不同重力下窄通道内薄材料表面的火焰传播

在常重力下模拟微重力燃烧对载人航天器的火灾安全具有重要意义.窄通道就是这样一种可以有效限制自然对流的模拟设施.但是,不同重力下火焰传播的相似性仍然是有待研究的问题.本文用实验和数值模拟的方法,比较了不同重力下有限空间内热薄材料表面的逆风传播火焰.不同重力下火焰形状和火焰传播速度的比较表明,1cm高的水平窄通道可以有效地限制自然对流,在常重力下用这种通道能够模拟微重力下相同几何尺寸的通道中的火焰传播.因此,在地面上首先利用水平窄通道,模拟相同环境中的微重力火焰传播,然后考虑通道尺寸变化对火焰传播的影响,有可能成为地面模拟其他尺寸的空间中的微重力燃烧的方法.     

窄通道内热厚材料表面火焰传播的实验研究

利用高度为14 mm的水平窄通道对微重力条件下聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚乙烯(PE)塑料材料表面的火焰传播进行了地面实验模拟研究。在环境气体氧气浓度为30%和50%、低速气流速度小于15 cm/s的实验条件下,实验测量了窄通道内材料表面火焰传播速度随气流速度的变化,它们与微重力下热厚材料火焰传播速度的理论预测结果符合得相当好。分析认为,窄通道能够有效地限制浮力对流,提高燃料表面固相热辐射在火焰传播中的相对作用,从而提供模拟微重力下热厚材料表面火焰传播特性的实验环境。     

富燃料丙烷/空气预混火焰特性的微重力实验研究

地面常重力(1g)条件下,丙烷/空气预混火焰向上传播的富燃极限为9.2%C_3H_8,而向下传播时的富燃极限仅为6.3%C_3H_8,二者之间存在明显差距。利用微重力条件下的实验,对燃料浓度从6.5%到8.6%(微重力实验中测定的可燃极限)范围内的丙烷/空气预混火焰特性进行了研究。实验发现,重力对近极限丙烷/空气火焰的传播有显著影响,影响程度随着当量比的增加而增大。微重力下丙烷/空气的富燃极限为8.6%C_3H_8(φ=2.24),明显高于1g条件下向下传播火焰的可燃极限,略低于向上传播火焰的可燃极限。随着当量比的增大,根据压力变化曲线计算的火焰层流燃烧速度从8.5cm/s逐渐减小到2.7 cm/s,可燃极限处的层流燃烧速度与前人实验数据一致。     

窄通道内热薄燃料表面火焰传播特性研究

利用实验和数值模拟对微重力和常重力条件下高度为14mm和10mm的窄通道内热薄纸张表面火焰传播特性进行了研究。不同重力条件下窄通道内火焰传播速度随气流速度变化的规律符合得较好,说明地面窄通道实验能够模拟微重力条件下材料表面火焰传播的主要特征。地面窄通道中浮力流动速度的最大值约为5cm／s,与常规实验通道（高度较大）相比...     

近贫燃极限甲烷/空气火焰的层流燃烧速度研究

利用微重力条件下向外传播的球形火焰,对贫燃极限附近甲烷/空气预混火焰的层流燃烧速度进行了测量,得到当量比从0.512(本文微重力实验中测定的可燃极限)到0.601范围内的零拉伸层流燃烧速度,并与前人实验数据和使用3种化学反应动力学模型的计算结果进行了比较.本文实验结果与已有的微重力实验数据非常接近,而其他研究者在常重力...     

用高空气球搭载微重力实验研究浮力对预混V形火焰的影响

在地面实验中观测到的燃烧现象,包含了浮力的影响。利用微重力实验在浮力消失后研究火焰,有助于深入理解燃烧过程。本文介绍了利用高空气球搭载微重力实验对甲烷－空气预混Ｖ形火焰的研究。实验提供了长时间微重力环境下火焰的动态图像。利用计算机图像处理方法对火焰图像的分析表明,在本实验的工况下,微重力下预混Ｖ形火焰锋面的张角比正常重力下变大,皱折和摆动加剧。这说明浮力确实影响预混燃烧过程。     

微重力下环境压力对火焰传播的影响

研究表明,在微重力环境中,当强制对流速度很小时,环境压力的增大会加强氧气的扩散,减弱辐射热损失对火焰的冷却效应,使火焰传播速度增大。但随着强制对流速度的增大,对流成为质量传递的主要途径,化学反应速率受化学反应动力学因素控制,火焰传播速度对压力的变化不敏感。     

微重力环境中热厚材料着火特性研究

在空间微重力环境中,对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)试样进行点燃实验,研究了不同氧气浓度和环境压力条件下热厚材料的着火特性。结果表明,在研究涉及的实验条件下,材料均可被点燃。外加热源消失后,氧气浓度较高时,点火形成的材料表面火焰可以自维持并稳定传播,而氧气浓度较低时,火焰不能自维持并最终熄灭。材料着火具有爆发性,材料热解形成的可燃气瞬间被点燃形成火焰。重复点火时,材料可以被点燃,但外加热源消失后火焰不能维持传播,材料着火过程中散发出大量的发光颗粒并随气流迁移,存在引燃周围易燃物的风险。材料着火后形成的稳定火焰总是朝着与气流流动相反的方向运动,即火焰逆风传播,没有出现顺风传播的现象。     

绕汽柱热毛细对流的数值模拟

本文建立了一个在常重力及微重力情况下绕汽柱热毛细对流的数学模型,并采用有限差分法来积分非稳态动量方程和能量方程,得到了不同参数下热毛细对流的数值解．通过数值模拟,得到了不同参数下热毛细对流的速度矢量场,了解了有关无量纲参数对热毛细对流的影响规律．得出结论：热毛细对流不仅在微重力条件下存在,即使在重力场中,在特定情况下也是不能忽略的。     

加压条件下甲烷/空气预混火焰可燃极限的微重力实验研究

本文成功搭建了适用于中国科学院力学研究所国家微重力实验室(NMLC)落塔的高压对冲火焰实验系统,并首次开展了微重力条件下加压对冲火焰实验,测定了一定张力条件下甲烷/空气层流预混火焰的熄灭极限。实验结果表明,随着压力的增高,甲烷/空气混合气体的可燃极限呈先增后降的非单调变化趋势,峰值发生在0.4 MPa左右。浮力对加压下微弱火焰熄灭极限的影响明显,在常重力条件下,相同张力下的熄灭极限较微重力条件下的偏大,峰值出现的压力略低。微重力条件下的实验结果与使用CHEMKIN的数值模拟的结果相当一致。     

短时微重力条件下燃料电池性能实验研究

开展了不同重力情况下燃料电池性能的实验研究.利用微重力落塔,对常重力和微重力条件下燃料电池发电时其内部的两相流动开展了可视化现场观测.对重力因素对燃料电池内部传质过程的影响进行了分析和讨论.实验结果表明:当电流密度较大时,在微重力环境中燃料电池性能较常重力环境中的有较明显下降.由于微重力条件下浮升力的消失导致气体不能及时从流道中排出,进而对直接甲醇燃料电池内的传质过程产生负面影响.     

质子交换膜燃料电池短时微重力性能实验研究

利用落塔开展了不同重力情况下质子交换膜燃料电池性能的实验研究.对常重力和微重力条件下质子交换膜燃料电池发电时其阴极蛇形流场内部的两相流动开展了可视化现场观测.对重力因素对质子交换膜燃料电池内部传质过程的影响进行了分析和讨论.实验结果表明:在常重力环境中,液态水堆积在竖置流道的底部,无法有效排出.聚集在流道内的液态水与反应气体在流道内形成气/液两相流动.在微重力环境中,液态水在气体推动力的作用下从流道的底部上升并沿流道向出口流动.聚集在流道内的液态水排除后,减小了反应气体(氧气)从流道向催化层的传递阻力,从而使质子交换膜燃料电池的性能得到提高.     

表面辐射热损失对微重力静止环境下火焰传播特性的影响

采用数值模拟方法研究了静止微重力环境中,表面辐射热损失对燃料表面火焰传播特性的影响以及表面辐射和压力对火焰传播特性的共同影响。结果表明,随着表面辐射增大,火焰传播速度减小,在考虑表面辐射后,随着压力的增大,火焰传播速度增大。采用无量纲参数分析了表面辐射对火焰传播速度的影响,进一步阐明了微重力环境下的火焰传播机理。     

微重力环境下油滴沉降实验观察与分析

微重力条件下,物体的重力影响几乎消失,这时液体的流动特性会发生不同于重力作用下的变化.为了形象地观察到这个变化过程,根据微重力原理建立了一个短时微重力实验系统.在其模拟的微重力环境下,观测到油滴下降时的形状与速度变化.通过观察该实验,提高了学生的观察能力及总结物理实验规律的能力.     

微重力环境中的蜡烛火焰

对蜡烛火焰动态特征的分析表明,从正常重力状态过渡到微重力状态,火焰的空气动力学特征比质量和能量的传输特征的变化快。通过一台差分干涉仪首次测量得到了微重力环境中蜡烛火焰的温度。结果表明,微重力蜡烛火焰的温度小于正常重力蜡烛火焰的温度。微重力蜡烛火焰之所以呈蓝色是因为其温度小于烟黑生成的阈值温度1300K。但当环境氧浓度足够高时,火焰温度大于烟黑生成的阈值温度,火焰中明显有烟黑生成,颜色为亮黄色。     

重力对GaSb熔滴和液/固界面交互作用的影响

利用我国返回式实验卫星在空间微重力条件下进行了GaSb熔滴与GaP,BN和GaAs等材料的润湿性能的研究,分析了熔滴与基片之间的界面相互作用,并与重力场下实验结果进行了对比.实验表明,重力因素对润湿性存在影响,空间微重力条件下测得的GaSb熔滴与GaP及BN基片的接触角比地面测量的大.对凝固后的熔滴与基片之间的组织分析显示,重力场下,液固界面的相互作用较强,存在较宽的过渡区,这与地面浮力对流有利于物质输运密切相关.实验结果还表明,空间微重力环境下熔体凝固的组织比重力场下要均匀. 关键词： 微重力 润湿性 液/固界面     

过冷池沸腾落塔短时微重力实验研究

本文研制了一套控温池沸腾实验设备,利用中国科学院国家微重力实验室落塔开展了短时微重力环境下的过冷池沸腾传热实验研究.加热元件为长30 mm、直径60 μm的铂丝.实验工质为O.1 MPa压力下过冷度为24℃的R113.在地面常重力和落塔短时微重力实验中,观测到核态沸腾和双模态过渡沸腾现象.对核态沸腾,微重力传热效果稍有增强而汽泡形态却呈现出剧烈变化.对双模态过渡沸腾,微重力下膜态沸腾部分有明显收缩,但热流密度值仍比常重力时减小20%.     

微重力池沸腾传热实验研究

本文实验研究了平板加热面FC-72液体的准稳态池沸腾传热现象,利用地面常重力实验、SJ-8卫星搭载微重力实验等手段,分析了不同重力、压力及过冷度条件下平板加热面上的池沸腾传热特性.微重力条件下,相近压力或过冷度时,传热系数和CHF随过冷度或压力增大而增大.相对常重力,传热曲线明显变缓,沸腾起始时的壁面过热度降低,CHF仅为常重力的40%或更低.     

α—碘酸锂晶体的空间生长

文章报道了三次α－碘酸锂晶体空间生长实验．该实验是在我国返回式科学技术探测卫星上完成的．为研究空间微重力环境对于晶体生长和物性的影响，应用Ｘ射线衍射、Ｘ射线形貌、Ｘ射线荧光分析、光学透过率和介电测量等技术，对在微重力和常重力条件下生长的晶体结构、完整性、杂质分布以及介电常数等参数进行了研究．研究结果表明：微重力条件下，晶体中β－碘酸锂的含量比地面低；微重力对α－碘酸锂的晶体形态和结构没有影响；微重力条件下生长的晶体的完美性优于地面晶体；微重力环境使碘酸锂晶体的介电常数增高     

湍流预混火焰中的浮力效应

本文利用数值模拟研究了浮力对湍流预混V形火焰平均速度场的影响,发现浮力效应主要体现在远场区域,而在火焰刷附近非常有限;利用落塔和 OH-PLIF 方法在正常重力和微重力下观测了火焰皱褶,发现浮力压制火焰皱褶的程度与湍流强度密切相关。分析表明斜压机理是浮力影响火焰皱褶的重要原因。