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

実験1.計画<ol><li>火災や燃焼研究室に入る前に指示と安全上の注意事項に従ってください。安全教育は、一般的に、新規ユーザーのために必要とされます。 </li><li>必要なテストを実行するために事前に実験をスケジュールします。実験では、必要な燃料の輸送と必要な機器の詳細を検討してください。 </li><li>興味のある液体または固体燃料実験を識別します。それに応じて材料を準備します。 </li></ol>材料および計装の調製<ol><li>液体燃料の実験のために、多孔質の不燃性材料（アルカリ土類シリケートウール）の燃料芯を準備します。以前の実験4-6は、自由対流実験10cmのための8センチメートルのx 8センチメートルのx 1.27センチメートルのx 10センチメートルのx 1.27センチメートルに強制対流テストの厚いシートを利用してきました。 <ol><li>ためにプロパントーチから拡散炎に曝すことにより、約20分間、所定の燃料芯を焼きますウイックの内側に有機バインダを燃焼させました。 </li><li>芯の側面からの液体燃料の漏れを排除するために、自由に上面を除く芯のすべての面を覆うシリンジで液体ケイ酸ナトリウムを加えます。 </li><li>アルミホイルですべてが、芯の上面を遮蔽します。芯の側面にアルミ箔を貼り付け、高温接着剤を使用してください。 </li></ol></li><li>固体燃料の実験のために、固体燃料のシートをカット。以前の自由対流実験2、8cmの×8 cmのXクリアキャストポリメチルメタクリレート（PMMA）、1.27 cmの厚さのシートが使用されています。 </li><li>後でサンプルをマウントするの燃料サンプルのサイズと同じセラミック繊維断熱ボードのシートにスロットを切り取り。多くの場合、燃料の芯と同じ多孔質の不燃性を使用します。しかし、高温マットブラックペイントでそれを封印。 </li><li>与えられたデータ集録ハードウェアとソフトウェアを確認してください。ソフトウェアを開き、気性をチェック必要なテストを実行する前に、atureマッピングアルゴリズム。 </li></ol>実験のセットアップの調製<ol><li>それは十分離れて与えられた炎の完全な側面図が捕捉されるように、燃料の中心軸と一致し、されるように、サイドビューデジタル一眼レフカメラを置きます。 <ol><li>強制対流のためにフロリダ州エイムズ、画像熱分解ゾーンに火炎スタンドオフ距離を計算するための16センチメートルのx 8cmの領域をカバーする燃料試料の中心にビューの分野。 </li></ol></li><li>燃料サンプル上記のトラバースメカニズムを配置します。注意してトラバースメカニズムの横軸に50μmのワイヤ径のマイクロ熱電対を取り付けます。 </li><li>プログラマブルステッパモータコントローラをオンにします。 </li><li>強制流動実験、パワーアップ風洞の遠心送風機の場合。 </li><li>電源設定のランギと7000ヘルツの周波数にパルス幅変調（PWM）コントローラを設定します。熱線風速計を用いて検証異なるブロワ速度、のために16％から50％にngの。 </li><li>テストを続行する前に、安全メガネや耐火手の手袋を着用してください。 </li><li>各試験の間、飽和のその時点までの液体燃料（メタノールまたはエタノール）との芯を浸します。 8センチメートルのx 8センチメートルのx 1.27センチメートル厚いウィックについては、90ミリリットルが完全にしばらく10センチメートルのx 10センチメートルのx 1.27センチメートル厚いウィックのための2つの60ミリリットルの注射器を使用して芯を浸すのに十分であった、120ミリリットルは十分であることが判明しました。 </li><li>燃料芯ホルダーに慎重燃料に浸したウィック/固体燃料プレートを置きます。角度ゲージで燃料芯表面の平坦性を確認してください。 </li><li>マスバランスソフトウェアを開き、USBインタフェースの設定を確認してください。マスバランスを確認し、試験前の読書に注意してください。 </li></ol>燃焼や火災ラボ4.ランニング実験<ol><li>実験の各セットを完了した後の排気をオンにして実験施設の通気性を確保。 Exhaustは流れの乱れを排除するために役立つ実験中に可能な限り最小限または分離する必要があります。 </li><li>サンプルが点火される前に、燃料面の中心軸に沿って整列されたグラフ用紙または定規のシートの写真を撮ることでサイドビューデジタルカメラを較正します。キャリブレーション画像から平均画素/ mmの数を取得します。 （ImageJのに測定スケールを設定するための）画像の後処理中にピクセル/ mmで、この値を使用します。 </li><li>瞬間的に液体燃料ウィックのためにそれに触れると固形燃料で50〜60秒間、表面に均一に炎を渡し、プロパントーチに燃料を点火します。 </li><li>すぐに均一な点火後実験時間を開始します。燃焼時間を示すためにストップウォッチを使用してください。 </li><li>マスバランスソフトウェア上のデータ取得ボタンを押してください。 </li><li>時限間隔での燃焼芯の質量損失を監視し、測定ファイルに書き込みます。グラムのためにマスバランスソフトウェアを使用目的をiven。 </li><li>繰り返して、再現性を確保するために、同じ条件で複数のテストのために4.3〜4.6を繰​​り返します。 </li><li>質量損失の線形フィットが高いR 2値を持つ安定した燃焼政権を決定するために、時間曲線に対する質量損失を使用してください。 </li><li>非定常固体燃料については、表面の回帰（ 例えば、50秒、100秒、150秒、 など ） を測定するために、バーンアウトするために、点火から50秒刻みでサンプルを燃やします。 </li><li>カット回帰テストのために冷却した後、中心線に沿って固形燃料を燃やしました。 </li><li> ImageJのにカット固体燃料と負荷のサイドビュー写真を撮ります。定規でCMにピクセルを変換することにより、流れ方向の位置での回帰を測定します。 ImageJの中で与えられた画像を処理するためのステップの手順でステップを以下にリストされています。 <ol><li>画像を開く→[ファイルを経由してImageJの中の固体燃料サンプルのオープンサイドビュー写真。 </li><li> ImageJの中の固体燃料サンプルの（定規で）キャリブレーション画像を開きます。オープンキャリブレーション画像→[ファイルを介して。 </li><li>キャリブレーション画像と固体燃料サンプル画像を積み重ねます。スタックするスタック→画像→画像に移動します。 </li><li>測定スケールを設定します。このような写真上の定規のような既知の距離の2点間の線を引きます。 →セット尺度を分析するために移動します。セットのスケールウィンドウでラインの長さ、ピクセル単位で表示されます。該当するボックスに既知の距離と測定単位を入力し、[OK]をクリックします。 </li><li>新しい線を引くと測定スケールが正しいことを確認します。 </li><li>所与のサンプル写真の2点間の距離を測定する二つの点の間に線を引きます。ステータスバーには、（水平方向）からの角度と長さを表示します。 →測定を分析する（またはCtrl + Mまたは単にキーボードのMを入力）データウィンドウに値を転送します。 </li><li>バーンアウトサンプルの厚さを測定し、私からそれを差し引くことにより、各流れ方向位置xにおける退行を測定しますサンプルのnitial厚さ。 </li></ol></li><li>固体燃料の表面は、ほぼ横ばいで推移する時間間隔を注意し、温度マッピングのために使用し、または表面回帰を補償するために作られた熱電対位置の調整。 </li><li> 、安定した燃焼政権の間に、固体PMMAと液体に浸したウィック400秒間約150秒の測定値を捕捉するために温度マッピング間隔を設定します。液体と固体燃料の安定燃焼時間間隔に基づいて温度マッピング間隔を設定します。表面付近の推奨ステップサイズは0.25ミリメートル4-6です。 </li><li> XYのunislideを用いた燃料の表面で慎重にマイクロ熱電対の位置を合わせます。サンプルの幅の中心に与えられた熱電対を配置します。 </li><li> XYのunislideを用いた燃料芯の先端に慎重にマイクロ熱電対を移動します。 </li><li>コンピュータ上のデータ取得プログラムを実行し、D上のフォルダからグリッド走査アルゴリズムを読みますesktop。 注：実験が進行中であると、データ収集が自動で行われ、ユーザーが唯一の実験が計画どおりに行くされていることを確認するために、それを監督する必要があります。 </li><li>コンピュータ上のデータ取得プログラムを使用して、データを取得し、測定ファイルに書き込みます。注、100 4-5ヘルツ6〜500のサンプリングレートは、過去の実験に使用しました。 </li><li>終了したら、炎を消します。 PWMコントローラの電源をオフにして、3相240 VAC電源コンセントから送風機の電源プラグを抜いてください。 </li><li>ステッパモータコントローラの電源を切ります。 </li><li>繰り返しは、同じ熱電対と同様の、または異なる流れ条件で追加の実験のために4.18に4.12を繰り返します。 5テストの最小値がそれぞれ所定のフロー条件（ 例えば 、強制流速または垂直方向）に対して繰り返されるべきです。 </li><li>繰り返して、75μmのマイクロ熱電対のために4.18から4.12までを繰り返します。 SAMに沿って2つの熱電対（50ミクロンと75ミクロンのワイヤ径）トラバース正確な放射線の修正のための炎の中心に電子・パス。小さい熱電対を使用しても、しかし、多くの場合、50ミクロン以下の配線のために発生した破損することがあります。 </li></ol> 5.データ解析<ol><li> MATLABにLVMファイルまたは他の分析ソフトウェアから処理されたデータを読み込みます。 </li><li>異なる試験からの各空間点の温度データを平均化します。 </li><li>以下に詳細に説明コリスウィリアムズ10の相関以下、各流れ方向位置で平均熱電対データから線補正を計算します。 </li><li>生温度データ線補正を追加することによって、温度補償測定値を計算します。 </li><li>温度データと空間的位置を非多面的な分析を行います。 </li><li> Matlabのまたは他の専用ソフトウェアでカーブフィットアルゴリズムを使用して、適切な高次多項式フィットと燃料表面で無次元温度データをフィット。表面付近の4〜6ポイント以前の研究4-6に良好に機能することが見出されました。 </li><li>燃料表面での無次元温度分布（Y = 0）に、高次多項式フィットの傾きから燃料面で通常の無次元温度勾配を計算します。 </li><li>レイノルズアナロジー4に基づいて理論的な相関を用いた燃料面での対応するローカル無次元温度勾配からローカルの質量燃焼速度を計算します。 </li><li>燃料5-6の表面に温度勾配からの対流熱流束を計算します。 </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.

この調査の目的は、流れ場の様々な条件の下で液体と固体燃料の両方のローカル質量燃焼速度を推定するための新しい方法論を開発することでした。研究では、液体と固体の両方の燃料を使用して、2例、自由対流境界層の拡散火炎と異なる自由ストリーム条件下で確立された強制対流境界層の拡散火炎を検討しました。 両方の液体燃料に浸した芯の上およびPMMAの固体スラブの上に細線熱電対測定を介して測定地元の燃焼速度は、推定の他の手段、すなわち燃料回帰測定と一致することが判明しました。燃料表面に近いこれらの温度勾配は、最終的には、平均の結果を得るために15％以内の精度でデータが得られるとはるかに、着実に、層状燃焼を必要としながら、小規模のサンプルに対して非常によく働いた、レイノルズアナロジー12-13に基づいて相関関係を用いて決定しましたローカルmeasuremのためのより多くのエント4-6。これらの局所質量損失率の測定のための相関係数は、スポルディングの物質移動代表燃料数と事前に計算することができる燃料の他の熱物理的特性に依存します。結果は、この技術は、これらの量を抽出し、将来的にさらに詳細に小規模の燃料の燃焼を理解するのに有用であり得ることを示唆しています。 文献中の他の研究では、自由に、周囲の風6の下で4,5、および水平方向に取り付けられたサンプルを燃やし、垂直方向の試料について数値シミュレーション4や実験を取り入れ、ここで代表的な作品を拡大しています。この構成では、熱流束の成分も凝縮燃料の表面に非常に近い同じ細線熱電対技術を用いた燃料表面上に局所的に決定されています。熱流束の構成要素が埋め込まれたゲージを使用することにより、過去に測定されてきたが、THIsの技術は、低侵襲性であり、以前には不可能であった対流熱流束の直接測定を提供しています。 特定の構成および装置の設定を選択するときに特に注意が実験中に取られるべきです。これらの実験では、熱電対は、ワイヤの張力を維持し、比較的固定された熱電対の場所を作り、小さなセラミック管から突出ステップ3.2のために選ばれました。チューブなしで火炎全体にわたって中断し、熱電対のワイヤを使用すると、しかし、それははるかに変数ワイヤが温度の上昇とともに拡大する傾向があるとして、熱電対の特定の場所を見つけるになるだろう、セラミック管から可能な妨害を減少させるであろう。時には、構成の変更は、（サンプルを傾斜例えば）サンプルの幅を横切って効果を誘導することができます。セットアップは、過去4-6で検討したものから変更された場合、ステップ4.14の周りにその火炎温度MEA時折チェックサンプルの幅を横切ってsurementsは（ すなわち 、2-Dの仮定がまだ保持している）は有意な変動は取られるべきではない示しています。そうでなければ、3次元マッピングシステムを実装する必要があります。 最も重要なステップの実験を行いながら燃料の製造及び熱電対の適切な使用としなければなりません。熱電対の位置のわずかなずれがエラーを引き起こす可能性がステップ3.2、4.13および4.14に熱電対を配置する際に、そのため注意が必要です。できるだけ平坦面は（ステップ2.1）に維持され、すべての充填材料がウィック（ステップ2.1.1）の外に焼かれるべきであるように、燃料芯も配置する必要があります。 ステップ4.1で活性化排気システムは、また、流れの乱れを排除するために役立つ実験に近いできるだけ最小限または単離され維持されるべきです。これは、テストは（風なし）に行われる場所溶断されていない小さなろうそくを確保することによってチェックする必要があります。バッフル、スクリーン、大空間で別々囲ま施設または試験がこれを達成するために使用することができます。ステップ4.2において、固体燃料はできるだけ均一に点火されなければなりません。プロパントーチがこれを行うための最も理想的なソースはありませんが、実験は過去の作品4-6の着火源に敏感であることが見出されませんでした。点火源に対する感度は露光時間や強度を変化させ、安定した質量燃焼速度の結果を観察することによって、実験中に文書化されるべきです。感度が観察された場合放射パネルは、代わりにサンプルを点火するために使用されるべきです。固体燃料、または質量損失率によって観察されるような大規模な（&gt; 300秒）、定常燃焼領域を持たない任意の燃料は、温度マッピングが短い領域中に撮影していなければなりません。例えば、ステップ4.13でマッピングは燃料がまだ比較的平坦であり、表面の回帰が十分に文書化されているが、最初の150秒かけて撮影するPMMAをお勧めします。表面回帰測定は、Iを使用することができますmageJまたは他の同様の画像ソフトウェアは、写真上のピクセルを測定し、長さに変換します。それが冷却した後あるいは、デジタルマイクロメーター（たとえばPMMA等の「バブリング」材料の表面は、最初にサンディングする必要があります）、固体板の表面回帰を測定することができます。 提案された燃焼速度の相関は、層状の仮定に基づいている、しかし、この技術は実験的に決定されなければならない変更された機能的な関係を持つにもかかわらず、燃料表面の乱流燃焼のための類似の形式に従うべきであると仮定されます。ここで提示作業は続いて境界層燃焼を乱流に拡張することができ、乱流と燃料表面への入射熱流束を駆動する気相熱放出との間の関連する相互作用をさらに調査することができます。 燃焼速度の相関関係の基礎となる理論は、放射線を無視しています。理論が単純化され、ル本研究でカバーされていない状況で、その予測能力の不確実性にading。例えば、与えられた方法論は、表面への熱流束が大きく、放射高すすの炎のために動作しない場合があります。凝縮された燃料表面への放射熱流束が高い大規模な乱流の壁炎については、提案された燃焼速度の相関は、または動作しない場合があります。提案された相関における放射線の影響を含めることは、したがって、望ましく、さらなる研究がこの関数関係を決定するために実施されなければなりません。自信を持って予測方法は、このような炎のために達成される場合、このエリアには、モデルの改善を必要とします。

重要な進歩は、過去一世紀にわたって火災安全研究の分野でなされてきたが、火炎伝播の速度を予測することは、まだ多様な構成で多くの材料のための課題です。炎は、多くの場合、発火の初期供給源から発せられる、新しい要素の点火のシリーズとして構築または自然環境に進行広がります。これはunignited要素への加熱の速度に寄与するため、個々の燃焼材料の燃焼特性の知識は、火炎伝播のこれらのレートを予測するために重要です。燃料要素の熱放出速度（HRR）は、したがって、凝縮相燃料の燃焼（質量損失）率、のすなわち蒸発速度にほぼ等しい、火災の研究1における最も基本的な量として引用されています固体燃料の液体燃料または熱分解率。 燃焼速度は、母校の可燃性の尺度として考えることができますIALと火災のリスク分析や火災抑制システムの設計において重要なパラメータです。地元の質量損失（または燃焼）速度、M &quot;垂直壁のfは 、特に、このような内の壁に延焼、火災の成長、およびエネルギー放出速度などの多くの火災関連の問題、で重要な変数でありますエンクロージャ火災、煙と高温ガスプルームの広がり垂直壁に上向きの火炎伝播の予測については、火炎の高さを計算する必要があり、総エネルギー解放率に依存し。その、今度は、直接の影響を受けています壁2-3の全体の熱分解領域にわたって積分局所質量損失率。これらの統合質量損失率の知識が比較的よく知られているが、燃料表面に沿ったインクリメンタル位置での質量燃焼速度の知識があまり知られていません実験技術は、このような速度を測定するためには非常に限られている。この「ローカル」質量燃焼速度を提供する技術情報は、互いに異なる燃料または構成を区別するメカニズムを理解するために研究を可能にする、凝縮燃料の燃焼に増加洞察を提供することができます。ほとんどの材料は、第1小スケールで評価されるように（ 例えば、コーン熱量計1で）、論理的な最初のステップは、凝縮された燃料の表面上に小さな、層流拡散火炎における局所質量燃焼速度を測定するための技術を提供することにあります。 ここで紹介する作品は、凝縮された燃料の表面上に確立された安定した層流炎の実験を実施するための実験方法およびプロトコルについて説明します。マイクロ熱電対を使用して、局所的な温度勾配の推定は、これらの炎4-6で地元の質量燃焼速度と熱流束の推定のために特に有用な技術です。文献データの分析はcondenにおける局所熱伝達、燃焼及び摩擦係数を決定することの難しさを示しています物理学、特に火災とその広がり4-6を駆動根底にあるメカニズムを理解するために重要であるsedの燃料表面、。燃料表面上にローカルの場所でおそらく最もよく測定された火災のプロパティを残っていた熱流束のコンポーネントは、測定が困難であることが証明されています。そのような燃料の変動、熱流束のスケーラビリティ、定常状態を達成し、熱流束計の技術が異なることの難しさなどの効果は、文献4で利用可能で、データのかなり広い散布に貢献しています。高い精度で局所的な温度勾配の測定は、この変動を緩和し、また、層状壁火災、標準的な火災の研究課題の数値的検証のために使用することができる熱伝達相関を提供するために役立ちます。このような実験はまた、層と乱流境界層中の可燃凝縮燃料表面と気相炎との間の動的な関係を模索するのに有用です秒。正確に正確かつ繰り返し可能な方法でこれらの温度勾配を捕捉する方法は、以下に記載されています。

<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

凝縮相燃料の現実的な燃焼挙動をモデル化するための気相炎と凝縮相の燃料との間の界面で発生する複雑な相互作用を解決することができないの一部に、手の届かないところにとどまっています。現在の研究は、層境界層中の可燃凝縮燃料表面と気相炎との間の動的な関係を探求するための技術を提供します。実験は以前に、固体と液体燃料の両方の上に両方の強制と自由対流環境で行われています。レイノルズアナロジーに基づいてユニークな方法論は、燃料表面における局所的な温度勾配を利用して、これらの層流境界層拡散火炎のローカル質量燃焼速度と火炎熱フラックスを推定するために使用されました。地元の質量燃焼速度と炎からの対流と放射熱のフィードバックは、2軸トレイバーによって壁の近くマッピングされた温度勾配を使用して、両方の熱分解及びプルームの領域で測定しました。SEシステム。これらの実験は、時間がかかると凝縮された燃料の表面は点火後の時間の限られた期間のために着実に燃えるように設計するために挑戦することができます。燃料表面付近の温度プロファイルは、局所的な温度勾配の合理的な推定を捕捉するために、非常に高い空間分解能で凝縮燃料表面の安定燃焼中にマッピングする必要があります。熱電対からの放射熱損失の慎重な修正はまた、正確な測定のために不可欠です。これらの理由から、全実験は、マイクロ熱電対の位置に起因するほとんどのエラーを排除し、コンピュータ制御のトラバース機構を自動化する必要があります。再現壁近傍の温度勾配を取得し、ローカルの燃焼速度と熱流束を評価するためにそれらを使用するための手順の概要が提供されます。

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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.

定常流境界層の拡散火炎における局所熱フラックスとバーニング料金の推定のための実験的方法論

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 ビュー.  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. 

ビデオ: 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.

先進ライトソースで難実験：すす生成プロセスに新たな洞察

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

工学

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.

プラズマトロン内のアブレーション材料試験中の放射分光境界層調査

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.

マイクロ管状火炎補助燃料電池用燃焼特性とモデル燃料開発

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.

反応速度と私の燃焼ダイナミクス<sub&gt; 4</sub&gt; O<sub&gt; 9</sub&gt;とアルミニウムの混合物

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.

燃料の燃焼化学: と大気の高温流動反応器から得られる定量的な種分化データ結合分子線質量分析計

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

化学

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.

風洞実験によるシャパラル クラウン火災を検討

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.

その場で燃焼の実験的研究のための実験: 燃焼と原油の燃焼効率

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.

管内の単相およびフロー ローカル瞬時対流熱伝達の測定

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

熱拡散率とレーザーフラッシュ法

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

Education

JoVE Science Education

材料工学

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

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