Experimentele Methodologie voor Schatting van lokale warmte Flux en Burning tarieven in Steady Laminar Boundary Layer Diffusion Flames

1Department of Fire Protection Engineering, University of Maryland
Engineering
 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Modelleren van de realistische brandgedrag van gecondenseerde-fase brandstoffen buiten bereik bleef, mede als gevolg van een onvermogen om de complexe interacties die zich op het grensvlak tussen gasfase vlammen en gecondenseerde-fase-brandstoffen op te lossen. Het huidige onderzoek verschaft een techniek om de dynamische relatie tussen een brandbaar gecondenseerde brandstofoppervlak en gasfase vlammen in laminaire grenslagen verkennen. Experimenten zijn eerder uitgevoerd in zowel gedwongen convectie vrije omgevingen via zowel vaste als vloeibare brandstoffen. Een unieke methode, gebaseerd op de analogie Reynolds, werd gebruikt om lokale massa verbrandingssnelheid en vlam warmtefluxen schatten deze laminaire grenslaag diffusievlammen gebruikmaking plaatselijke temperatuurgradiënten bij de brandstof oppervlak. Lokale massa verbrandingssnelheid en convectie en stralingswarmte feedback van de vlammen in zowel de pyrolyse en pluim regio gemeten door temperatuurgradiënten afgebeeld nabij de wand met een twee-assige Traverse systeem. Deze experimenten zijn tijdrovend en kan een uitdaging zijn voor het ontwerpen als de verkorte brandstof oppervlak brandt gestaag slechts gedurende een beperkte periode na de ontsteking. De temperatuur profielen in de buurt van de brandstof oppervlak nodig hebben tijdens steady branden van een gecondenseerde brandstof oppervlak in kaart worden gebracht op een zeer hoge ruimtelijke resolutie om redelijke schattingen van de lokale temperatuur gradiënten vast te leggen. Zorgvuldige correcties voor radiatieve warmteverliezen uit de thermokoppels zijn ook essentieel voor nauwkeurige metingen. Daarom, de gehele experimentele opstelling moet worden geautomatiseerd met een computergestuurde traverse mechanisme, waardoor de meeste fouten door positionering van een micro-thermokoppel. Een overzicht van maatregelen om reproduceerbaar te vangen in de buurt van de muur temperatuurgradiënten en gebruik ze om de lokale branden tarieven en warmte stromen wordt verstrekt beoordelen.

Introduction

Terwijl kritische vooruitgang zijn geboekt op het gebied van brandveiligheid onderzoek in de afgelopen eeuw, het voorspellen van de tarieven van de vlamverspreiding nog steeds een uitdaging voor veel materialen in diverse configuraties. Vlamuitbreiding verloopt vaak in zowel de gebouwde of natuurlijke omgeving als een reeks van ontstekingen van nieuwe elementen, afkomstig van een initiële ontstekingsbron. Kennis van de brandeigenschappen van afzonderlijke brandend materiaal is cruciaal om deze tarieven vlamverspreiding voorspellen, omdat dit bijdraagt ​​tot opwarm- tot unignited elementen. De warmte-afgiftesnelheid (HRR) van een brandstofelement is dan ook aangehaald als de meest fundamentele hoeveelheid brand onderzoek 1, ongeveer gelijk aan de verbranding (massa verlies) percentage van de gecondenseerde fase brandstof, namelijk de verdampingssnelheid van een vloeibare brandstof of pyrolyse tarief van een vaste brandstof.

De verbrandingssnelheid kan beschouwd worden als een maat voor de brandbaarheid van een materIAL en is een kritische parameter in brand risico-analyse en het ontwerp van brandblussystemen. De lokale massaverlies (of branden) snelheid, M "f, van een verticale wand, in het bijzonder een belangrijke variabele in veel brand-gerelateerde problemen, zoals vlamverspreiding op een muur, brand groei en energie-vrijmaking binnen een behuizing brand en rookverspreiding en heet gas pluimen Voor voorspelling van opwaartse vlamverspreiding op een verticale wand, moet de vlamhoogte worden berekend, die afhankelijk is van de totale percentage energie vrij,. die, op zijn beurt direct beïnvloed door de plaatselijke massa-loss rate geïntegreerd over de gehele pyrolyseren gebied van de muur 2-3. Hoewel de kennis van deze geïntegreerde massaverlies-tarieven zijn relatief goed bekend, kennis van de massa brandende tarieven bij incrementele locaties langs een brandstof oppervlak zijn niet goed bekend omdat experimentele technieken voor het meten van dergelijke tarieven zijn zeer beperkt. Een techniek die deze "lokale"-mass brandsnelheid biedtinformatie kan verhoogd inzicht de verbranding van brandstoffen gecondenseerd, waardoor onderzoekers om verder inzicht in de mechanismen die verschillende brandstoffen of configuraties van elkaar te onderscheiden. Aangezien de meeste materialen eerst worden geëvalueerd op kleine schaal (bijvoorbeeld in een cone calorimeter 1), een logische eerste stap is om een techniek te verschaffen aan de lokale massa verbrandingssnelheid in kleine, laminaire diffusievlammen via gecondenseerde brandstof oppervlakken te meten.

De hier gepresenteerde werk bespreekt de experimentele methodologie en protocollen voor het uitvoeren van experimenten op gestage laminaire vlammen opgericht meer dan gecondenseerde brandstof oppervlakken. Schatting van de lokale temperatuur gradiënten met behulp van micro thermokoppels is een bijzonder nuttige techniek voor de schatting van de lokale massa brandende tarieven en warmte stromen in deze vlammen 4-6. Een analyse van literatuurgegevens blijkt de moeilijkheid om plaatselijke warmteoverdracht, verbranding en wrijvingscoëfficiënten bij de condensorsed brandstof oppervlak, die belangrijk zijn voor het begrijpen van de fysica en de onderliggende mechanismen die een bepaalde brand en de verspreiding ervan 4-6 te rijden zijn. Onderdelen van de warmte stromen, die misschien zijn gebleven de meest gemeten brand woning op lokaal locaties meer dan een brandstof oppervlak, zijn moeilijk te meten gebleken. Effecten zoals variabiliteit van brandstoffen warmteflux schaalbaarheid, moeilijk te bereiken stabiele omstandigheden en verschillende warmteflux gauge technische mogelijkheden om een vrij ruime verspreiding van gegevens die in de literatuur 4 is. Metingen van plaatselijke temperatuurgradiënten met grote nauwkeurigheid kan daartoe variabiliteit verlichten en tevens warmteoverdracht correlaties die kunnen worden gebruikt voor numerieke validatie laminaire wand branden, een canonieke vuur probleemstelling. Dergelijke experimenten zijn ook nuttig bij onderzoeken de dynamische relatie tussen een brandbaar gecondenseerde brandstofoppervlak en gasfase vlammen in laminaire en turbulente grenslaags. Methoden om nauwkeurig vast te leggen deze temperatuurgradiënten op nauwkeurige en herhaalbare wijze worden hieronder beschreven.

Protocol

1. Planning of Experiments

  1. Volg de instructies en veiligheidsvoorschriften alvorens het vuur of verbranding onderzoekslaboratorium. Safety training is over het algemeen vereist voor nieuwe gebruikers.
  2. Plan uw experimenten op voorhand de nodige tests uit te voeren. Beschouw de gegevens van het experiment benodigde transport van brandstof en de benodigde apparatuur.
  3. Identificeer de vloeibare of vaste brandstof experimenten plaats. Bereid de materialen dienovereenkomstig.

2. Voorbereiding van Materialen en Instrumentatie

  1. Voor brandstof experimenten vloeistof, bereiden een brandstof pit van poreus onbrandbaar materiaal (aardalkalimetaalsilicaatvezel wol). Eerdere experimenten 4-6 hebben gebruikt 8 cm x 8 cm x 1,27 cm voor convectie tests en 10 cm x 10 cm x 1,27 cm dikke platen voor geforceerde convectie testen.
    1. Bak de gegeven brandstof lont ongeveer 20 min door het aan een diffusie vlam blootstellen van een propaan fakkel in ordeorganische bindmiddelen verbranden in de lont.
    2. Om lekken van de vloeibare brandstof vanuit de zijkanten van de kous te elimineren, royaal passen vloeibare natriumsilicaat met een spuit die alle vlakken van de pit behalve het bovenvlak.
    3. Schild alles behalve het bovenvlak van de pit met aluminiumfolie. Met een hoge temperatuur lijm op de aluminiumfolie plakken aan de zijkanten van de pit.
  2. Voor vaste brandstof experimenten, uitgesneden een blad van de vaste brandstof. In eerdere experimenten convectie 2, een 8 cm x 8 cm x 1,27 cm dik vel van een duidelijke gegoten polymethylmethacrylaat (PMMA) gebruikt.
  3. Snijd een gleuf in een vel keramische vezel isolatieplaat gelijk aan de omvang van de brandstof monster waarin het monster later te monteren. Vaak gebruiken dezelfde poreuze noncombustible als brandstof lont; echter verzegelt het met hoge temperatuur mat zwarte verf.
  4. Controleer de gegeven data-acquisitie hardware en software. Open de software en controleer de buiAard mapping-algoritme voor het uitvoeren van vereiste tests.

3. Bereiding van de experimentele opstelling

  1. Plaats een zijaanzicht digitale SLR camera zodat deze is uitgelijnd met de centrale as van de brandstof en ver genoeg zodat de volledige zijaanzicht van de gegeven vlam wordt vastgelegd.
    1. Voor geforceerde convectie vlammen, afbeelding een zichtveld in het midden van de brandstof preparaat met een oppervlakte van 16 cm x 8 cm voor de berekening van de vlam stand-off afstand in de pyrolyse-zone.
  2. Plaats de traverse mechanisme boven de brandstof monster. Bevestig een 50 urn draad diameter micro thermokoppel om de horizontale as van de traverse mechanisme zorg.
  3. Zet de programmeerbare stappenmotor controller.
  4. Bij gedwongen stroming experimenten opstarten de centrifugaalventilator van de windtunnel.
  5. Stel de pulsbreedte-modulatie (PWM) controller aan een frequentie van 7000 Hz met energie-instellingen ranging van 16% tot 50% voor verschillende ventilatorsnelheden geverifieerd met een hot-wire anemometer.
  6. Draag een veiligheidsbril en brandwerende handschoenen alvorens de test.
  7. Tijdens elke test, genieten de lont met vloeibare brandstof (methanol of ethanol) tot aan de punt van verzadiging. Voor een cm x 8 cm x 1,27 cm dik wiek 8, 90 ml voldoende om volledig genieten de lont met twee 60 ml spuiten terwijl voor een 10 cm x 10 cm x 1,27 cm dik wick was, werd 120 ml totaal voldoende.
  8. Plaats de brandstof doordrenkte pit / vaste brandstof plaat voorzichtig in de brandstof-lonthouder. Controleer de vlakheid van de brandstof lont oppervlak met een hoek meter.
  9. Open massabalans software en controleer de USB-interface-instellingen. Controleer de massabalans en noteer zijn lezing voor de test.

4. Running Experimenten in een Combustion of Fire Lab

  1. Zorg voor een goede ventilatie van de experimentele faciliteit door te draaien op de uitlaat na het voltooien van elke reeks experimenten. Exhaust moet zo weinig mogelijk of geïsoleerd tijdens de experimenten te helpen elimineren stromingsverstoringen zijn.
  2. Voordat een monster wordt ontstoken, kalibreren de side-view digitale camera door het nemen van een foto van een vel ruitjespapier of heerser die in lijn ligt langs de centrale as van de brandstof oppervlak. Het verkrijgen van een gemiddelde pixel / mm telling van de kalibratie beelden. Gebruik deze waarde van pixels / mm tijdens de post-processing van de afbeeldingen (voor het opzetten van de meetschaal in ImageJ).
  3. Ontsteken van de brandstof met een propaan toorts, tijdelijk aan te raken voor een vloeibare brandstof pit en het passeren van de vlam gelijkmatig over het oppervlak van 50-60 sec met een vaste brandstof.
  4. Start experimentele tijd direct na uniform ontsteking. Gebruik een stopwatch om de brandtijd te duiden.
  5. Druk op de data-acquisitie-knop op de massabalans software.
  6. Bewaak het massaverlies van de brandende lont op een getimede interval en schrijven naar een meting bestand. Gebruik de massabalans software voor de gIven doel.
  7. Herhaal stap 4,3-4,6 voor meerdere tests onder dezelfde omstandigheden te herhaalbaarheid te waarborgen.
  8. Gebruik de massa-verlies versus tijd curve aan de gestage branden regime, waarbij een lineaire fit van het massaverlies heeft een hoge R2 waarde te bepalen.
  9. Voor onvast vaste brandstoffen verbranden monsters op 50 sec stappen van de ontbranding tot burn-out aan de oppervlakte regressie te meten (bijvoorbeeld voor 50 sec, 100 sec, 150 sec, etc.).
  10. Cut verbrande vaste brandstoffen langs de middellijn na koeling voor regressietesten.
  11. Neem foto's van gesneden vaste brandstoffen en load zijaanzicht in ImageJ. Meet de regressie op streamwise locaties door het omzetten van pixels naar cm met een liniaal. Stap voor stap procedure voor het verwerken van een bepaalde afbeelding in ImageJ is hieronder vermeld.
    1. Open foto van de vaste brandstof monster in ImageJ via Selecteer Bestand → Open Image zijaanzicht.
    2. Open imago van de kalibratie (met liniaal) van de vaste brandstof monster in ImageJvia Selecteer Bestand → Openen Calibration Image.
    3. Stapelen image vaste brandstof monster imago van de kalibratie en. Ga naar Afbeelding → Stacks → afbeeldingen te stapelen.
    4. Stel metingsschaal: Trek een lijn tussen de twee punten van bekende afstand, zoals een liniaal op de foto. Ga naar → Set Scale Analyseren. In het venster Set Schaal de lengte van de lijn, in pixels, wordt getoond. Typ de bekende afstand en eenheden van de maatregel in de daarvoor bestemde vakken en klik op OK.
    5. Teken een nieuwe lijn en bevestigen dat de meting schaal correct is.
    6. Het meten van de afstand tussen twee punten in het gegeven monster foto: Trek een lijn tussen twee punten. De statusbalk zal de hoek (van horizontaal) en de lengte te laten zien. Analyseer → Measure (of Ctrl + M of typ M op het toetsenbord) brengt de waarden van een data-venster.
    7. Meet de regressie op elke streamwise locatie x door meting van de dikte van de burn-out monster en af ​​te trekken van de initial dikte van het monster.
  12. Opmerking het tijdsinterval waarover het oppervlak van vaste brandstoffen ongeveer vlak blijven en gebruikt voor mapping temperatuur of aanpassingen van thermokoppel posities ter compensatie van oppervlakte regressie.
  13. Stel de temperatuur in kaart brengen interval om metingen vast te leggen tijdens de gestage branden regime, ongeveer 150 sec voor vaste PMMA en 400 sec voor vloeistof doordrenkte wieken. Stel de temperatuur in kaart brengen interval op basis van de gestage branden tijdsinterval van vloeibare en vaste brandstoffen. Een aanbevolen stapgrootte in de buurt van het oppervlak van 0,25 mm 4-6.
  14. Uitlijnen micro thermokoppel voorzichtig met het oppervlak van de brandstof met een XY Unislide. Plaats de gegeven thermokoppel in het midden van de breedte van het monster.
  15. Verplaats de micro thermokoppel voorzichtig naar de voorste rand van de brandstof lont met behulp van de XY UniSlide.
  16. Voer een data-acquisitie programma op een computer en lees het net scanning algoritme uit een map op de desktop.
    Let op: Als het experiment is aan de gang, het verzamelen van gegevens is automatisch, en de gebruiker hoeft alleen maar om het toezicht om ervoor te zorgen dat het experiment gaat zoals gepland.
  17. Met een data acquisitie programma op een computer, verwerven van gegevens en schrijven naar een meetbestand. Let op, sampling rates van 100 5/4 tot 500 6 Hz werden gebruikt in het verleden experimenten.
  18. Wanneer u klaar bent, doven van de vlam. Schakel de PWM-controller en trek de stekker van de ventilator uit de 3-fasen 240 VAC stopcontact.
  19. Schakel de stappenmotor controller.
  20. Herhaal stap 4,12-4,18 aanvullende experimenten op gelijksoortige of verschillende stromingsomstandigheden met dezelfde thermokoppel. Ten minste 5 proeven worden herhaald voor elke gegeven stroming (bijvoorbeeld geforceerde stroomsnelheid of verticale richting).
  21. Herhaal stap 4,12-4,18 voor een 75 urn micro thermokoppel. Traverse twee thermokoppels (50 pm en 75 pm wire-diameter) langs de same pad in het midden van de vlam voor nauwkeurige correcties straling. Kleinere thermokoppels kunnen worden gebruikt, Breuk trad vaak voor draden dan 50 urn.

5. Data Analysis

  1. Lees de verwerkte gegevens van de LVM bestand in Matlab of andere analytische software.
  2. Het gemiddelde van de temperatuur gegevens op elk ruimtelijk punt uit verschillende tests.
  3. Bereken een straling correctie van gemiddelde thermokoppel data op elke streamwise plaats, naar aanleiding van de correlatie van Collis en Williams 10 hieronder in detail beschreven.
  4. Bereken gecompenseerde temperatuurmetingen door toevoeging van de straling correctie van ruwe data temperatuur.
  5. Non-dimensionalize de temperatuur data en de ruimtelijke locatie.
  6. Monteer de niet-dimensionale temperatuur gegevens op de brandstof oppervlak met een geschikte hogere orde polynoom fit met behulp van een curve fit algoritme in Matlab of andere speciale software. 4-6 punten nabij het oppervlakbleken goed te werken in eerdere studies 4-6.
  7. Bereken de normale dimensieloze temperatuurgradiënten bij de brandstof oppervlak van de helling van de hogere orde polynoom fit aan de dimensieloze temperatuurverdeling bij de brandstof oppervlak (y = 0).
  8. Bereken de lokale massa brandsnelheid van de overeenkomstige lokale non-dimensionale temperatuurgradiënt aan de brandstof oppervlak met behulp van een theoretisch correlatie op basis van de Reynolds analogie 4.
  9. Bereken de convectieve warmteflux van de temperatuurgradiënt aan het oppervlak van de brandstof 5-6.

Representative Results

Experimenten zijn uitgevoerd zowel in een verticale configuratie en een unieke horizontale windtunnel aan de Universiteit van Maryland, zie figuur 1. In plaats van een traditionele pull of gesloten rendement windtunnel de windtunnel aan de Universiteit van Maryland gebruikt een variabele aanjager een 100 x 75 x 100 cm plenum die de luchtstroom uit een buis aan de andere kant drijft druk. Deze configuratie maakt continue verbranding experimenten als de rook wordt niet gerecirculeerd wordt de windtunnel niet beschadigd of beïnvloed door de brand en de thermokoppels zijn in staat om vrij te bewegen gedurende de bemonstering sectie. De uitgang kanaal bestaat uit een 122 cm, 30,5 cm breed convergerende gedeelte verbonden met het plenum. Om de stroom recht en vermindering van de binnenkomende turbulentie intensiteit, worden fijnmazige schermen bij de ingang en uitgang van de convergerende gedeelte geplaatst en een 5 cm dik honingraat met 0,3 cm gatengeplaatst 110 cm stroomopwaarts van de tunnel af te sluiten. De snelheid van de stroom verlaat de windtunnel wordt geregeld door het variëren van de snelheid van de ventilator met een pulsbreedte-modulatie (PWM) controller en brandstof monsters worden geplaatst aan de uitlaat van de tunnel, waarbij stroomsnelheden zijn via het gebruik gecontroleerd van een hotwire windmeter.

Brandstofmonsters bij de uitlaat van de windtunnel bovenop een belastingscel die continu meet het massaverlies van het monster in de tijd. Om verstoring van de wind om de meetcel te vermijden, werd de steekproef verhoogd op een vel aluminium (30,5 x 61,0 cm x 1,5 mm dik) door twee U-beugels en omgeven door 1,27 cm dikke keramische vezel isolatieplaat om een ​​glad oppervlak te garanderen rond de brandende monster. Het bovenoppervlak van de plaat werd bekleed met een hoge temperatuur zwarte matte verf met een emissiviteit van ongeveer 98% een goede achtergrond zorgen voor visuele waarnemen van de vlam en de isolatie af te dichtendie bevat ook organische bindmiddelen. Omdat de isolatieplaat tijd relatief stompe lichaam om de inkomende stroom, het plaatsen van het monster setup direct de uitlaat van de windtunnel geleid stroomscheiding en significante turbulentie waargenomen in vlammen. Eerder werk van Ha et al. Vonden dat het bevestigen van een uitbreiding plaat het belangrijkste onderdeel van een brandstof monster verhinderde deze scheiding stroming en zorgden voor een laminaire stroming profiel inkomende om het monster. Een 10 cm breed, 40.6 cm lang dun, metalen lip dus bevestigd van het voorste uiteinde van het monster aan de uitgang van de windtunnel, waardoor een laminaire diffusievlam die uiteindelijk bleek bestaande theorie 7 aan te passen.

In het testen van vloeibare brandstoffen werd een poreus noncombustible lont nodig. Een 10 cm x 10 cm x 1,27 cm dik vel van Aardalkalimetalen silicaatwol werd geselecteerd voor geforceerde stroming experimenten vanwege de hoge porositeit en een lage thermische geleidbaarheid. in oestellen voorkomen lekkage van brandstof uit het monster, werd natriumsilicaat lijm gebruikt aluminiumfolie voor alle behalve de voorkant. Het monster werd ook 'gebakken' organische binders te verwijderen door het passeren van een steekvlam over het monster gedurende ongeveer 20 minuten, waarna de vlam veranderde van geel naar blauw (met vermelding van de verwijdering van bindmiddelen uit het monster). Tijdens het testen, wieken waren doorweekt met ongeveer 120 ml van vloeibare brandstof (ethanol of methanol) en deze bedroegen het verzadigingspunt van de 10 cm brede wieken zijn.

De massa verbrandingssnelheid van de brandstof werd bepaald door het massaverlies van het monster in de tijd tijdens verbranding met een snelheid van 1 Hz. Het monster setup werd ondersteund over een precisie massabalans met een maximale capaciteit van 32,2 kg en de resolutie van 0,1 g, fijn genoeg om deze massa-loss rate met hoge precisie te meten. Na ontsteking van het monster door een brander, de massa-verliespercentage van de condensed brandstof toeneemt als functie van de tijd en bereikte uiteindelijk een constante snelheid die uiteindelijk verdwijnt tegen het einde van de test als brandstof doorbrandt. Deze "stabiel" gebied, waarbij verdamping van de brandstof in plaats van diffusie door de lont domineert branden, is het gebied van belang wanneer gegevens worden bemonsterd. Een vloeibare wiek, werden monsters gevonden te branden met een constante massa verliespercentage ongeveer 400 seconden, ongeveer midden 80% van een test. Alle verbrandingssnelheden weergegeven zijn gemiddelden van ten minste zes herhaalde tests onder gespecificeerde omstandigheden, waarbij de herhaalbaarheid van metingen bleken binnen 1,2% van het gemiddelde.

Voor het testen van een vaste brandstof monster polymethylmethacrylaat (PMMA) werd geselecteerd als het brandt relatief regelmatig en niet char. Om het monster te ontsteken, is een brander geleid over het monsteroppervlak 50-60 seconden, waarna het gehele oppervlak gelijkmatig was ontstoken. omdat debrandstofmonster was klein en de experimentele resultaten zeer reproduceerbaar te zijn, werd de werkwijze voldoende geacht voor de ontsteking is. Anders dan vloeibare brandstoffen gedrenkt in een noncombustible wiek, vaste brandstoffen achteruitgaan als functie van de tijd en worden dus nooit echt een stabiele stand regime. In plaats daarvan, vroege tijden van branden werden gekozen te bemonsteren waar de brandstof bleef relatief vlak, experimenteel bepaald te zijn tijdens de eerste 150 sec na ontsteking.

Voor zowel vloeibare als vaste brandstoffen, temperaturen boven de brandstofoppervlak kaart gebracht in de gasfase met behulp van fijne draad thermokoppels. Voor PMMA, werden temperaturen bemonsterd op 6 punten boven het oppervlak vanaf de gesmolten laag in de gasfase op 0,25 mm tijdstippen (geforceerde convectie tests). Voor vloeibare brandstoffen, werden deze metingen van de dunne laag van brandstof aan het oppervlak naar 6 punten met dezelfde resolutie. Deze profielen werden bij 12 locaties along de lengte van de brandstof oppervlak, op minder dan 400 sec van ontsteking voor vloeibare monsters en binnen 150 seconden voor PMMA.

De hiervoor genoemde temperatuur metingen werden uitgevoerd onder toepassing van R-type Pt / Pt-13% Rh micro thermokoppels (spot gelast) met twee draaddiameters, 50 micrometer (0,002 inch) en 75 micrometer (0,003 in) met kraal diameters van ongeveer 100 pm en 150 um respectievelijk. De grootte van de thermokoppels was zodanig gekozen dat het thermokoppel was zo klein mogelijk zonder dat daar breuk (om de benodigde correcties straling minimaliseren), maar sommige straling correcties nodig waren. Met behulp van twee thermokoppels van verschillende diameters werden gekozen om beter bepalen een geschikte straling correctie (later beschreven). Micro thermokoppels werden vervolgens doorlopen met behulp van een set van computer-gestuurde XY UniSlides met een maximale ruimtelijke resolutie van 1,5 urn. Voltage signalen werden vervolgens werden ACQuired, airconditioning en gedigitaliseerd via een data-acquisitie module een vermogen tot 0,02 ° C meting gevoeligheid. LabVIEW software werd gebruikt om de beweging van zowel de 50 urn en 75 urn draad diameter thermokoppels met temperatuurmeting via monster synchroniseren.

Om een ​​relatief nauwkeurige straling correctie te bepalen, werden de twee thermokoppel beschreven afmetingen op dezelfde locatie doorlopen tijdens herhaalde tests. De correlatie van Collis en Williams werd aangevraagd warmteverliezen uit het monster 5-6,8,

vergelijking 1 (1)

waarin Nu het getal van nusselt en Re = Ud w / v is het Reynoldsgetal, die werd verkregen voor 0,02 <Re <44, met eigenschappen geëvalueerdbij de filmtemperatuur, Τ m, een gemiddelde van het gas, Τ g en thermokoppel, Τ tc temperaturen. Hier is het Reynoldsgetal Re gedefinieerd als geïndiceerd voor de lokale gasstroomsnelheid U en kinematische viscositeit v. D w in Vgl. (1) vertegenwoordigt de thermokoppeldraad diameter.

Steady-state metingen, zoals in het hier beschreven geval een energiebalans op het thermokoppel knooppunt reduceert tot een convectieve-radiatieve warmtebalans (verwaarlozen fouten als gevolg van geleiding en katalytische effecten), gegeven door

vergelijking 2 (2)

vergelijking 360, (3)

waarbij Τ g de echte gastemperatuur Τ tc is het thermokoppel knooppunt (of korrels) temperatuur, Τ surr is de temperatuur van de omgeving, ε tc is de emissiviteit van het thermokoppel knooppunt σ de Stefan-Boltzmann constante en h de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt van de stroming via thermokoppel knooppunt gedefinieerd als h = k Nu / d. k is de thermische geleidbaarheid van het gas, Nu is het getal van nusselt en d de draaddiameter thermokoppel. De keuze van het getal van nusselt correlatie is van het grootste belang bij de berekening van een straling correctie op de gemeten thermokoppeltemperatuur omdat, zoals in Vgl. (3), de straling correctie is omgekeerd evenredig met het getal van nusselt. Deze keuze is echter gecompliceerd vanwege het exi stence meerdere "passend" getal van nusselt correlaties en de moeilijkheid in het schatten van eigenschappen van het gasmengsel rondom het thermokoppel, met name de thermische geleidbaarheid. Het grootste deel van het bewijs in de literatuur, echter, geeft duidelijk aan dat een cilindervormig getal van nusselt correlatie is het meest geschikt voor het beschrijven van de convectieve warmteoverdracht aan bijna alle praktische thermokoppels 5-6, bij voorkeur die van Collis en Williams 8.

Het getal van nusselt correlatie moet worden gesubstitueerd in een steady state convectieve stralingsbalans (vergelijking 3) en verwaarlozen kleine temperatuurafhankelijkheid, een stelsel van twee vergelijkingen met twee onbekenden (namelijk Τ g en U) zijn gevormd,

vergelijking 4 (4)

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

vergelijking 5 (5)

Vergelijkingen (4) en (5) moet iteratief samen worden opgelost op elk punt, aangezien gasfase geleidbaarheden en kinematische viscositeiten zowel een functie van de temperatuur. De kraal temperatuur kan worden gebruikt als de eerste iteratie van de gastemperatuur aan de thermische geleidbaarheid en kinematische viscositeit met de iteratieve waarde opnieuw zijn genomen tot lage fouten worden benaderd. Bij het ​​oplossen van de vergelijkingen blijkt dat de straling correctie (dat wil zeggen het verschil tussen de thermokoppelmeting en de actuele temperatuur) toeneemt voor grotere thermokoppels diameter en wordt gereduceerd met toenemende stromingssnelheden via kraal. Dw 1 en dw 2 in vergelijkingen . (4) en (5) rephekel aan de thermokoppeldraad diameters gebruikt in onze studie.

De emissiviteit van de kraal tc) kan ook worden gevonden als een functie van de temperatuur volgens een methode beschreven door Jakob 9. In zijn analyse, Jakob lost Maxwell golfvergelijkingen de complexe brekingsindices op een metalen oppervlak als functie van de elektrische weerstand. Een aanname wordt gemaakt in de limiet van lage soortelijke weerstand en een grote brekingsindex, die geldt voor metalen bevat, waardoor een eenvoudige correlatie voor het hemisferische totale emissievermogen platina (Pt) als,

vergelijking 6 (6)

waar voor platina, r er e, 273 T / 273, met T in K en r e, 273 <em> = 11x10 -6 Ω-cm.
Daarom is de platina emissiviteit wordt 5-6

vergelijking 7 (7)

voor 0 <T <2330 K. De emissiviteit van het thermokoppel kraal of splitsing, zoals blijkt uit vergelijkingen. (4) en (5) kan dus worden geëvalueerd met behulp van bovenstaande formule. Iteratie is niet noodzakelijk vgl. (6) en (7), omdat de werkelijke waarde van de kraal temperatuur bekend, alleen de gastemperatuur en snelheid in vgl. (4) en (5) moeten iteratief worden opgelost.

Bij experimenten werden twee thermokoppels precies doorlopen dezelfde meetpunten en gegevens werden bemonsterd overeenkomt met het straling correctie in de temperatuurmetingen. De correcties toegepast als gevolg of iteratie vergelijkingen. (4) en (5) klein, bijvoorbeeld slechts 79 K voor de 50 urn draad diameter thermokoppel 1700 K en minder dan 5 K nabij het ​​brandstofoppervlak 6. Aangezien de thermokoppels ook cross gebieden van hoge temperatuurgradiënten behandeling van geleidingsverliezen door de draad moet worden beschouwd, maar door de kleine dwarsdoorsnede van de thermokoppeldraden zijn dergelijke fouten berekend op <1%, dus geen correcties nodig 5-6.

Met de brandstof oppervlak in het midden van de luchtstroom aan de uitgang van de windtunnel werd gemakkelijke toegang tot de brandstofoppervlak bedoeld micro thermokoppel hot-wire anemometer metingen. Tijdens koude-stroom loopt van de windtunnel (geen verbranding) de vrije stroomsnelheid, U de windtunnel werd gekalibreerd met behulp van een hot-wire anemometer die bemonsterd met een snelheid van 50.000 monsters / seconde voor een totaal DUURn van 10 seconden per punt. Het snelheidsprofiel langs de uitlaat van de gehele tunnel is gemaakt, waaruit blijkt dat een consistente propstroom afkomstig van het midden van de tunnel uitlaat. Dit zal naar verwachting voor een vierkant kanaal, zoals de uitlaat van onze windtunnel. Eerdere metingen van Sforza et al. 10 aangetoond dat het potentieel kernlengte van een vierkant jet met Reynolds getal Re d tussen 2,6 en 8,8 x 10 4 moet ongeveer 5 d stroomafwaarts van de uitgang, waarbij d de hoogte van het kanaal. Voor d = 30,48 cm, de breedte van de windtunnel uitlaat, Re d tussen 1,5 x 10 4 en 3,9 x 10 4 zin het monster binnen 1 d (20 cm) van de tunnel uitlaat blijft. De herhaalbaarheid van deze metingen was binnen 3% van het gemiddelde.

Temperaturen werden gemeten over het oppervlak van een ontstoken vel van 10 cm x 10 cm x 1,27cm PMMA geplaatst bij de uitlaat van een windtunnel werkt bij U = 0,79 m / s en 2,06 m / sec. De hierboven beschreven procedures werden gebruikt voor temperatuurmetingen waarvan niet dimensionalized in termen van normale lengte y * = y / L en de temperatuur T * = vangen (T - T w, p / T fl, ad - Tw, p) waar Τ w, p en Τ fl ad vertegenwoordigen de wand en adiabatische vlamtemperatuur, respectievelijk een bepaalde brandstof, y de positie loodrecht op het oppervlak waar de brandstof wordt gemeten en L de lengte van de brandstof oppervlak. De dimensieloze temperatuurgradiënten loodrecht op het oppervlak werden daarna berekend (∂ T * / ∂ y *) y * = 0 door het aanbrengen van een vijfde orde polynoom om de dimensieloze temperaturen en extraheren van de helling in de brandstofoppervlak, y * = 0.

Figuur 2 (a) toont deze dimensieloze temperatuurgradiënten over de lengte van de brandstof oppervlak. Ze duidelijk het hoogst in de voorrand van de brandstof oppervlak, waar de vlam het dichtst bij de brandstofoppervlak en verminderen naar de achterrand (x = 100 mm), waarbij de vlam verst van de brandstofoppervlak. De dimensieloze temperatuurgradiënten kunnen worden gebruikt om de lokale massa brandsnelheid vast te stellen door toepassing van de correlatie 4,6,

vergelijking 8 (8)

waarbij B het aantal massaoverdracht de gegeven brandstof, k w de thermische geleidbaarheid van lucht geëvalueerd de wandtemperatuur, c p de soortelijke warmte van de geëvalueerde op een adiabatische vlamtemperatuur van de brandstof lucht en L </ Em> de lengte van het pyrolyseren brandstofoppervlak. De lokale massa brandsnelheid wordt vervolgens gevonden te variëren op een wijze vergelijkbaar met de dimensieloze temperatuurgradiënten, getoond in figuur 2 (b).

In tegenstelling tot vloeibare brandstoffen, voor PMMA de lokale massa brandende tarief kan ook worden a posteriori benaderd door het meten van de lokale oppervlakte regressie over vaste tijdsintervallen 2,11. PMMA monsters werden verbrand onder representatieve omstandigheden voor een periode van tijd te beginnen bij 50 sec en het verhogen van 50 sec intervallen gevolgd door het uitsterven van het monster. De pyrolyse massastroomsnelheid van PMMA wordt berekend bij elke x locatie langs de centrale symmetrie-as met een eerste-orde benadering van de Pizzo et al. 11, beschreven in de literatuur elders 4-6. Een gemiddelde dichtheid van PMMA, ρ s = 1190 kg / m 3 werd gebruikt samen met gemeten oppervlak regressie langs het brandstof oppervlakaankomt bij massa-verliescijfers tijdens elk 50 sec interval langs de lengte van de brandstof monster. Hoewel een kortere tijd stap wenselijk zou zijn, fouten in de meting maken het onpraktisch worden wanneer de tijd stappen zijn minder dan 50 sec 5.

Om lokale massaverlies-tarieven te vergelijken van thermokoppels met die uit regressie profielen, gegevens van de brandstof burn-out tijden van 100 en 150 sec werden gebruikt om de lokale massa brandende prijzen weergegeven in figuur 2 te vergelijken (b). Deze tijden komen overeen met ongeveer dezelfde tijdstippen deze metingen werden genomen. Zoals te zien is in de figuur beide meetmethoden de lokale massa verbrandingssnelheid blijken zeer dicht bij elkaar, wat suggereert dat de methode werkt goed voor dit soort vlammen.

Voor convectief-gedomineerde vlammen Dergelijke kleine laminaire die kunnen temperatuurgradiënten bij de brandstof oppervlak ook worden gebruikt om con extraherenvective warmtefluxen aangezien zij in wezen direct gerelateerd aan de temperatuurgradiënt aan het oppervlak. Met behulp van gemeten massa-verliescijfers, kunnen onderdelen van de vlam warmtestroom ook worden onttrokken aan de pyrolyse-zone. Meerdere benaderingen om de warmtebalans bij de brandstof oppervlak, in de literatuur elders 2-3 vermeld, kunnen deze componenten worden bepaald over het oppervlak van een brandende plaat van PMMA. Figuur 3 toont het resultaat van een PMMA vlam gestabiliseerd met een omgevingstemperatuur gratis -Stream snelheid van U = 2,06 m / sec. De techniek kan daarom uiterst belang voor de evaluatie verschillende maatregelen genomen om de verbranding van kleine monsters van brandstoffen beschreven, leidt tot een beter begrip van het verbrandingsproces, met name de relatie tussen de vaste fase en gasfase.

Figuur 1
Figuur 1. Experimental Setup. (a) Schematische weergave van de experimentele opstelling wordt gebruikt om de massa-verliescijfers en de temperatuur profielen over een geforceerde convectie grenslaag diffusie vlam te meten. (B) Experimentele opstelling voor het onderzoeken van grenslaag diffusie vlammen onder geforceerde stroming. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2. temperatuurgradiënt en lokale brandsnelheid resultaten. (A) Variatie van het normale niet-dimensionale temperatuurgradiënten langs de brandstof oppervlak voor een PMMA grenslaag diffusie vlam bij U = 0,79 m / sec en 2,06 m / sec, respectievelijk. (B) Wijziging van de lokale massa brandende tarieven voor PMMA grenslaag diffusiop het vuur bij verschillende vrije-stroom condities. Lokale massa brandende tarieven verkregen door middel van niet-dimensionale temperatuur gradiënten wordt vergeleken met de experimentele gegevens die zijn verkregen door middel van regressie van de PMMA oppervlak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3. Heat Flux Resultaten onder geforceerde stroming. Verdeling van de verschillende onderdelen van de vlam warmtestroom in de pyrolyse-zone voor een PMMA grenslaag diffusie vlam bij U = 2,06 m / sec. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussion

Het doel van dit onderzoek was om een ​​nieuwe methode voor de schatting van de lokale massa brandende tarieven voor zowel vloeibare en vaste brandstoffen onder een verscheidenheid van stroming-veldomstandigheden te ontwikkelen. De studie werden twee gevallen, een convectie grenslaag diffusievlam en gedwongen onder verschillende vrije-stroom condities vastgesteld convectie grenslaag diffusievlammen, waarbij zowel vloeibare als vaste brandstoffen.

Lokale brandsnelheden gemeten via fijne draad thermokoppel metingen over zowel vloeibare brandstof doordrenkte wieken en meer dan stevige platen van PMMA bleken andere middelen van de schatting, namelijk brandstof regressie metingen te passen. Deze temperatuurgradiënten nabij het ​​brandstofoppervlak werden bepaald met een correlatie gebaseerd op het Reynolds analogie 12-13 dat, hoewel die een gelijkmatige, laminaire verbranding, werkte goed voor kleinschalige monsters, uiteindelijk resulterend in data met een nauwkeurigheid van 15% gemiddelde resultaten en veel meer voor de lokale measurementen 4-6. Het correleren factor voor deze lokale massaverlies snelheidsmetingen afhankelijk van de Spalding massaoverdracht aantal representatieve brandstof en andere thermo-fysische eigenschappen van de brandstof die kan worden berekend a priori. De resultaten suggereren dat deze techniek nuttig deze hoeveelheden te extraheren en begrijpen van de verbranding van brandstoffen kleinschalige nader in de toekomst worden.

Andere studies in de literatuur zijn de representatieve werk hier uitgebreid integratie numerieke simulaties 4 en experimenten aan verticaal georiënteerde monsters, vrij brandende 4,5, en horizontaal gemonteerde monsters onder heersende winden 6. Voor deze configuraties componenten warmtestromen zijn ook lokaal bepaald via brandstofoppervlak met dezelfde fijne draadthermokoppel techniek vlakbij de gecondenseerde brandstofoppervlak. Hoewel componenten van warmteflux in het verleden gemeten met behulp van ingebedde meters, this techniek is minimaal invasieve en biedt een directe meting van convectiewarmte stromen, die voorheen niet mogelijk is geweest.

Bijzondere aandacht dient te worden genomen tijdens experimenten bij het kiezen van specifieke configuraties en het instellen van het apparaat. In deze experimenten, thermokoppels gekozen stap 3,2 uitsteekt uit een kleine keramische buis, waardoor spanning op de draad en waardoor de locatie van het thermokoppel relatief starre. Met behulp van een thermokoppeldraad opgehangen boven de gehele vlam zonder binnenband zouden eventuele verstoringen van de keramische buis te verminderen, maar het zou het lokaliseren van de specifieke locatie van het thermokoppel meer variabele als de draad ertoe neigt de bij toenemende temperaturen. Soms wijzigingen in de configuratie kan effecten over de breedte van het monster (bijvoorbeeld schuin monster) induceren. Als de instelling is gewijzigd ten opzichte van die onderzocht in het verleden 4-6, rond stap 4,14 incidentele controles die de vlam temperatuur measurements over de breedte van het monster vertonen geen significante variatie moeten worden genomen (dat wil zeggen, een 2-D aanname heeft nog steeds). Anders wordt een 3-D mapping systeem moeten worden uitgevoerd.

De meest kritische stappen tijdens het uitvoeren van de experimenten te maken hebben met de voorbereiding van de brandstof en het juiste gebruik van thermokoppels. Zelfs kleine afwijkingen in de positionering van de thermokoppels kan fouten veroorzaken, dus zorg moet worden genomen bij het plaatsen van het thermokoppel in de stappen 3.2, 4.13 en 4.14. De brandstof lont moet worden geplaatst dat zo vlak mogelijk oppervlak wordt gehandhaafd (stap 2,1) en al vulmateriaal worden gebakken van lonten (stap 2.1.1).

Het uitlaatsysteem, geactiveerd in stap 4.1 dient ook als minimaal worden gehouden of geïsoleerd als mogelijk in de buurt van het experiment te helpen elimineren stroom storingen. Dit moet worden gecontroleerd door te zorgen voor een kleine kaars wordt niet geblazen wanneer de proef plaats (zonder wind) zal plaatsvinden. Schotten, schermenEen aparte afgesloten voorziening of testen in een grote ruimte kan worden gebruikt om dit te verwezenlijken. In stap 4,2, moet de brandstof zo gelijkmatig mogelijk worden ontstoken. Terwijl de propaantoorts niet de meest ideale bron Hiervoor werden experimenten niet gevonden gevoelig voor de ontstekingsbron in vroegere werk 4-6 zijn. Gevoeligheid voor de ontstekingsbron moet bij experimenten door het variëren van de tijd of de intensiteit van de belichting en het observeren van de resultaten op de constante massa brandsnelheid worden gedocumenteerd. Als de gevoeligheid wordt waargenomen een stralende panel moet als alternatief worden gebruikt om monsters te ontsteken. Vaste brandstoffen, of een brandstof die niet beschikt over een grote (> 300 sec) steady branden regio zoals waargenomen door de massaverlies-tarieven moet de temperatuur in kaart brengen van genomen tijdens een korte regio. Bijvoorbeeld, in stap 4,13 de mapping wordt aanbevolen voor PMMA te nemen over de eerste 150 seconden, terwijl de brandstof nog relatief vlakke ondergrond regressie is goed gedocumenteerd. Surface regressie metingen kunnen gebruiken ImageJ of soortgelijke afbeelding software om pixels op de foto te meten en om te zetten op lengte. Als alternatief kan een digitale micrometer worden gebruikt om het oppervlak regressie van de vaste plaat te meten na afkoeling (let op de oppervlakte van "borrelen" materialen zoals PMMA moet eerst worden geschuurd).

De voorgestelde brandsnelheid correlatie is gebaseerd op veronderstellingen laminair, maar het wordt verondersteld dat deze techniek een soortgelijke vorm turbulente verbranding van brandstof oppervlak te volgen, zij het in andere functionele relatie die experimenteel worden bepaald. Het werk dat hier wordt gepresenteerd kan vervolgens worden uitgebreid tot grenslaag verbranding en de bijbehorende interacties tussen turbulentie en gasfase warmte die vrijkomt dat het incident warmtestroom rijden naar de brandstof oppervlak kan verder worden onderzocht turbulent.

De theorie waarop de brandsnelheid correlatie is gebaseerd verwaarloost ook straling. De theorie is eenvoudig voorgesteld leAding de onzekerheid in zijn voorspellende capaciteiten in omstandigheden die niet worden gedekt door het huidige werk. Bijvoorbeeld kan de bepaalde methodologie niet voor hoge vlammen roetvorming wanneer de warmteflux aan het oppervlak grotendeels radiatieve. Voor grote turbulent muur vlammen, waarbij stralingswarmte flux bij de verkorte brandstof oppervlak is hoog, de voorgestelde brandsnelheid correlatie kan wel of niet werken. Opneming van stralingseffecten in de voorgestelde correlatie is dus wenselijk en moeten verder onderzoek om de functionele relatie te bepalen worden uitgevoerd. Dit gebied vereist verbeteringen in het model als zelfverzekerde voorspelling methoden moeten worden bereikt voor dergelijke vlammen.

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics