Экспериментальная методика оценки тепловых потоков и локальной скорости горения в установившемся ламинарном пограничном слое диффузионных пламен

Эксперименты проводились как в вертикальной конфигурации и уникальной горизонтальной аэродинамической трубе объекта в Университете штата Мэриленд, как показано на рисунке 1. Вместо традиционного тянуть или закрытого возврата аэродинамической трубе аэродинамической трубе объекта в Университете штата Мэриленд использует переменную скорость подачи воздуха для создания давления пленум см 100 х 75 х 100, который приводит в движение поток воздуха из воздуховода на противоположном конце. Эта конфигурация позволяет непрерывные эксперименты горения, как дым повторно не циркулирует, аэродинамическая труба не была повреждена или под влиянием огня и термоэлементы могут свободно перемещаться по всей секции выборки. Выход канала состоит из 122 см, 30,5 см шириной секции сужающегося к камере статического давления. Для того, чтобы выпрямить поток и уменьшить входящий интенсивность турбулентности, тонкие экраны сетки размещены на входе и выходе из сужающейся секции и толщиной 5 см соты с 0,3 см отверстиямипомещают 110 см выше по течению от этого туннеля. Скорость потока, покидающего аэродинамической трубе регулируется путем изменения скорости вращения вентилятора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) контроллер и топливные образцы помещают на выходе из тоннеля, где скорость потока была проверена с помощью использования из HotWire анемометра. Образцы топлива на выходе из аэродинамической трубы были размещены на верхней части датчика нагрузки, который непрерывно измеряет потери массы образца в течение долгого времени. Во избежание нарушения ветра в динамометр, образец был возведен на листе алюминия (30,5 х 61,0 см х 1,5 мм толщиной) двумя U-образных кронштейнов и окруженные 1,27 см толщиной керамической изоляции древесноволокнистых, чтобы обеспечить гладкую поверхность вокруг образца горения. Верхняя поверхность доски была покрыта высокотемпературным черной матовой краски с излучательной способностью приблизительно 98%, чтобы обеспечить хороший фон для визуального наблюдения пламени и для герметизации изоляциикоторый также содержит органические связующие. Поскольку изоляционная панель представляет собой относительно тупого тела для входящего потока, поместив установку образца непосредственно в выходе из аэродинамической трубы приводит к разделению потока и заметной турбулентности, наблюдаемой в пламени. Предыдущие работы по Ха и др. Обнаружили , что присоединение удлинительного пластину к передней секции пробы топлива предотвращено это разделение потока и обеспечило профиль ламинарного потока , поступающего на образец. 10 см в ширину, 40,6 см в длину тонкий, металлический блеск был поэтому установлен от передней кромки образца на выходе из аэродинамической трубы, обеспечивая диффузионного ламинарного пламени , что в конечном итоге был найден , чтобы соответствовать существующей теории 7. При тестировании жидкого топлива необходим пористый негорючий фитиль. 10 см х 10 см х 1,27 см толщиной листа щелочноземельного силикатного шерсти был выбран для вынужденных экспериментов потока из-за высокой пористости и низкой теплопроводностью. Я неrder, чтобы предотвратить утечку топлива из образца, силикат натрия, клей был использован для применения алюминиевой фольги, чтобы все, за исключением передней грани. Образец также "запеченные" для удаления органических связующих веществ путем пропускания паяльной лампой над образцом в течение примерно 20 минут, после чего пламя изменяется от желтого до синего (что указывает на удаление связующих веществ из пробы). В процессе тестирования фитили замачивали с приблизительно 120 мл жидкого топлива (этанол или метанол), который был найден, чтобы быть точкой насыщения для 10 см в ширину ФИТИЛИ. Скорость горения массы топлива определяли путем измерения массы потерянного с образца с течением времени в процессе сгорания со скоростью 1 Гц. Установка образца была поддержана более точного баланса массы с максимальной мощностью 32,2 кг и разрешением 0,1 г, достаточно тонкой, чтобы измерить эту скорость потери массы с высокой точностью. После воспламенения образца паяльной лампой, скорость потери массы ЦОndensed увеличивается на топливо в зависимости от времени, в конечном счете достигая постоянной скорости передачи, которая в конечном итоге затухает к концу испытания, как топливо сгорает. Это "стабильный" область, где испарение топлива, а не диффузия через фитиль доминирует над выгорание, является областью интереса, где выборка данных. Для получения жидкого фитиля, были найдены образцы для сжигания с постоянной скоростью потери массы в течение приблизительно 400 сек, примерно среднем 80% теста. Все скорости горения, представленные представляют собой средние значения по крайней мере шести повторных испытаний при определенных условиях, в которых были найдены повторяемость измерений в пределах 1,2% от среднего значения. Для тестирования твердого образца топлива, полиметилметакрилат (ПММА) был выбран в качестве он горит относительно устойчиво и не зн. Для того, чтобы воспламенить пробу, автогеном пропускали над поверхностью образца в течение 50-60 сек, после чего вся поверхность была равномерно воспламеняется. Посколькуобразец топлива был небольшим и экспериментальные результаты оказались очень повторяемые, метод был признан достаточным для воспламенения. В отличие от жидкого топлива, вымоченных в негорючим фитилем, твердое топливо регрессировать в зависимости от времени и не поэтому никогда по-настоящему достичь стабильного режима. Вместо этого были выбраны ранние времена горения должны быть взяты пробы, где топливо остается относительно плоской, определяется экспериментально произойти в течение первого 150 сек следующего зажигания. Для обоих жидкого и твердого топлива, температура над поверхностью топлива были отображены в газовой фазе с использованием тонкопроводный термопарами. Для ПММА, температуры были отобраны на 6 пунктов выше поверхности, начиная от расплавленного слоя в газовую фазу при 0,25 мм интервалами (для принудительной конвекции испытаний). Для получения жидкого топлива, эти измерения были выполнены из тонкого слоя топлива на поверхности из 6 баллов при том же разрешении. Эти профили были взяты в 12 местах дрОнг длины поверхности топлива, в течение 400 сек зажигания для жидких образцов и в течение 150 сек для ПММА. Измерения вышеуказанные температуры проводились с использованием Р-типа Pt / Pt-13% Rh микро Термопары (точечной сваркой) с двумя проволоки диаметром, 50 мкм (0,002 дюйма) до 75 мкм (0,003 дюйма), имеющих бусинки диаметром приблизительно 100 мкм и 150 мкм, соответственно. Размер термопарами был выбран таким образом, что термопара была как можно меньше, не прибегая к поломке (чтобы свести к минимуму необходимые корректировки излучения), однако некоторые радиационные поправки по-прежнему необходимы. С помощью двух термопар различных диаметров были выбраны для того, чтобы лучше определить соответствующую коррекцию излучения (описано ниже). Микро термоэлемента были затем пройден с помощью набора управляемых компьютером XY unislides с максимальным пространственным разрешением 1,5 мкм. Сигналы напряжения были затем Acquired, кондиционером и оцифровывается с помощью модуля сбора данных номинального до 0,02 ° C чувствительности измерений. Программное обеспечение LabVIEW используется для синхронизации движения обоих термоэлементов проволоки диаметром 50 мкм и 75 мкм с измерением температуры по образцу. Для того, чтобы определить, достаточно точную коррекцию излучения, две термопарные размеры Описанные пройденного за тот же месте во время повторных испытаний. Соотношение Коллисом и Williams наносили потери тепла из образца 5-6,8, (1) где Nu есть число Нуссельта и Re = Уд вес / объем является число Рейнольдса, которое было получено для 0,02 <Re <44, со свойствами оценивалипри температуре пленки, Τ м, в среднем газа, Т г и термопарой, Т Тк температурах. Здесь число Рейнольдса Re определяется как указано для локальной скорости потока газа U и кинематической вязкости V. Д ш в уравнении. (1) представляет собой диаметр провода термопары. Для стационарных измерений, как и в случае, описанном здесь, энергетический баланс на спая термопары сводится к конвективно-радиационного теплового баланса (без учета погрешности из-за проводимости и каталитических эффектов), задается (2) 60; (3) где Τ г температура реального газа, Τ дц является Спай (или гранул) температура, Τ SURR температура окрестностей, ε дц является эмиссионная спая термопары, σ является постоянная Стефана-Больцмана и Н конвективный коэффициент теплопередачи потока по спая термопары определяется как ч = к Nu / д. к есть коэффициент теплопроводности газа, Nu является число Нуссельта, а d является диаметр провода термопары. Выбор числа корреляции Нуссельта имеет первостепенное значение при расчете коррекции излучения с измеренной температурой термопарой, потому что, как показано в уравнении. (3), коррекция излучения обратно пропорциональна числу Нуссельта. Этот выбор является сложным, однако, из-за Exi stence нескольких "соответствующих" номерных корреляций Нуссельта и трудность в оценке свойств газовой смеси, окружающих термопару, в частности, его теплопроводность. Большая часть доказательств в литературе, однако, ясно указывает на то, что цилиндрическая Нуссельта корреляция является наиболее подходящим для описания конвективный перенос тепла практически во всех практических термопарами 5-6, предпочтительно у Коллисом и Williams 8. Число Нуссельта корреляции должен быть заменен в стационарном состоянии конвективно-радиационного баланса (уравнение 3) и пренебрегая малыми температурной зависимости, формируются система из двух уравнений с двумя неизвестными (а именно Τ г и U), (4) т "ВОК: Keep-together.within-страницу =" 1 "> и (5) Уравнения (4) и (5) должны быть решены итеративно вместе в каждой точке, так как в газовой фазе проводимостей и кинематические вязкости являются функцией температуры. Температура шарика должна использоваться в качестве первой итерации температуры газа, чтобы оценить теплопроводность и кинематическая вязкость, с повторно принятым итеративного значения, пока низкие ошибки не подошли. При решении уравнений, представляется , что поправка излучения (то есть, разница между показаниями термопары и фактической температурой) возрастает для термопар большего диаметра и уменьшается с увеличением скорости потока над бусинки. D W 1 и d ш 2 в уравнениях , (4) и (5) Repнегодуют диаметры провода термопары, используемые в нашем исследовании. Излучатель- буртика (ε дц) можно найти также в зависимости от температуры с использованием метода , описанного Якоба 9. В своем анализе, Якоб решает волновые уравнения Максвелла для комплексных показателей преломления на металлической поверхности в зависимости от его электрического сопротивления. Предположение берется в пределе низкого сопротивления и больших показателей преломления, что справедливо для металлов, что дает простую корреляцию для полусферической излучательная платины (Pt), как, (6) где, для платины, т е ≈ р е, 273 Т / 273, с Т в К и т е, 273 <EM> = 11×10 -6 Ω см. Таким образом, коэффициент излучения платины становится 5-6 (7) при 0 <T <2330 К. теплоотдачей термопары шарика или перехода, как это видно в уравнениях. (4) и (5), следовательно, может быть оценена с использованием выше выражение. Итерация не является необходимым для уравнений. (6) и (7), так как фактическое значение температуры шарик известно, только температура газа и скорость в уравнениях. (4) и (5) должны быть решены итеративно. В ходе экспериментов, два термоэлемента были пройден точно на одних и тех же точках измерения и данные отбирали для учета коррекции излучения в измерении температуры. Поправки применяются в результате Oе переборе уравнениям. (4) и (5) были маленькими, например , только +79 К за 50 мкм термопара проволоки диаметром при 1700 K и менее 5 K вблизи топливной поверхности 6. Поскольку термопарами также поперечные области высоких градиентов температуры рассмотрение потерь проводимости через провод следует также учитывать, однако из-за малых поперечных сечений термопары проводов, были рассчитаны такие ошибки, чтобы быть <1%, поэтому никаких исправлений не было необходимости 5-6. С поверхностью топлива, расположенного в центре воздушного потока на выходе из аэродинамической трубы, легкий доступ к поверхности топлива был предусмотрен микро термопары и измерений анемометра термоанемометрических. Во время холодеет потока аэродинамической трубы (без горения) от скорости набегающего потока, U ∞ аэродинамической трубы калибруют с использованием термоанемометра , который сэмпл со скоростью 50000 выборок / сек на общую duratioп 10 сек на каждую точку. Профиль скорости вдоль выходного отверстия по всей длине туннеля было принято, показывая, что последовательное пробкового режима потока, исходящий от центра выходного отверстия туннеля. Это, как ожидается, для квадратного канала, например, на выходе из нашей аэродинамической трубе. Предыдущие измерения по Сфорца и др. 10 показали , что потенциал длины сердечника квадратного струи с числом Рейнольдса Re d от 2,6 до 8,8 х 10 4 должно быть около 5 г ниже по потоку от выхода, где d представляет собой высоту канала. При D = 30,48 см, ширина выходного отверстия туннеля ветра, Re d находится в пределах от 1,5 х 10 4 и 3,9 х 10 4 означает образец остается в течение 1 суток (20 см) на выходе из туннеля. Повторяемость этих измерений была в пределах 3% от среднего значения. Температуры были измерены по поверхности зажженной листа 10 см х 10 см х 1,27см ПММА помещали на выходе из аэродинамической трубе , работающей при U ∞ = 0,79 м / с и 2,06 м / с. Процедуры , описанные выше , были использованы для захвата измерения температуры , которые не являлись dimensionalized с точки зрения нормальной длины у * = у / л и температуры, Т * = (T – T W, P / T фл, объявление – Т ш, р) , где Τ ш, р и Т й, объявления представляют собой стену и адиабатических температур пламени, соответственно , для данного топлива, положение у нормали к поверхности топлива , где измеряется температура и L длина поверхности топлива. Безразмерный градиенты температуры по нормали к поверхности , то были вычислены, (∂ T * / ∂ у *) у * = 0 подгонкой полином пятого порядка в безразмерных температур и извлекая наклон на поверхности топлива, у * = 0. <p class="jove_content" fo: Keep-together.within-страницу = "1"> Рисунок 2 (а) показывает эти безразмерные температурные градиенты по длине поверхности топлива. Они явно самый высокий на переднем крае поверхности топлива, где пламя ближе всего к поверхности топлива, а также уменьшить к задней кромке (х = 100 мм), где пламя наиболее удаленном от поверхности топлива. Безразмерные температурные градиенты могут быть использованы для определения локального массовой скорости горения путем применения соотношения 4,6, (8) где В массоперенос количество данного топлива, к W теплопроводности воздуха , измеренную при температуре стенки, с р удельная теплоемкость воздуха , измеренную при адиабатической температуре пламени топлива, а L </ EM> длина поверхности пиролиз топлива. Местное массовая скорость горения , то установлено , что варьировать в манере , подобной безразмерных температурных градиентов, как показано на рисунке 2 (б). В отличие от жидкого топлива, для ПММА локальная скорость массового сжигания также может быть приближена апостериори путем измерения местной поверхности регрессии через фиксированные интервалы времени 2,11. Образцы PMMA были сожжены при типичных условиях в течение периодов времени, начиная с 50 сек и увеличивается на 50-секундными интервалами с последующим вымиранием образца. Массовый расход пиролиза для ПММА вычисляется в каждой точке х местоположении вдоль центральной оси симметрии , используя приближение первого порядка дается Пиццо и др. 11, который обсуждался в литературе в других 4-6. Средняя плотность ПММА, ρ s = 1190 кг / м 3 был использован наряду с измеренной поверхностной регрессии вдоль поверхности топлива кдостичь скоростей потери массы в течение каждого 50 с интервалом по длине образца топлива. Хотя более короткий шаг по времени хотелось бы, ошибки в измерении сделать это становится нецелесообразным , когда временные шаги менее чем 50 сек 5. Для сравнения ставки местных потери массы от термопар с теми из профилей регрессии, данные из топлива прогара раз 100 и 150 с были использованы для сравнения местные скорости горения массовые показанные на рисунке 2 (б). Эти времена соответствуют примерно то же самое время были приняты эти измерения. Как видно на рисунке, оба метода измерения скорости локальной массы горения появляются очень близко друг к другу, предлагая методологию хорошо подходит для этих видов пламени. Для конвективно с преобладанием пламени, таких, как эти маленькие, ламинарные те, градиенты температуры на поверхности топлива также могут быть использованы для извлечения CONконвективных тепловых потоков, поскольку они, по существу, непосредственно связан с градиентом температуры на поверхности. Используя измеренные скорости потери массы, составляющие пламени теплового потока также могут быть извлечены вдоль зоны пиролиза. Используя несколько приближений к балансу тепла на поверхности топлива, перечисленных в списке литературы в другом месте 2-3, эти компоненты могут быть определены по поверхности горящей плиты ПММА. На рисунке 3 показан этот результат, для пламени ПММА стабилизирован окружающего воздуха свободно -stream скорость U ∞ = 2,06 м / сек. Таким образом, метод может быть чрезвычайно полезным при оценке нескольких мер для описания горения небольших образцов топлива, что приводит к более полное понимание процесса горения, в частности, отношения между твердой и газовой фазой. Рисунок 1. ЭкспериментАль Setup. (а) Схема экспериментальной установки для измерения скорости потери массы и профили температуры по принудительной конвекции диффузии пограничного слоя пламени. (Б) Экспериментальная установка для исследования границ пламени диффузионного слоя при принудительном потоке. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 2. Температурный градиент и локальные результаты скорости горения. (А) Изменение нормальных безразмерных температурных градиентов вдоль поверхности топлива для пограничного слоя диффузионного пламени ПММА при U ∞ = 0,79 м / сек и 2,06 м / сек, соответственно. (Б) Изменение локальных массовых скорости горения для пограничного слоя ПММА diffusiна пламени при различных условиях свободного потока. Местные средства массовой скорости горения , полученные с помощью безразмерных температурных градиентов сравнивается с экспериментальными данными , полученными с помощью регрессии поверхности ПММА. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 3. Результаты теплового потока при принудительном потоке. Распределение различных компонентов пламени теплового потока в зоне пиролиза для пограничного слоя диффузионного пламени ПММА при U ∞ = 2,06 м / сек. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.