JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

מתודולוגיה ניסויית עבור הערכת שטפי חום מקומי שיעורי הבוער Steady להבות דיפוזיה שכבה למינרית גבול

Published: June 01, 2016
doi:
10.3791/54029
,
1Department of Fire Protection Engineering,University of Maryland

Summary

We describe the use of micro-thermocouples to estimate local temperature gradients in steady laminar boundary layer diffusion flames. By extension of the Reynolds Analogy, local temperature gradients can be further used to estimate the local mass burning rates and heat fluxes in such flames with high accuracy.

Abstract

בעזרת מודל של התנהגות השריפה המציאותית של דלקים פאזיים מרוכזים נשאר מחוץ להישג ידם, בין שאר בשל קושי לפתור את יחסי הגומלין המורכבים המתרחשים בממשק שבין להבות פאזיים גז ודלקים פאזיים מרוכז. המחקר הנוכחי מספק טכניקה כדי לחקור את הקשר הדינאמי בין משטח דלק מרוכז דליקות ולהבות פאזיים גז בשכבות גבול למינרית. ניסויים שנערכו בעבר בשני סביבות ההסעה מאולצות חופשיות הזאת היא דלקים מוצקים ונוזליים. מתודולוגיה ייחודית, המבוססת על אנלוגית ריינולדס, שמשה כדי להעריך שיעורי שריפת מונית מקומיים ונתיבים חומים הלהבה עבור להבות דיפוזיה שכבת הגבול למינרית אלה ניצול הדרגתי טמפרטורה מקומית על קרקע הדלק. שיעורי שריפת המונית מקומיים ומשוב חום הסעה ו קרינה מההלהבות נמדדו בשני האזורים פירוליזה ואת הפלומה באמצעות הדרגתיים טמפרטורה ממופים ליד הקיר על ידי Traver שני ציריםמערכת se. ניסויים אלה הם זמן רב והוא יכול להיות מאתגר לעצב כמו פני שטח הדלק המרוכזים שורפים בהתמדה לתקופה מוגבלת בלבד של זמן לאחר הצתה. פרופילי הטמפרטורה הקרוב לפני שטח הדלק צריכים להיות ממופים במהלך שריפה קבועה של משטח דלק מרוכז ברזולוציה מרחבית גבוהה מאוד כדי ללכוד הערכות סבירות של הדרגתיים טמפרטורה מקומיים. תיקונים זהירים להפסדי חום קרינה מן הצמדים חיוניים גם עבור מדידות מדויקות. מסיבות אלו, הגדרת הניסוי כולו צריך להיות אוטומטי עם מנגנון חוצה מבוקרת מחשב, ביטול ביותר טעויות בשל המיקום של א-תרמי מיקרו. מתווה של צעדים כדי ללכוד reproducibly הדרגתי טמפרטורה ליד הקיר ולהשתמש בם כדי להעריך את שיעורי שריפה מקומיות ונתיבים חומים מסופק.

Introduction

בעוד התקדמות קריטית נעשתה בתחום מחקר בטיחות אש במאות שנים האחרונות, בניבוי שיעורי התפשטות אש עדיין עדיין מהווה אתגר עבור חומרים רבים בתצורות מגוונות. התפשטות להבה לעתים קרובות ממשיכה בשתי הסביבות נבנו או טבעיים כסדרה של ignitions של אלמנטים חדשים, הנובעת ממקור ראשוני של הצתה. ידיעת מאפייני שריפת חומרי שריפת פרט היא קריטית כדי לחזות אלה שיעורי התפשטות אש, כי זה תורם שיעורי חימום לאלמנטי unignited. שיעור חום-שחרור (הרר) של מרכיב הדלק ולכן צוטט ככמות הבסיסית ביותר במחקר אש 1, הינו כ השווה לשיעור (מסה-הפסד) שריפת הדלק מרוכז פאזיים, הוא שיעור התאדות שיעור דלק או פירוליזה נוזלי של דלק מוצק.

שיעור השריפה יכול להיחשב כמדד של הדליקות של מאטרial ומהווה פרמטר קריטי ניתוח סיכוני אש בתכנון מערכות כיבוי אש. ההפסד המוני מקומיים (או הצריבה) שיעור, M "f, של קיר אנכי היא, בפרט, משתנה חשוב בעיות אש רבות הקשורים, כגון התפשטות אש על קיר, צמיחת אש, ושיעורי אנרגית שחרור בתוך אש מתחמת, ואת ההתפשטות של תמרות עשן וגז חם עבור חיזוי של התפשטות אש כלפי מעלה על קיר אנכי, גובה ההלהבה חייב להיות מחושב, אשר תלוי בשיעור שחרור אנרגיה הכולל;. זה, בתורו, מושפע באופן ישיר על ידי השיעור המוני האובדן המקומי המשולב מעל אזור pyrolyzing כל הקיר 2-3. בעוד ידע של שיעורים המוני אובדן המשולב אלה ידועים יחסית היטב, ידע של שיעורי שריפת מונית במקומות מדורגים לאורך משטח דלק אינו היטב ידוע בגלל שיטות ניסיוניות למדידת שיעורים כאלה הם מוגבלים במידה קיצונית. טכניקה המספק זו שריפת מונית "מקומי" שיעורמידע יכול לספק תובנה מוגברת שריפת דלקים מרוכזים, המאפשר לחוקרים נוספים להבין את המנגנונים אשר להבדיל דלקים או תצורות שונים זו מזו. כמו רוב חומרי מוערכים ראשונים בקנה המידה הקטן (למשל, בתוך קלורימטר חרוט 1), כצעד ראשון הגיוני הוא לספק טכניקה כדי למדוד את שיעורי שריפת מונית מקומיים בלהבות דיפוזיה קטנות, למינרית על משטחי דלק מרוכזים.

העבודה המוצגת כאן דן מתודולוגיה הניסיונית ופרוטוקולים לביצוע ניסויים על להבות למינרית יציבות הוקמו על משטחי דלק מרוכזים. הערכה הדרגתית טמפרטורה המקומית באמצעות צמדי מייקרו היא טכניקה יעילה במיוחד עבור להערכת שיעורי שריפת מונית המקומיות ונתיבים חומים הלהבות הללו 4-6. מניתוח נתוני הספרות מראה את הקושי לקבוע העברת חום מקומי, מקדמי בעירה וחיכוך על condenמשטח דלק SED, אשר חשובים להבנת הפיסיקה ואת המנגנונים המניעים אש בפרט והתפשטותו 4-6. מרכיבים ונתיבים חומים, אשר נותרו אולי נכס האש הכי טוב נמדד במקומות מקומיים על פני שטח דלק, מוכיחים קשים למדוד. אפקטים כגון השתנות של דלקים, מדרגיות שטף חום, קושי בהשגת תנאי מצב יציבים שונים טכנולוגיות מד שטף חום תרמו פיזור רחב למדי של נתונים אשר זמין בספרות 4. מדידות של הדרגתיים טמפרטורה מקומיים עם דיוק גבוה תסייענה להקל שונות הזאת וגם לספק מתאמי העברת חום שיכול לשמש עבור אימות מספרית של שריפות קיר למינרית, בעית מחקר אש הקנונית. ניסויים כאלה הם גם שימושיים לחקור את הקשר הדינאמי בין להבות משטח דלק פאזיים גז תמצית דליקות ב למינרית שכבת גבול סוערתים. שיטות כדי ללכוד אלה הדרגתי טמפרטורה במדויק באופן מדויק דיר מתוארות להלן.

Protocol

תכנון 1. של ניסויים בצע הוראות ואזהרות בטיחות לפני כניסת מעבדת מחקר האש או שריפה. הדרכת בטיחות נדרשת בדרך כלל עבור משתמשים חדשים. תזמן הניסויים שלך מראש כדי לבצע את הבדיקות הנדרשות. קח למשל את הפרטים של הניסוי, להובלת דלקים דרושים וציוד דרוש. זהה את הניסויים דלק נוזלי או מוצק של עניין. הכן את החומרים בהתאם. 2. הכנת חומרים ומכשור בניסויים בדלק נוזליים, להכין פתיל דלק של חומר noncombustible נקבובי (צמר סיליקט ארץ אלקליין). ניסויים קודמים 4-6 ניצלו 8 ס"מ x 8 ס"מ x 1.27 ס"מ לבדיקות הסעה חינם ו -10 ס"מ x 10 ס"מ x 1.27 ס"מ הסדינים העבים לבדיקות הסעה כפייה. אופה את פתיל הדלק הנתון כ 20 דקות על ידי כך שאנחנו חושפים אותו להבת דיפוזיה לפיד פרופאן כדילשרוף קלסרים אורגניים בתוך הפתיל. על מנת למנוע דליפה של דלק נוזלי מן הצדדים של הפתיל, בנדיבות להחיל סיליקט נתרן נוזלית עם מזרק מכסה את כל הפרצופים של הפתיל למעט הפאה העליונה. מגן כל אבל הפנים העליון של השלוחה עם רדיד אלומיניום. השתמש דבק בטמפרטורה גבוהה כדי להדביק את רדיד אלומיניום אל צידי הפתיל. בניסויי דלק מוצקים, לגזור וכו 'של הדלק המוצק. בניסויים הסעה חינם הקודם 2, 8 ס"מ x 8 ס"מ x 1.27 ס"מ גיליון עבה של methacrylate polymethyl יצוק ברור (PMMA) נוצל בעבר. לגזור חריץ בסדין של לוחות בידוד סיבי קרמיקה שווים לגודל של מדגם הדלק שבו מאוחר לעלות על המדגם. לעתים קרובות, השתמש באותה noncombustible נקבובי כמו פתיל הדלק; אולם לאטום אותו עם צבע שחור מט בטמפרטורה גבוהה. בדוק את חומרת רכישת נתונים הנתונה ותוכנה. פתח את התוכנה ולבדוק מזגאלגוריתם מיפוי ature לפני ביצוע הבדיקות הנדרשות. 3. הכנה של הגדרת הניסוי מניח מצלמת SLR הדיגיטלית צד להציג כך שיהיה מיושר עם הציר המרכזי של הדלק מספיק רחוק כך המבט מהצד המלא של הלהבה הנתונה הוא נתפס. עבור הסעה נאלצה בלהבות, לדימוי בשדה פתוח מבט במרכז דגימת הדלק המשתרעת על שטח של 16 סנטימטרים x 8 סנטימטר לחישוב המרחק תייק להבות באזור פירוליזה. מניח את מנגנון החוצה מעל מדגם הדלק. צרף תרמי מייקרו 50 מיקרומטר תיל בקוטר הציר האופקי של המנגנון החוצה בזהירות. הפעל את בקר מנוע צעד לתכנות. במקרה של ניסויים זרימת כפייה, כוח במעלה מפוח צנטריפוגלי של מנהרת רוח. הגדר את הדופק רוחב אפנון (PWM) בקר לתדר של 7,000 הרץ עם Rangi הגדרות צריכת החשמלng מ -16% עד 50% עבור מהירויות מפוח שונות, מאומתות עם מד רוח להתניע. יש להרכיב משקפי בטיחות וכפפות יד עמידת אש לפני שתמשיך עם המבחן. במהלך כל בדיקה, להשרות את הפתיל עם דלק נוזלי (מתנול או אתנול) עד ​​נקודת הרוויה שלו. עבור הפתיל 8 ס"מ x 8 ס"מ x 1.27 ס"מ עובי, 90 מ"ל היה מספיק כדי לספוג את הפתיל מלא באמצעות שני 60 מ"ל מזרקים ואילו עבור פתילה 10 ס"מ x 10 ס"מ x 1.27 ס"מ עובי, 120 מ"ל נמצאה להספיק. מניחים את הפתיל ספוג דלק / צלחת דלק מוצק בזהירות לתוך מחזיק הפתיל-דלק. בדוק את השטיחות של פני שטח פתיל דלק בעזרת מד זווית. פתח את תוכנת מאזן מסה ולבדוק את הגדרות ממשק USB. בדוק את מאזן המסה ושים לב הקריאה שלה לפני הבדיקה. 4. ניסויים הפועלים בתוך מעבדה שרפה או אש להבטיח אוורור נאות של מתקן ניסיוני על-ידי הפעלת הפליטה לאחר השלמת כל קבוצה של ניסויים. Exhaust צריך להיות מינימאלי או מבודד ככל האפשר במהלך הניסויים, במטרה לסייע במיגור פרעות זרימה. לפני מדגם ניצת, לכייל את המצלמה הדיגיטלית-מבט מהצד על ידי צילום תמונה של גיליון נייר מילימטרים או שליט כי מיושרת לאורך הציר המרכזי של משטח הדלק. השג ספירה ממוצעת פיקסל / מ"מ מתמונות הכיול. השתמש בערך זה של פיקסלים / מ"מ במהלך עיבוד פוסט של תמונות (להגדרת סולם המדידה ImageJ). להצית את הדלק עם פנס פרופאן, לגעת בו לרגע ליצירת פתיליה דלק נוזלי להעביר את הלהבה אחיד על פני השטח במשך 50-60 שניות עם דלק מוצק. התחל זמן ניסוי מייד לאחר הצתה אחידה. השתמש סטופר כדי לציין את הזמן הבוער. לחץ על לחצן רכישת נתונים על תוכנות מאזן מסה. לפקח על אובדן המסה של הפתיל בוער מעל מרווח מתוזמן ולכתוב אותו לקובץ מדידה. השתמש בתוכנת מאזן מסה עבור gמטרת Iven. חזור על שלבים 4.3 עד 4.6 בדיקות מרובות באותם תנאים כדי להבטיח הדירות. השתמש-אובדן המסה לעומת עקומת זמן כדי לקבוע את משטר שריפה היציב, שבו התאמה ליניארית של אובדן המסה יש ערך R 2 גבוה. עובדים על דלק סולידי יציבים, לשרוף דגימות ב 50 במרווחי שניות מן ההצתה לשחיקה למדוד רגרסיה פני שטח (למשל, במשך 50 שניות, 100 שניות, 150 שניות, וכו '). Cut שרפה דלק סולידי לאורך קו האמצע לאחר הקירור עבור בדיקות רגרסיה. לצלם צד להציג של דלק סולידי לגזור עומס לתוך ImageJ. מדוד את רגרסיה במקומות streamwise ידי המרת פיקסלים ס"מ בעזרת סרגל. צעד אחר צעד הליך כדי לעבד תמונה נתונה ImageJ מופיעה להלן. תצלום הצד להציג להרחיב מדגם הדלק המוצק ב ImageJ באמצעות קובץ בחר → פתחה תמונה. פתח את תמונת הכיול (עם סרגל) של מדגם הדלק המוצק ב ImageJבאמצעות קובץ בחר → תמונת כיול להרחיב. סטאק את תמונת כיול ותמונת מדגם דלק מוצקה. עבור אל תמונה → תמונות → סטאקס לערום. סולם מדידת גדר: צייר קו בין שתי נקודות של מרחק ידוע כמו סרגל על ​​התמונה. עבור אל לנתח → סולם סט. בחלון סולם הגדר את אורך הקו, בפיקסלים, יוצג. הקלד את המרחק הידוע ויחידות מידה בתיבות המתאימות ולחץ על אישור. צייר קו חדש ולאשר כי סולם המדידה נכון. מדידת מרחק בין שתי נקודות בתצלום במדגם הנתון: צייר קו בין שתי נקודות. שורת המצב תציג את הזווית (מאופק) והאורך. לנתח → מדוד (או Ctrl + M או פשוט להקליד M במקלדת) מעביר את הערכים חלון נתונים. מדוד את רגרסיה בכל x מיקום streamwise ידי מדידת עובי המדגם הכוויה-אאוט וחיסור אותו מן iעובי nitial של המדגם. הערת מרווח הזמן שבו על פני השטח של דלק סולידי להישאר כ שטוחים ולהשתמש למיפוי טמפרטורה, או התאמות של עמדות תרמיות עשויות לפצות על רגרסיה שטח. הגדר את מרווח מיפוי טמפרטורה ללכוד מדידות בזמן השלטון בוער יציב, כ 150 שניות PMMA מוצק 400 שניות פתילות ספוג נוזלים. הגדר את מרווח מיפוי הטמפרטורה מבוסס על מרווח זמן שריפה הקבוע של דלקי נוזלים ומוצקים. גודל צעד מומלץ סמוך לפני השטח הוא 0.25 מ"מ 4-6. יישר תרמי מיקרו בזהירות עם פני השטח של דלק באמצעות unislide XY. מניח את תרמי הנתון במרכז הרוחב של המדגם. הזז את תרמי מיקרו בזהירות אל הקצה המוביל של הפתיל דלק באמצעות unislide XY. הפעלת תוכנית רכישת נתונים במחשב ולקרוא את אלגוריתם סריקה לרשת מתיקייה על דesktop. הערה: לאחר הניסוי נמצא בעיצומו, איסוף נתונים הוא אוטומטית, והמשתמש רק צריך לפקח עליו לוודא שהניסוי הולך כמתוכנן. באמצעות תוכנית רכישת נתונים במחשב, לרכוש נתונים ולכתוב אותו לקובץ המדידה. הערה, שיעורי דגימה של 100 4-5 500 6 הרץ שימשו בניסויים בעבר. בסיום, לכבות את הלהבה. כבה את בקר PWM ונתקו את תקע החשמל של מפוח משקע החשמל 3-שלב 240 VAC. כבה את בקר מנוע צעד. חזור על שלבי 4.12 כדי 4.18 עבור ניסויים נוספים על תנאי זרימה דומים או שונים עם אותו תרמי. מינימום של 5 בדיקות יש לחזור עבור כל תנאי זרימת נתון (למשל, מהירות זרימת כפייה או אנכי). חזור על שלבים 4.12 כדי 4.18 עבור תרמי מיקרו 75 מיקרומטר. Traverse שני צמדים (50 מיקרומטר ו 75 מיקרומטר חוט קוטר) לאורך סםנתיב דואר במרכז הלהבה עבור תיקוני קרינה מדויקים. צמדים קטנים עשויים לשמש גם, אולם לעתים קרובות שבירים התרחשו לחוטים מתחת ל -50 מיקרומטר. ניתוח 5. נתונים קרא את הנתונים מעובדים מקובץ LVM לתוך Matlab או תוכנה אנליטית אחרים. ממוצע נתוני הטמפרטורה בכל נקודה מרחבית מבדיקות שונות. חישוב תיקון קרינה מנתונים תרמי בממוצע בכל אתר streamwise, בעקבות המתאם של קוליס וויליאמס 10 תיאר בפירוט בהמשך. חישוב מדידות הטמפרטורה מפוצה על ידי הוספת תיקון קרינה נתוני טמפרטורה גלם. ללא ממד שליש נתוני טמפרטורת המיקום המרחבי. התאם את נתוני טמפרטורה הלא-ממדי על פני שטח הדלק עם בכושר פולינום מסדר גבוה המתאים באמצעות אלגוריתם עקום ב- Matlab או תוכנה ייעודית אחרת. 4 עד 6 נקודות סמוכות לפני השטחנמצאו לעבוד היטב במחקרים קודמים 4-6. חשב את הדרגתיים טמפרטורה הלא-ממדי הרגילים ליד משטח הדלק מן המדרון של לנכון פולינום מסדר הגבוה אל התפלגות הטמפרטורה הלא-ממדי על פני שטח הדלק (y = 0). חשב את קצב שריפת המונית המקומי מן גרדיאנט הטמפרטורה הלא-ממדי המקומי המתאים על פני השטח דלק באמצעות מתאם תיאורטיים המבוססים על האנלוגיה ריינולדס 4. חשב את שטף חום הסעה מן שיפוע הטמפרטורה על פני השטח של 5-6 דלק.

Representative Results

נעשו ניסויים הן בתצורה אנכית מתקן מנהרת רוח אופקי ייחודי באוניברסיטת מרילנד, שמוצג באיור 1. במקום למשוך המסורתית או מנהרת רוח החזרה סגורה, מתקן מנהרת רוח באוניברסיטת מרילנד משתמשת במשתנה מפוח מהירות בכדי לשמור על לחץ ממליאת ס"מ 100 x 75 x 100 אשר מניע את זרימת האוויר החוצה צינור בקצה השני. תצורה זו מאפשרת ניסויי בעירה רצופים כמו עשן אינו מחדש שהופץ, במנהרת הרוח אינה פגומה או מושפע אש צמדים מסוגלים לנוע בחופשיות ברחבי סעיף הדגימה. צינור יציאה מורכב קטע מתכנסים 122 ס"מ, 30.5 ס"מ רוחב מחובר במליאה. כדי ליישר את הזרימה ולהפחית את עוצמת המערבולת נכנסת, מסכי רשת בסדר ממוקמים בכניסה והיציאה של הסעיף מתכנס חלת דבש בעובי של 5 סנטימטרים עם חורי 0.3 סנטימטר הואלהציב זרם 110 סנטימטרים מיציאת המנהרה. המהירות של זרימת יציאת מנהרת הרוח נשלטת על ידי שינוי מהירות המאוורר עם אפנון דופק רוחב (PWM) דגימות בקר ודלק ממוקמות בנקודת היציאה של המנהרה, שם מהירויות זרימה נבדקו באמצעות השימוש של מד רוח Hotwire. דגימות דלק במוצא של מנהרת הרוח הונחו על גבי תא עומס אשר ברציפות מודד את ההפסד ההמוני של המדגם לאורך זמן. כדי למנוע הפרעות של הרוח אל תא העומס, המדגם היה מורם על גיליון אלומיניום (30.5 x 61.0 ס"מ x 1.5 מ"מ עובי) על ידי שני U-סוגריים ומוקף 1.27 ס"מ לוחות בידוד סיבים קרמיקה עבה כדי להבטיח משטח חלק סביב המדגם הבוער. המשטח העליון של הלוח היה מצופה צבע שחור מט בטמפרטורה גבוהה עם emissivity כ -98% על מנת להבטיח רקע טוב התבוננות ויזואלית את האש כדי לאטום את הבידודאשר מכיל גם קלסרים אורגניים. מכיוון לוחות בידוד מציגת גוף קהה יחסית בזרם הנכנס, צבת ההתקנה מדגמת ישירות לשקע של מנהרת הרוח הביאה הפרדת זרימה והטורבולנטיות משמעותית שנצפתה להבות. עבודות קודמות של Ha et al. מוצאים כי הצמדת לוחית רחבה של הסעיף המוביל של מדגם דלק למנוע הפרדת מזרימה זו הבטיחה פרופיל זרימה למינרית נכנס המדגם. A 10 ס"מ רוחב, 40.6 ס"מ רזה, מתכת השפה היתה אפוא רכוב מהקצה מובילה של המדגם לשקע של מנהרת רוח, מתן להבה דיפוזיה למינרית כי בסופו של דבר נמצאה להתאים הקיים התיאוריה 7. בשנת דלקים נוזליים בדיקות פתילה noncombustible נקבובי היה צורך. של 10 ס"מ x 10 ס"מ x 1.27 ס"מ גיליון עבה של צמר סיליקט הארץ אלקליין נבחרה לניסויים זרימת נאלץ בשל נקבוביות שלה גבוהה מוליכות תרמית נמוכה. ב order כדי למנוע דליפה של דלק מן המדגם, דבק סיליקט נתרן שמש ליישם רדיד אלומיניום לכל פרט הפנים הקדמיים. המדגם היה גם "אפוי" להסיר קלסרים אורגנים ידי העברת מבער על המדגם למשך כ 20 דקות, ובנקודת הלהבה השתנתה מצהוב לכחול (המציין את הסרת קלסרים מן המדגם). במהלך בדיקה, פתילות הושרו עם כ 120 מ"ל של דלק נוזלי (אתנול או מתנול) אשר נמצאה נקודת הרוויה עבור פתילות רחב 10 ס"מ. שיעור שריפת המונית של הדלק נקבע על ידי מדידת המסה אבדה מן המדגם לאורך זמן בעת ​​שריפה בשיעור של 1 רץ. ההתקנה המדגמת נתמכה על מאזן מסת דיוק עם קיבולת מקסימלית של 32.2 קילו ורזולוציה של 0.1 גרם, מספיק בסדר כדי למדוד את הקצב המוני הפסד הזה עם דיוק גבוה. בעקבות ההצתה של המדגם על ידי מבער, שיעור המוני הפסד של שיתוףעליות דלק ndensed כפונקציה של זמן, בסופו של דבר להגיע בקצב קבוע אשר בסופו של דבר נמוג לקראת סוף מבחן כדלק ייגמר. "יציב" זה באזור, שבו אידוי של דלק ולא דיפוזיה דרך הפתיל שולט בוער, הוא האזור של עניין שבו הנתונים שנדגמו. לקבלת פתילה נוזלית, דגימות נמצאו לשרוף עם שיעור המוני אובדן יציב למשך כ -400 שניות, בערך 80% באמצע מבחן. כל שיעורי השריפה שהוצגו הם ממוצעים של לפחות שש בדיקות חוזרות ונשנות בתנאים מסוימים, שבו דירות מדידות נמצאו בתוך 1.2% של הממוצע. לבדיקה של מדגם דלק מוצק, methacrylate polymethyl (PMMA) נבחר כפי שהוא שורף יחסית בהתמדה ואינה char. על מנת להצית את המדגם, מבער עבר על פני שטח המדגם במשך 50-60 שניות, בשלב שבו פני השטח כולו הוצתו באופן אחיד. בגלל המדגם דלק היה קטן ואת תוצאות הניסוי מצאו להיות מאוד דיר, השיטה נחשבת להיות מספיק להצתה. בניגוד דלקים נוזליים נספגו פתילה noncombustible, דלק סולידי לסגת כפונקציה של זמן ועל כן אף פעם לא באמת להשיג משטר יציב. במקום זאת, פעמים המוקדמות של שריפה נבחרו להיות שנדגמו שבו הדלק נותר ללא שינוי יחסי, נקבעה באופן ניסיוני להתרחש במהלך ההצתה הבאה 150 השניות הראשונות. עבור שני דלקים נוזלים ומוצקים, הטמפרטורות על פני השטח דלק מופו בשלב גז באמצעות צמדים-חוט דק. לקבלת PMMA, טמפרטורות נדגמו ב -6 נקודות מעל פני השטח החל משכבת ​​מותכת לתוך השלב גז ברמה של 0.25 מ"מ במרווחים (לבדיקות הסעה בכפייה). עבור דלקים נוזליים, מדידות אלה בוצעו מן השכבה הדקה של דלק על פני השטח מתוך 6 נקודות באותו הרזולוציה. פרופילים אלה צולמו 12 מקומות אלאונג אורך משטח הדלק, בתוך 400 שניות של הצתה עבור דגימות נוזליות בתוך 150 שניות PMMA. מדידות הטמפרטורה הנ"ל בוצעו באמצעות R-הסוג Pt / Pt-13% צמדי מייקרו Rh (ספוט מרותך) עם שני קטרי תיל, 50 מיקרומטר (0.002 ב) ו -75 מיקרומטר (0.003 ב) שיש בקטרים ​​חרוזים של כ 100 מיקרומטר 150 מיקרומטר, בהתאמה. גודלו של הצמדים נבחר כך התרמי היה קטן ככל האפשר ללא חוזרות שבירות (כדי למזער תיקוני קרינה צורך), אולם כמה תיקוני קרינות היו עדיין נחוצים. שימוש בשני צמדים של קטרים ​​שונים נבחרו כדי לקבוע תיקון קרינה מתאים יותר (הסבר בהמשך). צמדים מיקרו היו אז חצו באמצעות סט של unislides XY מבוקרת מחשב עם רזולוציה מרחבית מקסימלית של 1.5 מיקרומטר. אותות מתח אז היו היו ACQuired, ממוזגים דיגיטציה באמצעות מודול רכישת מחשבים המדורגות עד 0.02 ° C רגישות המדידה. תוכנת LabVIEW שימש לסנכרן תנועה הן של 50 מיקרומטר ו 75 מיקרומטר צמדים חוט בקוטר עם מדידת טמפרטורה על המדגם. על מנת לקבוע תיקון קרינה מדויק יחסית, שני הגדלים התרמיים תארו היו חצו מעל באותו המקום במהלך בדיקות חוזרות ונשנות. המתאם של קוליס וויליאמס יושם להפסדי חום מן המדגם 5-6,8, (1) שם נו הוא מספר Nusselt ו Re = אוד w / v הוא מספר ריינולדס, אשר התקבל על 0.02 <Re <44, עם תכונות מוערכותבטמפרטורה הסרט, מ 'Τ, ממוצע של גז, גרם Τ, ו תרמי, טמפרטורות TC Τ. כאן, מספר ריינולדס Re מוגדרת מותווית מהירות זרימת גז המקומית U ו- V הצמיגה קינמטיקה. ד w ב EQ. (1) מייצג את קוטר התיל תרמי. עבור מדידות יציבות, כמו במקרה המתואר כאן, איזון אנרגיה על צומת תרמי מצמצם ככל מאזן חום הסעה מקרינה (מזניחה שגיאה עקב הולכה ואפקטים קטליטי), שניתן על ידי (2) 60; (3) כאשר g Τ היא טמפרטורת הגז האמיתי, TC Τ הוא הצומת התרמית (או חרוז) טמפרטורה, SURR Τ היא הטמפרטורה של הסביבה, TC ε הוא emissivity לצומת התרמית, σ הוא סטפן-בולצמן קבוע h הוא מקדם מעבר חום בהסעה של זרימת מעל לצומת תרמי המוגדרים k k h = נו / ד. הוא מוליכות תרמית של הגז, נו הוא מספר Nusselt, ו d הוא קוטר התיל תרמי. הבחירה של מתאם מספר Nusselt היא בעלת חשיבות עליונה בחישוב תיקון קרינה לטמפרטורה התרמית נמדדה כי, כפי שמוצג במשוואה. (3), תיקון הקרינה עומד ביחס הפוך למספר Nusselt. בחירה זו היא מסובכת, עם זאת, בשל EXI stence של "מתאימים" מתאמי מספר Nusselt מרובים והקושי להערכת המאפיינים של תערובת הגז סביב תרמי, במיוחד מוליכות התרמית שלה. חלק הארי של ראיות בספרות, לעומת זאת, עולה בבירור כי קורלציה מספר Nusselt גלילית הוא מתאים ביותר לתיאור מעבר החום בהסעה לכמעט כל צמדים מעשיים 5-6, רצוי של קוליס וויליאמס 8. מתאם מספר Nusselt חייב להיות תחליף לתוך איזון הסעה מקרינה מצב יציב (משוואה 3) ותלות טמפרטורה קטנה מזניחה, מערכת של שתי משוואות עם שני נעלם (כלומר גרם Τ ו- U) נוצרת, (4) t "FO: keep-together.within-page =" 1 "> ו (5) משוואות (4) ו- (5) חייב להיפתר יחד איטרטיבית בכל נקודה, מאז מוליכות גז-פאזה צמיגויות קינמטיקה הן כפונקציה של טמפרטורה. הטמפרטורה החרוזה אמורה לשמש איטרציה הראשונה של טמפרטורת גז להעריך את מוליכות תרמית וצמיגות קינמטיקה, עם ערך איטרטיבי-נלקח מחדש עד שגיאות נמוכות הם התקרבו. כאשר אני פותר את המשוואות, נראה כי תיקון הקרינה (כלומר, ההבדל בין הקריאה התרמית ואת הטמפרטורה בפועל) מגדיל עבור צמדים בקוטר גדולים יותר ו מצטמצם עם הגדלת מהירויות זרימה מעל החרוז. ד w 1 ו- D w 2 EQS . (4) ו- (5) נציגלהתרעם על בקטרי החוט התרמי השתמשו במחקר שלנו. Emissivity של חרוז (ε TC) ניתן למצוא גם כפונקציה של הטמפרטורה בשיטה שהתווה יעקב 9. בניתוחו, Jakob פותר משוואות הגלים של מקסוול עבור המדדים המורכבים שבירים על משטח מתכתי כפונקציה של ההתנגדות החשמלית שלה. הנחה נלקחת הגבול של התנגדות נמוכה ומדדה גדול שביר, אשר נכון גם לגבי מתכות, מניב קורלציה פשוטה עבור emissivity הכולל חצי הכדור של פלטינה (Pt) כמו, (6) שם, עבור פלטינה, r e ≈ r e, 273 T / 273, עם T ב K ו- E r, 273 <em> = 11×10 -6 Ω-ס"מ. לכן, emissivity פלטינה הופך 5-6 (7) עבור 0 <T <2,330 ק emissivity של חרוז תרמי או צומת, כפי שמופיע EQS. (4) ו- (5) ולכן יכול להיות הערכה באמצעות שהוצג לעיל. איטרציה אינו הכרחי עבור EQS. (6) ו- (7), כי את הערך האמיתי של הטמפרטורה החרוזה ידוע, רק הטמפרטורה ומהירות גז EQS. (4) ו- (5) צריכים להיפתר באופן איטרטיבי. במהלך ניסויים, שני צמדים היו חצו בדיוק לאותו נקודות המדידה ונתונים נדגמה לתת דין וחשבון על תיקון קרינת מדידות הטמפרטורה. התיקונים שהונהגו כתוצאה of iterating EQS. (4) ו- (5) היו קטנים, למשל רק 79 K עבור תרמי חוט בקוטר 50 מיקרומטר 1,700 K ופחות מ -5 K קרוב לפני השטח דלק 6. מאז הצמדים גם אזורי צלב של טמפרטורה גבוהה הדרגתי שיקול של הפסדי הולכה דרך החוט חייב להיות גם נחשב, אולם בשל באזורי החתך הקטנים של חוטי תרמי, טעויות כאלה חושבו להיות <1% ולכן לא תיקונים היו נחוצים 5-6. עם משטח הדלק ממוקם במרכז זרם האוויר ביציאה של מנהרת הרוח, גישה נוחה אל פני שטח הדלק מסופקת תרמי מייקרו ומדידות מד רוח להתניע. במהלך ריצות קרה זרימה של מנהרת הרוח (לא בעירה) מהירות חינם-הזרם, U ∞ של מנהרת הרוח כויל באמצעות מד רוח להתניע אשר ידגם בקצב של 50,000 דגימות / sec עבור duratio הכוללn של 10 שניות לכל נקודה. הפרופיל המהיר לאורך היציאה של המנהרה כולה צולם, חושף כי תקע עקבי לזרום שמקורם במרכז לשקע המנהרה. זה צפוי עבור ערוץ מרובע כגון היציאה של מנהרת הרוח שלנו. מדידות קודמות של ספורצה et al. 10 הראה כי אורך הליבה הפוטנציאל של מטוס מרובע עם מספר ריינולדס Re ד בין 2.6 ו -8.8 x 10 4 צריך להיות בערך 5 ד במורד הזרם של היציאה, כאשר D היא גובה של הערוץ. לקבלת ס"מ ד = 30.48, רוחב של משקע מנהרת רוח, ד Re הוא בין 1.5 x 10 4 ו 3.9 x 10 4 משמעות המדגם נשאר בתוך 1 ד (20 ס"מ) של משקע המנהרה. דירות המדידות הללו היו בתוך 3% של הממוצע. הטמפרטורות נמדדו על פני השטח של גיליון מתלקח של 10 ס"מ x 10 ס"מ x 1.27 ס"מ PMMA להציב במוצא מנהרת רוח ההפעלה ב- U ∞ = 0.79 m / sec ו 2.06 מ '/ שנייה. הנהלים שתוארו לעיל שימשו כדי ללכוד מדידות הטמפרטורה שהיו בלתי dimensionalized מבחינת y אורך נורמלי * = y / L וטמפרטורה, T * = (T – T w, p / fl T, המודעה – T w, p) , שם Τ w, p ו- fl Τ, מודעה מייצגת קיר וטמפרטורות להבת adiabatic, בהתאמה עבור דלק נתונה, y במצב הרגיל אל פני שטח הדלק שבו הטמפרטורה נמדדת ו- L אורך משטח הדלק. הטמפרטורה הלא-ממדית הדרגתיים נורמלי אל פני השטח חושבו אז, (∂ T * / ∂ * y) y * = 0 על ידי התאמת פולינום החמישי-מנת הטמפרטורות הלא-ממדי לחילוץ המדרון על פני השטח דלק, y * = 0. <p class="jove_content" fo: לשמור-together.within-page = "1"> איור 2 (א) מציג הדרגתי טמפרטורה הלא-ממדי אלה לאורך פני שטח הדלק. הם בבירור גבוהים ביותר בחוד החנית של פני שטח הדלק, שבו הלהבה התקרבה אל פני שטח הדלק, להקטין כלפי נגרר לקצה (x = 100 מ"מימ), שבו הלהבה היא רחוקה ביותר מפני שטח הדלק. הדרגתיים הטמפרטורה הלא-הממדים ניתן להשתמש כדי לקבוע את שיעור מונית שריפה המקומי ידי החלת המתאם 4,6, (8) ה- B הוא המספר והמסה של דלק הנתונה, k w מוליכות התרמית של אוויר שנבדקו בטמפרטורת הקיר, ג עמ החום הסגולי של האוויר שנבדק בטמפרטורת להבת adiabatic של הדלק, ו- L </ Em> אורך משטח דלק pyrolyzing. השיעור המקומי מונית שריפה נמצא אז כדי להשתנות באופן דומה הדרגתיים הטמפרטורה הלא-הממדים, שניתן לראות בתרשים 2 (ב). בניגוד דלקים נוזליים, עבור PMMA שיעור מונית שריפה המקומי יכול גם להיות מקורב בדיעבד על ידי מדידת רגרסיה שטח מקומי על מרווחי זמן קבועים 2,11. דגימות PMMA נשרפו בתנאים נציג לפרקי זמן החל מ 50 שניות והגדלת ב 50 מרווחי שניות ואחריו הכחדה של המדגם. קצב זרימת פירוליזה המוני PMMA מחושב בכל מיקום x לאורך הסימטריה המרכזית ציר באמצעות קירוב מסדר ראשון שנתן Pizzo et al. 11, דן בספרות במקום אחר 4-6. בצפיפות ממוצעת של PMMA, ρ s = 1,190 ק"ג / מ '3 שימש יחד עם רגרסיה השטח נמדד על פני השטח דלקמגיע בשיעורים המוניים והפסד מידי מרווח 50 שניות לאורכו של מדגם הדלק. אמנם דבר זמן קצר יהיה רצוי, שגיאות במדידה להפוך אותו להיות מעשה כשצעדיה זמן הם פחות מ -50 שניות 5. כדי להשוות שיעורי המוני אובדן מקומיים צמדים עם אלה מפרופילי רגרסיה, נתונים מהעת שחיקה דלק של 100 ו -150 שניות שימשו להשוות את שיעורי שריפת המונית המקומית שמוצג באיור 2 (ב). פעמים אלה מתאימות בערך אותו פעמים מדידות אלה נלקחו. כפי שניתן לראות בתרשים, שתי השיטות של מדידת קצב שריפת מונית המקומית מופיעות קרובות מאוד זה לזה, דבר המצביע על מתודולוגיה עובד היטב עבור סוגים אלה של להבות. עבור להבות convectively נשלטות כגון אלה למינרית הקטנים, אלה, הדרגתיים טמפרטורה על פני שטח הדלק גם יכולים לשמש כדי לחלץ conונתיבים חומים vective כפי שהם, בעצם, קשורים ישירות גרדיאנט הטמפרטורה על פני השטח. באמצעות שיעורי המוני הפסד נמדד, רכיבים של שטף חום הלהבה יכול גם להיות מופק לאורך אזור פירוליזה. באמצעות כמה קירובים ליתרה חום על פני שטח הדלק, מופיע בספרות במקום אחר 2-3, רכיבים אלה יכולים להיקבע על פני לוח שריפת PMMA. איור 3 מראה זה תוצאה עבור להבת PMMA התייצבה עם חופש סביבה מהירות -stream של U ∞ = 2.06 מ '/ שנייה. הטכניקה ולכן יכולה להיות שימושית מאוד בהערכת מספר צעדים כדי לתאר את שריפת מדגמים הקטנים של דלקים, שמוביל את הבנת תהליך הבעירה, במיוחד את היחסים בין השלב המוצק וגז. ניסוי באיור 1.הגדרת al. (א) סכמטי של הגדרת הניסוי המשמש למדידת שיעורי המוני אובדן ופרופילים הטמפרטורה על אש דיפוזיה שכבת הגבול נאלץ הסעה. (ב) התקנה ניסיונית לחקירת להבות דיפוזיה שכבת הגבול תחת זרם כפייה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 2. שיפוע טמפרטורה ואת תוצאות בקצב בעירה מקומיות. (א) וריאציה של הדרגתיים הטמפרטורה הלא-ממדי הרגילים על פני שטח דלק להבת דיפוזיה שכבת גבול PMMA ב- U ∞ = 0.79 m / sec ו 2.06 מ '/ שני, בהתאמה. (ב) וריאציה של שיעורי מונית שריפה המקומיים diffusi שכבת גבול PMMAעל להבות בתנאים ללא זרם שונים. שיעורי שריפת המונית מקומיים שהושגו באמצעות הדרגתיים טמפרטורה הלא-ממדי מושווה הנתונים שהושגו באמצעות רגרסיה של משטח PMMA. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 3. מחממים שטף תוצאות תחת כפייה זרימה. הפצה של רכיבים שונים של שטף חום להבה באזור פירוליזה עבור להבה דיפוזיה שכבת הגבול PMMA ב- U ∞ = 2.06 m / sec. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

מטרת מחקר זה הייתה לפתח מתודולוגיה חדשה להערכת שיעורי שריפת מונית המקומיות הוא דלקי נוזלים ומוצקים תחת מגוון רחב של תנאי זרימה-שדה. המחקר נחשב בשני מקרים, להבת דיפוזיה שכבת גבול הסעה חינם ולהבות דיפוזיה שכבת גבול הסעה נאלצות הוקמו בתנאים ללא זרם שונים, הוא באמצעות דלקי נוזלים ומוצקים.

שיעורי שריפה מקומיים נמדדים באמצעות מדידות תרמי בסדר תילים על שני פתילות נוזלות ספוג הדלק מעל לוחות מוצקים של PMMA נמצאו להתאים אמצעי אחר אמידה, כלומר מדידות רגרסיה דלק. הדרגתיים טמפרטורה אלה קרובים לפני שטח הדלק נקבעו באמצעות מתאם המבוסס על אנלוגית ריינולדס 12-13 כי, תוך דרישה קבועה, בעירת למינרית, עבדה טוב מאוד עבור דגימות בקנה מידה קטנות, בסופו של דבר וכתוצאה מכך נתונים תוך דיוק 15% עבור תוצאות מתכוונות הרבה יותר עבור measurem המקומיהמציג 4-6. הגורם התאמת למדידות שיעור המוני אובדן המקומיים הללו תלוי במספר והמסה ספולדינג של דלק הנציג ומאפייני התרמו-פיזי אחרים של הדלק אשר ניתן לחשב מראש. מהתוצאות עולה כי טכניקה זו עשויה להיות שימושית כדי לחלץ כמויות אלה ולהבין את שריפת דלקים בהיקף קטן בפירוט רב יותר בעתיד.

מחקרים אחרים בספרות הרחיבו את העבודה נציג כאן שילוב 4 וניסויי סימולציות נומריות על דגימות אנכיות מוכווני, שריפת 4,5 בחופשיות, ואופקיים רכובים דגימות תחת רוחות סביבה 6. עבור תצורות אלה, מרכיבי ונתיבים חומים גם נקבעו באופן מקומי על פני שטח הדלק תוך שימוש באותה הטכניקה תרמית בסדר תילים מאוד קרובה לפני שטח הדלק המרוכז. בעוד מרכיבים של שטף חום נמדדו בעבר על ידי שימוש מודד מוטבעים, תיהטכניקה של הוא פולשנית ומציע מדידה ישירה של והנתיבים חום הסעה, אשר לא היה אפשרי קודם לכן.

זהירות מיוחדת יש לנקוט במהלך ניסויים בעת בחירת תצורות ספציפיות והתקנה של המנגנון. בניסויים אלה, צמדים שנבחרו בשלב 3.2 שבלט משפופרת חרס קטנה, שמירת מתח על החוט ולהפוך את המיקום של תרמי קבוע יחסית. באמצעות חוט תרמי התלוי מעל הלהבה כולו ללא צינור יפחית הפרעות אפשריות מצינור הקרמיקה, אולם זה יגרום באיתור המיקום הספציפי של תרמי הרבה יותר משתנה ככל שהחוט נוטה להתרחב עם טמפרטורות הגדלה. לפעמים שינויים בתצורה יכולים לגרום השפעות לרוחב המדגם (למשל להטות את המדגם). אם המערך יהיה שונה מאלה למדו בעבר 4-6, סביב צעד 4.14 בדיקות מדי פעם כי mea טמפרטורת הלהבהsurements לרוחב המדגם מראה וריאציה משמעותית יש לנקוט (כלומר, נחה 2-D עדיין מחזיקה). אחרת, מערכת מיפוי 3-D יהיה צורך ליישם.

השלבים הקריטיים ביותר בעת ביצוע הניסויים צריך לעשות עם הכנה של דלק ושימוש נכון של צמדים. גם סטיות קלות המיצוב של צמדים יכול לגרום לשגיאות, ולכן יש לנקוט זהירות כאשר מיצוב תרמי בצעדים 3.2, 4.13 ו 4.14. פתיל הדלק חייב גם להיות ממוקם כך שטוח משטח ככל האפשר נשמר (שלב 2.1) וכל חומר המילוי יש לאפות מתוך פתילות (שלב 2.1.1).

מערכת הפליטה, מופעלת בשלב 4.1 צריכה גם להישמר כפי מינימאלי או מבודדת קרוב ניתן הניסוי, במטרה לסייע במיגור פרעות זרימה. זה צריך להיבדק על ידי הבטחת נר קטן הוא לא מפוצץ שם המבחן יתקיים (ללא רוח). מתסכל, מסךניתן להשתמש, מתקן או בחינה נפרד סגורים בתוך חלל גדול כדי להשיג את זה. בשלב 4.2, הדלק המוצק חייב להיות מוצת כמו אחיד ככל האפשר. בעוד לפיד פרופאן הוא לא המקור האידיאלי ביותר לעשות זאת, ניסויים לא נמצאו להיות רגישים מקור ההצתה בעבודה בעבר 4-6. רגישות מקור ההצתה יש לתעד במהלך ניסויים על ידי שינוי הזמן או עוצמת החשיפה וההתבוננות את התוצאות על שיעור שריפת מונית היציב. אם הרגישות הוא ציין פנל קורן צריך לחילופין לשמש להצית דגימות. דלק סולידי, או כל דלק כי אין באזור שריפת יציב גדול (> 300 שניות) כפי שנצפה על ידי תעריפים-אובדן מסה צריך מיפוי טמפרטורה שצולם במהלך אזור קצר. למשל, בשלב 4.13 המיפוי מומלץ PMMA להילקח על 150 השניות הראשונות, ואילו הדלק הוא עדיין יחסית שטוח ורגרסיה משטח תועד היטב. מדידות רגרסיה Surface יכול להשתמש אניmageJ או תוכנת תמונה דומה אחרת למדוד פיקסלים על התמונות להמיר אורך. לחלופין, מיקרומטר דיגיטלי ניתן להשתמש כדי למדוד את רגרסיה השטח של הצלחת המוצקה לאחר שזה מתקרר (לציין את פני השטח של חומרים "מבעבעים" כגון PMMA חייב להיות שייף ראשון).

מתאם שיעור השריפה המוצע מבוסס על נחות למינרית, לעומת זאת, השערה הוא כי טכניקה זו צריכה לעקוב צורה דומה עבור שריפת סוערים של משטח דלק, אם כי עם מערכת יחסים יציבים שונה אשר צריכים להיקבע באופן ניסיוני. העבודה המוצגת כאן ניתן להאריך ובהמשך סוערי בעירת שכבת גבול ואינטראקציות כלולות בין המערבולת ושחרור חום פאזיים גז, אשר מובילות את שטף חום אירוע על פני שטח הדלק ניתן לבחון אותה.

התאוריה שעליה מתאם שיעור השריפה מבוססת גם מזניחה קרינה. התיאוריה מוצגת בצורה פשטנית leading לאי ודאות יכולות הניבוי שלה בנסיבות שאינן מכוסות על ידי העבודה הנוכחית. למשל, המתודולוגיה הנתון לא יפעל להבות sooting גבוהות שבה שטף החום אל פני השטח הוא מקרין שמש ברובו. עבור הלהבות קיר סוערים גדולות, שם שטף חום קרינה על פני שטח הדלק המרוכזים הוא גבוה, מתאם שיעור שריפת המוצע יכול או לא יכול לעבוד. הכללת השפעות הקרינה ב המתאם המוצע, אם כן, מחקר רצוי עוד צריך להיעשות כדי לקבוע מה הקשר התפקודי הזה. אזור זה דורש שיפורים במודל אם שיטות חיזוי בטוחות ממומשות בתור להבות כאלה.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors would like to acknowledge financial support for this work from the Minta Martin Foundation at the University of Maryland, College Park.

Materials

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 -5pk 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 18-105mm 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 18-55mm 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 32200g x 0.1g 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, 30×30 Mesh, 0.0130" wire diameter. 12"x12" sheet 9241T41 McMaster-Carr Used to make the laboratory scale wind tunnel
Strainer Grade Wire Cloth, 40×40 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, 200-240V, 3-phase, 50/60Hz, M3G112-EA motor, 2.2kW) 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, 4179 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"X24" 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. , (1967).
  9. Sforza, P., Steiger, M., Trentacoste, N. Studies on three-dimensional viscous jets. AIAA J. 4 (5), 800-806 (1966).
  10. Pizzo, Y. Experimental observations on the steady-state burning rate of a vertically oriented PMMA slab. Combust. Flame. 152 (3), 451-460 (2008).
  11. Chilton, T. H., Colburn, A. P. Mass transfer (absorption) coefficients prediction from data on heat transfer and fluid friction. Ind. Eng. Chem. 26 (1), 1183-1187 (1934).
  12. Silver, R. Application of the Reynolds analogy to combustion of solid fuels. Nature. 165, 725-726 (1950).

Tags

Heat Flux EstimationBurning RateSteady Laminar Boundary LayerDiffusion FlamesMicro-thermocouplesCondensed Fuel SurfaceGas Phase FlamesMass Burning RateLiquid FuelSolid FuelFree ConvectionForced FlowDigital SLR CameraTraverse MechanismThermocoupleWind TunnelHot Wire Anemometer

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image