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．     

非金属固体材料在微重力环境中的着火及燃烧特性研究

微重力条件下固体材料的着火和火焰传播特性研究对于发展燃烧理论、保障航天器防火安全具有重要意义.由于地面设施微重力时间长度的限制,已有对微重力下材料燃烧过程的实验研究主要集中在热薄材料,而关于热厚材料的实验结果十分有限.作为实践十号(SJ-10)卫星科学实验项目之一,非金属材料燃烧实验将利用长时间微重力条件开展低速流动中典型热厚材料着火和火焰传播过程研究.简要介绍非金属材料燃烧项目的研究目标、空间实验内容、有效载荷技术特点和地面实验验证情况.     

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.     

微重力下煤燃烧及其污染物生成特性研究

正本项目的意义在于揭示煤在微重力燃烧的基本现象,提高人们对煤燃烧基本特性和机理的认识,为修正现有模型和发展新模型提供更为准确实验数据,促进我国煤炭的清洁、高效和安全利用。研究内容包括观察不同炉温、煤种、粒径和环境气体成分条件下单个球形煤粒(16工况)和煤粉颗     

油气爆炸过程火焰燃烧模式的实验估计

首先分析讨论了油气爆炸过程中火焰燃烧模式的估计方法，然后在激波管内进行了低、中、高3次不同初始油气浓度条件下的油气爆炸实验，通过实验数据分别计算出了低、中、高初始油气浓度条件下油气爆炸在初期、中期和后期的丹姆克尔数和湍流雷诺数，最后依靠丹姆克尔数-湍流雷诺数图对低、中、高初始油气浓度条件下油气爆炸初期、中期和后期的火焰燃烧模式进行了定量估计。结果表明:低、中、高初始油气浓度条件下激波管油气爆炸过程初期、中期和后期的火焰燃烧模式均为漩涡内小火焰模式。     

柱形容器开口泄爆过程中的火焰传播特性

泄爆过程中流动与燃烧的相互作用机制是研究开口泄爆问题的关键。对柱形容器泄爆过程中压力与火焰发展传播过程的观测与分析表明,不同泄爆条件下压力与火焰的发展传播具有明显特点。泄爆诱导流动通过加速火焰传播、加剧火焰变形、增大火焰面积对容器内燃烧产生增强作用,泄爆流动大小主要由泄爆面积决定。小口中低压泄爆过程压力与火焰的发展过程与封闭燃烧中类似;小口高压以及大口泄爆过程中,火焰变形剧烈,传播速度明显上升,并导致压力的回升。     

《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…     

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.      

方形管内楔形障碍物对火焰结构与传播的影响

通过实验与数值模拟方法对CH4/空气预混火焰在有楔形障碍物的卧式燃烧方管内的传播进行了研究。采用多镜头Cranz Schardin高速摄像机和压力传感器等实验设备获得了高清晰度的障碍物诱导火焰失稳的分幅时序照片以及障碍物背风表面压力变化曲线。数值模拟则基于RANS方法与EDU-Arrhenius燃烧模型,计算结果与实验结果基本相符,反映了火焰在管内传播与变形的详细过程。通过综合分析实验与计算结果,得到了由楔形障碍物导致的火焰加速与变形的内在机理,揭示了火焰传播过程中由层流燃烧向湍流燃烧转捩的本质。     

The effect of magnetic field on a microgravity single droplet combustion

The effects of magnetic field on the microgravity combustion characteristics of a single methanol droplet in homogeneous flow are numerically investigated to develop an effective magnetic control method for microgravity droplet combustion and spray combustion systems. First, governing equations of microgravity single methanol droplet combustion under a homogeneous magnetic field based on an unsteady two-dimensional, spherically symmetric model including single-step chemistry are presented. Employing numerical modeling, several combustion behaviors are calculated taking into account the effect of the unsteady magnetic field profiles at the flame front. It is found that the flame front becomes deformed and is elongated in the direction of the magnetic field due to the inhomogeneous magnetic pressure distribution at the interface between the fuel vapor phase and the oxidizer phase. This nonuniformity of magnetic pressure is caused by the transient deformation of the magnetic field with refraction of magnetic flux at the flame front due to the difference of magnetic susceptibility between the diamagnetic fuel vapor phase and the paramagnetic oxidizer phase.     

Combustion en micropesanteur

Microgravity (drop towers, parabolic flights, sounding rockets and space stations) is relevant for combustion problems with high density gradients and little forced convection. Some situations, complicated by Archimede forces, can be clarified in microgravity where one can also obtain ideal conditions corresponding to basic theoretical problems: spherical droplet combustion in an atmosphere at rest at infinity, Emmons problem for flame spreading, deflagration waves. A good chronological account on combustion microgravity studies has been made by F.A. Williams in 1995 and recommendations have been made in various prospect meetings. In France, the support and the research management are made, through CNES and CNRS, with the creation of research groups since 1992. Results and prospects are the following.• Droplets: the ‘D² law’ is well verified and high pressure behaviors have been quantified. The studies must be extended in to two directions: evaporation in mixtures near the critical line and collective effects in dense sprays.• Flame spreading: blue flames governed by diffusion are in accordance with Emmons theory, but it is not the case for yellow flames where convection is important and with soot formation do not agree. Theoretical assumptions are controversial and radiation effects must be considered.• Heterogeneous flames: two studies are starting, one in Poitiers and the other in Marseille, about flame/suspension interaction.• Premixed and triple flames: the knowledge can be completed, triple flames must be studied and ‘flame balls’ could be approached.     

微型开缝钝体燃烧器燃烧特性数值分析

本文将开缝钝体稳燃技术应用于微型燃烧器中,采用详细化学反应机理模拟了不同速度下微型开缝钝体燃烧器与微型常规钝体燃烧器的燃烧情况．结果表明：开缝钝体燃烧器火焰宽度一致性较好,火焰中心温度沿轴向分布更加均匀,尤其在速度较大时,开缝钝体燃烧器优势更加明显;开缝钝体燃烧器燃烧效率高于常规钝体燃烧器,速度大于25m/s时,开缝钝体燃烧器效率高出常规钝体燃烧器5%左右;由于开缝钝体中钝体缝隙过大,濒临吹熄极限时,钝体后值班火焰被吹熄,开缝钝体燃烧器吹熄极限略有降低．     

Combustion tube studies of dust flame acceleration

A new pneumatic dispersion system for obtaining a good quality uniform dust suspension in a horizontal dust combustion tube was developed. The effect of three different dispersion techniques on self-sustained dust flame acceleration in such a combustion tube was examined. The importance of the dispersion quality in the test tube for maintaining a self-sustained dust flame acceleration was demonstrated. A combustion tube for studies of flame acceleration in fine aluminum dust-air mixture and its transition to detonation under industrial ignition conditions was constructed in the course of the present study. It consists mainly of an initiation section and a test section. The initiation section must be equipped in a well-developed dispersion system for creating a good dispersion condition in the test tube. The length of this section is 3 meters. The test tube requires only to distribute uniformly the dust over the bottom of the tube prior to the experiment. The aluminum dust spherical in shape with 6 μm in diameter was used for tests. Experimental results demonstrated that the increase in flame velocity is roughly linear through the entire length of the test tube. The highest flame propagation velocity in fine aluminum dust-air mixture approaches some 1200m/s at a distance of 4.8m from the ignition plane.