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

1. Planung der Experimente <ol><li> Befolgen Sie die Anweisungen und Sicherheitshinweise, bevor das Feuer oder Verbrennung Forschungslabor betreten. Sicherheitstraining für neue Nutzer in der Regel erforderlich. </li><li> Planen Sie Ihre Experimente im Voraus, um die erforderlichen Tests durchzuführen. Betrachten wir die Einzelheiten des Versuchs, den Transport der erforderlichen Brennstoffe und notwendige Ausrüstung. </li><li> Identifizieren Sie die flüssigen oder festen Brennstoffen Experimente von Interesse. Bereiten Sie die Materialien entsprechend. </li></ol> 2. Herstellung von Materialien und Instrumentation <ol><li> Für flüssige Brennstoff Experimente, bereiten Sie einen Kraftstoff Docht aus porösem nicht brennbaren Material (Erdalkali-Silicat-Wolle). Frühere Experimente 4-6 wurden 8 cm x 8 cm x 1,27 cm für die freie Konvektion Tests genutzt und 10 cm x 10 cm x 1,27 cm dicken Platten für erzwungene Konvektion Tests. <ol><li> Backen Sie den gegebenen Brennstoff Docht für etwa 20 Minuten, indem sie einer Diffusionsflamme aus einem Propangasbrenner, um auszusetzenorganische Bindemittel in der Docht zu brennen. </li><li> Um eine Leckage des flüssigen Kraftstoffs von den Seiten des Dochts zu beseitigen, gelten zügig flüssiges Natriumsilicat mit einer Spritze alle Flächen des Dochts mit Ausnahme der oberen Fläche bedeckt. </li><li> Schirmen Sie alle, aber die Oberseite des Dochtes mit Aluminiumfolie. Verwenden, um eine Hochtemperaturklebstoff der Aluminiumfolie an den Seiten des Dochts einzufügen. </li></ol></li><li> Für feste Brennstoffe Experimente, schneiden Sie ein Blatt des festen Brennstoffs aus. In früheren Experimenten freie Konvektion 2, eine 8 cm x 8 cm x 1,27 cm dicke Folie aus einem klaren gegossenen Polymethylmethacrylat (PMMA) verwendet wurde. </li><li> Schnitten einen Schlitz in einem Blatt aus Keramikfaserisolationsplatte gleich der Größe der Kraftstoffprobe in die später die Probe zu montieren. Oft verwenden die gleiche poröse nicht brennbar als Brennstoff Docht; jedoch abdichten mit hoher Temperatur mattschwarze Farbe. </li><li> Überprüfen Sie die angegebenen Datenerfassungshardware und Software. Öffnen Sie die Software und überprüfen Sie die Stimmungature Mapping-Algorithmus vor erforderlichen Tests durchzuführen. </li></ol> 3. Vorbereitung der Versuchsaufbau <ol><li> Legen Sie eine Seitenansicht digitale Spiegelreflexkamera, so dass sie mit der Mittelachse des Kraftstoffs ausgerichtet ist und weit genug entfernt, so dass die volle Seitenansicht der gegebenen Flamme erfasst wird. <ol><li> Für zwangskonvektiv Flammen, Bild ein Sichtfeld in der Mitte der Brennstoffprobe mit einer Fläche von 16 cm x 8 cm für die Berechnung der Flammen Stand-off-Abstand in der Pyrolysezone. </li></ol></li><li> Setzen Sie den Quermechanismus über dem Kraftstoffprobe. Bringen Sie einen 50 &amp; mgr; m Draht-Durchmesser Mikrothermoelement zur horizontalen Achse des Quermechanismus mit Vorsicht. </li><li> Schalten Sie den programmierbaren Schrittmotorsteuerung. </li><li> Im Fall von Zwangsströmung Experimente, Macht das Radialgebläse des Windkanals auf. </li><li> Stellen Sie die Pulsbreitenmodulation (PWM) -Regler auf eine Frequenz von 7000 Hz mit Leistungseinstellungen ranging von 16% bis 50% für verschiedene Gebläsedrehzahlen, mit einem Heißdraht-Anemometer verifiziert. </li><li> Schutzbrille und feuerbeständige Handschuhe, bevor Sie mit dem Test fortfahren. </li><li> Bei jedem Versuch, tränken Sie den Docht mit flüssigem Brennstoff (Methanol oder Ethanol) bis zu seinem Sättigungspunkt. Für ein 8 cm x 8 cm x 1,27 cm dicken Docht, 90 ml ausreichend war, um vollständig den Docht mit zwei 60-ml-Spritzen, während für eine 10 cm x 10 cm x 1,27 cm dicken Docht einweichen wurden 120 ml ausreichend erwiesen. </li><li> Setzen Sie den Kraftstoff-getränkten Docht / Festbrennstoffplatte vorsichtig in den Kraftstoff-Dochthalter. Überprüfen Sie die Planheit des Brennstoffdocht Oberfläche mit einem Winkelmesser. </li><li> Öffnen Massenbilanz Software und überprüfen Sie die USB-Schnittstelle Einstellungen. Schauen Sie sich die Massenbilanz und beachten Sie seine Lesung vor dem Test. </li></ol> 4. Laufversuche in einer Verbrennung oder Brandlabor <ol><li> Achten Sie darauf, eine ausreichende Belüftung der Versuchsanlage, indem Sie auf das Abgas Drehen nach jedem Satz von Experimenten abgeschlossen. Exhaust sollte während der Experimente als minimal oder isoliert wie möglich sein, um Strömungsstörungen zu beseitigen. </li><li> Bevor eine Probe gezündet wird, kalibrieren Seitenansicht Digitalkamera durch ein Bild von einem Blatt Millimeterpapier oder Lineal nimmt, die entlang der Mittelachse der Kraftstoffoberfläche ausgerichtet ist. Erhalten durchschnittliche Pixel / mm Zählung von den Kalibrierungsbilder. Verwenden Sie diesen Wert von Pixel / mm während der Nachbearbeitung der Bilder (für die Messskala in ImageJ Einrichtung). </li><li> Zünden des Kraftstoffs mit einem Propangasbrenner, kurzzeitig für einen flüssigen Kraftstoff Docht berührt und Leiten der Flamme gleichmäßig über die Oberfläche für 50-60 sec mit einem festen Brennstoff. </li><li> Starten Sie experimentelle Zeit unmittelbar nach dem gleichmäßigen Zündung. Verwenden Sie eine Stoppuhr, um die Brennzeit bezeichnen. </li><li> Drücken Sie die Datenerfassung Taste auf die Massenbilanz Software. </li><li> Überwachen Sie den Masseverlust des brennenden Docht über einen Zeitintervall und schreibt sie in eine Messdatei. Verwenden Sie die Massenbilanz-Software für die gIven Zweck. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 4.3 bis 4.6 für mehrere Tests unter den gleichen Bedingungen Wiederholbarkeit sicherzustellen. </li><li> Verwenden Sie die Massenverlust-Zeit - Kurve , die stetig brennenden Regime , um zu bestimmen, wo eine lineare Anpassung der Masseverlust eine hohe R 2 Wert hat. </li><li> Für instationären festen Brennstoffen verbrennen Proben bei 50 Sekunden - Schritten von Zündung auszubrennen Oberfläche Regression zu messen (zB für 50 s, 100 s, 150 s, etc.). </li><li> Cut verbrannt feste Brennstoffe entlang der Mittellinie nach für Regressionstests Kühlung. </li><li> Nehmen Seitenansicht Aufnahmen von schneiden festen Brennstoffen und Last in ImageJ. Messen Sie die Regression in Strömungs Stellen von Pixeln Umwandlung mit einem Lineal bis cm. Vorgehen Schritt für Schritt ein bestimmtes Bild in ImageJ zu verarbeiten nachstehend aufgeführt ist. <ol><li> Offene Seitenansicht Fotografie des Festbrennstoffprobe in ImageJ über Wählen Sie Datei → Bild öffnen. </li><li> Öffnen Sie das Kalibrierungsbild (mit Lineal) des Festbrennstoff-Probe in ImageJüber Wählen Sie Datei → Öffnen Kalibrierung Bild. </li><li> Stapeln Sie die Kalibrierungsbild und Festbrennstoffprobenbild auf. Zum Bild → Stapel → Bilder zu stapeln. </li><li> Set Messskala: Zeichnen Sie eine Linie zwischen zwei Punkten bekannter Distanz wie ein Lineal auf dem Foto. Gehe zu → Set Maßstab zu analysieren. Im Fenster Set-Skala die Länge der Linie in Pixeln wird angezeigt. Geben Sie den bekannten Abstand und Maßeinheiten in die entsprechenden Felder ein und klicken Sie auf OK. </li><li> Zeichnen Sie eine neue Zeile und bestätigen, dass die Messskala korrekt ist. </li><li> Messabstand zwischen zwei Punkten in der gegebenen Probe Foto: Zeichnen Sie eine Linie zwischen zwei Punkten. Die Statusleiste zeigt den Winkel (von der Horizontalen) und die Länge. Analysieren → Messen (oder Strg + M oder geben Sie einfach M auf der Tastatur) überträgt die Werte in einem Datenfenster. </li><li> Messen Sie die Regression an jeder Stelle in Strömungsrichtung x durch die Dicke der Ausbrand Probe gemessen wird und aus der i Subtrahierennitial Dicke der Probe. </li></ol></li><li> Beachten Sie das Zeitintervall, über die die Oberfläche von festen Brennstoffen etwa flach bleiben und verwenden für Temperatur-Mapping oder Anpassungen von Thermoelement-Positionen gemacht für die Oberflächen Regression zu kompensieren. </li><li> Stellen Sie die Temperatur-Mapping Intervallmessungen während des stationären Brennen Regime zu erfassen, etwa 150 Sekunden für feste PMMA und 400 sec für Flüssigkeit getränkte Dochte. Stellen Sie die Temperatur-Mapping-Intervall basierend auf dem stationären Brennzeitintervall von flüssigen und festen Brennstoffen. Eine empfohlene Schrittgröße in der Nähe der Oberfläche beträgt 0,25 mm 4-6. </li><li> Richten eines Mikrothermoelement genau mit der Oberfläche des Kraftstoffs eine XY UnISLIDE verwenden. Platzieren Sie den gegebenen Thermoelement in der Mitte der Breite der Probe. </li><li> Bewegen Sie den Mikro-Thermoelement vorsichtig auf die Vorderkante des Brennstoff Docht die XY-UnISLIDE verwenden. </li><li> Führen Sie einen Datenerfassungs-Programm auf einem Computer und lesen Sie das Rasterscanalgorithmus von einem Ordner auf dem desktop. Hinweis: Wenn das Experiment im Gange ist, die Datenerfassung erfolgt automatisch und der Benutzer braucht nur zu überwachen, um sicherzustellen, dass das Experiment wie geplant wird. </li><li> Verwendung eines Datenerfassungsprogramm auf einem Computer, zu erwerben Daten und schreibt sie in eine Messdatei. Beachten Sie , Abtastraten von 100 bis 500 4-5 6 Hz wurden in den vergangenen Experimenten verwendet. </li><li> Wenn Sie fertig sind, löschen Sie die Flamme. Schalten Sie die PWM-Steuerung aus und ziehen Sie den Netzstecker des Gebläses von der 3-Phasen 240 VAC Steckdose. </li><li> Drehen Sie den Schrittmotorsteuerung aus. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 4,12-4,18 für zusätzliche Versuche an ähnlichen oder unterschiedlichen Strömungsbedingungen mit dem gleichen Thermoelement. Ein Minimum von 5 Tests sollte für jeden gegebenen Strömungsbedingungen (beispielsweise Zwangsströmungsgeschwindigkeit oder vertikale Ausrichtung) wiederholt werden. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 4,12-4,18 für einen 75 &amp; mgr; m Mikrothermoelement. Traverse zwei Thermoelemente (50 und 75 um Drahtdurchmesser) entlang der same Weg in der Mitte der Flamme für eine genaue Strahlungs korrigiert. Kleinere Thermoelemente können auch verwendet werden könnten, jedoch häufig für Drähte unter 50 um trat Bruch. </li></ol> 5. Datenanalyse <ol><li> Lesen Sie die verarbeiteten Daten von der LVM-Datei in Matlab oder andere analytische Software. </li><li> Der Mittelwert der Temperaturdaten an jedem Raumpunkt aus verschiedenen Tests. </li><li> Berechnen eines Strahlungskorrektur von gemittelten Thermoelement - Daten an jeder Stelle in Strömungsrichtung nach der Korrelation von Collis und Williams 10 unten im Detail beschrieben. </li><li> Berechnen Sie kompensierten Temperaturmessungen durch die Strahlungskorrektur auf rohe Temperaturdaten hinzugefügt wird. </li><li> Nicht dimensionalize die Temperaturdaten und der räumlichen Lage. </li><li> Montieren Sie die dimensionslose Temperaturdaten an der Kraftstoffoberfläche mit einem geeigneten höherer Ordnung Polynomfit einer Kurvenanpassung Algorithmus in Matlab oder andere spezielle Software verwenden. 4 bis 6 Punkte in der Nähe der OberflächeEs wurde gefunden , 4-6 in früheren Studien gut zu funktionieren. </li><li> Berechnen der normalen nicht-dimensionsmäßigen Temperaturgradienten an der Kraftstoffoberfläche von der Steigung der Polynom höherer Ordnung Anpassung an die dimensionslose Temperaturverteilung an der Kraftstoffoberfläche (y = 0). </li><li> Berechnen Sie die lokalen Massenverbrennungsrate aus dem entsprechenden lokalen nicht-dimensionalen Temperaturgradienten an der Kraftstoffoberfläche eine theoretische Korrelation auf der Basis der Reynolds - Analogie - 4. </li><li> Berechne den konvektiven Wärmeflusses von dem Temperaturgradienten an der Oberfläche des Kraftstoff 5-6. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Das Ziel dieser Untersuchung war es, eine neue Methode zur Schätzung der lokalen Massenverbrennungsraten zu entwickeln, sowohl für flüssige und feste Brennstoffe unter einer Vielzahl von Strömungsfeldbedingungen. Die Studie betrachtet zwei Fällen eine freie Konvektion Grenzschicht Diffusionsflamme und erzwungene Konvektion Grenzschicht Diffusionsflammen unter verschiedenen Bedingungen freiStrom etabliert, sowohl flüssige als auch feste Brennstoffe verwenden. Lokale Brenngeschwindigkeiten gemessen über Feintemperaturmessungen über beide flüssigen Brennstoff getränkten Dochten und über feste Platten aus PMMA gefunden wurden andere Mittel der Schätzung übereinstimmen, nämlich Kraftstoff Regressions Messungen. Diese Temperaturgradienten in der Nähe der Kraftstoffoberfläche wurden unter Verwendung einer Korrelation auf der Reynolds - Analogie basiert bestimmt 12-13, die während einer stetigen, laminare Verbrennung funktionierte sehr gut für kleine Proben, was letztlich zu Daten innerhalb von 15% Genauigkeit für mittlere Ergebnisse und vieles mehr für die lokale Measurements 4-6. Der Korrelationsfaktor für diesen lokalen Massenverlustrate Messungen hängt von der Spalding Massentransfer Anzahl der repräsentativen Treibstoff und anderen thermophysikalischen Eigenschaften des Kraftstoffs , der von vornherein berechnet werden kann. Die Ergebnisse legen nahe, dass diese Technik nützlich sein können, um diese Mengen zu extrahieren und die Verbrennung von Brennstoffen in kleinem Maßstab in größerem Detail in der Zukunft zu verstehen. Andere Studien in der Literatur haben die Vertreter der Arbeit hier erweitert enthält numerische Simulationen 4 und Experimente an vertikal orientierten Proben frei 4,5 Brennen und horizontal montierten Proben unter Umgebungs Winde 6. Für diesen Konfigurationen haben Komponenten der Wärmeflüsse auch lokal über die Brennstoffoberfläche unter Verwendung des gleichen Feindraht-Thermoelement-Technik sehr nahe an der kondensierten Kraftstoffoberfläche ermittelt. Während Komponenten des Wärmestroms in der Vergangenheit durch die Verwendung von eingebetteten Lehren gemessen, this-Technik ist minimal-invasiv und bietet eine direkte Messung der konvektiven Wärmeflüsse, die vor nicht möglich gewesen. Besondere Vorsicht ist bei Versuchen getroffen werden, wenn bestimmte Konfigurationen und Einrichtung des Geräts muss so gewählt. In diesen Experimenten wurden Thermoelemente für den Schritt 3.2 ragt aus einem kleinen Keramikrohr gewählt wird, an dem Draht zu halten Spannung und macht die Lage des Thermoelements relativ fixiert. ein Thermoelement-Draht über die ganze Flamme ohne Schlauch von dem Keramikrohr mögliche Störungen reduzieren würde suspendiert Verwendung jedoch würde es den spezifischen Ort des Thermoelements Lokalisieren viel variabler als der Draht mit steigenden Temperaturen zu erweitern neigt. Manchmal Änderungen in der Konfiguration könnte Effekte über die Breite der Probe (beispielsweise die Probe Neigen) induzieren. Wenn das Setup von den in der Vergangenheit 4-6, um Schritt 4.14 gelegentliche Kontrollen untersucht modifiziert , dass die Flammentemperatur measungen über die Breite der Probe zeigen keine signifikante Veränderung (dh ein 2-D Annahme hält noch) genommen werden sollte. Andernfalls wird ein 3-D-Abbildungssystem müssen implementiert werden. Die wichtigsten Schritte während der Durchführung der Experimente haben mit der Vorbereitung des Brennstoffs und die ordnungsgemäße Verwendung von Thermoelemente zu tun. Schon geringe Abweichungen bei der Positionierung der Thermoelemente können Fehler verursachen, daher muss darauf geachtet werden, wenn das Thermoelement die Positionierung in den Schritten 3.2, 4.13 und 4.14. Der Kraftstoff Docht muss auch so angeordnet werden, dass möglichst ebene wie möglich gehalten wird (Schritt 2.1) und alle Füllmaterial sollte aus Dochten (Schritt 2.1.1) gebacken werden. Das Abgassystem, aktiviert in Schritt 4.1 sollte auch als minimal oder isoliert wie möglich nahe dem Experiment beseitigen zu helfen, Strömungsstörungen gehalten werden. Dies sollte, indem sichergestellt wird eine kleine Kerze überprüft werden nicht durchgebrannt ist, wo der Test stattfinden wird (ohne Wind). Leitbleche, BildschirmeEine separate geschlossenen Anlage oder beim Testen in einem großen Raum kann diese verwendet werden, zu erreichen. In Schritt 4.2 muss der feste Brennstoff möglichst gleichmäßig gezündet werden. Während der Propangasbrenner nicht die ideale Quelle ist , dies zu tun, wurden Experimente nicht 4-6 in früheren Arbeiten zu empfindlich auf die Zündquelle vorhanden. Empfindlichkeit gegenüber der Zündquelle sollte durch Variieren der Zeit oder Intensität der Belichtung und Beobachten der Ergebnisse auf dem stationären Massenverbrennungsrate während der Experimente dokumentieren. Wenn die Empfindlichkeit ein Fußbodenheizungs beobachtet wird, sollte alternativ verwendet werden, um Proben zu entzünden. Feste Brennstoffe oder jeder Brennstoff, der nicht eine große (&gt; 300 sec) stetig brennende Region hat wie durch Massenverlustraten beobachtet sollte während einer kurzen Region genommen Temperatur-Mapping haben. Zum Beispiel wird in Schritt 4.13 die Zuordnung für PMMA empfohlen über den ersten 150 Sekunden genommen werden, während der Brennstoff noch relativ flach und Oberflächen Regression wurde gut dokumentiert. Oberflächenregressions Messungen kann ichmageJ oder andere ähnliche Bild Software Pixel auf den Fotos zu messen und auf Länge zu konvertieren. Alternativ kann eine digitale Mikrometer der Oberfläche Regression der Festplatte zu messen, verwendet werden, nachdem sie abkühlt (beachten Sie die Oberfläche von &quot;Sprudeln&quot; Materialien wie PMMA müssen zunächst geschliffen werden). Die vorgeschlagene Abbrandgeschwindigkeit Korrelation auf laminar Annahmen beruht, es wird jedoch vermutet, dass diese Technik eine ähnliche Form für turbulente Verbrennung einer Brennstoffoberfläche folgen sollte, wenn auch mit einer modifizierten funktionellen Beziehung, die experimentell bestimmt werden müssen. Die Arbeit hier präsentiert werden können anschließend verlängert Grenzschichtverbrennung und die damit verbundenen Wechselwirkungen zwischen Turbulenz und Gasphasen-Wärmefreisetzung zu turbulent, die den Vorfall Wärmefluss auf die Kraftstoffoberfläche treiben kann weiter untersucht werden. Die Theorie, auf die die Brenngeschwindigkeit Korrelation beruht vernachlässigt auch Strahlung. Die Theorie wird stark vereinfacht leading zu Unsicherheit in seiner prädiktiven Fähigkeiten unter Umständen, die durch die vorliegende Arbeit nicht abgedeckt sind. Zum Beispiel kann die angegebene Methode nicht für hohe Rußbildung Flammen arbeiten, wo der Wärmestrom auf die Oberfläche weitgehend Strahlungs ist. Für große turbulenten Wand Flammen, wo die Strahlungswärmefluss in die kondensierte Kraftstoffoberfläche hoch ist, die Brenngeschwindigkeit Korrelation vorgeschlagen kann oder auch nicht. Aufnahme von Strahlungseffekten in der vorgeschlagenen Korrelation ist somit wünschenswert, und weitere Forschung muss, um diese Funktionsbeziehung zu bestimmen, durchgeführt werden. Dieser Bereich erfordert Verbesserungen in dem Modell, wenn sicher Vorhersageverfahren sind für solche Flammen erreicht werden.

Während kritische Fortschritte haben im Bereich der Brandschutzforschung im vergangenen Jahrhundert, die Vorhersage Raten von Flammenausbreitung bleibt immer noch eine Herausforderung für viele Materialien in den verschiedensten Konfigurationen vorgenommen. Flammenausbreitung verläuft häufig in entweder die eingebauten oder natürlichen Umgebungen als eine Reihe von Zündungen neuer Elemente, ausgehend von einer anfänglichen Zündquelle. Kenntnisse über die Brenneigenschaften der einzelnen Brennmaterialien ist von entscheidender Bedeutung, um diese Sätze von Flammenausbreitung zu prognostizieren, denn dies trägt zu Raten von Erhitzen auf nicht entzündetem Elemente. Die Wärmefreisetzungsrate (HRR) eines Brennelements ist daher als die grundlegendste Menge in Brand Forschung 1 zitiert worden sind, etwa gleich dem Brennen (Massenverlust) Rate der kondensierten Phase Kraftstoff, nämlich die Verdampfungsrate von ein flüssiger Brennstoff oder Pyrolyse Rate eines festen Brennstoffs. Die Verbrennungsgeschwindigkeit kann als ein Maß für die Entflammbarkeit einer mater gedacht werden,ial und ist ein kritischer Parameter in Brandrisikoanalyse und das Design von Feuerlöschanlagen. Die lokale Massenverlust (oder Brennen) Rate, M &quot;f, einer vertikalen Wand, insbesondere eine wichtige Variable in vielen brandbedingten Probleme, wie die Flammenausbreitung an einer Wand, Feuer Wachstum und Energiefreisetzungsraten innerhalb ein Gehäuse, Feuer, und die Ausbreitung von Rauch und heißen Gasfahnen Für Vorhersage nach oben Flammenausbreitung an einer senkrechten Wand, die Flammenhöhe berechnet werden müssen, die auf die Gesamtenergiefreisetzungsrate abhängt;. das wiederum wird direkt beeinflusst durch die lokale Massenverlustrate der gesamten Pyrolysetank Bereich der Wand 2-3 integriert über. Während die Kenntnis dieser integrierten Massenverlustraten sind relativ gut bekannt, Kenntnis der Massen Abbrandgeschwindigkeiten an inkrementalen Positionen entlang einer Kraftstoffoberfläche sind nicht gut bekannt weil experimentelle Techniken wie Raten zu messen sind äußerst begrenzt. Eine Technik, die diese &quot;lokalen&quot; Massenverbrennungsrate liefertInformationen könnten besseren Einblick auf die Verbrennung von kondensierten Brennstoffe liefern Forscher können die Mechanismen besser zu verstehen, die verschiedene Kraftstoffe oder Konfigurationen voneinander unterscheiden. Da die meisten Materialien zunächst in der kleinen Skala bewertet werden (zB in einem Kegel - Kalorimeter 1), ein logischer erster Schritt ist es, eine Technik zu schaffen , lokale Massenverbrennungsraten in kleinen, laminare Diffusionsflammen über kondensierter Kraftstoff Oberflächen zu messen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die experimentelle Methodik und Protokolle für die Durchführung von Experimenten auf stetigen laminaren Flammen über kondensierter Kraftstoff Oberflächen etabliert. Die Einschätzung der lokalen Temperaturgradienten Mikrothermoelemente verwendet , ist eine besonders nützliche Technik für die Schätzung der lokalen Massenverbrennungsraten und Wärmeströme in diesen Flammen 4-6. Eine Analyse der Daten aus der Literatur zeigt die Schwierigkeit, lokale Wärmeübertragung, Verbrennung und Reibungskoeffizienten an der conden der Bestimmungsed Kraftstoffoberfläche, die die Physik für das Verständnis und die zugrunde liegenden Mechanismen sind wichtig , die einen bestimmten Bränden und ihrer Ausbreitung 4-6 fahren. Die Komponenten der Wärmeflüsse, die vielleicht die wohldosierten Feuer Eigentum an lokalen Standorten über eine Kraftstoffoberfläche geblieben sind, haben sich als schwierig erwiesen zu messen. Effekte wie Variabilität von Brennstoffen, Wärmefluß Skalierbarkeit Schwierigkeit Gleichgewichtsbedingungen zu erreichen und unterschiedliche Wärmestrommesser Technologien haben zu einer ziemlich breiten Streuung von Daten trugen , die in der Literatur 4 verfügbar ist. Die Messungen der lokalen Temperaturgradienten mit hoher Genauigkeit wird dazu beitragen, diese Variabilität zu lindern und auch die Wärmeübertragung Korrelationen bereitzustellen, die für die numerische Validierung von laminaren Wandbrände, eine kanonische Feuer Forschungsproblem verwendet werden könnten. Solche Experimente sind auch nützlich in der dynamischen Beziehung zwischen einer brennbaren kondensierte Brennstoffoberfläche und der Gasphase in Flammen laminare und turbulente Grenzschicht zu erkundens. Verfahren, um genau diese Temperaturgradienten in einer genauen und wiederholbaren Weise erfassen sind unten beschrieben.

<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

Gasphasen auftretenden Flammen und in kondensierter Phase Brennstoffe Modellierung des realistischen Brennverhalten von kondensierter Phase Brennstoffen außer Reichweite, zum Teil blieb wegen der Unfähigkeit, an der Schnittstelle zwischen der komplexen Wechselwirkungen zu lösen. Die aktuelle Forschung stellt eine Technik die dynamische Beziehung zwischen einem brennbaren kondensierten Kraftstoffoberfläche und Gasphasen Flammen in laminaren Grenzschichten zu erkunden. Versuche haben bisher in beiden gezwungen und freie konvektive Umgebungen sowohl über feste und flüssige Brennstoffe durchgeführt worden. Eine einzigartige Methodik, basierend auf der Analogie Reynolds wurde verwendet, um lokale Massenverbrennungsraten und Flamme Wärmeflüsse für diese laminaren Grenzschicht Diffusionsflammen zu schätzen lokale Temperaturgradienten an der Kraftstoffoberfläche verwendet. Lokale Massenverbrennungsraten und Konvektionswärme und Strahlungswärme Feedback von den Flammen wurden sowohl in der Pyrolyse und plume Regionen gemessen durch Temperaturgradienten abgebildet in der Nähe der Wand durch eine Zwei-Achsen-Traver mitse-System. Diese Versuche sind zeitaufwendig und kann schwierig sein, zu entwerfen, die kondensierte Kraftstoffoberfläche nur für eine begrenzte Zeit nach der Zündung ständig brennt. Die Temperaturprofile in der Nähe der Kraftstoffoberfläche benötigen während des stationären Verbrennung eines kondensierten Kraftstoffoberfläche mit einer sehr hohen räumlichen Auflösung, um eine angemessene Schätzung der lokalen Temperaturgradienten zu erfassen abgebildet werden. Eine sorgfältige Korrekturen für die Strahlungswärmeverluste aus den Thermoelemente sind auch für genaue Messungen unerlässlich. Aus diesen Gründen muss die gesamte Versuchsaufbau mit einem computergesteuerten Traversenmechanismus automatisiert werden, die meisten Fehler aufgrund der Positionierung einer Mikrothermoelement eliminiert wird. Eine Übersicht über die Schritte reproduzierbar wandnahe Temperaturgradienten zu erfassen und nutzen sie lokale Verbrennungsraten und Wärmeflüsse zu beurteilen, ist vorgesehen.

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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.

Experimentelle Methoden zur Schätzung der lokalen Wärmeströme und Verbrennungsraten in Steady laminaren Grenzschicht Diffusion Flames

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 de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

11.7K Aufrufe.  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. 

Serie: 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.

Flammen-Experimente an der Advanced Light Source: Neue Einblicke in Rußbildung Prozesse

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

Forschung

Ingenieurwesen

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.

Emissionsspektroskopische Grenzschichtuntersuchung während ablative Materialprüfung 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.

Combustion Charakterisierung und Modell Kraftstoffentwicklung für Mikrorohr Flamme-unterstützte Brennstoffzellen

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.

Reaktionskinetik und Verbrennungsdynamik von I<sub&gt; 4</sub&gt; O<sub&gt; 9</sub&gt; Und Aluminium-Mischungen

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.

Chemie der Verbrennung von Brennstoffen: Quantitative Speziationsdaten aus einer atmosphärischen Strömung der Hochtemperatur-Reaktor mit gekoppelt Molekularstrahl Massenspektrometer

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

Chemie

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.

Windkanal-Experimente, Chaparral Krone Brände zu studieren

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.

Experimentelle Verfahren für Untersuchungen im Labor des Brennens In Situ : Entflammbarkeit und brennen Effizienz von Rohöl

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.

Messungen der lokalen momentane konvektive Wärmeübertragung in einem Rohr - Einzel- und zwei-Phasen-Strömung

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://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/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

Temperaturleitfähigkeit und die Laser-Flash-Methode

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

Lehre

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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

Konstant-Temperatur-Anemometrie: Ein Werkzeug zur Untersuchung der turbulenten Grenzschichtströmung

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