist i figur 2 (b). Disse tidene tilsvarer omtrent den samme tider disse målingene ble tatt. Som det kan ses i figuren, begge metoder for å måle den lokale masseforbrenningshastighet synes meget nær hverandre, noe som tyder metodikk fungerer godt for disse typer flammer.

For konvektivt dominerte flammer som disse små, skivelignende seg, kan temperaturgradienter på brennstoff overflaten også brukes til å trekke convective varmeflukser som de er i hovedsak direkte relatert til temperaturgradienten ved overflaten. Ved å bruke målte massetapsfrekvens, kan komponentene i flamme varmefluks også bli trukket ut langs pyrolysesonen. Bruk av flere tilnærmelser til varmebalansen ved drivstoffoverflaten, som er oppført i litteraturen ellers 2-3, kan disse komponentene bestemmes over overflaten av en skive av brennende PMMA. Figur 3 viser dette resultat, for en PMMA flamme stabilisert med en omgivelses fri -stream hastighet av U ∞ = 2,06 m / sek. Teknikken kan derfor være svært nyttig for å vurdere flere tiltak for å beskrive brenning av små prøver av brennstoff, noe som fører til økt forståelse av forbrenningsprosessen, særlig forholdet mellom den faste og gassfase.

Figur 1
Figur 1. Experimental Setup. (a) Skjematisk av den eksperimentelle oppsett brukes til å måle massetapsrater og temperaturprofiler over en tvungen konveksjon grensesjiktet diffusjon flamme. (B) Eksperimentell oppsett for å undersøke grensesjikt diffusjonsflamme henhold tvunget flyt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. temperaturgradient og Lokale forbrenningshastighet resultater. (A) Variasjon av den normale ikke-dimensjonale temperaturgradienter langs drivstoffoverflaten for en PMMA grensesjiktet diffusjon flamme på U ∞ = 0,79 m / sek og 2,06 m / sek, henholdsvis. (B) Variasjon av de lokale massebrennprisene PMMA grenselaget diffusipå flammene på ulike gratis-stream forhold. Lokale massebrennhastigheter oppnås gjennom ikke-dimensjonale temperaturgradienter er sammenlignet mot de eksperimentelle data innhentet gjennom regresjon av PMMA overflaten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Heat Flux resultater under tvungen Flow. Fordeling av ulike komponenter av flamme varmeflux i pyrolysesonen for en PMMA grensesjikt diffusjon flamme på U ∞ = 2,06 m / sek. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Målet med denne undersøkelsen var å utvikle en ny metode for estimering av lokale massebrennhastigheter for både flytende og fast brensel under en rekke av flow-feltforhold. Studien vurderte to tilfeller, en konveksjon grensesjikt diffusjon flamme og tvunget konveksjon grensesjikt diffusjonsflamme etablert under ulike gratis-stream forhold, med både flytende og fast brensel.

Lokale brennhastigheter målt via fine trådtermo målinger over begge flytende drivstoff-gjennomvåt veker og over solide plater av PMMA ble funnet å samsvare med andre former for estimering, nemlig drivstoff regresjon målinger. Disse temperaturgradienter nær drivstoff overflaten ble bestemt ved hjelp av en sammenheng basert på Reynolds analogi 12-13 at mens det krever jevn, laminær forbrenning, fungerte veldig bra for små skjellprøver, til slutt resulterer i data innenfor 15% nøyaktighet for gjennomsnittsresultater og mye mer for lokal måling utenentene 4-6. Den korrelere Faktoren for disse lokale massetapsmåling, avhenger av Spalding masseoverføring antall av representative drivstoff og andre termo-fysikalske egenskaper av brennstoffet som kan beregnes a priori. Resultatene tyder på at denne teknikken kan være nyttig å trekke ut disse mengdene og forstå brenning av småskalabrennstoffer i større detalj i fremtiden.

Andre studier i litteraturen har utvidet representant arbeidet her innlemme numeriske simuleringer 4 og eksperimenter på vertikalt orienterte prøver, fritt brennende 4,5, og horisontalt montert prøvene under omgivelses vinder 6. For disse konfigurasjonene, er komponenter av varmeflukser også blitt bestemt lokalt over drivstoff overflaten ved bruk av den samme fine trådtermo teknikk meget nær til den kondenserte brennstoff overflate. Mens deler av varmestrømmen har blitt målt i fortiden ved bruk av innebygde målere, this teknikk er minimal invasiv og gir direkte måling av konvektive varme flukser, som ikke har vært mulig tidligere.

Spesiell forsiktighet bør utvises ved eksperimenter ved valg av spesifikke konfigurasjoner og oppsett av apparatet. I disse eksperimentene, termoelementer som er valgt for trinn 3.2 stakk frem fra en liten keramisk rør, og holder spenningen på ledningen og gjør plasseringen av termoforholdsvis løst. Ved hjelp av en termoelementledning suspendert over hele flammen uten et rør vil redusere mulige forstyrrelser fra det keramiske rør, men det ville gjøre å finne den spesifikke plasseringen av termo mye mer variabel som tråden har en tendens til å ekspandere med økende temperaturer. Noen ganger kan endringer i konfigurasjonen kan indusere effekter på tvers av bredden på prøven (for eksempel skråstilling av prøven). Hvis oppsettet er endret fra de studerte i det siste 4-6, rundt skrittet 4.14 sporadiske kontroller at flammetemperatur measurements ut på tvers av prøven viser ingen signifikant variasjon skal tas (dvs. fortsatt holder en 2-D antagelse). Ellers vil en 3-D kartsystem må gjennomføres.

De mest kritiske trinnene mens du utfører eksperimenter har å gjøre med forberedelse av drivstoff og riktig bruk av termoelementer. Selv små avvik i plassering av termo kan forårsake feil, derfor man må passe på når du plasserer termo i trinn 3.2, 4.13 og 4.14. Brenselet veke må også plasseres slik at så flat overflate som mulig opprettholdes (trinn 2.1) og alle fyllmateriale skal bakes ut av veker (trinn 2.1.1).

Eksosanlegget, aktiveres i trinn 4.1 bør også holdes som minimal eller isolert som mulig nær eksperimentet for å bidra til å eliminere strømningsforstyrrelser. Dette bør sjekkes ved å sikre en liten stearinlys ikke er blåst hvor testen vil foregå (uten vind). Det forundrer, skjermer, Et eget lukket innretning eller testing i en stor plass kan brukes for å oppnå dette. I trinn 4.2, må det faste brensel antennes så jevnt som mulig. Mens propan fakkelen er ikke den mest ideelle kilden til å gjøre dette, ble eksperimenter ikke funnet å være følsomme for tennkilde i tidligere arbeid 4-6. Følsomhet for tennkilden bør dokumenteres i løpet av eksperimenter ved å variere tid eller intensitet av eksponering og observere resultatene på jevn masse forbrenningshastighet. Hvis følsomhet er observert et strålingspanel bør alternativt brukes til å tenne prøver. Fast brensel, eller en hvilken som helst drivstoff som ikke har en stor (> 300 sek) jevnt brennende region som observert ved masse-tap priser bør ha temperatur kartlegging tatt i løpet av en kort region. For eksempel, i trinn 4,13 kartleggingen er anbefalt for PMMA å bli tatt i løpet av de første 150 sekunder, mens brennstoffet fremdeles er forholdsvis flat og overflate regresjon har vært godt dokumentert. Surface regresjon målinger kan jeg brukemageJ eller annen lignende bilde programvare for å måle piksler på bildene og konvertere til lengde. Alternativt kan et digitalt mikrometer benyttes for å måle overflate regresjon av den faste plate etter at den er avkjølt (legg merke til overflaten av "bobler" materialer som for eksempel PMMA må slipes først).

Den foreslåtte Forbrenningshastigheten korrelasjon er basert på laminære antagelser, er det imidlertid antatt at denne teknikken bør følge en lignende form for turbulent forbrenning av et brensel overflate, men med en modifisert funksjonelt forhold som må bestemmes eksperimentelt. Arbeidet som presenteres her senere kan utvides til turbulent grensesjikt forbrenning og assosierte interaksjoner mellom turbulens og gassfase-varmefrigjøring som driver den innfallende varmestrømmen til brensel overflaten kan bli ytterligere undersøkt.

Teorien hvorpå brennhastigheten korrelasjonen er basert forsømmer også stråling. Teorien er unyansert leading til usikkerhet i sine prediktive evner i forhold som ikke omfattes av dette arbeidet. For eksempel kan en gitt metodikk ikke fungere for høye soting flammer hvor varmefluksen til overflaten, er i stor grad strålingen. For store turbulente vegg flammer, hvor strålingsvarmestrømmen til kondens drivstoff overflaten er høy, den foreslåtte forbrenningshastigheten korrelasjonen kanskje eller kanskje ikke fungere. Inkludering av stråling effekter i den foreslåtte sammenhengen er, og dermed må ønskelig og videre forskning utføres for å avgjøre dette funksjonelle forhold. Dette området krever forbedringer i modellen hvis trygg prediksjon metoder skal oppnås for slike flammer.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Babrauskas, V., Peacock, R. D. Heat release rate: the single most important variable in fire hazard. Fire Safety J. 18 (3), 255-272 (1992).
  2. Pagni, P., Shih, T. M. Excess pyrolyzate. Proc. Combust. Inst. 16 (1), 1329-1343 (1977).
  3. Orloff, L., Modak, A. T., Alpert, R. Burning of large-scale vertical surfaces. Proc. Combust. Inst. 16 (1), 1345-1354 (1977).
  4. 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).
  5. Singh, A. V., Gollner, M. J. A methodology for estimation of local heat fluxes in steady laminar boundary layer diffusion flames. Combust. Flame. 162 (5), 2214-2230 (2015).
  6. Singh, A. V., Gollner, M. J. Local burning rates and heat flux for forced flow boundary-layer diffusion flames. AIAA J. 54 (2), 408-418 (2016).
  7. Collis, D., Williams, M. Two-dimensional convection from heated wires at low Reynolds numbers. J. Fluid Mech. 6 (3), 357-384 (1959).
  8. Jakob, L. M. Heat Transfer. , Wiley. New York, USA. (1967).
  9. Sforza, P., Steiger, M., Trentacoste, N. Studies on three-dimensional viscous jets. AIAA J. 4 (5), 800-806 (1966).
  10. Pizzo, Y. Experimental observations on the steady-state burning rate of a vertically oriented PMMA slab. Combust. Flame. 152 (3), 451-460 (2008).
  11. Chilton, T. H., Colburn, A. P. Mass transfer (absorption) coefficients prediction from data on heat transfer and fluid friction. Ind. Eng. Chem. 26 (1), 1183-1187 (1934).
  12. Silver, R. Application of the Reynolds analogy to combustion of solid fuels. Nature. 165, 725-726 (1950).

Tags

Engineering Reynolds analogi mikro termo temperaturgradienter massebrennhastigheter varmeflukser diffusjonsflamme
Eksperimentell metodikk for estimering av lokal varme flukser og Burning priser i Steady Laminar grenselaget Diffusion Flames
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Singh, A. V., Gollner, M. J.… More

Singh, A. V., Gollner, M. J. Experimental Methodology for Estimation of Local Heat Fluxes and Burning Rates in Steady Laminar Boundary Layer Diffusion Flames. J. Vis. Exp. (112), e54029, doi:10.3791/54029 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter