정상 층류 경계층 확산 불길에 지역 열 플럭스와 불타는 환율의 평​​가에 대한 실험 방법론

이 실험의 전반적인 목표는 미세 열전대를 사용하여 안정적인 층류 경계층 확산 화염에 대한 응축된 연료 서비스에서 국소 온도 구배를 추정하는 방법을 설명하는 것입니다. 이 방법은 층류 및 난류 경계층에서 가연성 응축 연료 표면과 기체 상 화염 사이의 동적 관계를 탐구하는 것과 같은 소방 과학 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 정상 층류 경계층 확산 화염에서 국소 질량 연소 속도를 정확하게 측정하는 데 사용할 수 있다는 것입니다.

이 절차를 시연하는 사람은 Colin Miller와 Wei Tang입니다. 둘 다 기계 공학 박사 과정 학생입니다. 액체 연료 실험의 경우 알칼리 토규산염 울과 같은 다공성 불연성 물질로 연료 심지를 준비하십시오.

프로판 토치의 확산 불꽃을 사용하여 약 20분 동안 심지를 굽습니다. 이것은 심지 내부의 모든 유기 바인더를 태울 것입니다. 다음으로 알루미늄 호일에 고온 접착제를 바르고 알루미늄 호일을 심지에 고정합니다.

상단은 깨끗하게 유지되어야 합니다. 고체 연료 실험의 경우 심지와 동일한 치수의 고체 연료 시트를 준비하십시오. 고체 연료를 장착하려면 세라믹 섬유 단열 보드 시트에 긴 슬롯을 자르거나 고온 무광 검정색 페인트로 밀봉된 다공성 불연성 재료를 사용하십시오.

자유 대류 또는 강제 흐름 실험의 경우 연료의 중심 축과 화염의 전체 면을 볼 수 있는 곳에 디지털 SLR 카메라를 배치합니다. 강제 대류 화염의 경우 16 x 8cm 영역에서 연료 표본의 중심을 볼 수 있으므로 열분해 영역에서 화염 스탠드 오프 거리를 계산할 수 있습니다. 다음으로, 이송 메커니즘을 연료 샘플 위에 놓습니다.

그런 다음 50미크론 와이어 열전대를 수평 축에 조심스럽게 부착합니다. 그런 다음 프로그래밍 가능한 스테퍼 모터 컨트롤러를 켜고 강제 흐름 실험을 위해 풍동의 원심 송풍기를 연결합니다. 다음으로 송풍기 속도에 따라 PWM 컨트롤러를 설정합니다.

열선 풍속계를 사용하여 풍동 출구의 속도를 확인합니다. 이제 보호 장비를 착용하고 테스트를 수행하기 위한 최종 준비를 합니다. 심지를 액체 연료로 포화 상태까지 담그십시오.

그런 다음 연료에 적신 심지 또는 고체 연료 플레이트를 연료 심지 홀더에 조심스럽게 넣습니다. 이제 각도 게이지를 사용하여 연료 심지 표면의 평탄도를 비판적으로 확인하십시오. 그런 다음 질량 저울을 확인하고 테스트 전에 판독 값을 기록하십시오.

연료를 점화하기 전에 실내 환기를 확인하십시오. 배기 장치는 작동해야 하지만 실험 주변의 공기 흐름을 최소한으로 방해하도록 설정해야 합니다. 샘플이 점화되기 전에 샘플이 배치될 눈금자를 사용하여 디지털 카메라를 보정합니다.

또한 질량 균형 소프트웨어에서 데이터 수집을 시작합니다. 이제 샘플을 배치한 다음 프로판 토치로 연료를 점화합니다. 심지의 경우 불꽃으로 팁 표면을 잠시 만집니다.

고체 연료의 경우 50-60초 동안 화염을 표면에 균일하게 통과시킵니다. 연소 기간이 끝나면 불을 불어 끄십시오. 고체 연료의 경우 정해진 시간 동안 연소를 방치하십시오.

그런 다음 동일한 시간 간격을 사용하여 굽기 프로세스를 여러 번 반복합니다. 모든 연소 데이터가 수집되면 PWN 컨트롤러를 0으로 설정하고 송풍기의 플러그를 뽑아 송풍기를 끕니다. 마지막으로 스테퍼 모터의 컨트롤러를 끕니다.

여러 번의 연소에 걸쳐 고체 연료의 증분 회귀를 측정하여 다른 지표를 확인할 수 있습니다. 각 연소 기간이 끝나면 중심선을 따라 탄 고체를 자릅니다. 그런 다음 측면 보기 사진으로 연소 회귀를 문서화합니다.

ImageJ에서 측면 사진을 분석합니다. 파일 선택 및 이미지 열기를 통해 엽니다. 그런 다음 Open Calibration Image 옵션을 사용하여 눈금자의 이미지를 엽니다.

다음으로, 보정 이미지를 고체 연료 이미지에 쌓습니다. 이제 눈금자에서 알려진 거리의 두 점 사이에 선을 그려 측정 스케일을 설정합니다. 그런 다음 Analyze(분석) 메뉴에서 Set Scale(스케일 설정)을 선택합니다.

Set Scale(스케일 설정) 창에서 라인의 Known Distance(알려진 거리)를 입력하고 OK(확인)를 클릭합니다. 새 줄로 이 과정을 반복하여 측정 눈금이 올바른지 확인합니다. 이제 선을 그려 샘플 사진의 거리를 측정한 다음 상태 표시줄에서 각도와 거리를 확인합니다. Control M을 누르면 데이터가 데이터 창에 저장됩니다.

소각 회귀 분석은 초기 두께에서 표본의 두께를 뺀 값으로 계산됩니다. 중요한 것은 연료 표면이 거의 평평하게 유지되는 시간 간격에 유의하는 것입니다. 이 기간의 연소 회귀를 사용하여 온도 매핑과 비교하거나 표면 회귀를 보상하기 위해 수행된 열전대 위치를 조정할 수 있습니다.

온도 매핑을 설정하려면 XY 유니슬라이드를 사용하여 마이크로 열전대를 연료 표면과 조심스럽게 정렬합니다. 단단한 샘플의 심지 중앙에 놓습니다. 연료 심지의 경우 XY 유니슬라이드를 사용하여 앞 가장자리를 따라 마이크로 열전대를 조심스럽게 배치합니다.

열전대가 시료 표면에 완벽하게 배치되는 것이 중요합니다. 꺼져 있으면 모든 측정이 어느 정도 벗어납니다. 정확한 측정을 위해 연료 표면에 최대한 가까이 있어야 합니다.

Velmex 스크립트에서 꾸준한 연소 중 온도 매핑 간격을 고체 PMMA의 경우 150초, 액체에 적신 심지의 경우 400초로 설정합니다. 샘플 표면에서 측정된 단계 크기를 설정하여 1/4 밀리미터마다 데이터를 수집합니다. 샘플링 속도를 100Hz에서 500Hz 사이로 설정합니다.

매핑하는 동안 실험 오류 내에서 표면이 변형되면 결과가 더 이상 유효하지 않으므로 측정 기간과 간격을 올바르게 설정하는 것이 중요합니다. 이제 소각 실험을 수행할 때 데이터 수집 프로그램을 실행하여 바탕 화면의 폴더에서 그리드 스캐닝 알고리즘을 읽도록 합니다. 프로그램이 실행되면 Lab View의 데이터 수집 모듈에 의해 트리거될 때 데이터가 자동으로 기록됩니다.

강제 대류 경계층 확산 화염에 대한 질량 손실률 및 온도 프로파일은 PMMA 샘플에 대해 측정되었습니다. 결과는 마이크로 열전대와 두 가지 열전대 복사 보정 방법 덕분에 작은 오류로 연료 표면 가까이에서 정확한 온도를 캡처할 수 있음을 보여줍니다. PMMA 경계층 확산 화염의 연료 표면을 따라 비차원적 온도 구배를 두 가지 기류 속도로 측정했습니다.

지역 대량 연소 속도의 변화는 또한 다른 자유 스트림 조건에서 측정되었습니다. 비차원 온도 구배를 통해 얻은 국소 질량 연소율도 PMMA 표면의 회귀를 통해 얻은 실험 데이터와 비교했습니다. 그들은 매우 잘 어울렸습니다.

화염 열 플럭스의 구성 요소는 초당 2.06미터의 강제 흐름에서 더 자세히 검사되었습니다. 표면 근처의 온도 측정의 세부 사항은 대류 열 플럭스를 추출 할 수 있었으며, 이는 표면 질량 손실률과 결합 될 때 국부 분석을 위해 연소의 모든 구성 요소를 제공했습니다. 이 기술을 완전히 익히면 연료 샘플당 몇 분 안에 수행할 수 있습니다.

이 절차에 따라 재료의 연소 거동을 더 잘 이해하고 숫자 코드를 검증하기 위해 국소 질량 연소 속도 및 열 전달을 분석할 수 있습니다. 이러한 화염과 함께 작업하는 것은 매우 위험할 수 있으며 이 절차를 수행하는 동안 보호 안경 착용, 환기가 잘 되는 조건에서 작업, 연소 물질이 무독성인지 확인하는 것과 같은 예방 조치를 항상 취해야 한다는 것을 잊지 마십시오.