实验调查的辐射光学薄光学厚荒地火焰

文摘

一系列的户外在隧道火灾实验测量红外辐射的发射从荒地火焰,使用红外光谱分光计结合多光谱相机。燃烧产生的火焰的大小不同的植被集接近荒地燃料床,使用木屑和胭脂虫橡木灌木作为燃料。nongray辐射gas-soot显然是观察到的混合物的红外发射强度。发现产生的火焰燃烧的燃料长0.50米床,接近于零的烟尘排放,可能会被认为是光学薄床长度的增加,从1到4米,导致火焰厚度的增加,因此,在火焰发射来自烟尘和气体。进一步分析发射是为了评估进行有效的(即火焰属性。、发射率、消光系数和温度)。发射光谱的观测表明热非平衡煤烟颗粒和气体之间的物种可以归因于存在相对冷煤烟和热气体火焰中。

1。介绍

辐射传热点火起着重要的作用,传播和荒地火灾强度。火焰辐射的实验表征荒地是一个非常活跃的研究领域,可以由最近的贡献(如Chetehouna et al。1),巴特勒et al。2),Dupuy称:"现在et al。3),Boulet et al。4),Agueda et al。5),和家长等。6])。这些贡献提出一些重要问题,如相关的不确定性和解释结果和火焰规模的重要性。

常用的简单方法包括在评估有效的火焰特性,建模的火焰辐射表面在恒定的温度和发射率。然而,忽略了温度的分布和物种浓度和发射的波长依赖和忽略来自火焰的体积(或它的一部分)会导致明显的错误。此外,温度和发射率是两个未知数,必须确定从一个发射收购。估计火焰发射的另一种方法是确定一个消光系数,包括气体种类和烟尘的贡献,并考虑辐射来自容量域代表火焰。

在处理辐射测量时,需要特别注意的光谱范围。水蒸气是产生发射带的范围[5 - 8μm]和[2.5 - 3μm](见Boulet et al。4]),而二氧化碳的主要排放带产品大约是4.3μm左右,烟尘排放辐射连续光谱中红外区。近中红外范围因此被认为是准确测量烟尘和气体排放。使用的设备收集排放数据太窄或不恰当的光谱范围可能会导致不确定的结论。

火焰的光学厚度是一个重要参数调查的辐射发射。实验室火焰参与之前的贡献(4),排放的气体带明显,连续的烟尘排放很难被发现。这种行为有关的光学薄火焰由于其小尺寸和低煤烟造成生产一个有效(即。燃烧氧化)。在目前的调查,测量进行的活动,目的是评估光谱发射火焰中增加大小。收集的数据实验火灾CEREN的隧道火灾进行分析了2010年7月,用来评估有效的火焰属性。考虑本文的初步研究实验从荒地火焰辐射特性,木材剃须和胭脂虫橡树灌木作为两个近似实际燃料床。

2。实验装置

广泛使用和描述的实验装置在前一个工作(6由力量]包括红外光谱谱仪(矩阵)和一个经典的红外摄像头与外部光谱过滤器必须改变。硅分束器将信号划分为两个独立的信号;一是传播的红外照相机和其他的光谱仪。目前实验活动,唯一的修改原来的设置是古典的替代红外多光谱相机相机,所选择的光谱波段过滤器安装在一个旋转滤光轮,有一个过滤器的过渡时间约40毫秒。新设置的主要优势是,测量3明确的光谱波段和总集成信号可以来自一个实验运行。这避免了连续运行的问题与手动改变过滤器,这样可以减少重复性问题到可接受的水平。多光谱相机的灵敏度范围为1.5 5μm,它允许观察燃烧光谱发射模式的很大一部分产品。更广泛的光谱范围与光谱仪可以获得,MCT / InSb双探测器运行以来的波长范围1.6 -10μm。

多光谱相机选择的过滤器根据红外光谱发射燃烧带的主要产品:(我)一个过滤器在2.8到-2.9之间μm为H₂啊,(2)一个过滤器在4.24到-4.26之间μm有限公司和有限公司₂,(3)一个过滤器在3.88到-3.92之间μm烟尘,除了发射的H₂O,有限公司,有限公司₂,(iv)1%透射滤光片在整个范围的镜头(即。,1.5 - 5μ米)。

在测量之前,相机是用黑体辐射源校准。在以前的工作(6),给出校准过程的细节和一些敏感性和重复性方面进行了讨论。

两个系列的实验是由作者的隧道火灾CEREN(图1)。隧道的总体尺寸是2.75米高,2.4米宽,8米长。胎侧的下部隧道是由多孔混凝土,钢丝网完成的上部的墙壁和天花板防止煽动弹射。隧道是开放的结束。两种类型的燃料被使用:木屑(以下称为WS)和胭脂虫橡木(Quercus coccifera)灌木(以下称为KO)。燃料床的属性表1。燃料燃烧均匀分布在一个燃烧的平台和一个1米宽度和长度变化从0.5到4 m以这样一种方式的负载和高度床层是相同的任何长度。在第一个系列的实验中,唯一的燃料是木屑。这是安排给一层均布荷载1公斤/米²和0.1米的高度。在第二个系列中,WS和KO被用作燃料。KO物品等间距的,垂直排列在最稳定的位置形成一个1米高的同质层。木屑作为垃圾高度为0.2米。燃料的WS和KO估计在2公斤/ m²和9公斤/米²,分别。

为了生产燃料床燃烧尽可能均匀,点火是使用手持燃气燃烧器在不同的位置。使用液态烃燃料被燃烧可能产生以来的产品可能不受欢迎的对光谱发射的影响。点火阶段只持续了几秒钟,之后连续测量同时进行分光计和相机。数据是连续收集的整个燃烧的燃烧(即。,作为long as the visible flame was present), typically from a few tens of seconds for the 0.50 m long WS bed to up to 2 minutes for the 4 m long KO bed. Measurements were made 20 cm above the top of the vegetation.

根据燃烧的燃烧持续时间,为每个运行10收购注册,为了确定火发射会随着时间而改变。此外,目前获得的数据的最大排放允许红外光谱和图像之间的比较分析从WS和KO不同大小的火焰。

共有22个火灾进行了不同燃料床的长度和植被类型。

3所示。火焰发射光谱

图2(一个)显示了光谱强度的函数波数和波长在五个不同的瞬间1-m-long WS燃料燃烧的床上。强度的时间演化综合波数,如图2 (b)运行期间,推导出从六个连续的收购。在这个图中,火焰发射增加迅速达到最大值25千瓦/ m²老·约12年代后点火。然后它减少,由于火焰闪烁的一些不可避免的变化。容易辨认的山峰在红外光谱(图2(一个))是由于热有限公司₂和CO分子,在2300厘米左右⁻¹(4.3μ米),其他的人由于水蒸气在燃烧的产品。有些信号变化发现吻合在薄火焰(例如,Boulet et al。4和父母等。6]植被火灾和Bourayou et al。7对小型燃烧器火焰)]。与这些研究不同,发射光谱显示,除了这些山峰,连续辐射发光火焰的煤烟颗粒。这是图中清晰可见2(一个)从收购2,对应的时间发射是最大的。粗略估计策划提供的最大排放水平可能有些武断的温度的黑体发射曲线,这1400 K和1600 K。它可以观察到,在2300厘米⁻¹峰,最大火焰发射,表明火焰温度必须在1400 K - 1600 K。相反,发射光谱范围较低的排放来自煤烟和水蒸气,表明较低的发射率和/或更低的温度。这些结果获得了1米长的火焰不能被认为是光学厚。

光谱辐射强度也可能从相机估计并购的红外发射带有限公司₂H₂啊,或烟尘辐射占主导地位。图给出了一个例子3燃烧的燃烧的2米长WS燃料床。之间的时间间隔是40 ms(即连续两个收购。过滤器改变时间)。这意味着多光谱相机能够收购quasisimultaneous图像,这使得它非常有吸引力。

首先,上述趋势被证实,即一种强烈的气体排放,相关贡献激怒烟尘粒子。图3也揭示了火焰结构的异构性问题由于物种浓度和温度的变化。

如前所述,提供的发射强度谱仪在-10年1.6的范围μm对应光谱强度空间平均在一个小区域的火焰区域(图3),约25厘米²光谱仪在两米。虽然没有显示,这些数据与多光谱相机测量定性协议。

图4代表WS的最大发射光谱获得从燃烧的燃料床长度从0.50到4米不等(例如,Acq_2图2是最大的1米长的火焰发射光谱图吗4)。在这个图中,光谱强度绘制波数和波长的函数。很容易观察到的排放水平增加燃料床的长度。判别分析表明,发射强度约2300厘米⁻¹(有限公司₂产品)似乎饱和,这表明不透明的限制在这个光谱范围已经达到。情况不是这样的发射的光谱强度3米和4米之间仍在上升。在任何情况下,辐射排放烟尘的作用是显而易见的。除了近零排放水平的气体峰值0.5米长燃料床的特点是一个光学薄火焰。这是一致的结论来自一项研究[4]。火焰长度大于0.5米,辐射发射成为整个红外范围相关,可能从比较容易推导出黑体发射曲线的温度1000,1200,1400,1600 K。火焰光谱形状的排放(图4),它可以表示,火焰辐射更强大型波数(在这个范围内,发射光谱接近黑体光谱),排放水平降低小波数。这是在协议与期望,烟灰强烈的吸收系数与波数上升,因为它将在下面讨论。如果不透明的火焰的假设适用于大的波数,可以观察到4米长的火焰发射从一个黑体在1400 K,定义一个有效的火焰温度。然而,这种假设是有问题的原因至少有两个。首先,发射强度仍然不同3 m - 4米长火焰。第二,达到一个更高的排放水平在归因于有限公司₂发射。这表明所谓的有效温度是不知所措(辐射率不能大于团结),气体温度应接近1600 K。

关于火焰的不透明度,习惯上认为烟尘随波长的吸收系数(8]。色散指数一个是一个经验常数,从0.7到2.2,这取决于化学成分和煤烟颗粒的孔隙度。这些属性的标识超出本研究的范围,但一个波长的依赖往往被认为是一个好的近似8]。这意味着最大最小波长的吸收系数(或最大的波数,大约的范围(5600 - 6000厘米⁻¹]),让一些理由来假定黑体发射的范围和一些参考价值的信心对火焰温度1400 K。因此,考虑到1400 K以上排放,黑体光谱范围归因于可可脂₂,这表明存在大量的相对寒冷的烟尘中的火焰。这是已经观察到Sivathanu et al。9]因为强烈辐射喷射火焰,Suo-Anttila et al。10乙醇,乙醇/甲苯,JP8,庚烷池火灾。最大发射图中观察到4黑体发射曲线之间的1400和1600 K和对应于黑体的发射在1522 K的温度。这个温度可以被解释为气体温度。

一个类似的实验研究进行了使用KO作为燃料。图5显示KO的最大发射光谱获得从燃烧的燃料床的长度从0.5到3米。数据对新鲜和干KO报告同样的负载和火焰长度相同。数据之间的比较4和5表明燃料类型的变化显著地影响火焰发射。如前所观察到的WS燃料床,越来越排放的趋势与燃料床的长度也见过,但排放水平较低。烟尘的排放无疑也观察到。排放在2300厘米左右⁻¹仍然非常高,接近1600 K的黑体。发射光谱获得使用新鲜KO作为燃料给低强度加剧煤烟颗粒和气体种类,因此不同的热降解过程。

4所示。光谱辐射特性

发出的光谱强度可以从光谱黑体强度评估

辐射率可以与消光系数和火焰厚度作为

黑体强度计算(温和[8]) 在哪里普朗克常数,是光在真空的敏捷,是波数,的折射率介质(在这里,),玻尔兹曼常数,是温度。

一个可以继续上述参数的识别和使用数据获得的各种燃料床的长度。典型的结果是下面的评论。

假设一个有效的火焰温度1400 K,忽视周围的发射,并使用报告的数据图4从关系,首先推导出光谱发射率(1)。结果绘制在图6WS燃料床。以逻辑的方式,辐射率增加与床的长度越来越光学厚度的结果由于煤烟的增强的贡献。获得最低的排放从燃烧的床长0.50米的燃料。生成的火焰光薄,其发射率相关的气体排放。厚火焰的辐射率大于在整个光谱范围考虑。对于一个给定的火焰厚度,趋势显示辐射率与波数的增加(如预期因为烟灰吸收随波数)。明显缺点的方法基于一个参考温度,所谓的辐射率似乎会增加附近的范围内统一2300厘米以上¹。问题是预期自发射火焰之上的黑体在1400 K(图4)。再一次,这就提出了一个问题,定义一个有效温度、烟尘和气体种类在火焰热非平衡。然而,我们决定去进一步分析,试图找出一个消光系数作为波数的函数。反相关系(2)给

假设消光系数是植被的固有属性,这种关系应该提供一个独特的价值。如图7(一)最短的燃烧燃料床(即。,0.5米)generates a flame with a significantly lower extinction coefficient than the others. A possible explanation could be that less inflame soot is produced due to a more complete combustion. A spectral extinction coefficient independent of the fuel bed length may be determined by averaging the extinction coefficients of each fuel bed length (Figure7 (b))。消光系数在0.1和1.0之间变化,这是在协议与文献回顾Agueda et al。5])。强大的光谱依赖性是观察。注意周围的区域有限公司₂峰已经截止,以避免非物质的结果。值得提醒的是,大气气体部分吸收火焰的辐射,影响灭绝在一些明确的乐队。大气水汽和二氧化碳吸收辐射红外的某些部分地区不完全相同的发射波段热H₂0和有限公司₂产生的火焰。这就解释了强烈的减少到0.1¹的消光系数约为2300厘米¹由于大气CO₂吸收(图7 (b))。同样的行为是观察到水蒸气的乐队。

5。有效的辐射特性

尽管大型光谱变化,有效的值可以计算通过集成数据在波数。这可以提供有用的nonspectral辐射模型的输入数据如辐射率、消光系数和温度。燃料床的长度,有效强度计算1000至6000厘米¹和除以黑体辐射强度在任意温度下,这1400 K。总结在表有效的值2。随着燃料床长度的增加从1米到4米,有效强度从4.2增加到43千瓦/ m²·sr和所谓的辐射率从0.41到0.74。获得的平均消光系数反相关系(2)收益率值在0.34 - -0.53,平均值为0.40 m⁻¹。正如上面提到的,高价值的确定1米长燃料床可能是由于火焰闪烁的效果。表2表明,消光系数几乎相同的床长度大于或等于2米;以外,这个系数似乎是一个持续的火焰的辐射特性。同样值得注意的是,产生的光学薄火焰燃烧的燃料长0.50米床,接近于零的烟尘排放,特点是显著降低有效的值。

虽然没有显示,同样的分析已经进行使用干KO作为燃料,导致一个有效强度27.5千瓦/ m²老,一个发射率为0.47,平均消光系数为0.40 m⁻¹。

6。从燃烧的燃料排放的床

实验也进行了调查排放来自燃烧的燃料床。光谱仪是倾斜一个角度接近10°为了修改的视线。火焰厚度在1 m的视线越过采集设备。辐射不仅来自于火焰,还从燃烧的灰烬在火焰的基础以后(称为“燃烧垃圾”)。这些额外的发射部分吸收的火焰,但1米长的火焰不是完全不透明的,一些发射预计将来自炙热的余烬。典型的排放结果呈现在图8WS燃料床。除了气体排放,一个强大的连续排放现在观察到来自燃烧烟尘和植被。光谱的比较1米长火焰(图4)表明,排放水平相当高的波数范围不变,而出现一些差异对小波数。可以观察到图的排放水平略高8由于发射从燃烧的垃圾。结果,一个稍微不同的连续模式被认为,更高的排放在小波数,也就是说,在烟尘排放的范围开始减少。这个观察证实,燃烧垃圾的贡献必须考虑辐射传热,与之前报道(4),尤其是在光学薄火焰的情况下,观察弱连续排放的烟尘。

7所示。结束语

红外辐射发出火焰在荒地的燃烧燃料床了。燃料床的不同长度被认为,导致光学薄和光学厚的火焰。气带辐射和连续烟尘辐射都是显而易见的。发射光谱的波长依赖性强,确认设备的要求扩展灵敏度范围测量的光谱辐射强度的野火。提出了光谱和有效辐射属性。有效发射率从0.41到0.74被发现对火焰的长度从1到4米。发射不同波长范围的比较分析表明,共存的相对冷煤烟和热气体火焰中。假设问题的一个有效温度、烟尘和气体种类热平衡,因此解决。基于遗传算法的优化方法和光谱辐射模型对烟尘和气体燃烧产品过程中为了确定更准确的方式各自的温度水平和烟尘和气体的体积分数的物种。尽管获得的信息与当前研究排放水平,需要进一步治疗的相机收购以关联发射强度与火焰波动。

命名法

:	敏捷的光在真空(m·s−1)
:	普朗克常数(J·s)
:	强度(W·m2·老1/厘米−1)
:	玻尔兹曼常数(J·K−1)
:	消光系数(m−1)
:	火焰长度(米)
:	折射率(−)
:	温度(K)。

希腊字母和缩写

:	发射率(-)
:	波长(μ米)
:	波数(cm−1),谱性质
红外光谱:	傅里叶变换红外
柯:	胭脂虫橡木
WS:	木头剃须。

引用

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版权

版权©2011 p . Boulet et al。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。