层流PMMA火焰中空间和时间分辨的烟黑辐射与温度

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Spatially and temporally resolved soot radiation and temperature in laminar PMMA flames

　　

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  采用低成本RGB成像技术获取了时间分辨的烟灰温度场。
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  基于阿贝尔变换信息的神经网络实现了烟灰性质重建，并量化了不确定性。
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  量化了辐射热通量散度和燃料表面的辐射反馈。
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  基于输运的源项揭示了烟灰生成与氧化的空间组织结构。

引言

聚合物燃烧在消防安全和材料设计中起着关键作用[1]、[2]，烟灰辐射对热传递和燃烧动力学有显著影响[3]、[4]、[5]。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是研究聚合物着火[6]、[7]、[8]、[9]、火焰蔓延[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、烟灰产生[15]、[16]、[17]、[18]以及辐射反馈[19]、[20]、[21]、[22]的经典材料。在同步火焰蔓延过程中，火焰对未燃燃料的辐射反馈尤为重要，因为它有助于对裂解前沿前方的固体进行预热，从而直接影响火焰蔓延的速率和演化过程[23]。在PMMA燃烧过程中，烟灰生成和辐射同时演化，改变了火焰辐射的波长分布以及基底吸收的能量[24]。在这些研究中，通常使用透明PMMA和黑PMMA，二者在光学性质上存在显著差异[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。

尽管这些差异会改变被吸收和再辐射的能量[30]，并可能导致PMMA火焰中产生不同的烟灰产率和温度场，但关于PMMA颜色依赖的光学性质对烟灰产生影响的研究仍然有限。在一项近期配套研究中，Pinto等人[31]表明，在本研究所述燃烧条件下产生的层流扩散火焰中，黑PMMA产生的烟灰体积分数高于透明PMMA，并报告了两种材料的质量损失速率历程（图2）。然而，该分析仅限于烟灰负荷，并未解析烟灰温度、辐射热通量散度、指向表面的辐射反馈或辐射烟灰层的空间组织结构。这一区别很重要，因为聚合物火焰中的局部辐射损失同时取决于烟灰体积分数（$f_s$）和温度（$T$），且烟灰辐射通量散度的常见估计值与$f_s?T^5$成正比[20]。因此，烟灰体积分数的差异并不一定直接转化为燃料辐射反馈的成比例变化。因此，需要进行温度分辨分析，以确定黑PMMA观察到的较大烟灰产生量是否也产生了更强的凝聚相辐射加热以及火焰内部不同的辐射结构。

层流轴对称火焰中的空间分辨烟灰性质通常采用非侵入式技术获取[32]，这些技术依赖于阿贝尔反演程序，从平面火焰图像中确定径向分布的烟灰性质。由于该反演程序的特性[33]，实验噪声通常沿火焰轴线被放大[34]。为了克服这一问题并产生更平滑的烟灰性质场估计，神经网络的应用已显示出令人满意的结果[35]、[36]。

在前述烟灰体积分数研究[31]的基础上，本研究报告了由透明和黑PMMA碎屑产生的层流扩散火焰中烟灰温度的空间和时间分辨测量，重点关注对燃料样本的辐射反馈。提出了一套低成本光学装置，采用人工神经网络方法[35]来获取烟灰温度和体积分数场，并将其适配于被动RGB辐射测量[36]。基于这些信息，计算了辐射热通量散度（$??{\stackrel{?}{\mathit{q}}}_r^{\prime \prime }$）以及烟灰到燃料表面的辐射反馈。由于透明和黑PMMA在燃烧研究中通常被视为同一种材料，比较两种基底类型可以揭示光学吸收如何影响烟灰生成和辐射传递，从而为烟灰辐射与凝聚相加热之间的动态耦合提供定量见解。

本研究的工作假设为：黑PMMA较大的烟灰负荷只有在伴随相当或更高的烟灰温度时，才会转化为更强的辐射输出，因此两种材料之间的辐射差异只能通过同时获取$T$和$f_s$场来建立。相应地，与配套研究[31]相比，本研究的特定贡献包括：(i)采用低成本RGB装置和基于阿贝尔变换信息的神经网络获取透明和黑PMMA火焰的时间分辨烟灰温度场，并量化了反演不确定性；(ii)由此得到的辐射热通量散度、对燃料表面的辐射反馈以及烟灰对总火焰辐射的贡献，连同其不确定性；以及(iii)基于输运源项获得的烟灰生成和氧化的空间组织结构估计。

章节摘要

实验装置与步骤

图1展示了本研究使用的实验装置。PMMA样品为纤维状几何结构的碎屑，由使用斜切锯切割3.0毫米厚的黑色和透明PMMA板材制成。有关燃料样品制备的更多细节，请参阅参考文献[31]。由0.5克PMMA碎屑组成的燃料样品被放置在一个直径30毫米、深度5毫米的多孔样品支架（2）中，其底部覆盖有铝箔。燃料样品支架安装在

二维场

图5展示了$T$、$f_s$和$??{\stackrel{?}{\mathit{q}}}_r^{\prime \prime }$随时间变化的二维空间分布，每张图像的左右两侧分别对应黑PMMA和透明PMMA。根据$T$和$f_s$场的空间范围推断，在前12秒内黑PMMA的火焰高度较低，此后超过透明PMMA，直至30秒。两种PMMA的$T$场在量级上相似，但火焰翼部除外，其中

结论

本研究展示了由黑PMMA和透明PMMA碎屑产生的层流火焰中烟灰辐射和温度场的空间及时间分辨测量结果。结果表明，黑PMMA促进了更早的烟灰形成、更高的烟灰温度以及更强的辐射输出，从而导致对燃料表面的增强辐射反馈。

对轴向烟灰负荷和烟灰加权温度剖面的分析揭示了黑PMMA较大的辐射作用

CRediT作者贡献声明

Pablo E. Pinto：写作 – 初稿撰写，可视化，方法论，调查，概念化。 Mijail Littin：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，可视化，软件，方法论，形式分析，概念化。 Ignacio Verdugo：调查。 Gonzalo Severino：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，方法论。 Felipe Escudero：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，监督，软件，形式分析，数据整理。 Juan J.

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本论文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究由智利国家研究与开发局（ANID）通过FONDECYT/REGULAR基金1252096和1252119资助；FONDECYT/INICIACIóN基金11241102、11240482和11260503；以及美国国家科学基金会基金#2126467。

Pablo E. Pinto|Mijail Littin|Ignacio Verdugo|Gonzalo Severino|Felipe Escudero|Juan J. Cruz|James L. Urban|Maria Thomsen|Andrés Fuentes|Rodrigo Demarco