失重时的火焰形状的分析介绍

小知识2　失重时的火焰形状

在地球上点燃火柴，火焰呈上细下粗的水滴形状，火焰能够维持很长时间，直至火柴燃尽。这是由于火焰将空气加热，根据对流原理，热空气向上运动，冷空气则从四周涌来由下方补充。

爱因斯坦提出一个假设：在失重情况下，没有对流现象，氧气无法补充，点燃的蜡烛将会熄灭。完全失重环境不易得到，因而爱因斯坦的假设很难证实或证伪。

1987年2月，“和平号”宇宙空间站上的氧气发生器起火。与爱因斯坦的假设相反，火焰没有自动熄灭，宇航员只好动手将火扑灭。事故发生后，宇航员在失重条件下进行燃烧实验，他们点燃的蜡烛持续燃烧起来，不过速度比在地面缓慢得多，尤其不同的是火焰的外形不是向上伸展，而是标准的火球，外围呈淡蓝色。1996年，美国航天员在太空舱中成功进行了微重力环境下的蜡烛燃烧实验。实验结果是，蜡烛并未熄灭，但火焰呈蓝色球状，蜡烛的消耗速率减小，火焰的结构也与常规重力下的蜡烛火焰不同。但这只是在微重力环境下的实验，不足以推翻爱因斯坦的假设。

在正常重力下的氧－氮环境气体中，火焰沿燃料表面向下传播时，传播速度随环境压力增大而增大。在航天飞机上进行的微重力实验和数值模拟研究表明，在微重力环境下火焰传播速度对环境压力的变化更敏感，它随环境压力增大而增大的基本趋势并没有改变。中国科学院国家微重力实验室的科学家利用简化模型进行了数值模拟，结果表明：只有当气体没有热辐射时上述结论才成立；当环境气体具有热辐射特征时，火焰传播速度首先随环境压力的增大而增大，然后将逐渐减小。

若燃烧环境为氧－氮等无辐射特性的气体，环境压力较小时，热传导是火焰传播的主要驱动力；随着环境压力增大，火焰传播速度加快，热辐射逐渐成为主要驱动力之一。当惰性气体具有较强的辐射特性时，在较小的环境压力下，热辐射和热传导在火焰传播机理中均起重要作用。随着环境压力的增大，火焰传播相应加速；压力大于一定值后，环境气体的辐射再吸收使火焰对燃料表面的热辐射减弱，火焰传播速度反而减小，这时热传导逐渐成为火焰传播的主要驱动力。

微重力环境为研究燃烧问题提供了极好条件。微重力环境中浮力对流的作用极大地减弱，可以更好地揭示化学反应过程与传热、传质过程的相互关系，揭示燃烧过程的机理。同时，载人航天器飞船、航天飞机、空间站中的防火问题远未解决，火灾事故时有发生。这些都要求加强对微重力条件下燃烧过程的研究。