定常流境界層の拡散火炎における局所熱フラックスとバーニング料金の推定のための実験的方法論

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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).

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Abstract

凝縮相燃料の現実的な燃焼挙動をモデル化するための気相炎と凝縮相の燃料との間の界面で発生する複雑な相互作用を解決することができないの一部に、手の届かないところにとどまっています。現在の研究は、層境界層中の可燃凝縮燃料表面と気相炎との間の動的な関係を探求するための技術を提供します。実験は以前に、固体と液体燃料の両方の上に両方の強制と自由対流環境で行われています。レイノルズアナロジーに基づいてユニークな方法論は、燃料表面における局所的な温度勾配を利用して、これらの層流境界層拡散火炎のローカル質量燃焼速度と火炎熱フラックスを推定するために使用されました。地元の質量燃焼速度と炎からの対流と放射熱のフィードバックは、2軸トレイバーによって壁の近くマッピングされた温度勾配を使用して、両方の熱分解及びプルームの領域で測定しました。SEシステム。これらの実験は、時間がかかると凝縮された燃料の表面は点火後の時間の限られた期間のために着実に燃えるように設計するために挑戦することができます。燃料表面付近の温度プロファイルは、局所的な温度勾配の合理的な推定を捕捉するために、非常に高い空間分解能で凝縮燃料表面の安定燃焼中にマッピングする必要があります。熱電対からの放射熱損失の慎重な修正はまた、正確な測定のために不可欠です。これらの理由から、全実験は、マイクロ熱電対の位置に起因するほとんどのエラーを排除し、コンピュータ制御のトラバース機構を自動化する必要があります。再現壁近傍の温度勾配を取得し、ローカルの燃焼速度と熱流束を評価するためにそれらを使用するための手順の概要が提供されます。

Introduction

重要な進歩は、過去一世紀にわたって火災安全研究の分野でなされてきたが、火炎伝播の速度を予測することは、まだ多様な構成で多くの材料のための課題です。炎は、多くの場合、発火の初期供給源から発せられる、新しい要素の点火のシリーズとして構築または自然環境に進行広がります。これはunignited要素への加熱の速度に寄与するため、個々の燃焼材料の燃焼特性の知識は、火炎伝播のこれらのレートを予測するために重要です。燃料要素の熱放出速度(HRR)は、したがって、凝縮相燃料の燃焼(質量損失)率、のすなわち蒸発速度にほぼ等しい、火災の研究1における最も基本的な量として引用されています固体燃料の液体燃料または熱分解率。

燃焼速度は、母校の可燃性の尺度として考えることができますIALと火災のリスク分析や火災抑制システムの設計において重要なパラメータです。地元の質量損失(または燃焼)速度、M "垂直壁のfは 、特に、このような内の壁に延焼、火災の成長、およびエネルギー放出速度などの多くの火災関連の問題、で重要な変数でありますエンクロージャ火災、煙と高温ガスプルームの広がり垂直壁に上向きの火炎伝播の予測については、火炎の高さを計算する必要があり、総エネルギー解放率に依存し。その、今度は、直接の影響を受けています壁2-3の全体の熱分解領域にわたって積分局所質量損失率。これらの統合質量損失率の知識が比較的よく知られているが、燃料表面に沿ったインクリメンタル位置での質量燃焼速度の知識があまり知られていません実験技術は、このような速度を測定するためには非常に限られている。この「ローカル」質量燃焼速度を提供する技術情報は、互いに異なる燃料または構成を区別するメカニズムを理解するために研究を可能にする、凝縮燃料の燃焼に増加洞察を提供することができます。ほとんどの材料は、第1小スケールで評価されるように( 例えば、コーン熱量計1で)、論理的な最初のステップは、凝縮された燃料の表面上に小さな、層流拡散火炎における局所質量燃焼速度を測定するための技術を提供することにあります。

ここで紹介する作品は、凝縮された燃料の表面上に確立された安定した層流炎の実験を実施するための実験方法およびプロトコルについて説明します。マイクロ熱電対を使用して、局所的な温度勾配の推定は、これらの炎4-6で地元の質量燃焼速度と熱流束の推定のために特に有用な技術です。文献データの分析はcondenにおける局所熱伝達、燃焼及び摩擦係数を決定することの難しさを示しています物理学、特に火災とその広がり4-6を駆動根底にあるメカニズムを理解するために重要であるsedの燃料表面、。燃料表面上にローカルの場所でおそらく最もよく測定された火災のプロパティを残っていた熱流束のコンポーネントは、測定が困難であることが証明されています。そのような燃料の変動、熱流束のスケーラビリティ、定常状態を達成し、熱流束計の技術が異なることの難しさなどの効果は、文献4で利用可能で、データのかなり広い散布に貢献しています。高い精度で局所的な温度勾配の測定は、この変動を緩和し、また、層状壁火災、標準的な火災の研究課題の数値的検証のために使用することができる熱伝達相関を提供するために役立ちます。このような実験はまた、層と乱流境界層中の可燃凝縮燃料表面と気相炎との間の動的な関係を模索するのに有用です秒。正確に正確かつ繰り返し可能な方法でこれらの温度勾配を捕捉する方法は、以下に記載されています。

Protocol

実験1.計画

  1. 火災や燃焼研究室に入る前に指示と安全上の注意事項に従ってください。安全教育は、一般的に、新規ユーザーのために必要とされます。
  2. 必要なテストを実行するために事前に実験をスケジュールします。実験では、必要な燃料の輸送と必要な機器の詳細を検討してください。
  3. 興味のある液体または固体燃料実験を識別します。それに応じて材料を準備します。

材料および計装の調製

  1. 液体燃料の実験のために、多孔質の不燃性材料(アルカリ土類シリケートウール)の燃料芯を準備します。以前の実験4-6は、自由対流実験10cmのための8センチメートルのx 8センチメートルのx 1.27センチメートルのx 10センチメートルのx 1.27センチメートルに強制対流テストの厚いシートを利用してきました。
    1. ためにプロパントーチから拡散炎に曝すことにより、約20分間、所定の燃料芯を焼きますウイックの内側に有機バインダを燃焼させました。
    2. 芯の側面からの液体燃料の漏れを排除するために、自由に上面を除く芯のすべての面を覆うシリンジで液体ケイ酸ナトリウムを加えます。
    3. アルミホイルですべてが、芯の上面を遮蔽します。芯の側面にアルミ箔を貼り付け、高温接着剤を使用してください。
  2. 固体燃料の実験のために、固体燃料のシートをカット。以前の自由対流実験2、8cmの×8 cmのXクリアキャストポリメチルメタクリレート(PMMA)、1.27 cmの厚さのシートが使用されています。
  3. 後でサンプルをマウントするの燃料サンプルのサイズと同じセラミック繊維断熱ボードのシートにスロットを切り取り。多くの場合、燃料の芯と同じ多孔質の不燃性を使用します。しかし、高温マットブラックペイントでそれを封印。
  4. 与えられたデータ集録ハードウェアとソフトウェアを確認してください。ソフトウェアを開き、気性をチェック必要なテストを実行する前に、atureマッピングアルゴリズム。

実験のセットアップの調製

  1. それは十分離れて与えられた炎の完全な側面図が捕捉されるように、燃料の中心軸と一致し、されるように、サイドビューデジタル一眼レフカメラを置きます。
    1. 強制対流のためにフロリダ州エイムズ、画像熱分解ゾーンに火炎スタンドオフ距離を計算するための16センチメートルのx 8cmの領域をカバーする燃料試料の中心にビューの分野。
  2. 燃料サンプル上記のトラバースメカニズムを配置します。注意してトラバースメカニズムの横軸に50μmのワイヤ径のマイクロ熱電対を取り付けます。
  3. プログラマブルステッパモータコントローラをオンにします。
  4. 強制流動実験、パワーアップ風洞の遠心送風機の場合。
  5. 電源設定のランギと7000ヘルツの周波数にパルス幅変調(PWM)コントローラを設定します。熱線風速計を用いて検証異なるブロワ速度、のために16%から50%にngの。
  6. テストを続行する前に、安全メガネや耐火手の手袋を着用してください。
  7. 各試験の間、飽和のその時点までの液体燃料(メタノールまたはエタノール)との芯を浸します。 8センチメートルのx 8センチメートルのx 1.27センチメートル厚いウィックについては、90ミリリットルが完全にしばらく10センチメートルのx 10センチメートルのx 1.27センチメートル厚いウィックのための2つの60ミリリットルの注射器を使用して芯を浸すのに十分であった、120ミリリットルは十分であることが判明しました。
  8. 燃料芯ホルダーに慎重燃料に浸したウィック/固体燃料プレートを置きます。角度ゲージで燃料芯表面の平坦性を確認してください。
  9. マスバランスソフトウェアを開き、USBインタフェースの設定を確認してください。マスバランスを確認し、試験前の読書に注意してください。

燃焼や火災ラボ4.ランニング実験

  1. 実験の各セットを完了した後の排気をオンにして実験施設の通気性を確保。 Exhaustは流れの乱れを排除するために役立つ実験中に可能な限り最小限または分離する必要があります。
  2. サンプルが点火される前に、燃料面の中心軸に沿って整列されたグラフ用紙または定規のシートの写真を撮ることでサイドビューデジタルカメラを較正します。キャリブレーション画像から平均画素/ mmの数を取得します。 (ImageJのに測定スケールを設定するための)画像の後処理中にピクセル/ mmで、この値を使用します。
  3. 瞬間的に液体燃料ウィックのためにそれに触れると固形燃料で50〜60秒間、表面に均一に炎を渡し、プロパントーチに燃料を点火します。
  4. すぐに均一な点火後実験時間を開始します。燃焼時間を示すためにストップウォッチを使用してください。
  5. マスバランスソフトウェア上のデータ取得ボタンを押してください。
  6. 時限間隔での燃焼芯の質量損失を監視し、測定ファイルに書き込みます。グラムのためにマスバランスソフトウェアを使用目的をiven。
  7. 繰り返して、再現性を確保するために、同じ条件で複数のテストのために4.3〜4.6を繰​​り返します。
  8. 質量損失の線形フィットが高いR 2値を持つ安定した燃焼政権を決定するために、時間曲線に対する質量損失を使用してください。
  9. 非定常固体燃料については、表面の回帰( 例えば、50秒、100秒、150秒、 など測定するために、バーンアウトするために、点火から50秒刻みでサンプルを燃やします。
  10. カット回帰テストのために冷却した後、中心線に沿って固形燃料を燃やしました。
  11. ImageJのにカット固体燃料と負荷のサイドビュー写真を撮ります。定規でCMにピクセルを変換することにより、流れ方向の位置での回帰を測定します。 ImageJの中で与えられた画像を処理するためのステップの手順でステップを以下にリストされています。
    1. 画像を開く→[ファイルを経由してImageJの中の固体燃料サンプルのオープンサイドビュー写真。
    2. ImageJの中の固体燃料サンプルの(定規で)キャリブレーション画像を開きます。オープンキャリブレーション画像→[ファイルを介して。
    3. キャリブレーション画像と固体燃料サンプル画像を積み重ねます。スタックするスタック→画像→画像に移動します。
    4. 測定スケールを設定します。このような写真上の定規のような既知の距離の2点間の線を引きます。 →セット尺度を分析するために移動します。セットのスケールウィンドウでラインの長さ、ピクセル単位で表示されます。該当するボックスに既知の距離と測定単位を入力し、[OK]をクリックします。
    5. 新しい線を引くと測定スケールが正しいことを確認します。
    6. 所与のサンプル写真の2点間の距離を測定する二つの点の間に線を引きます。ステータスバーには、(水平方向)からの角度と長さを表示します。 →測定を分析する(またはCtrl + Mまたは単にキーボードのMを入力)データウィンドウに値を転送します。
    7. バーンアウトサンプルの厚さを測定し、私からそれを差し引くことにより、各流れ方向位置xにおける退行を測定しますサンプルのnitial厚さ。
  12. 固体燃料の表面は、ほぼ横ばいで推移する時間間隔を注意し、温度マッピングのために使用し、または表面回帰を補償するために作られた熱電対位置の調整。
  13. 、安定した燃焼政権の間に、固体PMMAと液体に浸したウィック400秒間約150秒の測定値を捕捉するために温度マッピング間隔を設定します。液体と固体燃料の安定燃焼時間間隔に基づいて温度マッピング間隔を設定します。表面付近の推奨ステップサイズは0.25ミリメートル4-6です。
  14. XYのunislideを用いた燃料の表面で慎重にマイクロ熱電対の位置を合わせます。サンプルの幅の中心に与えられた熱電対を配置します。
  15. XYのunislideを用いた燃料芯の先端に慎重にマイクロ熱電対を移動します。
  16. コンピュータ上のデータ取得プログラムを実行し、D上のフォルダからグリッド走査アルゴリズムを読みますesktop。
    注:実験が進行中であると、データ収集が自動で行われ、ユーザーが唯一の実験が計画どおりに行くされていることを確認するために、それを監督する必要があります。
  17. コンピュータ上のデータ取得プログラムを使用して、データを取得し、測定ファイルに書き込みます。注、100 4-5ヘルツ6〜500のサンプリングレートは、過去の実験に使用しました。
  18. 終了したら、炎を消します。 PWMコントローラの電源をオフにして、3相240 VAC電源コンセントから送風機の電源プラグを抜いてください。
  19. ステッパモータコントローラの電源を切ります。
  20. 繰り返しは、同じ熱電対と同様の、または異なる流れ条件で追加の実験のために4.18に4.12を繰り返します。 5テストの最小値がそれぞれ所定のフロー条件( 例えば 、強制流速または垂直方向)に対して繰り返されるべきです。
  21. 繰り返して、75μmのマイクロ熱電対のために4.18から4.12までを繰り返します。 SAMに沿って2つの熱電対(50ミクロンと75ミクロンのワイヤ径)トラバース正確な放射線の修正のための炎の中心に電子・パス。小さい熱電対を使用しても、しかし、多くの場合、50ミクロン以下の配線のために発生した破損することがあります。

5.データ解析

  1. MATLABにLVMファイルまたは他の分析ソフトウェアから処理されたデータを読み込みます。
  2. 異なる試験からの各空間点の温度データを平均化します。
  3. 以下に詳細に説明コリスウィリアムズ10の相関以下、各流れ方向位置で平均熱電対データから線補正を計算します。
  4. 生温度データ線補正を追加することによって、温度補償測定値を計算します。
  5. 温度データと空間的位置を非多面的な分析を行います。
  6. Matlabのまたは他の専用ソフトウェアでカーブフィットアルゴリズムを使用して、適切な高次多項式フィットと燃料表面で無次元温度データをフィット。表面付近の4〜6ポイント以前の研究4-6に良好に機能することが見出されました。
  7. 燃料表面での無次元温度分布(Y = 0)に、高次多項式フィットの傾きから燃料面で通常の無次元温度勾配を計算します。
  8. レイノルズアナロジー4に基づいて理論的な相関を用いた燃料面での対応するローカル無次元温度勾配からローカルの質量燃焼速度を計算します。
  9. 燃料5-6の表面に温度勾配からの対流熱流束を計算します。

Representative Results

実験は、図1に示す縦の構成およびメリーランド大学のユニークな水平風洞施設、の両方で行われてきた。そうではなく、伝統的なプルまたは閉鎖リターン風洞よりも、メリーランド大学の風洞施設は、変数を使用しています反対側の端部に、ダクトから空気の流れを駆動する100×75×100センチプレナムを加圧する速度送風機。この構成は、連続燃焼実験煙が再循環されていないとして、風洞が破損し、火災によって影響を受け、熱電対が自由にサンプリング部全体を移動することができますされていないことを可能にします。出口ダクトは、プレナムに接続された122センチメートル30.5センチ幅収束セクションで構成されています。流れをまっすぐにし、着信乱流強度を低減するために、細かいメッシュスクリーンは、収束セクションの入口と出口に配置されている0.3センチの穴を有する厚さ5cmハニカムですトンネル出口から110センチメートル上流に置きました。風洞を出る流れの速度は、パルス幅変調(PWM)コントローラと燃料サンプルを流速を使用することによりチェックされたトンネルの出口に配置されてファンの速度を変えることによって制御されます熱線風速計の。

風洞の出口における燃料のサンプルを連続的に経時的に試料の質量損失を測定するロードセルの上に置きました。ロードセルに風の乱れを回避するために、サンプルは、2つのU-括弧でアルミのシート(30.5 X 61.0センチメートル×1.5 mm厚)に上昇し、滑らかな表面を確保するために1.27センチメートル厚いセラミック繊維断熱板に囲まれていました燃焼試料周辺の。基板の上面は、視覚的に火炎を観察するための優れた背景を確保するために絶縁をシールするために放射率は約98%と高温黒色艶消し塗料を塗布しましたこれはまた、有機バインダが含まれています。断熱ボードが入ってくる流れに対して比較的鈍い体を提示しているため、風洞の出口で直接サンプルのセットアップを配置するには、流れの分離と炎で観察された著しい乱れが生じました。ハによる以前の研究は、 燃料サンプルのリーディングセクションに延長板を取り付けるが、この流れの剥離を防止し、試料への着信層流プロファイルを確保することを見出しました。薄い、ワイド40.6センチの10cm、金属リップは、したがって、最終的に既存の理論7と一致することが見出された層状拡散火炎を提供する、風洞の出口にサンプルの前縁から取り付けました。

液体燃料のテストでは、多孔質の不燃ウィックが必要でした。アルカリ土類シリケートウール10cmの×10 cmのX 1.27 cmの厚さのシートは、高い気孔率および低い熱伝導率による強制流動実験のために選択しました。 O中RDERサンプルからの燃料の漏れを防止するために、ケイ酸ナトリウムの接着剤は、表面を除くすべてにアルミニウム箔を適用するために使用しました。サンプルはまた、 "炎がテスト中に、芯が浸漬した。(試料からの結合剤の除去を示す)青に黄色から変更された時点で、約20分間のサンプルの上にジェット機を通過させることにより、有機バインダーを除去するために、「焼成しました10cm幅の芯のための飽和点であることが見出された液体燃料(エタノールまたはメタノール)の約120mlで。

燃料の質量燃焼速度が1ヘルツの割合で燃焼時間にわたってサンプルから失われた質量を測定することにより決定しました。サンプルの設定を高精度でこの質量損失率を測定するのに十分な罰金32.2キロと0.1グラムの解像度の最大容量を持つ精密質量バランス、上でサポートされていました。共同のジェット機によって、試料の点火に続いて、質量損失率時間の関数としてndensed燃料が増加し、最終的には燃料が切れたように、最終的にテストの端に向かってフェード一定の割合に達しました。芯を通る燃料の蒸発ではなく、拡散燃焼支配する、この「定常」領域は、データがサンプリングされる関心領域です。液体ウィックのために、サンプルを約400秒、試験のほぼ中間80%のための安定した質量損失率で燃やすことが判明しました。提示されたすべての燃焼速度は、測定値の再現性は、平均値の1.2%以内であることが見出された特定の条件下で少なくとも6反復試験の平均です。

固体燃料サンプルの試験のために、ポリメチルメタクリレート(PMMA)は、比較的定常的燃焼及びチャーしないように選択しました。試料を点火するために、ジェット機は、全面が均一に点火された時点で、50〜60秒間、試料表面上を通過させました。なぜなら燃料サンプルは小さく、非常に再現性であることが見出された実験結果は、この方法は、点火のために十分であると見なされました。不燃ウィックに浸漬液体燃料とは異なり、固体燃料は、時間の関数としての退行、したがって、真に安定した政権を達成されることはありません。燃料は比較的横ばいどこ代わりに、燃焼の早い時間は、実験的に最初の150秒以下の点火時に発生することが決定し、サンプリングされるために選択されまし​​た。

両方の液体及び固体燃料は、燃料表面上の温度は、細線熱電対を用いて気相でマッピングしました。 PMMAについては、温度は、(強制対流試験用)0.25 mmの間隔で気相への溶融層から始まる表面上の6点でサンプリングしました。液体燃料のために、これらの測定値は、同じ解像度で6点の外表面における燃料の薄層から行いました。これらのプロファイルは、12箇所らで撮影しました液体試料の点火の400秒内の燃料面の長さ、オングとPMMAのための150秒以内です。

上記の温度測定が使用して実施したR型のPt / Ptを13%のRh 2ワイヤ直径は50μm(0.002で)および75(0.003)μmで約100μmのビーズ径を有するマイクロ熱電対(スポット溶接)とそれぞれ150μmで、。熱電対の大きさは、熱電対は、(必要な放射線修正を最小限にするために)、しかし、いくつかの放射補正が依然として必要であった破損を繰り返しことなく、できるだけ小さくなるように選択しました。異なる直径の2つの熱電対を使用して良い(後述)は、適切な線補正を決定するために選択しました。マイクロ熱電対は、その後、1.5μmの最大の空間分解能でコンピュータ制御のXY unislidesのセットを使用して横断しました。電圧信号は、ACQしましたuired、エアコン、0.02℃の測定感度を最大定格データ集録モジュールを介してデジタル化されました。 LabVIEWソフトウェアは、サンプル上の温度測定では50μmと75μmのワイヤ径熱電対の両方の動きを同期させるために使用されました。

比較的正確な線補正を決定するために、説明した2つの熱電対のサイズは、反復試験中に同じ場所の上に横断しました。コリスとウィリアムズの相関は、サンプル5-6,8からの熱損失のために適用しました

式(1) (1)

ここで、Nuはヌッセルト数であり、再= Udをワット / vがプロパティを持つ0.02 <再<44に対して得られたレイノルズ数は、評価され、フィルム温度で、Τのメートル 、ガス、Τの グラムおよび熱電対、ΤTC温度の平均。ローカルガス流速Uおよび動粘度Vために示されているようにここでは、レイノルズ数Reが定義される。式中のW、D。 (1)熱電対ワイヤ直径を表します。

定常状態の測定のために、ここで説明した場合と同様に、熱電対接合部でのエネルギー収支は、によって与えられる、(伝導および触媒効果による誤差を無視する)対流・放射熱収支に減少し

式(2) (2)

式360;(3)

Τgは 、実際のガス温度であり、Τtcは熱電対接合部(またはビーズ)の温度で、ΤのSURRは、周囲の温度であり、εtcは熱電対接合部の放射率で、σはステファン・ボルツマン定数であり、hは H = KのNu / Dとして定義される熱電対接合部上の流れの対流熱伝達係数、Kは、ガスの熱伝導率であり、ニューはヌッセルト数であり、dは 、熱電対ワイヤ直径です。ヌッセルト数の相関関係の選択は、式に示すように、測定されたので、熱電対温度の線補正を計算する際に極めて重要です。 (3)線補正はヌッセルト数に反比例します。この選択は、原因EXIに、しかし、複雑であり、複数の「適切な」ヌッセルト数相関のstence及び熱電対、特にその熱伝導率が周囲のガス混合物の特性の推定が困難。文献における証拠の大半は、しかし、明らかに円筒状のヌッセルト数の相関はほぼすべての実用的な熱電対5-6、コリス、ウィリアムズ8の好ましいものに対流熱伝達を記述するための最も適切であることを示しています。

ヌッセルト数の相関は、定常状態の対流、放射平衡(式3)に代入しなければならず、2つの未知数(すなわちΤgおよびU)と小さな温度依存性、二つの式のシステムを無視が形成されています

式4 (4)

トン "FO:キープtogether.within-ページを=" 1 ">と

式(5) (5)

式(4)及び気相伝導率と動粘度は、両方の温度の関数であるので、(5)、各時点で繰り返し一緒に解決しなければなりません。反復値は、低エラーが接近されるまで、再撮影とビーズ温度は、熱伝導率及び動粘度を評価するために、ガス温度の最初の反復として使用されるべきです。方程式を解く際には、線補正( すなわち、熱電対の読みと実際の温度との差)は、より大きな直径の熱電対のために増加し、ビード上に流速の増加と共に減少することが明らか1 のw DおよびD 2 wの式に。 (4)及び(5)担当者私たちの研究で用いた熱電対のワイヤ径に憤りを感じています。

ビーズ(εのTC)の放射率もヤコブ9で概説した方法を用いて、温度の関数として求めることができます。彼の分析では、ヤコブは、その電気抵抗率の関数として、金属表面上の屈折の複雑なインデックスのマックスウェルの波動方程式を解きます。仮定は、白金の半球全放射率白金(Pt)のための単純な相関が得られる、金属についても同様の低抵抗率と屈折の大きな指標の限界、中に取り込まれ

式6 (6)

ここで、KでT およびR eとプラチナのために、R E≈R E、273 T / 273、273 <em>の= 11x10 -6Ω-cmでした。
したがって、白金放射率は5-6となり

式(7) (7)

式で表示されるように、0 <T <2330 K.熱電対ビーズや接合部の放射率。 (4)及び(5)したがって、上記式を用いて評価することができます。反復は、式には必要ありません。 (6)及び(7)ビーズ温度の実際の値が既知であるので、式中の唯一のガス温度及び速度。 (4)及び(5)を反復的に解決される必要があります。

実験の間、2つの熱電対は、同じ測定ポイントに正確にトラバースし、データは、温度測定の放射補正を説明するためにサンプリングしました。補正は、結果Oとして適用しますfは式を反復します。 (4)及び(5)実施例のみ+79 1700 Kで50ミクロンのワイヤ径熱電対K及び燃料面6の近くに5 Kよりも小さいため、小さかったです。ワイヤを介して、また熱電対導通損失の高い温度勾配を考慮の交差領域はまた、従って全く修正を必要としなかった、しかし、このようなエラーは<1%であると計算された熱電対線の小さな断面積に、考慮しなければならないので5-6。

風洞の出口における空気流の中心に位置する燃料表面と、燃料表面への容易なアクセスは、マイクロ熱電対と熱線風速計の測定に供しました。風洞(無燃焼)、自由流速度のコールドフローの実行時 ​​には、風洞のU∞は 、全duratioのために50,000サンプル/秒のレートでサンプリング熱線風速計を用いて較正しましたポイント当たり10秒のn個。全体のトンネルの出口に沿って速度プロファイルは、一貫性のあるプラグがトンネル出口の中心から発する流れていることを明らかにし、撮影されました。これは、私たちの風洞の出口として正方形のチャネルのために期待されています。スフォルツァ 10による前測定値が2.6と8.8×10 4との間にDレイノルズ数Reを有する正方形噴流のポテンシャルコア長はdはチャネルの高さである出口の下流約5 でなければならないことを示しました。 D = 30.48センチ、風洞出口の幅のために、再dは 、4×10 1.5の間、サンプルは、トンネル出口の1 D(20 cm)の範囲内のままで3.9×10 4の意味です。これらの測定の再現性は、平均値の3%以内でした。

温度は10cmの点火シートの表面上で測定したX 10センチメートルのx 1.27cmのPMMAは、U∞= 0.79メートル/秒、2.06メートル/秒で動作する風洞の出口に置きました。 ( - T W、P / T FL、広告 - T w、P T)上で概説した手順は、T * =、通常の長さy * = Y / L、温度の点で無次元た温度測定値を捕捉するために使用しました。ここで、Τ ワット、pおよびΤFLが、広告が壁とそれぞれ所定の燃料用の断熱火炎温度、yの温度が測定された燃料表面に垂直な位置とL燃料表面の長さを表します。表面の法線無次元温度勾配は、その後、Y、無次元温度に五次多項式フィッティングと燃料表面に傾斜を抽出することにより、(∂T * /∂Y *)Y * = 0を計算しました* = 0。

図2(a)は、燃料表面の長さに沿ってこれらの無次元温度勾配を示しています。それらは明らかに火炎が燃料表面に最も近い燃料表面の先端で最大であり、火炎が燃料面から最も遠い後縁(X = 100 mm)の、向かって減少します。無次元温度勾配は、相関4,6を適用することにより局所質量燃焼速度を決定することができます

式8 (8)

Bは、与えられた燃料の質量の転送回数、壁温度で評価空気の熱伝導率W K、C p断熱火炎燃料の温度、およびLで評価空気の比熱であり、ここで、</ em>の熱分解燃料面の長さ。ローカル質量燃焼速度は、次に、図2に示すように、無次元温度勾配と同様に変化することが見出された(B)。

液体燃料とは異なり、PMMAのための局所質量燃焼速度は、時間2,11の固定された間隔で局所表面回帰を測定することによって、事後に近似することができます。 PMMAサンプルは期間50秒で開始し、サンプルの絶滅に続く50秒間隔で増加させるための代表的な条件の下で焼かれました。 PMMAのための熱分解質量流量は、他の場所で4-6文献で ​​論じピッツォ 11によって与えられた一次近似を用いて軸中心対称に沿って各x位置で計算されます。 PMMAの平均密度は、ρsが / m 3の1190キロは、燃料表面に沿って測定した表面回帰へと一緒に使用されました=燃料サンプルの長さに沿って各50秒のインターバルの間に質量損失率に到着。短い時間ステップが望ましいであろうが、測定誤差は時間ステップが50未満の秒5である場合、それは非現実的になるよう。

回帰プロファイルからのもので、熱電対から地元の質量損失率を比較するために、100と150秒の燃料からのデータバーンアウト時間は、図2(b)に示す局所質量燃焼速度を比較するために使用しました。これらの時間は、これらの測定が行われたほぼ同じ時間に対応します。図に見られるように、局所質量燃焼速度を測定する両方の方法は、方法は、炎のこれらのタイプのためにうまく機能を示唆し、互いに非常に近く見えます。

例えば、これらの小さい、層状ものと対流支配炎、燃料表面における温度勾配も詐欺を抽出するために使用することができますそれらは、本質的には、直接表面における温度勾配に関係するようvective熱流束。測定された質量損失率を使用して、火炎熱流束の構成要素はまた、熱分解ゾーンに沿って抽出することができます。他の場所で2-3文献に記載されている、燃料表面の熱収支に、いくつかの近似を使用して、これらの成分はPMMAの燃焼スラブの表面上に決定することができる。図3は 、この結果を 、PMMA炎周囲無料で安定化U∞= 2.06メートル/秒の-stream速度。技術は、したがって、燃焼プロセス、固体と気体相との間に特に関係の理解を増加につながる、燃料の少量の試料の燃焼を記述するためにいくつかの対策を評価するのに非常に役立ちます。

図1
図1. 実験らセットアップ。強制対流境界層拡散火炎上の質量損失率および温度プロファイルを測定するために使用される実験装置の(a)の概略。 (b)は強制的な流れの下の境界層の拡散火炎を調査するための実験セットアップ。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2
図2. 温度勾配とローカル燃焼速度結果。(a) は、それぞれU∞= 0.79メートル/秒、2.06メートル/秒、でPMMA境界層拡散火炎用燃料表面に沿って、通常の無次元温度勾配の変化。 (b)は、PMMAの境界層diffusiのローカル質量燃焼速度の変化異なる自由ストリーム条件で炎に。無次元温度勾配を経て得られた地元の質量燃焼速度はPMMA表面の回帰によって得られた実験データと比較されます。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3
強制的な流れの下で 3. 熱流束の結果。U∞= 2.06メートル/秒でPMMA境界層拡散炎のための熱分解ゾーン中の難熱流束のさまざまなコンポーネントの配布。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

Discussion

この調査の目的は、流れ場の様々な条件の下で液体と固体燃料の両方のローカル質量燃焼速度を推定するための新しい方法論を開発することでした。研究では、液体と固体の両方の燃料を使用して、2例、自由対流境界層の拡散火炎と異なる自由ストリーム条件下で確立された強制対流境界層の拡散火炎を検討しました。

両方の液体燃料に浸した芯の上およびPMMAの固体スラブの上に細線熱電対測定を介して測定地元の燃焼速度は、推定の他の手段、すなわち燃料回帰測定と一致することが判明しました。燃料表面に近いこれらの温度勾配は、最終的には、平均の結果を得るために15%以内の精度でデータが得られるとはるかに、着実に、層状燃焼を必要としながら、小規模のサンプルに対して非常によく働いた、レイノルズアナロジー12-13に基づいて相関関係を用いて決定しましたローカルmeasuremのためのより多くのエント4-6。これらの局所質量損失率の測定のための相関係数は、スポルディングの物質移動代表燃料数と事前に計算することができる燃料の他の熱物理的特性に依存します。結果は、この技術は、これらの量を抽出し、将来的にさらに詳細に小規模の燃料の燃焼を理解するのに有用であり得ることを示唆しています。

文献中の他の研究では、自由に、周囲の風6の下で4,5、および水平方向に取り付けられたサンプルを燃やし、垂直方向の試料について数値シミュレーション4や実験を取り入れ、ここで代表的な作品を拡大しています。この構成では、熱流束の成分も凝縮燃料の表面に非常に近い同じ細線熱電対技術を用いた燃料表面上に局所的に決定されています。熱流束の構成要素が埋め込まれたゲージを使用することにより、過去に測定されてきたが、THIsの技術は、低侵襲性であり、以前には不可能であった対流熱流束の直接測定を提供しています。

特定の構成および装置の設定を選択するときに特に注意が実験中に取られるべきです。これらの実験では、熱電対は、ワイヤの張力を維持し、比較的固定された熱電対の場所を作り、小さなセラミック管から突出ステップ3.2のために選ばれました。チューブなしで火炎全体にわたって中断し、熱電対のワイヤを使用すると、しかし、それははるかに変数ワイヤが温度の上昇とともに拡大する傾向があるとして、熱電対の特定の場所を見つけるになるだろう、セラミック管から可能な妨害を減少させるであろう。時には、構成の変更は、(サンプルを傾斜例えば)サンプルの幅を横切って効果を誘導することができます。セットアップは、過去4-6で検討したものから変更された場合、ステップ4.14の周りにその火炎温度MEA時折チェックサンプルの幅を横切ってsurementsは( すなわち 、2-Dの仮定がまだ保持している)は有意な変動は取られるべきではない示しています。そうでなければ、3次元マッピングシステムを実装する必要があります。

最も重要なステップの実験を行いながら燃料の製造及び熱電対の適切な使用としなければなりません。熱電対の位置のわずかなずれがエラーを引き起こす可能性がステップ3.2、4.13および4.14に熱電対を配置する際に、そのため注意が必要です。できるだけ平坦面は(ステップ2.1)に維持され、すべての充填材料がウィック(ステップ2.1.1)の外に焼かれるべきであるように、燃料芯も配置する必要があります。

ステップ4.1で活性化排気システムは、また、流れの乱れを排除するために役立つ実験に近いできるだけ最小限または単離され維持されるべきです。これは、テストは(風なし)に行われる場所溶断されていない小さなろうそくを確保することによってチェックする必要があります。バッフル、スクリーン、大空間で別々囲ま施設または試験がこれを達成するために使用することができます。ステップ4.2において、固体燃料はできるだけ均一に点火されなければなりません。プロパントーチがこれを行うための最も理想的なソースはありませんが、実験は過去の作品4-6の着火源に敏感であることが見出されませんでした。点火源に対する感度は露光時間や強度を変化させ、安定した質量燃焼速度の結果を観察することによって、実験中に文書化されるべきです。感度が観察された場合放射パネルは、代わりにサンプルを点火するために使用されるべきです。固体燃料、または質量損失率によって観察されるような大規模な(> 300秒)、定常燃焼領域を持たない任意の燃料は、温度マッピングが短い領域中に撮影していなければなりません。例えば、ステップ4.13でマッピングは燃料がまだ比較的平坦であり、表面の回帰が十分に文書化されているが、最初の150秒かけて撮影するPMMAをお勧めします。表面回帰測定は、Iを使用することができますmageJまたは他の同様の画像ソフトウェアは、写真上のピクセルを測定し、長さに変換します。それが冷却した後あるいは、デジタルマイクロメーター(たとえばPMMA等の「バブリング」材料の表面は、最初にサンディングする必要があります)、固体板の表面回帰を測定することができます。

提案された燃焼速度の相関は、層状の仮定に基づいている、しかし、この技術は実験的に決定されなければならない変更された機能的な関係を持つにもかかわらず、燃料表面の乱流燃焼のための類似の形式に従うべきであると仮定されます。ここで提示作業は続いて境界層燃焼を乱流に拡張することができ、乱流と燃料表面への入射熱流束を駆動する気相熱放出との間の関連する相互作用をさらに調査することができます。

燃焼速度の相関関係の基礎となる理論は、放射線を無視しています。理論が単純化され、ル本研究でカバーされていない状況で、その予測能力の不確実性にading。例えば、与えられた方法論は、表面への熱流束が大きく、放射高すすの炎のために動作しない場合があります。凝縮された燃料表面への放射熱流束が高い大規模な乱流の壁炎については、提案された燃焼速度の相関は、または動作しない場合があります。提案された相関における放射線の影響を含めることは、したがって、望ましく、さらなる研究がこの関数関係を決定するために実施されなければなりません。自信を持って予測方法は、このような炎のために達成される場合、このエリアには、モデルの改善を必要とします。

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

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References

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