压力和重力诱导的停留时间对层流传播火焰中烟点转变的影响

《Proceedings of the Combustion Institute》：Influence of pressure and gravity-induced residence time on smoke-point transition in a laminar spreading flame

　　

研究人员通过实验研究了停留时间和环境压力对层流传播火焰烟点（smoke-point）的耦合效应。在抛物线飞行中进行测量，通过改变微重力、月球和火星重力水平下的浮力流来调整停留时间。在所有实验中施加背景强制流以维持在微重力下的对向流动配置，环境压力独立变化范围为70.9至141.8 kPa。当火焰在具有镍铬芯的低密度聚乙烯轴对称样品上传播时，利用尾缘的光消光来表征烟释放并识别烟点转变。采用宽带调制吸收-发射技术（Broadband Modulated Absorption-Emission technique, B-MAE）来绘制火焰内的碳烟体积分数（soot volume fraction, SVF）。结果表明，停留时间和压力各自独立地改变火焰形状、碳烟体积分数和烟点转变。从火焰不释放烟的高重力低压条件开始，降低重力会增加停留时间，而对碳烟形成的影响最小，直到出现可见的未氧化碳烟尾迹，表明烟点转变。或者，增加环境压力会提高碳烟形成速率，火焰最终释放烟。压力也会影响微重力下的停留时间，但这种效应在部分重力下消失。这种演变定义了从辐射主导到对流主导行为的转变，并揭示了一种独特的重力-压力平衡，对于理解地外环境中的火焰传播和消防安全至关重要。

随着人类探索向月球和火星延伸，部分重力环境下的火灾安全成为关键问题。在部分重力下，浮力显著减弱，热和物种的传输与地面或微重力条件下存在根本差异，导致可燃性、火焰传播和烟产生机制发生重大变化。已有研究表明，部分重力下的热解和燃烧行为呈现复杂的非单调趋势，例如聚乙烯涂层线材在月球重力下的可燃性极限低于常重力和微重力，且纤维质燃料的火焰传播速率在部分重力下出现峰值。然而，压力在部分重力下的效应尚未被充分探索，压力直接影响气体密度、反应速率和扩散特性，是火灾安全的关键参数。微重力下压力对烟点转变已有证据：碳烟产生率随压力增加而增加，辐射损失随之增大，直至火焰尾缘发生辐射淬熄，释放未氧化碳烟。在部分重力下，停留时间减少，引入了压力与浮力效应的竞争，但此前未有文献记载。为此，研究人员利用抛物线飞行实验，系统研究了重力和压力对火焰结构、碳烟形成和烟释放的耦合影响，通过引入停留时间作为统一参数，阐明了重力与压力在控制碳烟行为中的相互作用，为理解部分重力燃烧和改进未来太空任务中的火灾安全设计提供了物理基础。

研究人员所开展的研究：利用抛物线飞行实验，在微重力、月球重力（0.16g₀）和火星重力（0.38g₀）条件下，独立改变环境压力（70.9–141.8 kPa），系统研究了层流传播火焰中重力和压力对碳烟形成和烟释放的耦合影响。实验在Novespace A310 Zero-G飞机上的DIAMONDS设施中进行，燃烧室为圆柱形，氧化剂从底部流入建立层流对向流动。样品为低密度聚乙烯（LDPE）涂覆镍铬芯（芯直径0.5 mm，涂层0.3 mm），自由流速度固定为60 mm/s（部分实验为150 mm/s）。通过JAI AT-140CL三CCD相机和背光成像记录火焰，采用宽带调制吸收-发射技术（B-MAE）重建碳烟体积分数分布。从图像序列提取火焰传播速率、火焰长度，并基于火焰长度和有效特征速度计算停留时间。主要结论：停留时间和压力各自独立地改变火焰形状、碳烟体积分数和烟点转变；建立标度关系P³t_res=常数，成功描述了烟点转变的辐射-对流边界；重力通过改变停留时间间接调控碳烟积累，压力通过增强碳烟形成速率直接作用。这些发现首次定量揭示了重力和压力对碳烟和烟释放的耦合影响，为部分重力燃烧提供了新的物理视角，对地外环境火灾安全具有重要意义。论文发表在《Proceedings of the Combustion Institute》。

（以下为研究结果部分，保留小标题并说明）

**3.1 火焰传播速率（Flame spread rate）**：通过非背光图像序列提取火焰传播速率u_f，发现u_f在50–140 kPa压力范围内对压力弱依赖，而重力影响更强。火星重力下u_f最高，其次月球重力，微重力最低。高压力下重力效应更显著。火焰图像显示，高压力（141.8 kPa）下火焰显著拉长，出现可见烟释放；低压力（70.9 kPa）下无烟。烟点转变条件随重力和压力变化，微重力下在较低压力出现烟，而部分重力下需要更高压力。

**3.2 停留时间（Residence time）**：引入停留时间t_res = L_f/U，其中L_f为火焰长度，U为有效特征速度（结合自由流速度和浮力速度）。L_f随压力增加而增加，在月球重力下最大。t_res随压力增加，但增长速率受重力影响：微重力下增长最快，部分重力下较慢。烟释放起始条件对应于临界停留时间t_res,crit = C/P³，其中C为常数。实验数据与标度关系P³t_res=常数吻合，表明烟点转变由辐射-对流平衡控制。

**3.3 碳烟形成与重力（Soot formation and gravity）**：在固定压力101.3 kPa和自由流速度150 mm/s下，使用B-MAE技术测量碳烟体积分数分布。最大碳烟体积分数f_s,max随重力增加从17.8 ppm（微重力）降至12.7 ppm（火星重力），呈弱依赖关系f_s,max~g^-0.1。f_s,max与t_res正相关，表明重力通过改变停留时间间接影响碳烟积累。碳烟形态随重力变化：微重力下碳烟区域宽，火焰尾端开放释放烟；部分重力下碳烟区域窄，火焰尾端闭合，氧化增强，反映了从辐射主导到对流主导的转变。

总结讨论部分：上述结果表明，重力通过改变浮力对流和停留时间，驱动火焰从开放的、排放碳烟的结构向紧凑的、氧化主导的构型转变；压力则通过增加气体密度和碳烟形成速率，增强辐射损失、拉长火焰并促进烟释放。烟点转变源于压力增强的碳烟形成与重力诱导的停留时间缩短之间的非线性竞争，可用P³t_res=常数统一描述。研究结论翻译如下：当火焰沿着固体圆柱燃料传播时，停留时间和环境压力共同控制着烟点转变。通过改变低重力抛物线飞行中的浮力，本实验分离了停留时间的作用，并证明重力和压力独立地重塑了控制碳烟形成和辐射损失的热传递、传输和化学过程之间的平衡。增加重力增强了浮力对流并缩短了气相停留时间，逐渐将火焰从开放的、排放碳烟的结构转变为紧凑的、氧化主导的构型。相反，在微重力下，较长的停留时间促进了碳烟积累，即使在相对较低的压力下也导致可见烟释放。压力通过不同的途径作用：通过增加气体密度和碳烟形成速率，增强了辐射损失，拉长了火焰，并促进了烟释放的开始。因此，烟点转变源于压力增强的碳烟形成与重力诱导的停留时间缩短之间的非线性竞争。这种相互作用可以用统一标度关系P³t_res=常数来捕捉，该关系成功组织了不同重力水平下的实验数据。综合来看，这些发现确立了停留时间作为连接部分重力燃烧中浮力、传输、辐射和碳烟氧化的关键参数。所提出的框架为减少重力环境中的烟行为提供了新的物理见解，并有助于未来地外栖息地火灾安全的预测性理解。