微重力層流射流擴散火焰的圖像特征與燃燒特性.pdf

1、微重力環(huán)境下的火災(zāi)研究是火災(zāi)科學(xué)中的一個重要領(lǐng)域。微重力環(huán)境通常是指載人飛船、航天飛機、空間站等載人航天器在軌運行時存在的特殊環(huán)境條件，載人航天器等多為密閉空間，在這些空間內(nèi)，由于浮力的消失，空氣自然對流幾乎消失，為了維持人員的正?；顒雍蛢x器的正常運行，通常采取強迫通風(fēng)系統(tǒng)來控制空間的內(nèi)部環(huán)境。載人航天器由于人員的活動空間較小，發(fā)生火災(zāi)時人員的逃逸受到限制，且機電設(shè)備繁多，可利用的滅火資源十分有限，因此，載人航天器等特殊環(huán)境下的火災(zāi)防治

2、和救援相較地面來說比較困難，故一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢蔓延迅速，不但會使人員受到熱輻射和有毒氣體的威脅，還會使儀器設(shè)備等受到損壞。
　　火災(zāi)探測是載人航天器火災(zāi)防治中的重要環(huán)節(jié)，火災(zāi)探測主要通過對各種火災(zāi)參量進行探測實現(xiàn)火災(zāi)的早期發(fā)現(xiàn)與識別。載人航天器均存在微重力與強迫對流通風(fēng)兩種邊界條件，對于這些特殊場所，在浮力消失及強迫通風(fēng)的環(huán)境下，火災(zāi)的發(fā)展過程與常重力環(huán)境下的火災(zāi)存在很大的差異。微重力強迫通風(fēng)條件下火災(zāi)燃燒參量的變化將影響火災(zāi)的

3、識別，如火焰圖像、溫度、煙濃度等行為規(guī)律發(fā)生變化，使得傳統(tǒng)常重力環(huán)境下的火災(zāi)探測方法并不能完全適用。因此，開展針對微重力環(huán)境火災(zāi)探測參量行為特征的研究工作刻不容緩、亟待解決。
　　由于火災(zāi)探測依據(jù)的是火災(zāi)發(fā)生過程中的各種特征參量，即火災(zāi)的產(chǎn)物和現(xiàn)象的特征規(guī)律等，因此，對于常重力和微重力環(huán)境下火災(zāi)燃燒參量變化規(guī)律的研究是很有必要的。常見的固體和液體燃燒包括熱解、揮發(fā)和氣相燃燒等過程，重力和強迫對流條件對各個過程存在不同程度的影響，影

4、響關(guān)系錯綜復(fù)雜，無法深入和定量地揭示重力和強迫對流對燃燒行為的影響機制。因此，本文采用燃燒過程較為穩(wěn)定、可重復(fù)性和可控性較高的層流射流擴散火焰，利用微重力實驗室的落塔模擬微重力環(huán)境，獲取微重力強迫對流條件下氣體燃燒參量的變化規(guī)律，從而系統(tǒng)、全面和定量地揭示微重力下氣體射流擴散火焰的圖像特征和燃燒特性。
　　因此，本文以載人航天器火災(zāi)探測作為背景，結(jié)合燃燒學(xué)和流體動力學(xué)等相關(guān)的基礎(chǔ)理論，研究重力水平和伴流空氣速度條件對層流射流擴散火

5、焰的圖像特征和燃燒特性的影響規(guī)律，揭示重力以及強迫對流對層流射流擴散火焰的形貌特征、溫度、熱輻射強度、火焰振蕩特性的變化規(guī)律，建立層流擴散燃燒火焰圖像特征和燃燒特性與重力、伴流空氣速度的理論關(guān)系，為載人航天器火災(zāi)探測研究提供理論支撐。
　　基于中國科學(xué)院微重力實驗室落塔設(shè)備的條件，自行設(shè)計研制了微重力環(huán)境氣體層流射流擴散燃燒的多參量實驗平臺，在已有的微重力環(huán)境下擴散火焰理論分析的基礎(chǔ)上，建立了微重力環(huán)境靜止和coflow條件下層流

6、射流擴散火焰形貌特征的理論模型，提出最大火焰寬度，推導(dǎo)出微重力環(huán)境靜止和coflow條件下層流射流擴散火焰最大寬度和高寬比的理論公式，揭示微重力環(huán)境靜止和coflow條件下層流射流擴散火焰最大寬度和高寬比的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，在微重力環(huán)境靜止條件下層流射流擴散火焰的最大火焰寬度只與燃料噴嘴直徑和燃料的種類有關(guān)，而對于coflow存在的情況，火焰的最大寬度在燃料種類與噴嘴直徑不變時，隨著伴流空氣速度的增大而減小;靜止環(huán)境下火焰高寬比正

7、比于雷諾數(shù)Re，也就是說，在噴嘴直徑不變的情況下，燃料速度增大，火焰高寬比增大，火焰會比較狹長;而coflow環(huán)境下火焰高寬比正比于雷諾數(shù)Re和速度比值的1/2次方((ua，0/uf，0)1/2），也就是說在燃料的參數(shù)不變時，增大伴流空氣的速度，火焰高寬比增大。
　　為了定量分析碳黑對火焰熱輻射損失的影響，本文引入碳黑停留時間，建立停留時間的理論模型，間接分析了火焰熱輻射和碳黑之間的關(guān)系，并建立了火焰熱輻射分?jǐn)?shù)的理論模型。實驗結(jié)果

8、表明，乙烯火焰因為含碳黑較多，無論在微重力還是常重力環(huán)境下火焰亮度均高于甲烷火焰，且乙烯火焰的輻射分?jǐn)?shù)高于甲烷火焰;而在微重力環(huán)境下，因為碳黑停留時間增大，乙烯火焰產(chǎn)生碳黑增多，輻射損失升高，導(dǎo)致火焰頂端產(chǎn)生淬熄，即乙烯火焰出現(xiàn)了頂端開口的現(xiàn)象;微重力環(huán)境下火焰的熱輻射高于常重力環(huán)境，且隨著伴流空氣流速的增大，微重力環(huán)境下火焰的熱輻射降低，而常重力環(huán)境下火焰的熱輻射基本不變。
　　實驗結(jié)果表明，在微重力環(huán)境下層流射流擴散火焰沒有振