Transkriptio

1 PALORINTAMANETENEMINEN PAPERISSA JussiMaunuksela MarkkoMyllys ProGradu-tutkielma Jyvaskylanyliopisto Fysiikanlaitos 1997

2 Tutkielmassammeesittelemmepaperissakytemallaetenevanpalorintaman kineettisenkarheutumisenkokeellistatutkimusta.arkitkiinnitettiinpoltto- Tiivistelma heuttamanhairionminimoimiseksi.syntyneetrintamattallennettiinvideo- nauhallejadigitoitiinrintamanajastariippuvankorkeudenselvittamiseksi. Sekakasvu-ettakarheutumiseksponentitmaaritettiinjaniidentodettiinkuu- Dataanalysoitiinlaskemallaparikorrelaatiofunktiosaturoituneellaalueella. kammiossaolevaantelineeseenjapoltettiinylhaaltaalaspainkonvektionai- luvankardar-parisi-zhang-universaalisuusluokkaan.

3 Sisalto 2RAJAPINNOISTAYLEISESTI 1JOHDANTO 1 2.3Kasvuyhtalot Rajapintojenanalysointi Dynaaminenskaalautuminen Universaalisuus DYNAAMINENKARHEUTUMINEN 3.1Edwards-Wilkinson-yhtalo Kardar-Parisi-Zhang-yhtalo Pinning-jadepinning-ilmiot PALOMALLIT 4.1RSOS-kasvumalli Palorintamanmallintaminenreaktio-diffuusio-mallilla "Metsapalo"-mallit KOELAITTEISTO 5.1Polttokammio Kammionilmavirtaukset Rintamankehityksenseuraaminen MITTAUSTAPAHTUMANKULKU 5.4Oheislaitteet Naytteidenkasittely Mittauslaitteistontoimivuustehdyissamittauksissa Kokeidensuorittaminen NAYTTEIDENOMINAISUUDET 7.1Paperinrakenne Paperintermisetominaisuudet Mittauksissakaytetytpaperilaadut MITTAUSTIETOJENANALYSOINTI 7.4Kaliumnitraatinjakautuminenpaperiin TULOSTENTARKASTELU YHTEENVETOJAJOHTOPAATOKSET i 56

4 ? Kasvueksponentti Dissipaatiovakio A Hairiotermi Keskimaarainenkuidunpituus[mm] C(~r;t) Pintajannitystakuvaavakerroin Karheutumiseksponentti DC(r;t) Parikorrelaatiofunktio Konsentraatiokentta FcFd Diuusiovakio G(~r) Rajapinnandimensio Rajapintaaliikuttavavoima[N] Kriittinenvoima[N] Lh(x;t) hhitaihrintamankeskimaarainenkorkeus[m] Rintamanyksikasitteinenkorkeus,jokariippuupaikastajaajasta[m] Systeeminkoko[m] Parikorrelaatiofunktio `m(~x) Ikkunointimenetelmassaikkunanleveys NR(~r;t) Paikallinenneliopaino[kg=m2] Partikkelienlukumaara tsat T Lampotila[K] Reaktionopeus ~V Rajapinnansaturoitumisaika[s] Konvektiostaaiheutuvaulkoinenvoima[N] Paikkavektori vwsat w(l;t) Rajapinnanetenemisnopeus[m/s] Rajapinnanleveyshetkellatsysteemille,jokaonL:nkokoinen,[m] zwl(`;t) Rajapinnansaturoitumisleveys[m] Dynaamineneksponentti Rajapinnanleveyslaskettuna`:nlevyiselleikkunalleL:nkokoisessa systeemissahetkellat ii

5 1Kiinnostusfysikaalisiinprosesseihin,joihinliittyykineettisestikarheutuvara- japinta,onviimeaikoinakasvanutvoimakkaasti.namaprosessitovatolleet JOHDANTO ovatpyrkineetymmartamaanjakuvaamaannaidenrajapintojenkompleksistageometriaakayttamallamoderninstatistisenfysiikanmenetelmia.eras yleisimmistalahestymistavoistaonollutstokastistendifferentiaaliyhtaloiden kayttokarheutumisprosessienkuvaamiseen. Stokastistendierentiaaliyhtaloidenkuvaamiakarheutumisprosessejavoidaantehokkaastitarkastellasyntyvienrintamienitse-ainisuuteenliittyvien skaalausominaisuuksienavulla.sekadierentiaaliyhtaloitaettasyntyneita laajanteoreettisen,numeerisenjakokeellisentarkastelunkohteina.tutkijat sans.universaalisuusluokkiin. skaalauseksponenttia,joidenperusteellakarheutumisprosessitovatjaettavis- rintamiaanalysoimallavoidaanmaarittaakolmeprosessillekarakteristista tiaaliyhtaloonns.kardar-parisi-zhang-yhtalo(kpz).yhtaloaonlaajas- titutkittusekateoreettisestiettanumeerisesti.saaduttuloksetovatolleet yhtapitavia.kpz-yhtalolleeikuitenkaanolesaatukokeellistavarmennusta pakotettujenrajapintojentapauksessa.tatasilmallapitaenolemmekokeellisestitutkineetrajapintojendynamiikkaapaperissaetenevanpalorintaman avulla. Tutkimuksemmetavoitteenaonollutpaperissaetenevanpalorintamankineettistakarheutumistakuvaavienskaalauseksponenttienmaarittaminen.Tutkielmassammeesittelemmeteoreettistataustaa,kaytettyakoejarjestelya,analysointimenetelmiajatuloksia. Erastutkituimpiadynaamistakarheutumistakuvaavastokastinendieren- 1

6 2Rajapintojendynaaminenkarheutuminenonjokapaivainenilmioluonnossa. RAJAPINNOISTAYLEISESTI Tallaisiailmioitaovatesimerkiksinesteenimeytyminenhuokoiseenaineeseen, etenevapalorintamajaeroosionaikaansaamatpinnanmuutokset.rajapinnatvoivatollamittasuhteiltaanhyvinerilaisiakutenesimerkiksipiikiteelle hoyrystyvametallikalvotailaajallelevinneenmetsapalonreunama.molempienrajapintojenkayttaytymistavoidaankuvataskaalauslaeilla,jotkaovat rajapintojenmittasuhteistariippumattomia.skaalauslakienkayttaytymiseen vaikuttaapinnankarheudenmuuttuminentarkasteluetaisyydenmuuttuessa. [1] tuutarkasteluetaisyydenmukanasillamonetluonnossaesiintyvatrajapinnat luetaisyydenmuuttuessa.edellaolleissaesimerkeissapintojenmuotomuut- Fraktaalisillepinnoilleonominaista,ettaniidenmuotoeimuututarkaste- ovatitse-aineja.tallatarkoitetaansita,ettaskaalattaessakohdettaeritavallaerisuuntiinsaadaanalkuperaisenkaltainenkohde.[1] 2.1 Rajapintaavoidaankuvatayksikasitteisellapinnankorkeudellah(~x;t),eli Rajapintojenanalysointi risoimiseksimaaritellaansenleveysw=h(h?h)2i1=2,jossahkuvaaspati- aalistakeskiarvoayliaarellisenkokoisensysteemin,eli rajapinnallaolevatkielekkeetjatetaanhuomioimatta.rajapintojenkarakte- jossalonsysteeminkoko,jahhikuvaakeskiarvoaerikonguraatioiden h=1lzl yli.rajapinnanleveyttavoidaankayttaarajapinnankarheutumisenmitta- 0h(x;t)dx; kinajanhetkella.karheutumisprosessiavoidaankvantitatiivisestitarkastella na.kuvassa1onesitettydigitoitujakuviapaperissaetenevastapalorinta- mastaeriajanhetkilta.kuvaanonmerkittypalorintamanleveyswkulla- 2

7 _ h(t) h(x,t) Kuva1:Palorintamakuvattunaeriajanhetkilla.Kuvassah(t)onrintaman keskimaarainenkorkeushetkellat. Tyypillisessarajapinnanleveyttaajanfunktionaesittavassakuvaajassaon seuraamallarajapinnanleveyttaajanfunktiona.[1] kaksisaturoitumisajantsaterottamaaaluetta.kuvaajankayttaytymistavoidaanluonnehtiaseuraavasti: (i)alussarintamanleveyskasvaaajanfunktionasiten,etta senajastariippuvaadynamiikkaa. Eksponentti,jotakutsutaankasvueksponentiksi,karakterisoikarheutumi- w(l;t)t;ttsat: (1) alue,jollaleveyssaavuttaaniinkutsutunsaturoitumisleveydenwsat.kunl kasvaa,saturoitumisleveyskinwsatkasvaajariippuvuusnoudattaapotenssilakia wsat(l)l;ttsat: 3 (ii)tallainenkayttaytymineneikuitenkaankestaikuisesti,vaansitaseuraa (2)

8 Eksponenttiakutsutaankarheutumiseksponentiksi,jokakarakterisoisaturoituneenpinnankarheutta. (iii)saturoitumisaikatsat,jolloinrintamankayttaytyminenmuuttuu,riippuu jossaz:aakutsutaandynaamiseksieksponentiksi.[1] systeeminkoostasiten,etta tsatlz; (3) 2.2 Edellaesitetytskaalauseksponentit(;;z)ovattoisistaanriippuvia.Tama Dynaaminenskaalautuminen nahdaanskaalaamallakuvassa2vasemmallalog-log-asteikollaesitetytrintamanleveydeterikokoisillesysteemeilleyhdeksikayraksi(kuvassa2oikealla). Skaalauksenvaiheetovat[1]: (A)Piirtamallaw0w(L;t)=wsat(L)ajanfunktionasaadaanw0(t)saturoitumaannaytteenkoostaLriippumattasamaanarvoon. (B)Piirtamallaw0t=tsat:nfunktionasaturoituvatkayratnytmyoskinsamaanaikaan. tavalla, Edellatehdyttoimenpiteetosoittavat,ettaw0riippuut=tsat:aseuraavalla missaf(u)onns.skaalausfunktio. wsat(l)f(t w(l;t) tsat); (4) (2)ja(3)),saadaanskaalausyhtalo[2,3] Korvaamallayhtalossa(4)olevatwsatjatsatskaalausmuodoillaan(yhtalot w(l;t)lf(t 4 Lz): (5)

9 10 10 )w(olg1 0 β ])u(f[olg1 0 1.Kuvassaoikeallaonesitettyskaalausfunktiof(u). log-log-asteikolla.kuvassaolevansuorankulmakerroinonkasvueksponentti Kuva2:Kuvassavasemmallaonrintamanleveyksiaerikokoisillesysteemeille 1 0, ,01 0, log10(t) log10(u) Skaalausfunktionf(u)yleinenkayttaytyminennahdaankuvassa2oikealla. Pienillau:narvoillaskaalausfunktiokayttaytyypotenssilainmukaan,elit Suurillau:narvoilla,kunttsat,f(u)saturoituueli Tarkastelemallarintamanleveydenkayttaytymistasaturoitumispisteenlahellavoidaanjohtaarelaatio:n,:njaz:nvalille.Lahestyttaessakyseista mukaan,eliw(tsat)l.yhdistamallanamakaksihavaintoajakorvaamalla Lahestyttaessapistettatsatoikealta,kayttaytyyrintamanleveysyhtalon(2) pistettatsatvasemmaltahuomataanyhtalon(1)nojalla,ettaw(tsat)tsat. tsatyhtalon(3)mukaisellamuodolla,saadaaneksponenttienvalillerelaatio jokaonvoimassakaikilleskaalausyhtalon(5)toteuttavilleprosesseille.[1] 5 tsat,ts. f(u)u;u1: (6) f(u)vakio;u1: (7) z=; (8)

10 Yleisestirintamanpaikallistakasvuavoidaankuvatakasvuyhtalolla 2.3 puvafunktioja(~x;t)onhairiotermi.kasvuyhtalontuleeollayksinkertai- sintamahdollistamuotoaolevayhtalo,jokatoteuttaaongelmalleasetetut symmetriaehdot[1]: =G(rh;~x;t)+(~x;t); (9) (ii)translaatioinvarianssikasvusuunnassa, (i)aikainvarianssi, (iii)translaatioinvarianssikasvusuuntaavastaankohtisuorassasuunnassa, (iv)rotaatio-japeilaussymmetriatkasvusuunnassa^nja Symmetriaehto(v)tarkoittaa,ettarintamanuktuaatiotovatsymmetrisia (v)ylos/alassymmetriah:lle. rintamankeskikorkeuteennahden.tamasymmetriatoteutuutasapainotilassaolevillaprosesseilla.tasapainotilassaolevallarajapinnallatarkoitetaan siihenvaikuttavanulkoisenvoimavaikutuksesta.[1] sella.epatasapainossaolevarintamaeitoteutaehtoa(v),sillarintamaetenee rintamaa,jonkaerottamistaalueistakumpikaaneikasvatoisenkustannuk- 2.4 Tutkimallapotenssilakienkaltaisiaskaalausyhtaloitavoimmemaaritellauniversaalisuusluokkia.Kasvuprosessien"universaalisuusluokat"onmaaritelty Universaalisuus 6

11 ilmionsymmetriaominaisuuksienjasailymislakienperusteella.kaikillasamoillakasvuyhtaloilla.taulukossa1onesittyeraitauniversaalisuusluokkialauseksponentitja-funktiot,sekanaitaprosessejavoidaanyleensakuvatasamaanuniversaalisuusluokkaankuuluvillaprosesseillahavaitaansamatskaa- niitakuvaaviakasvuyhtaloitajaskaalauseksponentteja. Kasvuyhtaloidenjakaminenluokkiinvoidaanaloittaayhtaloidenyleisesta muodosta, jakasvuprosessinaikanavallitseviensailymislakienperusteella.samallatavoinvoihairioterminoudattaajokokonservatiivisiataiei-konservatiivisia Universaalisuusluokkamaaraytyydeterministisenosanfunktionaalisenmuodonjahairioterminmuodon(sailyvataiei-sailyva)mukaan.[1] sailymislakeja.[1] Kasvuyhtalondeterministisenosantermitvoidaanjakaakahteenryhmaan; konservatiivisiinjaei-konservatiivisiin.kasvuyhtaloillakonservatiivisuustarnaisuus:r2h;r4h;r2(rh)2.ei-konservatiivinentermionesimerkiksikpzyhtalossa(14)esiintyvaepalineaarinen(rh)2-termi.termienvaliseterotisestinolla.seuraavillakasvuyhtaloissaesiintyvillatermeillaontamaomikoittaasita,ettadeterministisenosanintegraalikokosysteeminylionidentpuolisetpinta-alatovatyhtasuuret.konservatiivisistatermeistar2hjar4h ovatlineaarisiajar2(rh)2onepalineaarinen.[1] nakyvatkuvassa3,jossakonservatiivisillatermeillax-akselinyla-jaala- 7

12 Kuva3:Kasvuyhtaloissaesiintyvientermiengraasetesitykset[1]. 8

13 Kasvuyhtalo?(RD) LCN2(EW)? 1/2? LCN4 (2?d)=2 1/2 (2?d)=4 1/3 LCC4 (4?d)=2?d=2 NCN4 (2?d)=2 (2?d)=8 NCC4 (4?d)=3(4?d)=(8+d) (8+d)=3 4 Universaalisuusluokkiensymboleissaensimmainenkirjainilmaisee,onkokas- vuyhtalolineaarinen(l)vaiepalineaarinen(n).toinenkirjainilmaiseenou- dattaakosendeterministinenosakonservatiivisia(c)vaiei-konservatiivisia sailymislakeja.kolmaskirjainilmaiseehairioterminjokokonservatiivisen(c) [1] tamanleveydenjasaturoitumisleveydenriippuvuuksistatuleelogaritmisia. taiei-konservatiivisenluonteen.numerosymbolienjaljessailmoittaakasvuyhtalonkertaluvun.dimensiondkasvaessaylirajan,jolla;0niinrin- 9

14 33.1DYNAAMINENKARHEUTUMINEN Dynaamisenkarheutumisenteoreettinentutkimusonalkanuttarkastelemalla Edwards-Wilkinson-yhtalo depositiomallienlineaarisiajatkumoyhtaloita.nesteessaolevanpartikkelin sedimentoitumistatutkiessaanedwardsjawilkinsonmuodostivatprosessia kuvaavankasvuyhtalon(ew-yhtalo) (11) loimaton,h(~x;t)i=0,jasenvarianssionmuotoa simmassatapauksessahairiotermionsekaajallisestiettapaikallisestikorre- Yhtalonensimmainentermir2hkuvaapintajannitysta,jokapyrkiitasoit- h(x;t)(x0;t0)i=2dd(x?x0)(t?t0): tasoittumista[1].pintajannitystakuvaavatermieivaikutarintamankestamaanhairiotermistajohtuviarintamanpaikallisiaepatasaisuuksia.sedimentaatioprosessissapintajannityskuvaagravitaationaiheuttamaapinnakimaaraiseenkorkeuteen,jotenilmannopeustermiacrintamankeskimaarainennopeusonnolla.[1] NopeustermillaCeiolevaikutustarintamanskaalautumisominaisuuksiin. h+ct[1].ew-yhtalokuvaatasapainotilassaolevaakarheutumisprosessia. tekemallamuuttujanvaihto,jolloinrintamankorkeushkorvataantermilla Rintamaavoidaantarkastellavakionopeudellaliikkuvassakoordinaatistossa EW-yhtalovoidaanmyosjohtaalahtienedellisessaluvussaesitetyistasym- metriaehdoista.yhtalontuleemuodostuaterminrnhpotensseista,jotkato- 10

15 teuttavatkaikkisymmetriaehdot.talloinyhtalon(11)tuleeollamuotoa =(r2h)+(rnh)+:::+(r2nh)+ missan,kjajovatpositiivisiakokonaislukuja.[1] +(r2h)(rh)2+:::+(r2kh)(rh)2j+(x;t); (12) t!1jax!1.tallahydrodynaamisellarajallavoidaanosoittaa,etta kaikkitoistakertalukuakorkeammatderivaatatovatmerkityksettomia.talloinyhtalo(12)tuleemuotoon =r2h+(x;t); (13) argumenttejakayttamallatairatkaisemallakasvuyhtalo.skaalausargument- EW-yhtalonskaalauseksponentitvoidaanratkaistakahdellatavalla:skaalauslaamallavaakasuunnassax!x0bxjapystysuunnassah!h0bhsaatejakaytettaessaoletetaan,ettarajapintah(x;t)onitseaini,jolloinskaadaanstatistisiltaominaisuuksiltaanalkuperaisenkaltainenrajapinta.Rajapintaakuvaavankasvuyhtalononoltavainvarianttitallaisessaepaisotrooppisessamittakaavanmuutoksessa.Rajapinnankarheudenriippuessaajasta myosajanonskaalauduttavat!t0bzt.sijoittamallaskaalatutargumentitew-yhtaloon(11)jaolettamalla,ettakasvuyhtalooninvarianttiedella kuvatussamittakaavamuutoksessa,saadaanyhtalon,jonkajokaisentermin tuleeollariippumatonb:sta.talloinskaalauseksponentitovatmuotoa =2?d 2;=2?d manleveysskaalautuulogaritmisestipienillaajanhetkilla,jasaturoitumisle- veysriippuusysteeminkoonlogaritmista.kund>2,karheutumiseksponentti muuttuunegatiiviseksi,jolloinrintamapysyytasaisena.[1] missadonrajapinnandimensio.kund=2,ovat==0.talloinrinta- 4 jaz=2; 11

16 Teoreettisestidynaamistakarheutumistaonuseinkuvattunk.Kardar-Pari- 3.2 Kardar-Parisi-Zhang-yhtalo naistamuutosta, saamaarajapinnanrelaksoitumista.toisenaolevatermionalimpaakerta- (14) tya[2].epalineaarinentermionotettumukaan,jottarajapinnanpaikalli- sennormaalinsuuntaineneteneminentulisihuomioitua.efektiivinenetene- minenonprojektiorintamankeskimaaraisenetenemisensuuntaanjaseon verrannollinentermiinq1+(rh)21+12(rh)2+:::.ainoastaanjohtava rinentermimerkitseekaytannossasita,ettarajapinnannopeusmuuttuujos epalineaarinentermi(rh)2pidetaanmukanakpz-yhtalossa[5].epalineaa- sitakallistetaanetenemissuuntaansanahden. lukuaolevaepalineaarinentermi,jokarajapinnankasvuyhtalossavoiesiin- ehdoth(x;t)i=0ja TermisessaKPZ-yhtalossa(14)olevahairiotermionGaussinen,jasillepatevat Teoriassayhtalossaonmukananopeustermi,muttasepoistuusopivallaliikkuvankoordinaatistosysteeminvalinnalla.[2] roin.esimerkiksiedellaesitettyew-yhtalosaadaankayttamallahamiltonin missa=hmerkitseefunktionaalistadierentiaaliaja?honkineettinenker- h+(x;t); (15) funktiota HEW=2Zd~x(rh)2: 12 (16)

17 TasapainotilanHamiltoninyhtalonpuuttuminenKPZ-yhtalontapauksessa vausta. kertoo,ettaseonaidostidynaaminenyhtalo,irreversiibelienprosessienkuvaamiseensopiva,eikasiitavoidamuokataefektiivistatasapainotilanku- Epalineaarisenterminvaikutuskeskimaaraiseennopeuteen onnollastapoikkeava{paitsijosrintamaontasainenelih(x;t)onvakio.tatenkpz-yhtalonkuvaamallarintamallaonnollastapoikkeavanopeus 0ddxh(rh)2i (17) v=2zl Itseasiassayhtalo(14)sisaltaakolmeeriuniversaalisuusluokkaa.Kun= myoskinulkoisenvoimanpuuttuessa. =0,sekuvaa"randomdeposition"-mallia,jossaondiuusiorajapinta(w t1=2).kun=0,sevastaaideaalistarajapintaa(ew-yhtalo),jolle= =1=2jaz=2=3yksiulotteisenrajapinnantapauksessa.[2] (2?d)=2jaz=2.Kun6=0saammeKPZ-universaalisuusluokan,jolle 3.3 TutkittaessakahdennesteenvalisenrajapinnanetenemistahuokoisessavaliaineessaontilanteentodettueroavanKPZ-yhtalonkuvaamastatapauksestadostavathiekanjyvasetovatpaikallaankokokokeenajan.Tamaonristirii- Systeemiinliittyvahairioonpaikkaansidottua,sillahuokoisenaineenmuodassaKPZ-yhtalossaesiintyvanhairioterminkanssa,jokaonkorreloimaton- Pinning-jadepinning-ilmiot vaikuttaarajapintaansuhteellisenpitkanaikaa,kunnesrintamataasetenee kohtaapisteen,jossasejaahetkellisestipaikalleen.tamasatunnainenvoima taajankinsuhteen.tamanefektinpitaisileventaarajapintaa,josrajapinta kyseisellakohdalla.tamapoikkeaaselvastitilanteesta,jossahairioonajassa korreloimatonta.[6] 13

18 Rajapinnantasaineneteneminenvaatii,ettarintamaanvaikuttaavoimaF. VoimanFollessasuuririntamallaonsuurikeskimaarainennopeus,jollase eteneevaliaineessa.tastajohtuenpaikkaansidotunhairionaiheuttamatuktuaatiotovatnopeitasekaajassaettapaikassamuistuttaentermisenhairion jaadapaikoilleen.[7] efekteja.kuitenkinkunrintamaanvaikuttavavoimaonpienivoirintama nopeudellav(f).tamaviittaasiihen,ettasatunnaisessavaliaineessaliikkuvaarajapintaavoidaantutkiafaasitransitiona,jotatulemmekutsumaan depinning-transitioksi.rajapinnannopeustoimiinjarjestysparametrina,silla OnolemassakriittinenvoimaFcsiten,ettakunF<Fc,jaarintamapaikalleenaarellisenajankuluttua.KunF>Fc,rintamaeteneekeskimaaraisella kunf!f+c,vhaviaakuten Tassaonnopeuseksponenttijaf(F?Fc)=Fconsuhteellinenvoima. vf: (18) AnalysoitaessaKPZ-yhtaloa,jossahairiollaonpaikallinenluonne,todettiin riittaatarkastellayhtaloa[8] saattaahavitadepinning-transitiossa.tamanvuoksidepinning-transitiossa ettakpz:nepalineaarisuudellaondynaaminenpohja.talloinvja (19) ilmeisesti=1oneksaktitulos1+1ulottuvuudessakun!0[10]. Onmyosmahdollista,ettalahellatransitiota!1.NumeerisestiintegroimallaKPZ-yhtaloapaikallisellahairiolla,onetenevallerintamallesaatu=0:633,jotkaovatsopusoinnussaDPD-universaalisuusluokkaan kuuluvillamalleillatehtyjenlaskujenkanssa. 14

19 44.1PALOMALLIT Rajapintojenkarheutumisentutkimisessaondiskreeteillakasvumalleillaol- RSOS-kasvumalli tenniidenkuvaamatkasvuprosessitkin.erityisestikasvumallitovatolleet tarkeanalinkkinateorianjakokeidenvalillaauttamassakokeellistentulostenvertaamisessateoreettisestisaatuihinlutsuurimerkitys.mallitovatvoineetollahyvinkinyksinkertaisiaaivanku- Diskreettejakasvumalleja,jotkakuuluvatSOS(solid-on-solid)-mallienluokkaan,onlaajaltikaytettytutkittaessarajapintojentasapainotilanominaisuuksia.Karakteristisenapiirteenanaissamalleissaonuktuaatioidenrajoittaminen,jottasysteemeistapoistuisivatkaikkirintamiinliittyvathairiot kutenkuplat,monikasitteisyydetjatyhjathilat.tarkeavariaatiososmal- paikallisensarakkeenjasennaapurisarakkeidenvalinenkorkeuserojhjon rajoitettu. RajapinnankasvuakuvaavaRSOSmallionmaariteltyballistiseksidepositiomalliksi,jossakasvunaikaansaamanatekijanaonulkoinenkorreloimatolienjoukossaonnk.RSOS(restricted-solid-on-solid)-malli[11,12],jossa onalussatasaineneikaterminenuktuaatiovaikutasiihen.ballistisestisijoitetutpartikkelitlisataanalustallejosjavainjoslahinaapureinaolevielealustalle,jokamuodostuuhi(t=0)=0korkuisistasarakkeista.alusta hairio.tietynkorkeusyksikonkokoisiapartikkelejasijoitetaand-ulotteisel- sarakkeidenkorkeuserototeuttaapaikallisenrsos-ehdonjhjn,missa teemiin. Nonpositiivinenkokonaisluku.Josehtoeitoteudu,eipartikkelialisatasys- RajallaN!1mallistatuleeyhteneva"randomdepositio"-mallinkanssa, jollekasvupotenssion=1=2kaikissadimensioissa. NainformuloitunamerkittavintekijamallissaonkorkeuseroarajoittavaN. 15

20 4.2 Palorintamanmallintaminenreaktio-diffuusio-mallilla Palamisentaireaktiorintamienominaisuuksiavoidaankuvatamyosfaasikentta-mallilla.Mallikoostuukahdestakytketystareaktio-diuusio-yhtalossaltaapitkankantamantermisendiuusionjapaikallisensatunnaisenkonnenlampokentandynamiikan.Diskreeteistahilamalleistapoiketenmallisita,joistaensimmainenmaaritteleereagoivienaineidenkonsentraationjatoi- (i)valiaineessatapahtuvaterminendiuusio,(ii)newtoninjaahtyminenseukentassat(~x;t)paikassa~xhetkellataiheutuvatkolmestatekijasta,joitaovasentraatiokentanvalisenvuorovaikutuksen.paikallisetvariaatiotlampotilarauksenakytkennastalampokylpyynja(iii)lammongeneroituminen,jotarajoittaavaliaineenreaktionopeus.eksplisiittisestilampotilakenttanoudattaa senjaahtymisenaikaansaavanlampokylvynvakiolampotila.lisaksiyhtalossa (20) [13,14] onulkoisenvoiman~vaikaansaamakonvektiotermi,jokaoletetaannollaksi. EpalineaarisuudettulevatyhtaloonmukaanreaktionopeudenR(T;C)kautta,jotarajoittavakenttaC(~r;t)kuvaareagoivienaineidenpaikallistakonsentraatiota.Reaktionopeusonverrannollinentekijaanexp(?A=T),missaA onaktivoitumisenergiajaboltzmanninvakioonasetettuykkoseksi.lisaksi tuvaenergiaolisiverrannollinenlausekkeeseenq(t)=t3=2exp(?a=t),jossa reaktionopeuttarajoittaapaikallinenvuo/pt,jottapaikallisestigeneroimisenergianyksikoissasaadaanreaktionopeudeksi ylimaarainent:stariippuvatekijaasettaaenergiaskaalan.tassaeksponentiaalinenriippuvuusondominoivatekija.mitattaessalampotilaaaktivoitu- (21) 16

21 Paloprosessinluonteentakiaitsestaanetenevapalorintamavaatiiriittavan aineidensatunnaisenjakaumanjakonsentraation.[13,14] maaranpalamisessavapautuvaalampoa.lammonlahteenaonreagoivienaineidenkonsentraatioc(~r;t).koskaaktivoituminenasettaarajoituksiasyntyvallelammolle,onolemassanollastapoikkeavakonsentraatioc?,jonkaalatumisentakia.toisinsanoenkunc<c?,rintamannopeusv(c)=0,kun taaskorkeammillakonsentraatioillanopeusonnollastapoikkeava.kvantitatiivisessaanalyysissarintamanpaikkaamerkitaansuureellah(x;t)puolellapalorintamasammuuspontaanistiriittamattomanlammongeneroi- maxft(x;y;t)jy2[0;1[g.[13,14] lampotilaa.[13] Kuva4:Satunnaisessavaliaineessareaktio-diuusio-yhtalonmukaanetenevanpalorintamanlampotilakentta.Tumminsavyvastaakorkeinta Suurillakonsentraatioillav=dh=dtonvakioalunoskillaationjalkeenja tistakonsentraatiotac?:a.oltaessac?:nlaheisyydessaasymptoottinennopeus kayttaytyykutenv(c)(c?c?),missaonperkolaatioteoriastasaadun kasvaakonsentraationcfunktiona.oskillaatiokasvaakunlahestytaankriit- eksponentinmukainen.[13,14] 17

22 talot(20)ja(21)ratkaistiin[13]numeerisestihilamallillakayttaenjatku- viareunaehtojax-suunnassajakiinnitettyjareunaehtojay-suunnassa.kun Skaalauseksponenttienmaaraamiseksisatunnaisentaustantapauksessayh- c>c?havaittiin,ettalampotilakentanetenemiseenkytkettyrajapintakehittaasuuriauktuaatioitajanayttaakarhealta.simuloidullerajapinnalle kuintermisellekpz-yhtalolle.mallilleonmyossaatuanalyyttinenratkaisu kunc1.[13,14] saatiin=0:34(4)ja=0:5(1).skaalauseksponentitovatsitensamoja 4.3 Metsapalojenleviamistajakayttaytymistaontutkittuyksinkertaisillakaksiulotteisillahilamalleilla,joissahilapaikoillaonkolmemahdollistatilaa:puu, palavapuujapalanutpuutaityhjapaikka.hilapaikkojenvalisetvuorovaisyydestaelilahinaapureidenlukumaarasta.[15,16] Hilaluodaantayttamallasatunnaisestitiettyosahilapaikoista.Palaviapaikkojakuvataankahdellaparametrilla,jotkakertovatkauankopaikansyttymiseenkuluuaikaajakauankosepalaa.Syttyminenriippuumyospalavien ensimmaisenrivinpalavatpisteet(puut).kaikillaseuraavillaaika-askeleilla lahinaapureidenlukumaarasta.simulointikaynnistyysytyttamallakahden "Metsapalo"-mallit kutukset,mm.lammonsiirto,riippuvatniidentiloistajavuorovaikutusetai- rivillasyttyytaikaikkipaikatovatpalaneet.[15] lampoasiirtyylahinaapureille.nainjatketaankunnesjokinpaikkaviimeisella taitopograanvaikutusrajapinnanetenemiseen.mallillaonsaatukriittisia laerilaisiareunaehtoja.lisaksimalliinvoidaanlisataesimerkiksituulen Malliavoidaanlaajentaakayttamallahilapaikoillaerilaisiatilojataihilal- eksponentteja,jotkavarmistavatuniversaalisuuden.malliavoidaankayttaa myoskinmuidenongelmientutkimiseenkutenesimerkiksitautienetenemisen.[15] 18

23 75%taytettyna. Kuva5:Metsapalo-mallillaaikaansaatujarintamia,kunhilapaikoistaonollut 19

24 5Kineettisenkarheutumisentutkimiseksiolemmerakentaneetmittauslaitteis- KOELAITTEISTO kuvaussysteemistajaohjauslaitteista.laitteistoasuunniteltaessaolitiedossa ton,jollakytemallapaperissaetenevaapalorintamaavoidaantutkiakont- rolloiduissaolosuhteissa.mittauslaitteistokoostuuilmastoidustakammiosta, ainoastaanyksivastaavanlainenkokeellinentutkimus[5].tehdyssakokeessa paperissa(neliopaino9.1g/m2).arkitolivatkiinnitettyinakehikkoon,jossa nesytytettiinalareunastaankuumallawolfram-langalla.kokeetsuoritettiin Zhangetal.[5]tutkivatpalorintamanetenemistakevyessalinssienpuhdistus- normaalissahuoneilmassa. Kuva6:Mittauslaitteistooheislaitteineen. Polttokammiotasuunniteltaessaeioptimaalistapaperinpolttotapaatiedetty, 5.1 Polttokammio maaraytyivatpaperiarkkienarvioidunmaksimikoon400600mmperus- jotenkammiostapyrittiintekemaanhelpostimuunneltava.kammionmitat 20

25 ulkomitoiksisaatiin mm.polttokammioonrakennettu alumiinistasenkeveydenjahelpontyostamisentakia. teella.arkkienasennonvaihdellessavaakasuorastapystysuoraan,kammion Kuva7:Polttokammionrakenne.KuvastanakyvatpaperitelineenjaCCDkameransekailmansuodattimensijoittelukammioon. Polttokammionrunkoonhitsattukasaan4mmpaksuistaL-proilipalkeista. onhelpostiavattavissanaytteidenvaihtoajahuoltotoimenpiteitavarten. Kammionseinat,lasistaetuseinaalukuunottamatta,ontehtyalumiinilevyista.Kammiontakaseinaonkiinnitettysiipimuttereilla,jolloinkammio mm),johononkiinnitettypalorintamanseuraamisessajakuvaamisessakaytetytlaitteetsekairrotettavapaperipidike,jokamahdollistaanaytteidenasettamisenpidikkeeseenkammionulkopuolella.Paperipidike Kammionkeskellaonkierrettavaalumiinipalkistarakennettukehikko(400 koostuuliikuteltavistalammityselementeista,sytytysjarjestelmasta,matalataajuisestataristimestajaneulariveista,joihinnaytekiinnitetaan. 21

26 Naytteetkiinnitetaanpaperipidikkeeseenreunoistaan.Neularivitmuodostuvatohuistasenttimetrinvaleinolevistaperhosneuloista,jotkaonvalittu koskatarkoituksenaonvahentaalammonjohtumistapaperistatelineeseen. NeulatonkiinnitettyL:nmuotoontaivutettuinatankoihin,joitakiertamalla tenpaperienkiinnittamiseensillaneularivienetaisyyttatoisistaanvoidaan paperisaadaankiristettyatasaiseksi.pidikettavoidaankayttaaerilevyis- saataa. Naytteetsytytetaantankojenvaliinasetetuawolfram-lankaakuumentamalla.Lankaonkiinnitettypaistaankiinnikkeilla,jotkaonsuunniteltupitamaan wolfram-lankakireanalampolaajenemisestahuolimatta.kaytettaessa0.3mm vahvuistawolfram-lankaasaavutetaansytyttamiseentarvittavalampotila onkuvassa8vasemmalla. kayttamallanoin80w:ntehoa,jokavastaanoin600c:tta.sytystysjarjestely onlahikuvapaperinreunojenlammittamiseenkaytetystalammityselementista. Kuva8:Paperinsytytystapahtuma.Kuvassavasemmallanakyymitenpalorintamasaadaanaikaiseksiwolfram-lankaakuumentamalla.Kuvassaoikealla lammittamaantarvittaessa.tatavartenpaperipidikkeeseenonrakennettu Reunanaiheuttamienilmioidenminimoimiseksinaytteenreunojajoudutaan 22

27 palorintamanmukanaliikkuvatlammityselementit(kuvassa8oikealla). Lammityselementitovatwolfram-langastakelanmuotoonkierrettyjavastuktejaliikutetaanpyorittamallakierretankojasahkomoottorilla,jonkakierrossia,jotkaonkiinnitettykierretangonvarassaoleviinkiinnikkeisiin.Elementnopeuttavoidaansaataa.Samallamoottorillakaytetaanmyostuhkanirrottamisessakaytettavaataristinta. Tuhkanirrottaminentapahtuutaristamallapaperipidiketta.Toiseenalumiikimaarinkaksikertaasekunnissanitankoononkiinnitettyvasara(kuva9),jotaliikutellaankierretangonmukanapyorivallaepakeskollalevylla.Vasaratarayttaapaperipidikettakes- Kuva9:Kuvassanakyytelineentaristamisessakaytettyvasarasysteemi,jolla syntyvatuhkapyritaanvaristamaan. 23

28 5.2 Kammioonsuunniteltusiten,ettanaytteenymparistoonsyntyyhidasjaho- Kammionilmavirtaukset koon,jokaonerotettukammiostareikalevyllajailmastointihuovalla.huo- koistenmateriaalienvirtausvastusaiheuttaailmaraonjakammionvalille mogeeninenvirtauskentta.korvausilmavirtaakammioonsenkapeallapys- tyseinallaolevastaaukostakammiotakiertavaan50mmlevyiseenilmara- ilmavirtaus.poistoilmaimetaankammionpaallasijaitsevanilmansuodattimenlavitsemittaushuoneenilmastointiin. kahteenosaan,joistatoisessatasataantulevailmavirtausjatoisessapoistuva paine-eron,jokatasoittaakammioontulevaailmavirtaa.ilmarakoonjaettu tokoneella.tavoitteenaonpitaailmavirtauksetmahdollisimmanhitainakui- tenkinsiten,ettapalamisessasyntyvatpalokaasutkulkeutuvatpoisrintaman luota.tallapyritaanestamaankonvektionvalityksellatapahtuvalammon sareaktio-diuusio-yhtaloissaeiolepitkankantamanvuorovaikutuksiamu- kulkeutuminenpaperiin,sillapalorintamanpaikallistaetenemistakuvaaviskana. Ilmanvirtausnopeuttasaadellaanilmansuodattimenpaallaolevallapuhaltimella,jonkamaksimitilavuusvirta47.2l/s.Puhaltimentehoasaadetaantie- joissatarkkailtiinpalorintamankeskimaaraistaetenemisnopeuttajapalokaasujenkayttaymistakammiossa. Kokeissakaytettytilavuusvirta20l/sonvalittukoepolttojenperusteella, kentaantarkoitettuacfx4-ohjelmaa1simuloitiinpolttokammiossatapah- tuvaailmavirtausta3-ulotteisella,turbulentillajakokoonpuristumattomalla ymparistossaonselvitettysimuloimalla.kayttamallakaupallistavirtauslas- Kammionjasiellaolevienrakenteidenvaikutustailmavirtaukseennaytteen YrityksenkotisivuloytyyURL-osoitteestahttp:// mallilla. 1AEATechnology,ComputationalFluidDynamicsServicesonkehittanytCFX4:n. 24

29 Ohuetviivatovatlaskennassakaytettyjenosa-alueidenrajoja. Kammionkeskelletummillapiirretytviivatkuvaavatpaperiajalasilevya. sella.kuvaanonnuolillamerkittyilmanvirtauskammioonjasieltapois. Kuva10:Kuvassaonnopeudentasa-arvopintojakammionpoikkileikkauk- tarkkailutilavuuksiin.naissasoluissanavierin-stokesinosittaisdierentiaaliyhtalotvoidaankirjoittaaalgebrallisiksiyhtaloiksi,jotkaliittavatvirtaavapahtuvassavirtauslaskennassatutkittavaaluejaetaanuseisiinsoluihintai OhjelmantoimintaperustuuNavier-Stokesyhtaloihin[17].Tietokoneellataratiivisesti.Seurauksenaonkuvausvirtauksestatutkittavantilavuudenlapiviinarvoihin.Talloinsaadaanjoukkoyhtaloita,jotkavoidaanratkaistaite- aineennopeuden,lampotilanjapaineensolussasennaapurisolujenvastaa- Kuvassa10onkammionpoikkileikkauksenkohdallelaskettunopeudentasaarvopintoja. tasot,elipaperijasenalapuolellaolevalasilevy. ilmansisaan-jaulostuloaukot,niidenmuotojasijoitus,jakammiossaolevat Simuloinneissaonhuomioituvainenitenvirtauksiinvaikuttavatrakenteeteli 25

30 senalapuolellaolevanlasilevynvaliin.tamaaiheuttaamuuttuvannopeusproilinpaperinpituussuunnassa.paperinleveyssuunnassaolevatnopeusproilitsenyla-jaalapuolellaovatkuvissa11ja12. Kuvassa10nakyy,kuinkasisaantulevatilmavirtauksetohjautuvatpaperinja Kuvista11ja12nahdaanmitenilmansisaantuloaukkovaikuttaavirtauskentanmuotoonpaperinalaosassa.Lisaksikuvistanakyypaperinjasenalapuolellaolevanlasilevynvaikutuksetnopeusproileihin(paperinleveysoli maksimikohdatovatlasilevynreunoistaaiheutuneita.paperinjalasilevyn 30cm:iajalasilevyn40cm:ia).Kuvassa11nopeusproilienreunoillaolevat littasaisempiakokopaperinleveydellaverrattunapaperinylapuolellaoleviin proileihin. valissa,jossakeskimaarainenvirtausnopeusonsuurempi,ovatnopeusproi- Paperinleveyssuuntaisennopeusproilinperusteellatulisiilmansisaantuloaukkojenmuotoonkiinnittaahuomiota.Tatasilmallapitaentulisivielatehda simulointejaerilaisillailmanottoaukoillaniidenvaikutustenselvittamiseksi. virtauskenttaanpaperinymparistossa. Lisaksitulisitutkiamitenpaperinkokojalasilevynpoistaminenvaikuttavat noinkaksikolmasosaapaperinpituudesta,tuleesaatuihinmittaustuloksiin Simuloinneissapaperinymparistoonsyntyytasainenvirtauskenttavainpaperinylaosaan.Tamantakiapaperinalaosassa,kunpalorintamaonedennyt kiinnittaatarkempaahuomiota. Tuloksetovatainoastaansuuntaaantavia,sillalaskuissakaytetyssamallissa eiolehuomioituvirtaustentasoittamisessakaytettyailmastointihuopaaja verkkolevya. 26

31 Kuva11:Viisisenttimetriapaperintasonylapuolellaolevianopeusproileja. Kuva12:Viisisenttimetriapaperintasonalapuolellaolevianopeusproileja. 27

32 5.3 Palorintamanseuraamiseksikammioononasennettukamerasysteemi.Palo- Rintamankehityksenseuraaminen rintamastasaatukuvamateriaalitallennetaanvideonauhallemyohempaadi- gitoimistajaanalysoimistavarten.kamerasysteemiinkuuluuccd-kamera, senohjausyksikkojakuvamateriaalintallentamiseenvideonauhuri. kamerajarjestelma.kuvanmonitorinpaikallaonlaitteistossavideonauhuri. Kuva13:PalorintamankuvaamisessakaytettyTOSHIBAIK-M48PKCCD- KayttamammeToshibaIK-M48PKCCD-kameranefektiivinenpikseliresoluutioon752582pikselia.Tyypillisessakameranasemassakuvattaessa300 ollessakamerallammevainviisiluksia,mittauksetvoidaantehdapimeassa perinrakenneosasiinverrattuna.kohteenpienimmanvalaistusvoimakkuuden mmleveaapaperiapikselinkokoon0.28mm,jokaonriittavatarkkuuspa- ainoanavalonlahteenahehkuvapalorintama.tallointuhkastaaiheutuvat hairiotrintamantunnistamisessavahenevatjarintamanpaikkamaaraytyy kirkkaudenintensiteettimaksimista.kamerankuvaustaajuusonmaksimissaan25kuvaasekunnissa. Poltettaessatavallistakopiopaperia(koko300500mm)kestaamittausnoin 15minuuttia,jolloinyhdestapoltostasaadaanvideonauhalle20000kuvaa. Kuviadigitoidaannauhaltamuutamansekunninvalein,noin300kuvaayhdestapoltosta.Yhdenkuvatiedostonviemalevytilaonnoin300kt,jolloin kokopoltostadigitoitujenkuvienviemalevytilaonnormaalisti90mt. 28

33 KameraltatulevavarikuvatallennetaanensinS-VHS-videolla,jokatakaa riittavankuvanlaadun.kuvamateriaalitallennetaanvideonauhallekoskareaaliaikainenkuvandigitoiminenjatallentaminenonhidastajavaatisiliikaatalletuskapasiteettia.yksittaistenkuviendigitoiminenvideonauhaltatapahtuuproili-ohjelmalla,jokakaappaahalutuinaikavaleinvideonauhalttokoneenkovalevylle8-bittisiksiharmaasavykuviksi,joistarintamanpaikka yksittaisiakuviavideokortinvalityksella.digitoidutkuvattallennetaantie- maaritetaan.ccd-kameranoptiikastaaiheutuvantynnyrivaaristymanvirhe rintamanpaikkaankorjataanennendatananalysointia. Kuva14:CCD-kamerallakuvattumillimetripaperi.Kuvaanonvaaleallapiirrettykorjaamatonpalorintamajamustallapiirrettyynpalorintamaanontehtytynnyrivaaristymankorjaus. CCD-kamerantelinettaliikutellaanpaineilmasylinterillapaperinalapuolella paikanmaaritystapahtuipc-pohjaisellaohjaussysteemilla.samaasysteemia (kuva15).kameranliikuttelutarkkuuson0:5mm.kameranliikutteluja 29

34 liikutellaanpaineilmasylinterilla. Kuva15:Kameranliikuttelusysteemi.Kameratonkiinnitettykelkkaan,jota aiheutuviavirtauksiavaikuttamastarintamanetenemiseen.lasilevysuojaa kaytetaanmyoskammionjakameranlampotilojenmittaamisessa.poltettavannaytteenjakameranvalissaonlasilevy,jokaestaakameranliikkeista myoskameranlinssiaputoavaltatuhkalta. osaan.kelkkaonkiinnitettymantaan.nostamallapainettatoisessakammiossajasamallaalentamallapainettatoisessa,saadaankelkkaliikkumaava15).laitekoostuusylinterista,jokaonjaettukahteenmannanerottamaan Kameranliikuttelussakaytetaanmannanvarretontapaineilmasylinteria(kusillamagneettiventtiileilla,jotkasaatelevatpaineilmanvirtaustakammioihin. Sylinteriniskuelikelkanmaksimisiirtymaon500mm. haluttuunsuuntaan.paineenalentaminenjanostaminentapahtuuyksitoimi- 30

35 lukkoa,jollakelkkasaadaanpysymaanpaikallaan.sylinterinpaihinonasennettukaksikapasitiivistarajakytkinta.kaikkiakolmeaventtiiliaohjataalinterinkammioissajakolmannellakaytetaankelkanpaineilmallatoimivaa Systeemiinkuuluukolmeventtilia.Naistakahdellasaadellaanpainettasy- tietokoneella,jonkamittauskortistatulevaohjaussignaalimuutetaanohjauspiirillaventtiileillesopivaksikayttojannitteeksi. Kameranpaikanmaarittamiseksikelkansiirtymamuutetaanjannitteeksipotentiometrilla[18].Kelkanliikkuessasiihenkiinnitettyhammashihnapyorittaapotentiometria,jonkatoiseenpaahansyotetaanvakiojannitetta.Talloin mittauskortillatietokoneelle,jossakelkansiirtymamuutetaankalibroinnissa saadunpns-sovituksenavullajannitteestamillimetreiksi.paikanmaaritystarkkuuson0.5mm. liu'unjanniteonverrannollinenkelkansiirtymaan.liu'unjannitemitataan KameranliikuttelujapaikanmaaritystapahtuvatNationalInstrumentinAT- MIO-16DE-10-mittauskortinjaLabVIEW-sovelluskehittimellatehdynohjelmakoodinavulla. KaytettyAT-MIO-16DE-10-mittauskorttiontietokoneenISA-vaylaansijoitettavamonitoiminenI/Okortti,jossaonkaksi12bitinanalogistaulostuloameranpaikanjalampotilojenlukeminentapahtuuanalogisillasisaantuloilla, kanaviasekakaksilaskuria.laitteistossakaytetaankanaviaseuraavasti;ka- 16kappaletta12bitinanalogistasisaantuloa,32kappalettadigitaalisiaI/O tuulettimenohjaaminentapahtuuanalogisellaulostulollajapaineilmasylinterinohjaaminentapahtuukahdelladigitaalisellaulostulolla.mittauskorttia onhelppohyodyntaakayttaenlabview:ssaoleviavalmiitaaliohjelmia. 31

36 LabVIEW ohjelmiensovelluskehitinsamaantapaankuinc-kieli.eronasenjac-kielen valillaon,ettakunc-kieliontekstipohjainenohjelmointikieli,niinlabview LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)[19]on kayttaagraastaohjelmointikieltaluomaanohjelmakoodialohkokaavion(kuva17)muodossa. janiidenkayttoperustuugraasiinsymboleihinennemminkuinperinteiseen tettyterminologia,ikonitjakasitteetovattutkijoillejainsinooreilletuttuja OhjelmointiLabVIEW:llaeivaadivahvaaohjelmointikokemusta.Siinakay- ohjelmakoodiinohjelmantoimintaakuvattaessa. lentamiseen.ohjelmasisaltaamyosperinteisiaohjelmointityokaluja.ohjel- maanvoidaanasettaatarkkailupisteitajadatankulkuaohjelmassavoidaan jelmasisaltaakirjastottiedonkeruuseen,analysointiin,esittamiseenjatal- LabVIEW:ssaonlaajaaliohjelmakirjastouseimpiinohjelmointitehtaviin.Oh- seuraaminenpaljastaakatkoksetjavirheetdatankulussa. animoida,jolloinohjelmankorjaaminenjakehityshelpottuu.animaation FotocompOy:nvalmistamaProili-ohjelmaonerityisestimittaustemmetar- Proili peisiintehtyohjelma,jotakaytetaanvideoidenohjaamisessa,kuviendigi- toimisessanauhaltajareunakayrantunnistamisessakuvista.palorintaminen analysoiminentapahtuuerillisillaohjelmilla. Videonauhurinohjaaminentapahtuusarjaportinkauttavideoihinkytketyn ohjauspiirinavulla.naintietokoneennaytoltavoidaanhiirenavullavalita eritoimintoja,kutennauhoituksenkaynnistaminen,videonauhaneteen-ja taaksekelaus,ajastimennollausjapysaytyskuva. 32

37 Kuva16:LabVIEW:llatehtygraanenohjauspaneeli. Kuva17:LabVIEW:nohjelmakoodialohkokaaviomuodossa. 33

38 deonauhalta,janiidenkasittelynhalutussakuvaformaatissa. KuviendigitoimiseenProilikayttaaScreenMachineII-videokorttiajasen mukanatulleitaohjelmia.videokorttimahdollistaakuvienkaappaamisenvi- Reunakayrantunnistaminenkuvistatapahtuurajaamallahaluttualuepalorintamasta,jostaohjelmatunnistaarintamanharmaasavynintensiteettimaksiminperusteella.Ohjelmakaymatriisiintalletettuakuvaasarakkeittain tapahtuusovittamallagaussin-kayravalitunintensiteetinymparistoon,jolloinsovitetunkayranmaksisikohtailmoitetaanrintamantarkkanapaikkana. jaetsiinaistahalutunintensiteetinarvon.rintamantarkkapaikanmaaritys kuvaaminentapahtunutpimeassavaivaloisassakammiossa. Gaussinkayraakaytetaankuvandiskreetinluonteenvuoksi.Paikannuksessakaytettyintensiteettimaaraytyykuvausolosuhteidenperusteellaelionko 5.4 Oheislaitteisiinluemmelaitteet,joillaeiolesuoranaistavaikutustapalorintamanetenemiseentainiitaonkaytettymittauksissasatunnaisesti. Oheislaitteet Poistoilmanpuhdistaminen PalokaasujensuodattaminenkammionpoistoilmastatapahtuuREANAIRilmansuodattimella[20],jokaonsuunniteltupoistamaanilmassaleijuvat hiukkasetkutenpolyn,noenjasavun.suodatinontarpeenlaitteistonsijoituksestajohtuen.laitteistoonjyvaskylanyliopistonkiihdytinlaboratorion kohtiohallissa,jossapalohalyttimetovaterittainherkkia.tamanvuoksitulee ohjaamista. kammionpoistoilmapuhdistaaennenkohtiohallinilmastointijarjestelmaan 34

39 Ilmanpuhdistintoimiiseuraavallatavalla:polttokammionyhteydessaolevapuhallinkierrattaailmassaleijuvathiukkasetilmanpuhdistimensisaan. Noyhtajamuutisothiukkasetjaavatesisuodattimeen.Useimmatilmassa joutuvatelektronisenpuhdistuskennonionisointiosaan,jossanesaavatvoimakkaansahkovarauksen. leijuvathiukkasetovatniinpienia,ettaneeivattartuesisuodattimeenvaan Kuva18:RENAIR-ilmanpuhdistusmenetelmankuvaus.Suodatettavailma tuleesuodattimeenvasemmaltajapoistuuoikealta[20]. ten,samaantapaankuinmagneettivetaapuoleensarautajauhoa.namahiuk- kasettakertuvatmetallilevyihinjapysyvatniissakunneskennopestaan. vihiilisuodatin.kuvassa18onrenair-ilmanpuhdistusmenetelmankuvaus. Jaljellejaavienkaasumaistenepapuhtauksienpoistoononlaitteesssaaktii- jossanesinkoutuvatvoimakkaansahkokentanvaikutuksestakeruulevyjavas- Varatuthiukkasetkulkeutuvatilmavirrankuljettaminakennonkeraysosaan, 35

40 Lampomittarit Lampotilojamitataankolmellarauta-konstantaani-termoelementilla[18],joistayhtakaytetaanCCD-kameranlampotilanseurantaanjakahdellamuulla Termoelementtienvertailuliitosonhuoneilmanlampotilassaelinoin20C. tarkkaillaankammionlampotilaavaihtelevissakohdissa. Huoneilmanlampotilanvaihtelustaaiheutuvavirhe1Ceiolemittauksiaajatellenmerkittava.VertailuliitoksenjamittausliitoksenvalinentermojannitevahvistetaankaupallisellaAD954-termoparivahvistinpiirillasiten, etta1mvmuutosvastaa1cmuutostamittausliitoksenlampotilassa. JanniteviestiluetaanLabVIEW:llemittauskortinkautta.Ohjelmamuuttaa jannitteencelsiusasteiksikayttamallavedenkiehumis-jajaatymispisteiden avullasaatuakalibrointikayraa.saaduttiedotvoidaantallentaahalutuin tenkinccd-kameranlampotila,jonkatuleepysyaalueella?10c-+40c. aikavaleintiedostoon,jolloinmittauspisteidenlampotilojenkayttaytymista mittauksenaikanapystytaantutkimaan.tarkeinmittauksenkohdeonkui- Polttokokeidenaikanakammionlampotilaonpysynyt26C:ssa. 5.5 Mittauslaitteistontoimivuustehdyissamittauksissa Vuoden1997huhtikuuhunmennessatehtyjenyli300mittauksenperusteella voidaansanoa,ettalaitteistoonmelkohyvinvastannutsilleasetettujavaatimuksiahelppokayttoisyydestajamuunneltavuudesta.erikokoistennaytteidenkasittely,sytyttaminenjakuvaaminenonollutvaivatontajanopeaa. Laitteistonmuunneltavuudestaonollutetuaesimerkiksierilaisiamittauskon- guraatioitakokeiltaessa.tastaonhyvanaesimerkkinatuhkanaiheuttamien haittojenpoistaminenerilaisillataristimillajakameransuojaamisella. 36

41 tehdyissakokeissaeiilmavirtauksillaoleolluthairitsevaavaikutustapalorintamankayttaytymiseen.palokaasujenvalityksellatapahtuvankonvektion Virtaustenhallittavuudestakammiossavoidaansanoa,ettatahanmennessa ehkaisemisessaononnistuttuvirtaustenhallinnalla.tamaonnakynytsavun poistumisenarintamalta. 37

42 6.1 6 MITTAUSTAPAHTUMANKULKU Polttokokeissaonkaytettykahtaerilaistakaupallistapaperilaatua;savukepa- Naytteidenkasittely periajakopiopaperia.mittauksissakaytettyakymlux-kopiopaperiajoudut- tiinkasittelemaankemikaaleillaparempienpalamisominaisuuksiensaavutta- miseksi.kemikaalinakaytettiinkaliumnitraattia(kno3),jokaonrajahdys- aineissakaytettyhapenlahde.tervakoskioy:nvalmistamaasavukepaperia Mittauksissakaytetytpaperilaaduttoimitettiinisoinaarkkeinatairullilla, (neliopaino25g/m2)onvoitukayttaasellaisenaanmittauksissa. joistaleikattiinsopivankokoisiaarkkeja.arkkejakasiteltiinliottamallaniita viisiminuuttiakaliumnitraatinvesiliuoksessa,jonkakonsentraatiooli0.069 mol/l.tamanjalkeenarkitnostettiinkuivumaanhuoneilmaan.kuivuessa kapristyneitaarkkejaprassattiintunninajan70c:eenlampotilassa,jailmastoitiinhuoneilmassa.talloinarkkienkosteuspitoisuusasettuitasapainoonymparoivanilmankanssa.ilmastoinninjalkeenarkitleikattiinlopulliseenkokoonsa.talloinpaastiineroonreunoilleimeytyneestasuuremmasta KNO3-maarasta.Kaliumnitraatintasainenjakautuminenpaperiarkillevarmistettiinlaserablaatiomittauksilla[21,22]. 6.2 Kokeissapoltettavatpaperiarkitkiinnitetaanirrotettavaanpaperipidikkeeseenpainelemallapaperitreunoistaanperhosneuloille,jotkaonkiinnitetty pidikkeenpitkillesivuillesenttimetrinetaisyydelletoisistaan.ohuidenneumonjohtumista.paperitasetetaanpidikkeeseensiten,ettatuhkatkapristyvalojenkaytollapyritaanvahentamaanpaperistapidikkeeseentapahtuvaalam- kamerastapoispain.kapristyminenaiheutuupaperintoispuoleisuudesta. Kokeidensuorittaminen 38

43 Pidikeasetetaanpaperitelineeseen,jokasaadetaanhaluttuunasentoon.Pa- Kuva19:Koejarjestelynkaaviokuva. mistatutkimalla[23]ontodettupalonetenemisenriippuvanmm.seuraavista periavoidaanpolttaajokoylhaaltaalastaialhaaltaylos.normaalistipape- riapoltetaanylhaaltaalas80kulmassavaakatasosta.metsapalojenetene- taan),topograasta(paloeteneenopeamminylamaahankuinalamaahan), tekijoista:riittavahapensaanti,ilmavirtaukset(namakaksiedellamainittua paloniasta,palavastaaineestajatietenkinkosteudesta.edellamainituista tekijaayhdessajohtavatnopeampaanpalonleviamiseenilmavirtauksensuun- tekijoistaerityisestipoltettavanaineenmerkitysonkorostunuteripaperilaatujapoltettaessamionyhteydessaolevapuhallin.puhaltimellaimetaanpoltonaikanasyntyvat palokaasutpoiskammiosta.palokaasujenpoistaminenvahentaakonvektion Arkinollessasopivassaasennossasuljetaankammiojakaynnistetaankam- valistyksellatapahtuvaalammonjohtumistapaperissa. 39

44 toononerassuurimpiahairiotekijoitarintamankarheutumisessa.palorinta- Palorintamanreunoiltakonvektiollatapahtuvalammonjohtuminenymparismanreunojenetenemisnopeuspieneneeniidenjaahtyessa.Tamanakyypalorintamanreunojenjalkeenjaamisenamuustarintamasta.Tamankaltaisista tuloksiin. poltoistasaaduttulokseteivatolevertailukelpoistasimuloinneistasaatuihin Reunojenjaahtymisestasyntyvaahairiotavoidaanpienentaalammittamalla reunojaliikkuvillalammityselementeilla.namaelementitliikkuvatpalorintamanjaljessa.rintamanjaadessareunoiltaanjalkeenalkavatelementitlammittamaanrintamaa,jolloinsenetenemisnopeusreunoillakasvaa. Olosuhteidenvakiinnuttuakammiossa(lampotilan,virtaustenym.osalta) etenevakytevapalorintama,jonkakehitystaseurataan. tetyllawolfram-langalla.nainaikaansaadaanyhtenainenjavakionopeudella aloitetaanmittaussytyttamallapaperikokoleveydeltaansenpaallejanni- Tahanmennessatehdyissamittauksissaonarkkejapoltettuylhaaltaalaspain. pitkankantamanvuorovaikutuksiaeiolehuomioitureaktio-diuusio-yhtaloissapalorintamanetenemiselle. Poltettaessaarkkejaalhaaltaylospainsyntyvatpalokaasutlammittavatylapuolellaolevaaarkkiaepatasaisesti,jolloinpalorintamalevenee.Tallaisia 40

45 7Luonnollinenvalintapoltettavaksimateriaaliksiolipaperi,senhyvienpalo- ominaisuuksienjakaksiulotteisen,suhteellisensatunnaisenrakenteentakia. NAYTTEIDENOMINAISUUDET siinahitaasti,kytemallaetenevanpalorintamanaikaansaaminen. KPZ-yhtalonkokeelliselletutkimiselleontarkeaavaliaineensatunnaisuusja 7.1 Paperirakentuupuu-jasellukuiduistamuodostuneestaverkostostajasiihen Paperinrakenne kiinnittyneistatayteaineista.kuidutovatkiinnittyneettoisiinsavetysidoksin,joitamuodostuukuitujenpinnoillaolevienselluloosamolekyylienhydroksyyliryhmienvalillasakuidutjalisaaineetovatjakautuneetepatasaisesti[24].epahomogeenisuusnakyymassajakaumassa,kuitujenjalisaaineidensijoitumisessatoisiinsa Mikroskooppiseltarakenteeltaanpaperionepahomogeeninen[24].Paperis- nahdenjaei-pallomaistenpartikkelienorientaatiossa[24].epahomogeenisesta rakenteestahuolimattapaperinuseimmatmakroskaalanominaisuudetovat maaritettavissasuhteellisenpienellahajonnalla[25]. Laboratoriossavalmistettuarkkipaperionominaisuuksiltaantasalaatuisempaakuinpaperikoneellavalmistettu.Laboratorioarkkitehdaansuotauttamallalaimeamassasulppuviirakankaalle.Suotautunutarkkimarkapuristetaanjakuivataan.[26] Laboratorioarkkeissakinmassajakaumaonepahomogeeninen.Laimeassamas- johtaakorrelaatioihinpaikallisessaneliopainossa.toisinsanoen,ontodennakoista,ettapisteidenetaisyydenollessakorrelaatiopituuttalyhyempiorovaikutustenjohdostaokeiksi,joillaontiettykarakteristinenkoko.tamsasulpussakuidutkeraantyvathydrodynaamistenjapintakemiallistenvuo- 41

46 kienmassajakaumanvaihtelujaontutkittumittaamallaeripainoistenark- kien-absoptiota,jokaonverrannollinenpaikalliseenneliopainoon.saaduis- taradiogrammeistaonlaskettuparikorrelaatiofunktio niidenpoikkeamakeskimaaraisestaneliopainostayhtasuuri.laboratorioark- missam(~x)onpaikallinenneliopaino,msenkeskiarvoylikunkinarkinja hikeskiarvoylikaikkienradiogrammien.parikorrelaatiofunktioterineliopainoisillepapereilleonesitettykuvassa20.[27] G(~r)=h[m(~x)?m][m(~x+~r)?m]i; (22) Kuva20:Laboratorioarkkienparikorrelaatiofunktioitalogaritmisellaasteikolla.Arkkienneliopainotylhaaltaalasovat7.2g/m2,70.4g/m2,86.3g/m2 Kuvassa20olevapystyviivaesittaakuidunkeskimaaraistapituuttaA=2.7 ja118.9g/m2.[27] potenssifunktiotanoudattavakayttaytyminenvoijatkuaylikymmenenker- mm.laboratorioarkkienkorrelaatiofunktiotnoudattavatneliopainostariippumatontapotenssilakiag(r)'r?kunr<a.keveimmillapapereilla 42

47 funktionoudattaapotenssilakiavainkuidunpituuteensaakka.samanlaista taakuidunpituuttaedemmas.yli40g/m2painavillapapereillakorrelaatio- neliomassankayttaytymistaesiintyymyoskeveissapaperikoneellavalmistetuissaarkeissa.[27] Polttokokeissakannattaisisiiskayttaayli40g/m2painavialaboratorioarkkeja,muttapienenkokonsa(165mm165mm)takiapalorintamandynaaminenkarheutuminenolisivaikeastihavaittavissa. Paperikoneellavalmistetunpaperinepahomogeenisuussyntyyviiraosalla,mikanakyykuituorientaationa,okkaantumisenajapaperintoispuoleisuutena. Kuituorientaatiosyntyyhuulisuihkunjaviiramatonvalisestanopeuserosta. Viiralletoisestapaastaantarttuneetkuidutkaatuvatkonesuuntaan.Paperisuuntaanonkeskimaaraisestienemmankuitujakuinpoikkisuuntaan.Massasulpunokkisuusjaolosuhteetsuotautumishetkellavaikuttavatsyntyvan rainanmassajakaumaan.paperinpienenmittakaavantasaisuuttakuvataan formaatiolla,jokamitataan-absoptioonperustuvallalaitteistolla.formaatiomaaritellaanuseinpaikallistenneliopainovaihtelujenvarianssina.tyypillisestikopiopaperinformaatioonluokkaa2g/m2janeliomassavaihtelutvertoisuudenjakuituorientaationepatasainenjakautuminenpaperinpaksuusratensatunnaista.paperintoispuoleisuudenaiheuttaatayte-jahienoainepisuunnassa.[25koneellavalmistetussapaperissakuidutovatorientoituneetsiten,ettakone- merkitystapalorintamanskaalautumisominaisuuuksiin.kopiopaperinepata- Polttokokeissaeikuituorientaatiollaeikatoispuoleisuudellahavaittuolevan sainentayteainejakaumapaksuussuunnassaaiheuttipalaessasyntyneentuh- kankaantymisenvainpaperintoisellepuolelle.nainollenpaperipidikkeeseen oikeinpainasetetustapaperistasyntyvatuhkaeihairinnytpalorintamankuvausta.korreloituneenneliomassavaihtelunvaikutuksistapalorintamanskaalautumiseenkerrotaantulostenesittelynyhteydessa. 43