微重力燃烧基础研究概述

本文介绍了国外微重力燃烧基础研究的概况。在微重力条件下不存在浮力和由其引起的自然对流,从而影响了燃烧基本过程。理论和实验研究表明,在微重力条件下火焰结构,火焰传播,火焰稳定等一系列燃烧基本过程都明显不同于通常在地球表面上所观察到的现象。      

微重力燃烧研究进展

认识燃烧过程是安全、高效、洁净地利用能源的基础. 但是, 常重力条件下的浮力对流和重力沉降使得燃烧现象变得复杂. 而微重力条件下这些影响几乎消失, 这简化了对燃烧的研究. 在加深对地面燃烧过程和载人航天器火灾安全问题的认识的推动下, 经过近半个世纪特别是最近10多年的发展, 微重力燃烧研究已经涵盖了预混气体、气体扩散、液滴、颗粒和粉尘燃烧、燃料表面的火焰传播等燃烧学科的各个领域. 研究中实现了球对称液滴燃烧、不受沉降影响的粉尘燃烧、静止或低速对流环境中的燃烧, 观察到了火球、自熄灭火焰等现象,阐明了碳黑形成中的热泳力效应、可燃极限与火焰稳定性等机理. 加深了对燃烧现象,特别是对辐射效应的理解: 在预混气体、气体扩散、液滴等多种火焰中, 除了停留时间过短引起的吹熄极限外, 还存在辐射热损失过大引起的冷熄极限, 后者只能在微重力条件下观测到. 部分研究成果已经进入教材. 而火焰在微重力下不同于常重力下的现象, 对载人航天器火灾安全具有重要意义. 考虑到我国的现实情况和国内外的研究现状, 建议将煤炭颗粒和粉尘的燃烧、与碳黑相关的机理、辐射效应、化学动力学等作为我国微重力燃烧的主要研究方向.      

微重力下薄燃料表面火焰传播的地面窄通道模拟

对微重力下薄燃料表面逆风火焰传播的地面窄通道模拟，进行了量纲分析，并通过火焰传播 图像记录进行了实验验证. 结果表明，减小实验段特征尺寸可以实现微重力燃烧的地面模拟. 在各种氧气浓度条件下，竖直和水平窄通道内的火焰传播速度随气流速度的变化趋势完全不 同，而且，水平窄通道可以有效限制自然对流，而竖直窄通道较难. 当通道高度增大时，竖 直和水平窄通道中，火焰传播速度和吹熄极限速度都不同程度地增大，这是热损失减小、火 焰面遇见的气流速度减小以及自然对流速度增大3个因素的综合结果. 对于水平窄通道， 1cm是一个可以定性模拟微重力下自然对流的尺寸. 对于竖直窄通道，则需要高度更小的窄通 道来限制自然对流.     

微重力下密闭腔体内火焰传播过程的数值模拟

建立了微重力条件下火焰沿固体可燃物表面蔓延的数学模型．在考虑固相传热和热解过程的基础上，研究气相的燃烧动力学过程，并且给出了体现微重力燃烧两相耦合作用的相界面处理方法．首次用数值模拟的方法研究了密闭腔体内火焰传播的三维非稳态过程，对于微重力大小分别为１０－４ｇ和１０－２ｇ时的计算结果进行了分析对比．数值模拟的结果基本合理．     

热毛细对流表面波空间实验研究

介绍了实践十号返回式科学实验卫星19项科学项目载荷之一:热毛细对流箱表面波空间实验研究,包括项目研究目标、意义、研究内容、空间实验模型及地面匹配实验结果等.阐述了本项目开展空间实验研究的必要性,用科学的地面实验研究数据预测和对比微重力条件下可能获得的研究结果,展望本项目可能取得的成果.     

《微重力流体力学》简介

微重力流体科学是流体力学与空间材料、空间生物技术、燃烧交叉的新兴学科．研究微重力环境中流体的流动、迁移,热、质输运和相变等基本规律,还有物理化学问题和低温问题,这是微重力科学的基础和核心近三十年来,随着空间技术的进步,空间科学迅速发展．空间飞行器在轨道自由飞行时,其间的微重力水平仅为地面的１０~－３～１０~－６量级,在地面重力作用下常见的浮力对流、静压不均匀和沉降等现象都极大地减弱．因此,有可能利用微重力条件得到在地面条件下难于得到的高质量生物制品和新材料．但是,在微重力环境中,许多在地面上的次级…     

微重力池沸腾过程中的气泡热动力学特征研究

微重力池沸腾过程中的气泡热动力学特征研究项目是实践十号返回式卫星科学实验任务之一,主要关注微重力池沸腾过程中孤立生长气泡周围局部流动与传热机理.目前,实验装置SOBER-SJ10正样产品已完成研制和地面测试,并开展了一系列地面对比实验.地面实验结果表明设备工作正常,性能指标达到设计要求.地面实验结果表明过冷度对起始沸腾过热度影响甚微.空间飞行实验将于近期进行,其结果将加深对沸腾传热机理的认识.     

半封闭空间明火引燃油气特性实验

为研究明火引燃油气着火爆炸特性,建立了半封闭着火爆炸实验平台。通过高速摄影仪拍摄的火焰图像,研究不同油气体积分数下的火焰传播特性。根据高频压力传感器采集的容器内压力变化情况,分析不同油气体积分数下的压力发展特性。结果表明,油气体积分数对火焰组分、火焰传播速度、压力和压力变化速率有显著影响;火焰具有明显的分区现象,可分为燃烧核和火焰阵面,并且纵向火焰阵面速度大于横向火焰阵面速度;容器内压力发展历程可分为4个阶段,而且会形成压力双峰现象;油气爆炸过程中,火焰结构与压力波形成了强烈的耦合作用。     

载人航天器火灾安全研究进展

理论上和实际上, 载人航天器都有发生火灾的可能, 载人航天器的火灾安全问题是微重力燃烧研究的重要内容. 氧气浓度和气流速度对给定固体材料的可燃性具有显著影响,在固体表面的逆向和同向传播火焰中, 都存在由氧气浓度和气流速度决定的可燃极限, 即气流速度较高时的吹熄和气流速度较低时的冷熄. 极限氧气浓度和极限气流速度两个极限参数, 是衡量材料可燃性的关键指标. 在微重力条件下, 当低速气流存在时, 固体材料发生有焰燃烧和闷烧的可能性都大大增强. 因此, 剔除材料中的潜在燃料是航天器防火的主要措施.但是, 在航天器使用的材料中, 仅有很少一部分是阻燃的, 为了保证火灾安全, 还必须采取火灾检测和灭火措施. 当前美国和俄罗斯采取的火灾安全方案, 既有相似性, 也有各自的特点. 在载人航天器的火灾安全问题中, 尚有很多问题和方案有待研究或检验. 考虑到我国的实际情况, 作者认为, 通过实验对照和数值模拟的方法, 开展材料在微重力条件下的燃烧特性的常重力模拟, 对于我国载人航天器的火灾安全具有现实意义.      

导线绝缘层着火早期烟的析出和烟气分布

正安全防火是发展载人航天必须妥善解决的最重要问题之一,典型电子电气部件是火灾隐患的主要源头,项目为发展微重力下的着火监测和早期报警技术提供基础数据和技术支撑。由于导线绝缘层在自身适度过载电流作用下引起的疲劳和热解是一个过程,不是瞬间完成的,只能通过长时间微重力实验实现。通过微重力实验,获得导线绝缘层的着火