微重力層流射流擴(kuò)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(gè)重要領(lǐng)域。微重力環(huán)境通常是指載人飛船、航天飛機(jī)、空間站等載人航天器在軌運(yùn)行時(shí)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(duì)流幾乎消失，為了維持人員的正常活動(dòng)和儀器的正常運(yùn)行，通常采取強(qiáng)迫通風(fēng)系統(tǒng)來(lái)控制空間的內(nèi)部環(huán)境。載人航天器由于人員的活動(dòng)空間較小，發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員的逃逸受到限制，且機(jī)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(lái)說(shuō)比較困難，故一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)蔓延迅速，不但會(huì)使人員受到熱輻射和有毒氣體的威脅，還會(huì)使儀器設(shè)備等受到損壞。
　　火災(zāi)探測(cè)是載人航天器火災(zāi)防治中的重要環(huán)節(jié)，火災(zāi)探測(cè)主要通過(guò)對(duì)各種火災(zāi)參量進(jìn)行探測(cè)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的早期發(fā)現(xiàn)與識(shí)別。載人航天器均存在微重力與強(qiáng)迫對(duì)流通風(fēng)兩種邊界條件，對(duì)于這些特殊場(chǎng)所，在浮力消失及強(qiáng)迫通風(fēng)的環(huán)境下，火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程與常重力環(huán)境下的火災(zāi)存在很大的差異。微重力強(qiáng)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(shí)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(cè)方法并不能完全適用。因此，開展針對(duì)微重力環(huán)境火災(zāi)探測(cè)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(cè)依據(jù)的是火災(zāi)發(fā)生過(guò)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(duì)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(guò)程，重力和強(qiáng)迫對(duì)流條件對(duì)各個(gè)過(guò)程存在不同程度的影響，影

4、響關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，無(wú)法深入和定量地揭示重力和強(qiáng)迫對(duì)流對(duì)燃燒行為的影響機(jī)制。因此，本文采用燃燒過(guò)程較為穩(wěn)定、可重復(fù)性和可控性較高的層流射流擴(kuò)散火焰，利用微重力實(shí)驗(yàn)室的落塔模擬微重力環(huán)境，獲取微重力強(qiáng)迫對(duì)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(kuò)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(cè)作為背景，結(jié)合燃燒學(xué)和流體動(dòng)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(duì)層流射流擴(kuò)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(qiáng)迫對(duì)流對(duì)層流射流擴(kuò)散火焰的形貌特征、溫度、熱輻射強(qiáng)度、火焰振蕩特性的變化規(guī)律，建立層流擴(kuò)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(cè)研究提供理論支撐。
　　基于中國(guó)科學(xué)院微重力實(shí)驗(yàn)室落塔設(shè)備的條件，自行設(shè)計(jì)研制了微重力環(huán)境氣體層流射流擴(kuò)散燃燒的多參量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在已有的微重力環(huán)境下擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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(duì)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(shí)，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(shuō)，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(huì)比較狹長(zhǎng);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(shuō)在燃料的參數(shù)不變時(shí)，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(duì)火焰熱輻射損失的影響，本文引入碳黑停留時(shí)間，建立停留時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

8、表明，乙烯火焰因?yàn)楹己谳^多，無(wú)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?yàn)樘己谕Ａ魰r(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在微重力環(huán)境下層流射流擴(kuò)散火焰沒(méi)有振