Name: experimental methodology for estimation of local heat fluxes and burning rates in steady laminar boundary layer diffusion flames
Uploaded: 2016-06-01T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 29 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Experimental Methodology for Estimation of Local Heat Fluxes and Burning Rates in Steady Laminar Boundary Layer Diffusion Flames at JoVE.com

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

1. Progettazione di esperimenti <ol><li> Seguire le istruzioni e le precauzioni di sicurezza prima di entrare nel incendi e combustione laboratorio di ricerca. formazione sulla sicurezza è generalmente richiesto per i nuovi utenti. </li><li> Programma le tue esperimenti in anticipo per effettuare i test richiesti. Considerare i dettagli dell&#39;esperimento, trasporto di carburanti richiesta e le attrezzature necessarie. </li><li> Identificare gli esperimenti combustibili liquidi o solidi di interesse. Preparare i materiali di conseguenza. </li></ol> 2. Preparazione dei Materiali e Strumentazione <ol><li> Per gli esperimenti di combustibile liquido, preparare uno stoppino di carburante di materiale non combustibile poroso (alcalino-terroso lana silicati). Esperimenti precedenti 4-6 hanno utilizzato 8 centimetri x 8 cm x 1,27 cm per le prove di convezione naturale e 10 cm x 10 cm x 1,27 cm fogli spessi per prove convezione forzata. <ol><li> Cuocere la data stoppino carburante per circa 20 min esponendola ad una fiamma a diffusione da una torcia a propano in ordinebruciare leganti organici all&#39;interno lo stoppino. </li><li> Al fine di eliminare la fuoriuscita del combustibile liquido dai lati stoppino, applicare generosamente silicato di sodio liquido con una siringa che copre tutte le facce della stoppino tranne la faccia superiore. </li><li> Shield tutto ma la faccia superiore dello stoppino con foglio di alluminio. Utilizzare un adesivo ad alta temperatura per incollare il foglio di alluminio ai lati dello stoppino. </li></ol></li><li> Per gli esperimenti di combustibili solidi, tagliare un foglio del combustibile solido. In precedenti esperimenti libera convezione 2, 8 cm x 8 cm x foglio di spessore 1,27 cm di una chiara fusione polimetilmetacrilato (PMMA) è stato utilizzato. </li><li> Tagliare una fessura in un foglio di pannelli isolanti in fibra ceramica uguale alla dimensione del campione di carburante in cui montare successivamente il campione. Spesso, utilizzare la stessa non combustibile porosa come lo stoppino combustibile; tuttavia sigillare con alta temperatura vernice nera opaca. </li><li> Controllare l&#39;proposta hardware e software di acquisizione dati. Aprire il software e controllare il temperamentoalgoritmo di mappatura tura prima di effettuare le prove richieste. </li></ol> 3. Preparazione del setup sperimentale <ol><li> Posizionare un vista laterale reflex digitale in modo che sia allineato con l&#39;asse centrale del combustibile e abbastanza lontano in modo che la vista laterale completa della fiamma proposta viene catturato. <ol><li> Per forzata convezione fiamme, un&#39;immagine di campo di visione al centro del provino di carburante che coprono una superficie di 16 cm x 8 cm per il calcolo della fi amma distanza di stand-off nella zona di pirolisi. </li></ol></li><li> Posizionare il meccanismo di traslazione al di sopra del campione di carburante. Collegare un filo 50 um di diametro micro termocoppia all&#39;asse orizzontale del meccanismo di traslazione con cura. </li><li> Accendere il controller del motore passo-passo programmabile. </li><li> Nel caso di esperimenti flusso forzato, potenza fino soffiante centrifuga della galleria del vento. </li><li> Impostare il controller Pulse Width Modulation (PWM) ad una frequenza di 7000 Hz con impostazioni di alimentazione ranging dal 16% al 50% per le diverse velocità della ventola, verificate con un anemometro a filo caldo. </li><li> Indossare occhiali protettivi e guanti resistenti al fuoco prima di procedere con il test. </li><li> Durante ciascuna prova, immergere lo stoppino con combustibile liquido (metanolo o etanolo) fino al suo punto di saturazione. Per un cm x 8 cm x 1,27 cm di spessore stoppino 8, 90 ml era sufficiente per assorbire completamente lo stoppino con due 60 ml siringhe mentre per un 10 cm x 10 cm x 1,27 cm di spessore stoppino, 120 ml è risultato essere sufficiente. </li><li> Posizionare con cura lo stoppino piatto combustibile imbevuti di carburante / solido nel supporto combustibile-stoppino. Controllare la planarità della superficie stoppino carburante con un indicatore di angolazione. </li><li> Aprire il software bilancio di massa e controllare le impostazioni con interfaccia USB. Controllare il bilancio di massa e notare la sua lettura prima della prova. </li></ol> 4. Gli esperimenti eseguiti in un laboratorio di combustione o fuoco <ol><li> Garantire la corretta ventilazione del impianto sperimentale accendendo il gas di scarico dopo aver completato ogni serie di esperimenti. Exhaust dovrebbe essere come minimo o isolato possibile durante gli esperimenti per aiutare eliminare i disturbi di flusso. </li><li> Prima che un campione viene acceso, calibrare la fotocamera digitale vista laterale prendendo una foto di un foglio di carta millimetrata o righello che è allineato lungo l&#39;asse centrale della superficie del combustibile. Ottenere un conteggio medio pixel / mm dalle immagini di calibrazione. Utilizzare questo valore di pixel / mm durante la post-elaborazione delle immagini (per impostare la scala di misura in ImageJ). </li><li> Accendere il combustibile con una torcia a propano, momentaneamente toccarla per uno stoppino combustibile liquido e passando la fiamma uniformemente sulla superficie per 50-60 sec con un combustibile solido. </li><li> Ora di inizio sperimentale subito dopo l&#39;accensione uniforme. Utilizzare un cronometro per indicare il tempo di combustione. </li><li> Premere il tasto di acquisizione dati sul software bilancio di massa. </li><li> Monitorare la perdita di massa dello stoppino che brucia in un intervallo di tempo e scrivere in un file di misura. Utilizzare il software bilancio di massa per la gIven scopo. </li><li> Ripetere i punti da 4.3 a 4.6 per test multipli alle stesse condizioni per garantire la ripetibilità. </li><li> Utilizzare la perdita di massa rispetto alla curva tempo per determinare il regime bruciore costante, in cui una misura lineare della perdita di massa ha un alto valore R 2. </li><li> Per i combustibili solidi instabili, bruciare i campioni in incrementi di 50 sec dalla accensione a burnout per misurare la regressione della superficie (ad esempio, per 50 sec, 100 sec, 150 sec, etc.). </li><li> Cut bruciato combustibili solidi lungo la linea centrale dopo il raffreddamento per i test di regressione. </li><li> Prendere vista laterale fotografie di combustibili solidi taglio e carico in ImageJ. Misurare la regressione in posizioni streamwise convertendo pixel a cm con un righello. Procedura passo passo per elaborare una data immagine in ImageJ è elencato di seguito. <ol><li> Aperto vista laterale fotografia del campione combustibile solido in ImageJ tramite Selezionare File → Apri immagine. </li><li> Aprire l&#39;immagine di calibrazione (con righello) del campione combustibile solido in ImageJvia Selezionare File → Apri Calibrazione immagine. </li><li> Impilare fino l&#39;immagine campione combustibile solido immagine di calibrazione e. Vai a Immagine → → Stacks Immagini di impilare. </li><li> Imposta scala di misurazione: tracciare una linea tra due punti di distanza nota come un righello sulla fotografia. Vai a Analizzare → Set Scala. Nella finestra Imposta Scala la lunghezza della linea, in pixel, viene visualizzato. Digitare la distanza nota e unità di misura nelle caselle appropriate e fare clic su OK. </li><li> Disegnare una nuova linea e verificare che la scala di misura è corretta. </li><li> Misurare la distanza tra due punti nel dato fotografia del campione: Tracciare una linea tra due punti. La barra di stato mostra l&#39;angolo (da orizzontale) e la lunghezza. Analizzare → Misura (o Ctrl + M o semplicemente digitare sulla tastiera M) trasferisce i valori di una finestra di dati. </li><li> Misurare la regressione in ogni postazione streamwise x misurando lo spessore del campione burn-out e sottraendo dal iSpessore nitial del campione. </li></ol></li><li> Nota l&#39;intervallo di tempo nel quale la superficie di combustibili solidi rimangono circa piatto e utilizzare per la mappatura della temperatura, o regolazioni di posizioni termocoppia effettuate per compensare per la regressione di superficie. </li><li> Impostare l&#39;intervallo di temperatura di mappatura per catturare le misurazioni durante il regime di masterizzazione costante, circa 150 sec per PMMA solido e 400 sec per stoppini liquido-impregnati. Impostare l&#39;intervallo di mappatura di temperatura in base all&#39;intervallo di tempo combustione costante di combustibili liquidi e solidi. Una dimensione passo consigliato in prossimità della superficie è 0,25 millimetri 4-6. </li><li> Allineate accuratamente un micro termocoppia con la superficie del combustibile utilizzando un Unislide XY. Posizionare la data di termocoppia al centro della larghezza del campione. </li><li> Spostare il micro termocoppia attenzione il bordo anteriore dello stoppino del combustibile attraverso la Unislide XY. </li><li> Eseguire un programma di acquisizione dei dati su un computer e leggere l&#39;algoritmo di scansione di rete da una cartella sul desktop. Nota: Una volta che l&#39;esperimento è in corso, la raccolta dei dati è automatica, e l&#39;utente deve solo sorvegliare per assicurarsi che l&#39;esperimento sta andando come previsto. </li><li> Utilizzando un programma di acquisizione dati su un computer, acquisire dati e scrivere in un file di misura. Nota, frequenze di campionamento di 100 4-5 di 500 Hz 6 sono stati utilizzati in esperimenti precedenti. </li><li> Al termine, spegnere la fiamma. Spegnere il controller PWM e staccare la spina di alimentazione della ventola dal 3 fasi 240 VAC presa di corrente. </li><li> Spegnere il controller del motore passo-passo. </li><li> Ripetere i passaggi 4,12-4,18 per ulteriori esperimenti in condizioni di flusso simili o diversi con lo stesso termocoppia. Un minimo di 5 test deve essere ripetuto per ogni data condizione di flusso (ad esempio, velocità di flusso forzato o orientamento verticale). </li><li> Ripetere i passaggi 4,12-4,18 per un 75 micron micro termocoppia. Traverse due termocoppie (50 micron e 75 micron filo di diametro) lungo il same percorso al centro della fiamma per correzioni radiazione accurati. termocoppie più piccole potrebbe anche essere utilizzato, tuttavia la rottura spesso si è verificato per i fili inferiori a 50 micron. </li></ol> Analisi 5. I dati <ol><li> Leggere i dati elaborati dal file LVM in Matlab o altri software di analitica. </li><li> Calcolare la media dei dati di temperatura in ogni punto spaziale dal test diversi. </li><li> Calcolare una correzione radiazioni dai dati medi termocoppia in ogni postazione streamwise, seguendo la correlazione di Collis e Williams 10 descritto in dettaglio nel seguito. </li><li> Calcolare le misure di temperatura compensato aggiungendo la correzione di radiazione per i dati di temperatura grezzi. </li><li> Non Dimensionalizzano i dati di temperatura e la posizione spaziale. </li><li> Montare i dati di temperatura non dimensionali in superficie carburante con un ordine superiore polinomiale appropriato utilizzando una curva algoritmo di forma in Matlab o altri software dedicato. Da 4 a 6 punti in prossimità della superficiesono stati trovati a lavorare bene in studi precedenti 4-6. </li><li> Calcolare i gradienti di temperatura adimensionali normali alla superficie combustibile dalla pendenza della ordine superiore polinomiale per la distribuzione della temperatura non-dimensionale alla superficie del combustibile (y = 0). </li><li> Calcolare la velocità di combustione di massa locale dal corrispondente gradiente di temperatura adimensionale locale sulla superficie del carburante utilizzando una correlazione teorica basata sull&#39;analogia Reynolds 4. </li><li> Calcolare il flusso di calore convettivo dal gradiente di temperatura sulla superficie del 5-6 carburante. </li></ol>

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	<li>Babrauskas, V., Peacock, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+release+rate:+the+single+most+important+variable+in+fire+hazard.">Heat release rate: the single most important variable in fire hazard.</a> Fire Safety J. 18 (3), 255-272 (1992).</li><li>Pagni, P., Shih, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Excess+pyrolyzate.">Excess pyrolyzate.</a> Proc. Combust. Inst. 16 (1), 1329-1343 (1977).</li><li>Orloff, L., Modak, A. T., Alpert, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Burning+of+large-scale+vertical+surfaces.">Burning of large-scale vertical surfaces.</a> Proc. Combust. Inst. 16 (1), 1345-1354 (1977).</li><li>Singh, A. V., Gollner, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Estimation+of+local+mass+burning+rates+for+steady+laminar+boundary+layer+diffusion+flames.">Estimation of local mass burning rates for steady laminar boundary layer diffusion flames.</a> Proc. Combust. Inst. 35 (3), 2527-2534 (2015).</li><li>Singh, A. V., Gollner, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+methodology+for+estimation+of+local+heat+fluxes+in+steady+laminar+boundary+layer+diffusion+flames.">A methodology for estimation of local heat fluxes in steady laminar boundary layer diffusion flames.</a> Combust. Flame. 162 (5), 2214-2230 (2015).</li><li>Singh, A. V., Gollner, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Local+burning+rates+and+heat+flux+for+forced+flow+boundary-layer+diffusion+flames.">Local burning rates and heat flux for forced flow boundary-layer diffusion flames.</a> AIAA J. 54 (2), 408-418 (2016).</li><li>Collis, D., Williams, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-dimensional+convection+from+heated+wires+at+low+Reynolds+numbers.">Two-dimensional convection from heated wires at low Reynolds numbers.</a> J. Fluid Mech. 6 (3), 357-384 (1959).</li><li>Jakob, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Heat Transfer. , (1967).</li><li>Sforza, P., Steiger, M., Trentacoste, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Studies+on+three-dimensional+viscous+jets.">Studies on three-dimensional viscous jets.</a> AIAA J. 4 (5), 800-806 (1966).</li><li>Pizzo, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+observations+on+the+steady-state+burning+rate+of+a+vertically+oriented+PMMA+slab.">Experimental observations on the steady-state burning rate of a vertically oriented PMMA slab.</a> Combust. Flame. 152 (3), 451-460 (2008).</li><li>Chilton, T. H., Colburn, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mass+transfer+(absorption)+coefficients+prediction+from+data+on+heat+transfer+and+fluid+friction.">Mass transfer (absorption) coefficients prediction from data on heat transfer and fluid friction.</a> Ind. Eng. Chem. 26 (1), 1183-1187 (1934).</li><li>Silver, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+the+Reynolds+analogy+to+combustion+of+solid+fuels.">Application of the Reynolds analogy to combustion of solid fuels.</a> Nature. 165, 725-726 (1950).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Lo scopo di questa indagine è stato quello di sviluppare una nuova metodologia per la stima della velocità di combustione di massa locali sia per i combustibili liquidi e solidi sotto una varietà di condizioni di flusso del campo. Lo studio ha preso in esame due casi, un libero di convezione strato limite di diffusione della fiamma e convezione forzata contorno fiamme strato di diffusione stabilite in diverse condizioni di corrente libera, usando combustibili sia liquidi che solidi. velocità di combustione locali misurati tramite misure di termocoppia messa a filo su entrambe le stoppini di carburante imbevuti di liquidi e su lastre solide di PMMA che corrispondono alla altri mezzi di stima, vale a dire le misure di regressione di carburante. Questi gradienti di temperatura in prossimità della superficie del carburante sono stati determinati utilizzando una correlazione basata su l&#39;analogia Reynolds 12-13 che, pur richiedendo costante, la combustione laminare, ha lavorato molto bene per i campioni di piccole dimensioni, che si traduce in dati all&#39;interno di accuratezza del 15% per i risultati medi e molto altro di più per measurem localiEnt 4-6. Il fattore di correlazione per queste misurazioni tasso di perdita di massa locali dipende dal numero di trasferimento di massa Spalding del combustibile rappresentante e altre proprietà termofisiche del combustibile che può essere calcolata a priori. I risultati suggeriscono che questa tecnica può essere utile per estrarre questi quantitativi e comprendere la combustione di combustibili piccole dimensioni in maggior dettaglio in futuro. Altri studi in letteratura hanno ampliato il lavoro rappresentante qui incorporando simulazioni numeriche 4 ed esperimenti su campioni verticalmente orientate, che brucia liberamente 4,5, ed i campioni in orizzontale montati sotto i venti ambiente 6. Per tali configurazioni, componenti di flussi di calore sono anche stati determinati localmente sulla superficie del combustibile con la stessa tecnica termocoppia a filo sottile molto vicino alla superficie del combustibile condensato. Mentre i componenti del flusso di calore sono stati misurati in passato utilizzando calibri incorporati, thitecnica s è minimamente invasiva e offre la misura diretta dei flussi di calore convettivo, che non è stato possibile prima. Particolare attenzione deve essere assunto durante gli esperimenti nella scelta di configurazioni e l&#39;installazione degli apparecchi specifici. In questi esperimenti, termocoppie scelti per passo 3.2 sporgeva da un piccolo tubo ceramico, mantenendo la tensione sul filo e rendendo la posizione della termocoppia relativamente fisso. Utilizzando un filo della termocoppia sospesa su tutta la fiamma senza un tubo ridurrebbe eventuali disturbi dal tubo ceramico, tuttavia renderebbe localizzare la posizione specifica della termocoppia molto più variabili come il filo tende ad espandersi con temperature crescenti. Talvolta cambiamenti nella configurazione potrebbero indurre effetti sulla larghezza del campione (per esempio di inclinare il campione). Se l&#39;impostazione viene modificata da quelli studiati in passato 4-6, attorno passo 4.14 controlli saltuari che il mea temperatura di fiammamisura- sulla larghezza del campione non mostrano variazioni significative dovrebbe essere presa (cioè un&#39;assunzione 2-D tiene ancora). In caso contrario, un sistema di mappatura 3-D dovrà essere attuato. Le fasi più critiche durante l&#39;esecuzione degli esperimenti hanno a che fare con la preparazione del combustibile e il corretto uso di termocoppie. Anche piccole deviazioni nel posizionamento delle termocoppie potrebbero causare errori, quindi la cura deve essere posta nel posizionamento della termocoppia in passi 3.2, 4.13 e 4.14. Lo stoppino di carburante deve essere posizionato in modo che come piatto una superficie il più possibile è mantenuto (passo 2.1) e tutto il materiale di riempimento deve essere cotto di stoppini (passo 2.1.1). Il sistema di scarico, attivato nel passo 4.1 dovrebbe essere mantenuto il più minimo o isolato il più possibile vicino al esperimento per contribuire ad eliminare i disturbi di flusso. Questo deve essere controllato, garantendo una piccola candela non è saltato in cui la prova si svolgerà (senza vento). Diaframmi, schermi, Un&#39;installazione chiusa separata o test in un grande spazio può essere utilizzato per realizzare questo. Nel passo 4.2, il combustibile solido deve essere acceso più uniforme possibile. Mentre la torcia a propano non è la fonte più ideale per fare questo, esperimenti non sono stati trovati per essere sensibile alla fonte di accensione in lavori precedenti 4-6. Sensibilità alla fonte di accensione deve essere documentata durante gli esperimenti variando il tempo o l&#39;intensità di esposizione e osservando i risultati sul velocità di combustione di massa costante. Se si osserva la sensibilità di un pannello radiante dovrebbe essere alternativamente utilizzato per innescare campioni. Combustibili solidi, o il carburante che non ha un grande (&gt; 300 sec) costante regione che brucia come osservato dai tassi di perdita di massa dovrebbe avere la mappatura temperatura rilevata nel corso di una breve regione. Ad esempio, nel passo 4.13 si consiglia la mappatura per PMMA essere ripreso il primo 150 sec, mentre il combustibile è ancora relativamente piatta e regressione superficie è stata ben documentata. misure di regressione della superficie possono utilizzare ImageJ o altri software di immagine simile a misurare pixel sulle fotografie e convertire in lunghezza. In alternativa, un micrometro digitale può essere utilizzato per misurare la regressione superficie della piastra solido dopo si raffredda (notare la superficie di materiali &quot;ribollimento&quot; come PMMA deve essere carteggiato prima). La correlazione velocità di combustione proposto si basa su ipotesi laminari, tuttavia, si ipotizza che questa tecnica dovrebbe seguire una forma simile per combustione turbolenta di una superficie di carburante, anche se con una relazione funzionale modificata che deve essere determinato sperimentalmente. Il lavoro qui presentato può essere successivamente estesa a turbolento combustione strato limite e le interazioni associate tra turbolenze e rilascio di calore in fase gassosa che guidano il flusso di calore incidente alla superficie combustibile può essere ulteriormente approfondito. La teoria sulla quale si basa la correlazione velocità di combustione trascura anche radiazioni. La teoria è semplificato eccessivamente leading di incertezza nelle sue capacità predittive, in circostanze che non sono coperti dal presente lavoro. Per esempio, la metodologia proposta non può funzionare per alta fiamme fuliggine dove il flusso di calore verso la superficie è in gran parte radiante. Per le grandi fiamme parete turbolente, dove il flusso di calore radiante alla superficie combustibile condensato è alto, la correlazione velocità di combustione proposto può o non può funzionare. L&#39;inclusione di effetti delle radiazioni in correlazione proposta è, dunque, la ricerca desiderabile e in seguito deve essere intrapresa per determinare questa relazione funzionale. Questa zona richiede il miglioramento della modella Se metodi di previsione sicuri devono essere raggiunti per tali fiamme.

Mentre gli avanzamenti critici sono stati fatti nel campo della ricerca sulla sicurezza antincendio nel secolo scorso, prevedendo tassi di diffusione della fiamma rimane ancora una sfida per molti materiali in diverse configurazioni. spread Flame spesso procede in entrambi gli ambienti costruiti o naturali come una serie di accensioni di nuovi elementi, proveniente da una prima fonte di accensione. La conoscenza delle caratteristiche di combustione dei materiali di bruciare i singoli è fondamentale al fine di prevedere questi tassi di diffusione della fiamma, perché questo contribuisce a tassi di riscaldamento a elementi unignited. Il tasso di rilascio di calore (FCR) di un elemento di combustibile è pertanto citata come la quantità fondamentale nella ricerca fire 1, essendo approssimativamente uguale alla velocità di combustione (perdita di massa) del combustibile condensato fase, cioè la velocità di evaporazione un tasso combustibile o pirolisi liquida di un combustibile solido. La velocità di combustione può essere pensato come una misura della infiammabilità di un material ed è un parametro critico nell&#39;analisi dei rischi di incendio e la progettazione di sistemi antincendio. La perdita locale di massa (o bruciore) Tasso, m &quot;f, di una parete verticale è, in particolare, una variabile importante in molti problemi di incendio legati, come propagazione della fiamma su un muro, la crescita del fuoco, ei tassi di rilascio di energia all&#39;interno un fuoco involucro, e la diffusione di fumo e gas caldi pennacchi Per previsione di rialzo propagazione della fiamma su una parete verticale, l&#39;altezza della fiamma deve essere calcolato, che dipende dal tasso di rilascio di energia totale,., che, a sua volta, è direttamente influenzata dalla il tasso di perdita di massa locale integrato su tutta la superficie della parete pyrolyzing 2-3. Mentre la conoscenza di questi tassi di perdita di massa integrato sono relativamente ben noto, la conoscenza dei tassi di massa che brucia in posizioni incrementali lungo una superficie di carburante non sono ben noti perché le tecniche sperimentali per misurare tali tassi sono estremamente limitate. Una tecnica che prevede questo tasso di massa che brucia &quot;locale&quot;informazioni potrebbero fornire una maggiore comprensione per la combustione di combustibili condensati, consentendo ai ricercatori di capire meglio i meccanismi che contraddistinguono i combustibili o configurazioni l&#39;uno dall&#39;altro differenti. Poiché la maggior parte dei materiali vengono prima valutati al piccola scala (ad esempio, in un calorimetro a cono 1), un primo passo logico è quello di fornire una tecnica per misurare la velocità di combustione di massa locali piccoli, fiamme laminare diffusione su superfici combustibile condensati. Il lavoro qui presentato discute la metodologia sperimentale e protocolli per l&#39;esecuzione di esperimenti su fiamme laminari costanti stabiliti su superfici di carburante abbreviato. Stima dei gradienti di temperatura locali utilizzando micro termocoppie è una tecnica particolarmente utile per la stima della velocità di combustione di massa locali e flussi di calore in queste fiamme 4-6. L&#39;analisi dei dati letteratura mostra la difficoltà di determinare coefficienti di scambio termico, di combustione e frizioni locali al condendi superficie combustibile sed, che sono importanti per la comprensione della fisica e meccanismi di base che guidano un particolare incendio e di propagazione 4-6. Componenti di flussi di calore, che sono rimaste forse la proprietà del fuoco più ben misurata, in luoghi locali su una superficie di carburante, si sono rivelati difficili da misurare. Effetti come variabilità dei combustibili, flusso di calore scalabilità, difficoltà di raggiungere condizioni stazionarie e differenti tecnologie di gauge flusso di calore hanno contribuito piuttosto ampio dispersione dei dati che sono disponibili in letteratura 4. Misure di gradienti di temperatura locali con elevata precisione aiuteranno ad alleviare questa variabilità e anche fornire correlazioni di scambio termico che potrebbero essere utilizzati per la validazione numerica di incendi parete laminari, una canonica problema di ricerca del fuoco. Tali esperimenti sono utili anche ad esplorare il rapporto dinamico tra una superficie combustibile condensato e in fase gas combustibili fiamme laminari e strato limite turbolentoS. Metodi per catturare accuratamente questi gradienti di temperatura in modo preciso e ripetibile sono descritti di seguito.

<table><tbody><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Thermocouples with connectors and clamps&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Unsheathed Fine Gauge T/C</td><td>P13R-002</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Fine wire microthermocouples (R-type)</td></tr><tr><td>Unsheathed Fine Gauge T/C</td><td>P13R-003</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Fine wire microthermocouples (R-type)</td></tr><tr><td>Ceramic 2 hole round - 5 pk</td><td>TRX-010364-6</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Ceramic tubes to hold the fine wire thermocouples</td></tr><tr><td>Thermocouple extension wire</td><td>EXTT-RS-24-100</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Thermocouple extension wire</td></tr><tr><td>Male Female Connectors</td><td>SHX-R/S-MF</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Connectors for R-type thermocouples&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Accessories</td><td>MSRT-116-10</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>Rubber tubes for maintaining grip for the ceramic tubes at the connectors&#039;s end</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Traverse mechanism&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>X slide, travel = 10 inch, 0.025 in/rev, limits, NEMA 17</td><td>XN10-0100-E25-71</td><td>Velmex Inc.</td><td>Velmex unislide</td></tr><tr><td>Vexta type 17, 1.8 deg/step 2phase, single shaft stepper motor</td><td>PK245-01AA</td><td>Velmex Inc.</td><td>Stepper motor&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Mounting cleat, standard using 6-32 bolts</td><td>XMC-2</td><td>Velmex Inc.</td><td>Mounting accessories for the given Velmex unislide</td></tr><tr><td>6-32 x 7/16 SH Cap Screw for Xslide in X &amp;amp; Y axis</td><td>XMB-1</td><td>Velmex Inc.</td><td>Mounting accessories for the given Velmex unislide</td></tr><tr><td>X slide, travel = 10 inch, 0.025 in/rev, limits, NEMA 17</td><td>XN10-0100-E25-71</td><td>Velmex Inc.</td><td>Velmex unislide</td></tr><tr><td>Vexta type 17, 1.8 deg/step 2phase, single shaft stepper motor</td><td>PK245-01AA</td><td>Velmex Inc.</td><td>Stepper motor&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Mounting cleat, standard using 6-32 bolts</td><td>XMC-2</td><td>Velmex Inc.</td><td>Mounting accessories for the given Velmex unislide</td></tr><tr><td>6-32 x 7/16 SH Cap Screw for Xslide in X &amp;amp; Y axis</td><td>XMB-1</td><td>Velmex Inc.</td><td>Mounting accessories for the given Velmex unislide</td></tr><tr><td>Control, 2 Axis programmable stepping motor control, 1 motor at a time</td><td>VXM-2</td><td>Velmex Inc.</td><td>Stepper motor controller</td></tr><tr><td>USB to RS232 DB9 Serial Communication cable 10 ft</td><td>RPC-USB-RS232-3M</td><td>Velmex Inc.</td><td>Serial communication cable between the stepper motor controller and&amp;nbsp; computer</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Data acquisition hardware&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>NI 9214 16-Ch Isothermal TC, 24-bit C Series Module for high accuracy thermocouple measurements (includes terminal block)</td><td>781510-01</td><td>National Instruments</td><td>Thermocouple data acquistion card</td></tr><tr><td>Power Cord, AC, U.S., 120 VAC, 2.3 meters</td><td>763000-01</td><td>National Instruments</td><td>Power cord for the 8 slot C-DAQ chassis</td></tr><tr><td>cDAQ-9178, CompactDAQ chassis (8 slot USB)</td><td>781156-01</td><td>National Instruments</td><td>C-DAQ chassis for NI 9214 and NI 9239</td></tr><tr><td>EMI Suppression Ferrite for NI 9229/39 BNC</td><td>782801-01</td><td>National Instruments</td><td>Accessories for NI 9239 data acquistion card</td></tr><tr><td>NI 9239 BNC, 4-Ch +/-10&amp;nbsp;V, 50&amp;nbsp;kS&amp;#8288;/&amp;#8288;s per channel</td><td>780181-01</td><td>National Instruments</td><td>Data acquistion card for hot wire anemometer system</td></tr><tr><td>cDAQ-9171, CompactDAQ chassis (1 slot USB)</td><td>781425-01</td><td>National Instruments</td><td>C-DAQ chassis for NI 9214&amp;nbsp;</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Cameras&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Nikon D7100 24.1 MP DX-Format CMOS Digital SLR with 18-105&amp;nbsp;mm f/3.5-5.6 AF-S DX VR ED Nikkor Lens</td><td>Nikon D7100</td><td>Amazon</td><td>Digital SLR camera for taking top-view flame photographs</td></tr><tr><td>Canon EOS Rebel T5 DSLR CMOS Digital SLR Camera and DIGIC Imaging with EF-S 18-55&amp;nbsp;mm f/3.5-5.6 IS Lens</td><td>Canon EOS Rebel T5 DSLR&amp;nbsp;</td><td>Amazon</td><td>Digital SLR camera for taking side-view flame photographs</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Mass balance&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Mettler-Toledo, MS32001L Balance Prec 32,200&amp;nbsp;g x 0.1&amp;nbsp;g</td><td>97035-654</td><td>VWR</td><td>Precision electronic mass balance for measuring average mass burning rate</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Mini CTA system&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>MiniCTA Anemometer Package for wire- and film-probes</td><td>9054T0461</td><td>Dantec Dynamics</td><td>Hot wire system for measuring velocities and turbulence intesity at the wind tunnel outlet</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Wind tunnel equipment&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>1/2 in. x 4 ft. x 8 ft. C-3 Whole Piece Birch Domestic Plywood</td><td>Model # 833185</td><td>Home Depot</td><td>Used to make the laboratory scale wind tunnel</td></tr><tr><td>Woodgrain Millwork WM 206 11/16 in. x 11/16 in. x 96 in. Wood Pine Corner Moulding</td><td>Model # 109610</td><td>Home Depot</td><td>Used to make the laboratory scale wind tunnel</td></tr><tr><td>Extension Spring, Loop Ends, 6.562&quot; Overall Length, Pack of 6</td><td>1330K26</td><td>McMaster-Carr</td><td>Used to make the laboratory scale wind tunnel</td></tr><tr><td>Strainer Grade Wire Cloth, 30x30 Mesh, 0.0130&quot; wire diameter. 12&quot;x12&quot; sheet</td><td>9241T41</td><td>McMaster-Carr</td><td>Used to make the laboratory scale wind tunnel</td></tr><tr><td>Strainer Grade Wire Cloth, 40x40 Mesh, 0.0065&quot; wire diameter. 12&quot;x12&quot; sheet</td><td>9241T42</td><td>McMaster-Carr</td><td>Used to make the laboratory scale wind tunnel</td></tr><tr><td>Mobile Lift Table Foot-Operated, 600# Capacity, 10&quot; - 33&quot; Table Height</td><td>2791T22</td><td>McMaster-Carr</td><td>Table to hold the experimental setup</td></tr><tr><td>ebm-papst p/n: G3G250-MW75-05 (EC Centrifugal blower, 200-240&amp;nbsp;V, 3-phase, 50/60&amp;nbsp;Hz, M3G112-EA motor, 2.2&amp;nbsp;kW)</td><td>G3G250-MW75-05</td><td>Ebm papst</td><td>Blower for the wind tunnel</td></tr><tr><td>ebm-papst p/n: HX0C-003-000-04 (Controller)</td><td>HX0C-003-000-04</td><td>Ebm papst</td><td>Pulse width modulation controller for controlling the speed of the blower</td></tr><tr><td>8020 1&amp;rdquo; X 1&amp;rdquo; T-SLOTTED PROFILE&amp;nbsp;</td><td>8020-1010</td><td>80/20 (Rankin Automation)</td><td>Used to create a framework for the wind tunnel</td></tr><tr><td>Momentive/GE Silicone Sealant RTV108, 10.1-oz Cartridge, Semi-Clear</td><td>7545A472</td><td>McMaster Carr</td><td>Sealant for the wood</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Software&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>Contact vendor</td><td>National Instruments</td><td>Used for continuous temperature data acquistion and analysis. Alternatively used for positioning the thermocouple.</td></tr><tr><td>Mettler Toledo mass balance software</td><td>Contact vendor</td><td>Mettler Toledo</td><td>Used for measuring the mass loss rate of the condensed fuel wick / solid plate with time</td></tr><tr><td>ImageJ</td><td>Free download</td><td>NIH, http://imagej.nih.gov/ij/</td><td>Used for measuring the flame standoff distance and surface regression of the solid fuel plate</td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Contact vendor</td><td>Mathworks</td><td>Used for post-processing of data</td></tr><tr><td>Fortran 90/95</td><td>Contact vendor</td><td>The Fortran company</td><td>Used for post-processing of data</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Materials&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Methanol&amp;nbsp;</td><td>UMD Chem Store</td><td>NA</td><td>Liquid fuel</td></tr><tr><td>Ethanol&amp;nbsp;</td><td>UMD Chem Store</td><td>NA</td><td>Liquid fuel</td></tr><tr><td>safety glasses</td><td>UMD Chem Store</td><td>NA</td><td>Used for safety purpose</td></tr><tr><td>spray bottle</td><td>UMD Chem Store</td><td>NA</td><td>Used for carrying water in case of emergency</td></tr><tr><td>Syringe 60 cc</td><td>UMD Chem Store</td><td>NA</td><td>Used for soaking the liquid fuel wick with liquid fuels</td></tr><tr><td>Optically Clear Cast Acrylic Sheet, 1/8&quot; Thick, 24&quot; x 48&quot;</td><td>Mc master carr</td><td>8560K262</td><td>Solid fuel PMMA</td></tr><tr><td>Loctite Proxy Pak (Hi-temp adhesive)</td><td>Mc master carr</td><td>7556A33</td><td>Used for covering the sides of the wick with aluminum foil</td></tr><tr><td>Hi-Temp Aerosol Spray Paint (Black)</td><td>Mc master carr</td><td>7832T1</td><td>Used for painting the insulation&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Self-Igniting Economy Propane Gas Torch Adjustable Flame, 4,179&amp;nbsp;Btu/hr</td><td>Mc master carr</td><td>78245A3</td><td>Propane torch for igniting the solid fuel plate</td></tr><tr><td>Heat-Resistant Cotton Glove W/Nitrile Coating, 400 Deg F Max Temp, 10&quot; Lg, Large</td><td>Mc master carr</td><td>56025T1</td><td>Used for safety purpose</td></tr><tr><td>Modular Protective Screen with Tie-on Curtain, 6&#039;&amp;nbsp;Height x 4&#039;&amp;nbsp;Width Abrasion-Resistant Fiberglass</td><td>Mc master carr</td><td>9145T84</td><td>Fire-resistant curtain for the background</td></tr><tr><td>Multipurpose Aluminium Alloy 6061 .125&quot; thick, 12&quot; x 24&quot;</td><td>Mc master carr</td><td>89015K28</td><td>Used for holding the insulation</td></tr><tr><td>Marine grade plywood 1/2&quot; thick, 12&quot; x 24&quot;</td><td>Mc master carr</td><td>1125T32</td><td>Used for holding the experimental setup</td></tr><tr><td>Multipurpose Aluminium Alloy 6061 U-channel, 2&quot; base x 1-1/4&quot; legs, 1&#039; length</td><td>Mc master carr</td><td>1630T473</td><td>Used for holding the aluminum plate, insulation and wick</td></tr><tr><td>Architectural Anodized Aluminium (Alloy 6063) 90 deg angle, 1/8&quot; Thk, 1/2&quot; x 1/2&quot; legs, 6&#039; L</td><td>Mc master carr</td><td>4630T21</td><td>Used for holding the aluminum plate, insulation and wick</td></tr><tr><td>Aluminium Inch T-Slotted Framing System Concealed 90 degree connector, for 1&quot; extrusion</td><td>Mc master carr</td><td>47065T155</td><td>Used for holding the aluminum plate, insulation and wick</td></tr><tr><td>Aluminium Inch T-Slotted Framing System Extended 90 degree bracket, Single, 4 Hole, for 1&quot; extrusion</td><td>Mc master carr</td><td>47065T175</td><td>Used for holding the aluminum plate, insulation and wick</td></tr><tr><td>Aluminium Inch T-Slotted Framing System Four-Slot single, 1&quot; solid extrusion, 4&#039; length</td><td>Mc master carr</td><td>47065T101</td><td>Used for holding the aluminum plate, insulation and wick</td></tr><tr><td>1/2&quot; x 48&quot; x 36&quot; (Superwool 607 insulation board) 1 carton containing 12 sheets</td><td>Mccormick Insulation</td><td>Superwool 607&amp;nbsp;</td><td>Insulation material for making the wick and the wick holder</td></tr></tbody></table>

experimental methodology for estimation of local heat fluxes and burning rates in steady laminar boundary layer diffusion flames

Modellazione comportamento alla combustione di combustibili realistico condensata fase è rimasto fuori portata, in parte a causa di una incapacità di risolvere complesse interazioni che avvengono all&#39;interfaccia tra fiamme in fase gas e combustibili condensato fasi. La ricerca attuale fornisce una tecnica per esplorare il rapporto dinamico tra una superficie combustibile condensato e in fase gas combustibili fiamme in strati limite laminari. Gli esperimenti sono stati condotti in precedenza sia in ambienti convettivi forzati e libero su entrambe combustibili solidi e liquidi. Una metodologia unica, basato sulla analogia Reynolds, è stato utilizzato per stimare velocità di combustione di massa locali e flussi di calore fiamma per questi limite laminare fiamme strato di diffusione utilizzando gradienti locali di temperatura sulla superficie del combustibile. velocità di combustione di massa locali e il feedback calore convettivo e radiativo dalle fiamme sono stati misurati in entrambe le regioni di pirolisi e pennacchio utilizzando gradienti di temperatura mappati vicino al muro da un Traver due assisistema di SE. Questi esperimenti sono lunghi e possono essere difficili da progettare come superficie del combustibile condensato brucia costante solo per un limitato periodo di tempo dopo l&#39;accensione. I profili di temperatura vicino alla superficie del combustibile devono essere mappati in costante combustione di una superficie di combustibile condensata ad una risoluzione spaziale molto elevata per catturare ragionevoli stime di gradienti di temperatura locali. correzioni attente per le perdite di calore radiante dal termocoppie sono inoltre essenziali per misurazioni accurate. Per queste ragioni, l&#39;intero apparato sperimentale deve essere automatizzata con un computer controllato meccanismo di traslazione, eliminando la maggior parte degli errori dovuti al posizionamento di un micro-termocoppia. Un profilo di passi per catturare riproducibile gradienti di temperatura vicino al muro e li usa per valutare velocità di combustione e flussi di calore locale è fornito.

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Experimental Methodology for Estimation of Local Heat Fluxes and Burning Rates in Steady Laminar Boundary Layer Diffusion Flames

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.

Metodologia sperimentale per la stima della locale Calore flussi e masterizzazione Tariffe a Steady limite laminare Fiamme strato di diffusione

Modeling the realistic burning behavior of condensed-phase fuels has remained out of reach, in part because of an inability to resolve the complex ...

experimental-methodology-for-estimation-local-heat-fluxes-burning

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

11.7K Views.  University of Maryland. 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. 

Video: Experimental Methodology for Estimation of Local Heat Fluxes and Burning Rates in Steady Laminar Boundary Layer Diffusion Flames

Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics Beamline of the Advanced Light Source (ALS) of the Lawrence Berkeley National Laboratory1-4. This video demonstrates how the complex chemical structures of laboratory-based model flames are analyzed using flame-sampling mass spectrometry with tunable synchrotron-generated vacuum-ultraviolet (VUV) radiation. This experimental approach combines isomer-resolving capabilities with high sensitivity and a large dynamic range5,6. The first part of the video describes experiments involving burner-stabilized, reduced-pressure (20-80 mbar) laminar premixed flames. A small hydrocarbon fuel was used for the selected flame to demonstrate the general experimental approach. It is shown how species&#8217; profiles are acquired as a function of distance from the burner surface and how the tunability of the VUV photon energy is used advantageously to identify many combustion intermediates based on their ionization energies. For example, this technique has been used to study gas-phase aspects of the soot-formation processes, and the video shows how the resonance-stabilized radicals, such as C3H3, C3H5, and i-C4H5, are identified as important intermediates7. The work has been focused on soot formation processes, and, from the chemical point of view, this process is very intriguing because chemical structures containing millions of carbon atoms are assembled from a fuel molecule possessing only a few carbon atoms in just milliseconds. The second part of the video highlights a new experiment, in which an opposed-flow diffusion flame and synchrotron-based aerosol mass spectrometry are used to study the chemical composition of the combustion-generated soot particles4. The experimental results indicate that the widely accepted H-abstraction-C2H2-addition (HACA) mechanism is not the sole molecular growth process responsible for the formation of the observed large polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs).

Gas sampling from laboratory-scale flames with online analysis of all species by mass spectrometry is a powerful method to investigate the complex mixture of chemical compounds occurring during combustion processes. Coupled with tunable soft ionization via synchrotron-generated vacuum-ultraviolet radiation, this technique provides isomer-resolved information and potentially fragment-free mass spectra.

Esperimenti di fiamma alla Advanced Light Source: nuove informazioni sui processi fuliggine Formazione

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics ...

Ricerca

Ingegneria

Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution for future high-speed reentry missions. But despite the advancements made since Apollo, heat flux prediction remains an imperfect science and engineers resort to safety factors to determine the TPS thickness. This goes at the expense of embarked payload, hampering, for example, sample return missions. 
Ground testing in plasma wind-tunnels is currently the only affordable possibility for both material qualification and validation of material response codes. The subsonic 1.2MW Inductively Coupled Plasmatron facility at the von Karman Institute for Fluid Dynamics is able to reproduce a wide range of reentry environments. This protocol describes a procedure for the study of the gas/surface interaction on ablative materials in high enthalpy flows and presents sample results of a non-pyrolyzing, ablating carbon fiber precursor. With this publication, the authors envisage the definition of a standard procedure, facilitating comparison with other laboratories and contributing to ongoing efforts to improve heat shield reliability and reduce design uncertainties.
The described core techniques are non-intrusive methods to track the material recession with a high-speed camera along with the chemistry in the reactive boundary layer, probed by emission spectroscopy. Although optical emission spectroscopy is limited to line-of-sight measurements and is further constrained to electronically excited atoms and molecules, its simplicity and broad applicability still make it the technique of choice for analysis of the reactive boundary layer. Recession of the ablating sample further requires that the distance of the measurement location with respect to the surface is known at all times during the experiment. Calibration of the optical system of the applied three spectrometers allowed quantitative comparison. At the fiber scale, results from a post-test microscopy analysis are presented.

Development of new ablative materials and their numerical modeling requires extensive experimental investigation. This protocol describes procedures for material response characterization in plasma flows with the core techniques being non-intrusive methods to track the material recession along with the chemistry in the reactive boundary layer by emission spectroscopy.

Emissione spettroscopica Boundary Investigation strato durante ablativo Material Testing in Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution ...

Combustion Characterization and Model Fuel Development for Micro-tubular Flame-assisted Fuel Cells

Combustion based power generation has been accomplished for many years through a number of heat engine systems. Recently, a move towards small scale power generation and micro combustion as well as development in fuel cell research has created new means of power generation that combine solid oxide fuel cells with open flames and combustion exhaust. Instead of relying upon the heat of combustion, these solid oxide fuel cell systems rely on reforming of the fuel via combustion to generate syngas for electrochemical power generation. Procedures were developed to assess the combustion by-products under a wide range of conditions. While theoretical and computational procedures have been developed for assessing fuel-rich combustion exhaust in these applications, experimental techniques have also emerged. The experimental procedures often rely upon a gas chromatograph or mass spectrometer analysis of the flame and exhaust to assess the combustion process as a fuel reformer and means of heat generation. The experimental techniques developed in these areas have been applied anew for the development of the micro-tubular flame-assisted fuel cell. The protocol discussed in this work builds on past techniques to specify a procedure for characterizing fuel-rich combustion exhaust and developing a model fuel-rich combustion exhaust for use in flame-assisted fuel cell testing. The development of the procedure and its applications and limitations are discussed.

A protocol for creating a model fuel-rich combustion exhaust is developed through combustion characterization and is applied for micro-tubular flame-assisted fuel cell testing and research.

Combustione Caratterizzazione e modello di sviluppo carburante per micro-tubolari Celle a combustibile fiamma assistita

Combustion based power generation has been accomplished for many years through a number of heat engine systems. Recently, a move towards small scale power ...

Reaction Kinetics and Combustion Dynamics of I4O9 and Aluminum Mixtures

Tetraiodine nonoxide (I4O9) has been synthesized using a dry approach that combines elemental oxygen and iodine without the introduction of hydrated species. The synthesis approach inhibits the topochemical effect promoting rapid hydration when exposed to the relative humidity of ambient air. This stable, amorphous, nano-particle material was analyzed using differential scanning calorimetry (DSC) and thermal gravimetric analysis (TGA) and showed an exothermic energy release at low temperature (i.e., 180 &#176;C) for the transformation of I4O9 into I2O5. This additional exothermic energy release contributes to an increase in overall reactivity of I4O9 when dry mixed with nano-aluminum (Al) powder, resulting in a minimum of 150% increase in flame speed compared to Al + I2O5. This study shows that as an oxidizer, I4O9 has more reactive potential than other forms of iodine(V) oxide when combined with Al, especially if I4O9 can be passivated to inhibit absorption of water from its surrounding environment.

Reaction Kinetics and Combustion Dynamics of I4O9 and Aluminum Mixtures

A protocol for measuring flame speeds of a reactive mixture composed of tetraiodine nonoxide (I4O9) and aluminum (Al) is presented. A method for resolving reaction kinetics using differential scanning calorimetry (DSC) is also presented. It was found that I4O9 is 150% more reactive than other iodine(V) oxides.

Cinetica di reazione e la combustione di Dynamics I<sub&gt; 4</sub&gt; O<sub&gt; 9</sub&gt; E miscele di alluminio

Tetraiodine nonoxide (I4O9) has been synthesized using a dry approach that combines elemental oxygen and iodine without the introduction of hydrated ...

Combustion Chemistry of Fuels: Quantitative Speciation Data Obtained from an Atmospheric High-temperature Flow Reactor with Coupled Molecular-beam Mass Spectrometer

This manuscript describes a high-temperature flow reactor experiment coupled to the powerful molecular beam mass spectrometry (MBMS) technique. This flexible tool offers a detailed observation of chemical gas-phase kinetics in reacting flows under well-controlled conditions. The vast range of operating conditions available in a laminar flow reactor enables access to extraordinary combustion applications that are typically not achievable by flame experiments. These include rich conditions at high temperatures relevant for gasification processes, the peroxy chemistry governing the low temperature oxidation regime or investigations of complex technical fuels. The presented setup allows measurements of quantitative speciation data for reaction model validation of combustion, gasification and pyrolysis processes, while enabling a systematic general understanding of the reaction chemistry. Validation of kinetic reaction models is generally performed by investigating combustion processes of pure compounds. The flow reactor has been enhanced to be suitable for technical fuels (e.g. multi-component mixtures like Jet A-1) to allow for phenomenological analysis of occurring combustion intermediates like soot precursors or pollutants. The controlled and comparable boundary conditions provided by the experimental design allow for predictions of pollutant formation tendencies. Cold reactants are fed premixed into the reactor that are highly diluted (in around 99 vol% in Ar) in order to suppress self-sustaining combustion reactions. The laminar flowing reactant mixture passes through a known temperature field, while the gas composition is determined at the reactors exhaust as a function of the oven temperature. The flow reactor is operated at atmospheric pressures with temperatures up to 1,800 K. The measurements themselves are performed by decreasing the temperature monotonically at a rate of -200 K/h. With the sensitive MBMS technique, detailed speciation data is acquired and quantified for almost all chemical species in the reactive process, including radical species.

An investigation of the oxidative combustion chemistry of novel biofuels, fuel components, or jet fuels by comparison of quantitative speciation data is presented. The data can be used for kinetic model validation and enables fuel assessment strategies.This manuscript describes the atmospheric high-temperature flow reactor and demonstrates its capabilities.

Chimica della combustione di combustibili: speciazione quantitativa di dati ottenuti da un reattore di flusso ad alta temperatura atmosferica con accoppiato fascio molecolare spettrometro di massa

This manuscript describes a high-temperature flow reactor experiment coupled to the powerful molecular beam mass spectrometry (MBMS) technique. This ...

Chimica

Wind Tunnel Experiments to Study Chaparral Crown Fires

The present protocol presents a laboratory technique designed to study chaparral crown fire ignition and spread. Experiments were conducted in a low velocity fire wind tunnel where two distinct layers of fuel were constructed to represent surface and crown fuels in chaparral. Chamise, a common chaparral shrub, comprised the live crown layer. The dead fuel surface layer was constructed with excelsior (shredded wood). We developed a methodology to measure mass loss, temperature, and flame height for both fuel layers. Thermocouples placed in each layer estimated temperature. A video camera captured the visible flame. Post-processing of digital imagery yielded flame characteristics including height and flame tilt. A custom crown mass loss instrument developed in-house measured the evolution of the mass of the crown layer during the burn. Mass loss and temperature trends obtained using the technique matched theory and other empirical studies. In this study, we present detailed experimental procedures and information about the instrumentation used. The representative results for the fuel mass loss rate and temperature filed within the fuel bed are also included and discussed.

This protocol describes wind tunnel experiments designed to study the transition of a fire from the ground to the canopy of chaparral shrubs.

Esperimenti di Galleria del vento per studiare Chaparral corona incendi

The present protocol presents a laboratory technique designed to study chaparral crown fire ignition and spread. Experiments were conducted in a low ...

Experimental Procedure for Laboratory Studies of In Situ Burning : Flammability and Burning Efficiency of Crude Oil

A new method for the simultaneous study of the flammability and burning efficiency of fresh and weathered crude oil through two experimental laboratory setups is presented. The experiments are easily repeatable compared to operational scale experiments (pool diameter &#8805;2 m), while still featuring quite realistic in situ burning conditions of crude oil on water. Experimental conditions include a flowing water sub-layer that cools the oil slick and an external heat flux (up to 50 kW/m2) that simulates the higher heat feedback to the fuel surface in operational scale crude oil pool fires. These conditions enable a controlled laboratory study of the burning efficiency of crude oil pool fires that are equivalent to operational scale experiments. The method also provides quantitative data on the requirements for igniting crude oils in terms of the critical heat flux, ignition delay time as a function of the incident heat flux, the surface temperature upon ignition, and the thermal inertia. This type of data can be used to determine the required strength and duration of an ignition source to ignite a certain type of fresh or weathered crude oil. The main limitation of the method is that the cooling effect of the flowing water sub-layer on the burning crude oil as a function of the external heat flux has not been fully quantified. Experimental results clearly showed that the flowing water sub-layer does improve how representative this setup is of in situ burning conditions, but to what extent this representation is accurate is currently uncertain. The method nevertheless features the most realistic in situ burning laboratory conditions currently available for simultaneously studying the flammability and burning efficiency of crude oil on water.

Experimental Procedure for Laboratory Studies of In Situ Burning : Flammability and Burning Efficiency of Crude Oil

Here, we present a protocol to simultaneously study the flammability and burning efficiency of fresh and weathered crude oil under conditions that simulate in situ burning operations on the sea.

Procedura sperimentale per studi di laboratorio di In Situ di masterizzazione: infiammabilità ed efficienza di combustione del petrolio greggio

A new method for the simultaneous study of the flammability and burning efficiency of fresh and weathered crude oil through two experimental laboratory ...

Measurements of Local Instantaneous Convective Heat Transfer in a Pipe - Single and Two-phase Flow

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer coefficient as a function of the liquid flow rate in a transparent pipe. With certain amendments, the approach is extended to gas-liquid flows, with a particular emphasis on the effect of a single elongated (Taylor) air bubble on heat transfer enhancement. A non-invasive thermography technique is applied to measure the instantaneous temperature of a thin metal foil heated electrically. The foil is glued to cover a narrow slot cut in the pipe. The thermal inertia of the foil is small enough to detect the variation in the instantaneous foil temperature. The test section can be moved along the pipe and is long enough to cover a considerable part of the growing thermal boundary layer.
At the beginning of each experimental run, a steady state with a constant water flow rate and heat flux to the foil is attained and serves as the reference. The Taylor bubble is then injected into the pipe. The heat transfer coefficient variations due to the passage of a Taylor bubble propagating in a vertical pipe is measured as function of the distance of the measuring point from the bottom of the moving Taylor bubble. Thus, the results represent the local heat transfer coefficients. Multiple independent runs preformed under identical conditions allow accumulating sufficient data to calculate reliable ensemble-averaged results on the transient convective heat transfer. In order to perform this in a frame of reference moving with the bubble, the location of the bubble along the pipe has to be known at all times. Detailed description of measurements of the length and of the translational velocity of the Taylor bubbles by optical probes is presented.

This manuscript describes methods aimed at measuring the local instantaneous convective heat transfer coefficients in a single or two-phase pipe flow. A simple optical method to determine the length and the propagation velocity of an elongated (Taylor) air bubble moving at a constant velocity is also presented.

Misure di scambio di calore convettivo istantanea locale in un tubo - flusso singolo e due fasi

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer ...

Thermal Diffusivity and the Laser Flash Method

Source: Elise S.D. Buki, Danielle N. Beatty, and <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/author/Taylor+D._Sparks">Taylor D. Sparks</a>, Department of Materials Science and Engineering, The University of Utah, Salt Lake City, UT
The laser flash method (LFA) is a technique used to measure thermal diffusivity, a material specific property. Thermal diffusivity (&#945;) is the ratio of how much heat is conducted relative to how much heat is stored in a material. It is related to thermal conductivity (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/10488/10488eq1v2.jpg" />), how much heat is transferred through a material due to a temperature gradient, by the following relationship:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/10488/10488eq2v2.jpg" /> (Equation 1)
where &#9076; is the density of the material and Cp is the specific heat capacity of the material at the given temperature of interest. Both thermal diffusivity and thermal conductivity are important material properties used to assess how materials transfer heat (thermal energy) and react to changes in temperature. Thermal diffusivity measurements are obtained most commonly by the thermal or laser flash method. In this technique a sample is heated by pulsing it with a laser or xenon flash on one side but not the other, thus inducing a temperature gradient. This temperature gradient results in heat propagating through the sample towards the opposite side, heating the sample as it goes. On the opposite side an infrared detector reads and reports the temperature change with respect to time in the form of a thermogram. An estimate of the thermal diffusivity is obtained after these results are compared and fit to theoretical predictions using a least squares model.
The laser flash method is the only method that is supported by multiple standards (ASTM, BS, JIS R) and is the most widely used method for determining thermal diffusivity.

Laser Flash Method for Measuring Thermal Diffusivity

Diffusività termica e metodo del flash laser

Source: Elise S.D. Buki, Danielle N. Beatty, and Taylor D. Sparks, Department of Materials Science and Engineering, The University of Utah, Salt Lake ...

Didattica

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Ingegneria dei materiali

Constant Temperature Anemometry: A Tool to Study Turbulent Boundary Layer Flow

Source: Xiaofeng Liu, Jose Roberto Moreto, and Jaime Dorado, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, California
A boundary layer is a thin flow region immediately adjacent to the surface of a solid body immersed in flow field. In this region, viscous effects, such as the viscous shear stress, dominate, and the flow is retarded due to the influence of friction between the fluid and the solid surface. Outside of the boundary layer, the flow is inviscid, i.e., there is no dissipative effects due to friction, thermal conduction or mass diffusion.
The boundary layer concept was introduced by Ludwig Prandtl in 1904, which enables significant simplification to the Navier-Stokes (NS) equation for the treatment of flow over a solid body. Inside the boundary layer, the NS equation is reduced to the boundary layer equation, while outside of the boundary layer, the flow can be described by the Euler equation, which is a simplified version of the NS equation.
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Figure 1. Boundary layer development over a flat plate.
The simplest case for boundary layer development occurs on a flat plate at zero angle of incidence. When considering boundary layer development on a flat plate, the velocity outside of the boundary layer is constant so that the pressure gradient along the wall is considered to be zero.
The boundary layer, which naturally develops on a solid body surface, typically undergoes the following stages: first, the laminar boundary layer state; second, the transition state, and third, the turbulent boundary layer state. Each state has its own law(s) describing the flow structure of the boundary layer.
The research into the development and structure of boundary layer is of great importance for both theoretical study and practical applications. For example, boundary layer theory is the basis for calculating the skin friction drag on ships, aircraft and the blades of turbomachines. Skin friction drag is created on the body surface within the boundary layer and is due to the viscous shear stress exerted on the surface through fluid particles in direct contact with it. The skin friction is proportional to the fluid viscosity and the local velocity gradient on the surface in the surface normal direction. Skin friction drag is present on the entire surface, thus it becomes significant over large areas, such as an airplane wing. Additionally, turbulent fluid flow creates more skin friction drag. The macro-turbulent fluid motion enhances the momentum transfer within the boundary layer by bringing fluid particles with high momentum down to the surface.
This demonstration focuses on the turbulent boundary layer over a flat plate, in which the flow is irregular, such as in mixing or eddying, and the fluctuations are superimposed on the mean flow. Thus, the velocity at any point in a turbulent boundary layer is a function of time. In this demonstration, constant temperature hot-wire anemometry, or CTA, will be used to conduct a boundary layer survey. Then, the Clauser chart method will be used to calculate the skin friction coefficient in a turbulent boundary layer.

Constant Temperature Anemometry: Turbulent Boundary Layer Flow Study

Anemometria a temperatura costante: uno strumento per studiare il flusso turbolento dello strato limite

Source: Xiaofeng Liu, Jose Roberto Moreto, and Jaime Dorado, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, California
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