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

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, (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 (2) 60, (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, (4) t "fo: keep-together.within-page =" 1 "> en (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 (ε 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, (6) waar voor platina, r e ≈ r e, 273 T / 273, met T in K en r e, 273 <em> = 11×10 -6 Ω-cm. Daarom is de platina emissiviteit wordt 5-6 (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. <p class="jove_content" fo: keep-together.within-page = "1"> 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, (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. 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. 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. 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.