研究人员指南 ： 燃烧科学
燃烧科学国家航空航天局研究人员指南 ： 本国际空间站 （ ISS ） 研究人员指南由 NASA ISS 计划科学办公室出版。作者:Suleyman A. Gokoglu ， NASA Glenn 研究中心 Daniel L. Dietrich ， NASA Glenn 研究中心 Dennis P. Stocker ， NASA Glenn 研究中心Paul V. Ferkul ， 大学空间研究协会 Sandy L. Olson ， NASA Glenn 研究中心Michael C. Hicks ， NASA 格伦研究中心执行编辑 ： Amelia Rai 技术编辑 ： Neesha Hosein 设计师 ： Cory Duke盖和后盖:a.微重力下的球形火焰，乙烯从多孔球体流入静态空气。发光的烟灰被捕获在蓝烃火焰内, 而在前景中可以看到大烟灰颗粒的明亮弧。该测试是在 NASA Gle 的 2.2 秒落塔上进行的，作为火焰设计实验的前奏，该实验正在开发中，作为通过微重力实验 （ ACME ） 高级燃烧项目的一部分，在国际空间站上进行。（ 图片来源 ： NASA，ACME 项目，火焰设计实验 ） 。b.蜡烛火焰 ： 在地球重力下燃烧 （ 左 ） 与在 0 - g 下燃烧 （ 右 ） 相比。 （ 图片来源 ： NASA ， 蜡烛火焰实验 ）c.从燃烧和抑制固体 （ BASS ） 实验中进行的 2 厘米直径的丙烯酸球体在微重力下以 17 ％ 的氧气和 10 厘米 / 秒的流量燃烧的快照国际空间站。固体中形成的蒸汽泡在蓝色火焰中爆发时被点燃 ， 偶尔会出现黄红色条纹。 (图片来源 ： NASA ， BASS 实验)2 实验室是开放的国际空间站 （ ISS ） 在地球上方飞行 250 英里，为研究改善地球上的生命，实现太空探索和了解宇宙提供了一个平台。本研究人员指南旨在帮助潜在的 ISS 燃烧科学研究人员计划利用微重力环境进行实验，以了解热量和质量传输现象以及化学如何影响燃烧行为和消防安全。它涵盖了 ISS 加速环境的性质，进行燃烧研究的可用设施，以前的微重力调查的示例以及正在开发的当前燃烧科学和消防安全项目，以在 ISS 上执行。宇航员拿着样品架 ， 上面放着燃烧和起泡的丙烯酸片 ， 该丙烯酸片来自国际空间站微重力科学手套箱进行的固体燃烧和抑制 （ BASS ） 实验。 （ 图片来源 ： NASA ， BASS实验)3 44 1. 微重力,2. 极端条件3. 低地球轨道5国际空间站研究环境的独特特征1.微重力失重或失重改变了物理和生命科学中许多可观察到的现象。受微重力影响的系统和过程包括表面润湿和界面张力，多相流和传热，多相系统动力学，凝固以及火灾现象和燃烧。微重力诱导了从细菌到人类的生物体的大量变化，包括基因表达的整体变化和细胞的 3 - D 聚集成组织样结构。2.极端条件在国际空间站环境中 ， 包括暴露于极端高温和低温循环、超真空、原子氧和高能辐射。暴露于这些极端条件的材料的测试和鉴定提供了数据 ， 使制造地球上使用的可靠组件以及世界上最先进的卫星和航天器组件。3. 低地球轨道倾斜 51 度和 90 分钟的轨道为国际空间站提供了一个独特的有利位置 ， 高度约为 240 英里 （ 400 公里 ） ， 轨道路径超过地球人口的 90 ％ 。与典型的地球遥感卫星的太阳同步轨道相比 ， 这可以提供更高的空间分辨率和可变的照明条件。5 6目录实验室是打开3国际空间站研究的独特特点Environment5为什么要进行燃烧研究微重力?8过去和最近的结果Research11外部热通量对可燃性的影响及抑制微重力材料 24亮点和教训已学习30 7燃烧研究的机会ISS36Droplet燃烧36气态扩散Flames37固体燃料燃烧 / 材料可燃性38预拌Flames39超临界Processes40New倡议41设施和如何选择他们43加速度测量和环境表征43燃烧一体化机架(CIR)43微重力科学 Glovebox(MSG)44加快对空间站 （ EXPRESS ） 的实验处理机架45远程科学支持中心46发展与飞行研究ISS47主要研究者应该知道什么关于进行研究ISS?48融资机会 / 点联系人49引文49Appendix52首字母缩略词53 8为什么要在微重力下进行燃烧研究 ？当燃料和氧气反应产生二氧化碳、水和热量时，就会发生燃烧。在可预见的未来，陆地应用中绝大多数的能量将来自燃烧或其他化学反应系统。这些能源用途涵盖了从电力和运输到与所交付材料直接相关的过程的范围 （ 例如Procedre玻璃和钢铁制造) 。这些过程产生了人类当前面临的一些最重要的环境危害 （ 全球气候变化，酸性气体污染，煤炭汞污染和野火 ） 。尽管燃烧过程是 80 多年来活跃研究的主题 ， 但燃烧过程仍然是控制最差的现象之一 ， 对人类健康 ， 舒适和安全产生重大影响。这是因为最简单的燃烧器（ 例如 ， 厨房炉灶 ） 仍然超出了我们详细的数值建模能力。通常 ， 燃烧过程涉及大量化学物质 （ 数百个 ） 和反应 （ 甚至数千个 ） 。正是这些物种和反应确定可燃性极限 (燃烧器工作范围) 和污染物排放。许多燃烧研究涉及对这一复杂过程的全面和预测性定量理解。这种理解通常发生在较小的实验室规模的实验中，这些实验可以进行详细的研究和建模。然而，在这些实验室规模的实验中，重力产生的浮力以及火焰和火焰之间的巨大温差。环境气体占主导地位 ， 并经常掩盖感兴趣的物理和化学现象 ， 因此 ， 复杂的分析。在没有重力的情况下 ， 浮力可以被抑制 ， 分析可以减少到更简单的一维系统。要了解重力对火焰的强烈影响，可以考虑火焰中的密度梯度。典型的火焰温度大约为 2, 300 开氏度, 而环境温度大约为 300 开氏度。这在一厘米的尺度上产生了八倍的密度变化。所产生的密度梯度会引起一个强大的速度场，该速度场占除最高流场以外的所有流场。该流场导致火焰上升并向上指向。产生的流动不稳定性会导致地球上典型的火焰闪烁。图 1 包含 1 - g 到 0 - g 比较火焰的图库。通过改变或消除重力的影响 ， 我们可以提取对理解燃烧系统很重要的基本数据。这种方法已经在现有的陆地减少重力平台上得到了一定程度的实施 ， 但是实验的时间尺度和大小受到了限制。持续时间长 9图 1. 1 - g 和 0 - g 比较火焰。从左到右 ， 从上到下 ： 乙烷喷射火焰 ， 乙烯喷射火焰 ， 蜡烛火焰 ， 燃烧的庚烷液滴和火焰散布在丁醇池中。 （ 图片来源 ： NASA ）使用实际尺寸的实验对于全面了解燃烧现象至关重要 ， 并且只能在太空设施提供的微重力环境中进行。除了燃烧的地面应用外，与重力相关的燃烧研究问题对 NASA 的载人和无人任务也至关重要。消防安全是人类太空探索任务的重要操作要素，以最大程度地减少航天器和人类栖息地中意外火灾的可能性和影响。这些环境变化对降低重力的燃烧的影响尚不清楚，需要更好地了解所有与任务相关的情况。火灾预防、探测和抑制的各个方面都是。 10因此 ， 改进重力下燃烧的知识对于使消防安全概念和系统适应更严格的空间环境条件至关重要。因此 ， 在微重力下进行燃烧研究的好处可以总结为 ：•去除浮力流和对火焰的能量反馈之间的复杂相互作用。•在载人航天器中看到的火灾风险的现实模拟。•对未来航天器中反应系统的重力环境进行实际模拟。 11过去的结果和最近的研究在过去的二十年中，微重力燃烧研究主要集中在增加我们对基本燃烧过程的了解上 （ 例如Procedre、液滴燃烧、烟灰产生、火焰蔓延、阴燃和气体喷射火焰) 。该研究计划非常成功，并得到了欧洲和日本协同计划的帮助。在喷雾燃烧器中模拟液滴燃烧的能力方面进行了总体改进 （ 例如Procedre， 喷气发动机 ），预测火焰蔓延，预测烟灰产生，以及探测和预防航天器火灾。下面介绍了过去微重力燃烧研究的一些发现。每个地区都给出了国际空间站 （ ISS ） 当前正在进行的飞行项目。液滴燃烧长时间，高质量的微重力环境的可用性使研究人员能够研究在无限，静止的环境大气中被球形火焰包围的球形液滴的教科书问题。来自学术界，工业界和联邦实验室的研究人员已经成功地建立了这种简单的几何形状，作为研究基本燃烧科学问题和其他应用燃烧研究主题的优秀试验台。通过一个强大的计划，研究人员深入了解了燃烧科学中感兴趣的广泛问题。这些程序包括在落差塔和飞机飞行抛物线轨迹 （ 和正常重力 ； i 。Procedres.， 1 - g，测试实验室 ），数值和理论建模，并最终在天基设施中进行实验。这些程序提供了调查以下现象的机会 ： 。•偏离准稳态燃烧。•从扩散过渡到辐射消光。•液相传输。•对流对火焰动力学的影响 （ 参见图 2 ） 。•烟灰形成和破坏的动力学 (参见图 3) 。•多组分燃料的行为。•液滴 - 液滴相互作用和可燃性极限。 12图 2. 正庚烷液滴在 70 ％ 的二氧化碳 ， 21 ％ 的氧气 ， 平衡氮气中燃烧并以 3 cm / s 向右平移的火焰图像。 （ 图片来源 ： NASA ， FLEX 实验 ）图 3. 不同地区煤烟倾向比较稀释剂与乙醇在 30 ％ 的氧气中燃烧 ， 压力为2.4 atm 。 (图片来源 ： NASA ， FLEX - 2 实验)液滴燃烧社区很幸运，目前拥有燃烧集成机架 （ CIR ） 和称为多用户液滴燃烧设备 （ MDCA ） 的 CIR 插件，可用于研究 ISS 上的液滴燃烧。该设施目前是可操作的, 并且允许在按体积计高达 40% 的氧气 (一系列惰性气体和惰性气体混合物的平衡) 的 0 - 3atm 的周围环境中分配、展开和点燃尺寸范围为 1 至 5mm (自由漂浮或纤维支撑) 的液滴。火焰熄灭实验 (FLEX)FLEX 的目的是研究用第二种惰性气体 （ 氮气，二氧化碳，氦气或氙气 ） 稀释的氧气和氮气的环境混合物中的庚烷和甲醇液滴。研究的目的是研究添加惰性气体抑制剂如何影响两种燃料的可燃性极限。该申请是对可燃性极限在降低的重力下如何变化的改进的定量理解，因为它与消防安全有关。迄今为止的研究表明, 在降低的重力下, 可燃性极限较低。这意味着低重力下惰性气体抑制剂的地面标准不能提供与正常重力相同的安全范围。FLEX 也对陆地应用感兴趣。庚烷和甲醇燃烧的物理和化学动力学模型是建筑 13块用于更复杂的实际液体燃料模型，如柴油和喷气燃料。ISS 上的长期实验提供了基准数据，研究人员可以开发，改进并最终验证液态烃燃料燃烧的详细理论和数值模型。迄今为止进行的 FLEX 实验证明了辐射和扩散熄灭，燃烧不稳定性，较低的可燃性极限以及最近解释的可见火焰熄灭后的冷焰现象。与理论和数值模型的比较验证了模型的各个方面，同时确定了需要改进的领域。FLEX - 2 ， 后续实验 ， 建立在 FLEX 的基础上。它研究了一系列燃料 ， 包括纯燃料混合物 ， 实际燃料替代品 ， 烟灰形成 ， 缓慢的亚浮力 ， 对流流动效应和液滴 - 液滴相互作用。国际合作将其扩展到研究液滴阵列中的火焰传播并研究液体生物衍生燃料的燃烧。气体扩散火焰过去的研究涉及四个空间实验，重点是烟灰过程，火焰 - 涡旋相互作用和火焰稳定性。G. 的层流烟尘过程 (LSP) 实验Faeth (U.密歇根州) 等人。1997 年在 STS - 83 和 STS - 94 航天飞机任务中在燃烧模块 （ CM ） 设施中进行，2003 年在 STS - 107 任务中再次进行。1997 年的 STS - 87 任务包括 M. 的湍流气体射流扩散火焰 （ TGDF ） 实验。Y.Bahadori (SAIC) 等人。以及对 L. 的封闭层流火焰 （ ELF ） 调查D.陈 （ U.爱荷华州 ） 等人。TGDF 是自动化的，并在有效载荷舱中的 “Get - Away - Special ” （ GAS Ca ） 中进行。ELF 是在 Middec Glovebox 中操作和指挥的船员。最后，D. 的 Coflow 实验 （ SPICE ） 中的烟点L.
