中国空间站燃烧科学实验柜计划支持多种类型(气、液、固体)燃料的在轨燃烧科学实验, 其中首批系列项目开展了与气体射流火焰相关的微重力燃烧科学实验。该文回顾了国内外微重力气体射流火焰实验进展; 介绍了中国空间站气体火焰实验装置, 包括燃烧科学实验系统中气体实验插件的综合功能及其可支持的研究类型; 总结了燃烧科学实验系统在地面和在轨初步运行情况。其中, 燃烧科学实验系统为气体实验插件提供所需的水冷、电、气等资源, 而气体实验插件支持气体流量调节功能, 可根据项目科学目标调整气体类型、流量、点火功率, 搭配可更换的项目燃烧器以实现丰富多样的火焰形式, 燃烧室窗口外的多种光学诊断手段可实现对火焰形貌、速度场、OH和CH自由基空间分布数据的提取。该文为气体火焰相关的科学实验提供了平台支持和设计依据。
随着航天事业的快速发展和太空探索范围的不断扩大, 微重力、超重力等变重力环境下的燃烧研究逐渐成为航天领域的研究热点。其中, 射流预混火焰以其高效、低排放的特性在燃烧科学中备受瞩目。深入探究重力效应对射流预混火焰的影响机制, 对于优化空间环境中的燃烧过程至关重要。该文总结了国内外关于射流预混火焰重力效应的研究进展, 首先阐述了落塔实验、离心机实验、飞机失重实验等多种实验平台下的微、超重力研究环境。研究对象主要包括锥形火焰、中心钝体火焰以及多面体火焰等特殊形态的射流火焰。通过例如激光纹影、图像粒子测速、激光诱导荧光等新型实验技术手段和数值模拟方法, 揭示了重力效应对火焰形态、稳定性、闪烁现象等方面的影响。该文可为航天领域燃烧科学方向的研究提供理论支持。
气体火焰的碳烟生成是微重力科学研究中的热点问题。在微重力下开展气体火焰的碳烟生成研究, 不仅有利于了解空间站等微重力设施中的火灾行为, 也能够规避自然对流影响获得更加理想的火焰, 从而深入理解碳烟的生成过程, 为理论研究提供数据支撑。该文系统描述了微重力下气体火焰碳烟生成规律的研究进展, 重点介绍了微重力气体火焰的碳烟生成路径和烟点研究, 总结了影响微重力下碳烟形成的主要因素。经分析得出, 在微重力下气体扩散火焰的碳烟生成与在常重力下显著不同, 已有研究通过光学诊断等方法揭示了微重力下碳烟生成的基本特征和火焰形态变化规律。结合微重力实验, 已有研究总结出了微重力下气体扩散火焰烟点的预测模型, 并发现烟点与燃料种类、射流直径和伴流速度密切相关。气流流速、氧气浓度、稀释剂、压力、预热和电磁场对碳烟浓度都有较为重要的影响。然而, 当前研究依然以定性描述居多, 与常重力实验相比, 微重力实验已利用的先进诊断技术依然有限, 仍需要开展多因素耦合研究, 结合先进的诊断技术, 进一步深入研究不同燃料多因素耦合对碳烟生成的综合影响, 从而揭示碳烟生成的本质规律, 发展更为完善的碳烟生成和氧化的预测模型。此外, 中国空间站的燃烧实验柜已经配备现有国际上非常先进的微重力燃烧研究诊断技术, 可为该领域的发展提供重要支撑。
固体材料火焰传播过程中, 燃烧速率和火焰碳烟特性严重依赖于环境流动, 目前缺乏对实际环境中火焰传播过程中的燃烧速率和发烟特性的相关研究。该文利用地面常重力环境和落塔微重力设施, 开展聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在不同流动环境中的燃烧特性实验。结果表明, 常重力环境中, 固体试样的质量燃烧速率与火焰化学计量轮廓面积具有良好的线性关系, 火焰中的碳烟浓度随环境流速的增大而减小; 微重力环境中, 火焰面积随气流速度非单调变化, 这与常重力环境中存在差异, 此外, 固体试样具有与常重力不同的烟点, 增大环境流速后, 碳烟浓度有增大的趋势。该研究可为常重力与微重力环境中的固体材料可燃性评价提供参考。
微重力实验环境可用于去除火焰中的浮力热对流以及浮力驱动的流体不稳定性现象, 对于理解射流火焰中流体与化学反应动力学的交互作用具有重要的指导意义。在化学反应动力学特征时间较长而与流体特征时间发生竞争的问题上, 通过微重力射流火焰结构以及瞬态行为能够揭示火焰在极限条件下的基础物理, 并为理论发展提供验证数据。该文围绕国内外具有代表性的微重力气体射流火焰地基和天基的实验内容, 从射流火焰的微重力实验方法、类比微重力的实验、火焰结构、碳烟生成、辐射热损失与熄灭、极限现象、火焰向湍流转捩、不同物理场对火焰影响等方面进行了回顾。结合中国空间站对于微重力射流火焰系列实验的规划, 为进一步凝练科学问题和难点问题提供参考。
微重力与常重力条件下的燃烧现象存在显著差异。深入研究微重力条件下的扩散火焰结构，对于丰富燃烧理论，促进航天工程等领域的发展具有重要意义。该文采用数值模拟手段，研究了多元扩散燃烧器下的乙烯/氧气/氩气火焰的结构特征，设计了3组计算工况分别研究重力、压力及氧气体积分数对火焰结构的影响机制。结果表明，该多元扩散火焰的形态与燃料当量比和压力相关，在常压及富燃条件下形成双层火焰，内层与外层分别由乙烯和一氧化碳的燃烧产生。随着重力加速度由9.8 m/s2降至0，火焰的高度升高、宽度变宽、温度降低。随着压力由50 kPa升至500 kPa，火焰高度降低且形态发生变化，同时火焰温度在常重力和微重力条件下分别升高了590和80 K。随着氧气体积分数由1.00降至0.50，火焰高度升高，火焰由分离火焰转变为双层火焰，同时火焰温度在常重力和微重力条件下分别降低约250和600 K。
氨气近极限燃烧特性研究不仅是氨燃料高效利用的基础，还可为构建和优化详细的化学反应动力学模型提供指导。该文基于定容燃烧弹实验平台开展了氨气近极限燃烧特性实验，获取了当量比为0.8~1.2时的NH3和空气的预混气(NH3/空气)及其在2种稀释气(体积分数5%的N2或Ar)条件下的球形火焰图像及层流燃烧速度。利用CHEMKIN软件包开展数值模拟，选用多种机理，计算了层流燃烧速度值并开展相应的化学反应动力学分析。结果表明，N2对火焰传播的抑制作用强于Ar，最小层流燃烧速度约为2.9 cm/s; 实验值与模拟值整体符合度较高，基于Mei 2021机理对不同稀释剂条件下燃烧速度进行的预测效果良好; N2稀释和Ar稀释的反应路径与敏感性反应系数略有差距，反应活性自由基O、OH、H浓度对层流燃烧速度具有重要影响。
空间站中长时间的微重力环境可以解耦浮力对火焰不稳定性的影响，有利于研究边缘火焰在涡流及声场扰动下的动力学响应和不稳定性，相关成果对能源动力系统中火焰失稳的防控、航天器微重力环境下的灭火机制具有重要指导意义。该文介绍了中国空间站中用于产生不稳定边缘火焰的实验装置设计与初步测试结果。实验装置由燃烧器、声学模块和光学模块组成，安装在中国空间站燃烧科学实验系统中的气体实验插件上; 使用独特的燃烧器搭配光学方法形成了振荡的边缘火焰并进行在轨拍摄; 通过光学模块和燃烧科学实验系统现有相机进行二维火焰的温度反演，研究边缘火焰的固有不稳定性现象以及剪切产生涡流和声学扰动对火焰振荡的影响。在此基础上，进行一系列地面测试以验证边缘火焰对不同声频和由剪切层产生的涡旋扰动的响应。在低剪切率扰动下，边缘火焰表现出低频上下振荡模式; 而在高剪切率扰动下，火焰表现出高频左右振荡模式，甚至出现吹熄。通过地面实验确定的推举稳定边缘火焰的稳定工况，可为后续在微重力条件下获取火焰扰动后的结构变化、响应频率、响应模态和温度场分布等重要参数提供参考。
射流扩散火焰在能源动力等领域的应用十分普遍，如工业窑炉、电站锅炉和燃气轮机等。稳定性是射流扩散火焰研究中的主要问题之一。该文针对气体射流推举扩散火焰向湍流转捩过程开展了落塔微重力实验，观测了微重力下推举扩散火焰的稳定行为，并通过与常重力下的实验结果进行比较，分析得出浮力对火焰稳定特性的影响。结果表明，火焰推举高度受到上游流动状态的影响较为显著，转捩过程中，层流射流发生间歇性破碎，火焰推举高度出现相应波动; 虽然微重力火焰的推举高度较小，但2种重力条件下推举高度波动具有相似的控制机制。转捩火焰和湍流火焰均表现出分裂现象，促使火焰振荡，火焰高度则随时间发生变化，由于微重力火焰高度远大于常重力火焰，火焰边缘剪切层不稳定性向下游区域的发展较为充分，火焰高度的变化范围更大。火焰分裂现象有着明显的随机性，在转捩阶段，微重力火焰的平均分裂频率略大于常重力火焰; 在湍流阶段，微重力火焰分裂频率相对较低并随着射流速度的增加而增大，这表明浮力可促进火焰分裂。此外，射流Froude数无法关联微重力火焰的分裂/振荡频率。该文有助于深化对推举火焰的转捩过程的认识，并进一步揭示浮力对火焰转捩和火焰稳定的影响。
固体材料火焰传播是材料可燃性的基本参数，研究低速流动中固体材料的可燃特性为预防载人航天器火灾提供了理论基础。该文利用水平通道抑制浮力流动以模拟低速流动环境，围绕浮力流动和火焰热损失对不同高度水平通道内热薄固体材料表面火焰传播的影响开展了实验和传热机制分析，重点关注了多个临界通道高度及其对应受限高度区间内，火焰传播和熄灭的物理特征和机理。对于能够复现微重力环境中火焰特征的“窄通道”，理论分析并实验验证了其上临界高度Lcr, h和下临界高度Lcr, l的存在; 当通道高度大于Lcr, h时浮力影响显著，小于Lcr, l时火焰热损失过大，在Lcr, l与Lcr, h之间时热传导机制对火焰传播起控制作用。进一步提出了通道高度小于Lcr, l时火焰传播受过量热损失和氧气供应条件(强迫流动)控制的冷熄高度区，大于Lcr, h时的弱浮力流动区以及浮力流动强度不受通道高度影响的浮力充分发展区。研究结果系统揭示了受限空间中的火焰传播和熄灭规律，有助于深入认识受限空间对固体材料可燃性的影响，也为微重力和部分重力下材料燃烧的地面模拟提供了依据。
微重力条件下的液滴燃烧, 尤其是单液滴燃烧的研究工作, 对于丰富液滴燃烧理论具有重要意义, 也为航空发动机等喷雾燃烧系统的设计提供了重要参考。该文首先阐述了单液滴燃烧的基础理论——液滴直径平方定律及其影响因素, 并介绍了单液滴燃烧实验方法, 着重分析悬挂纤维丝对液滴燃烧的影响; 接着介绍了液滴燃烧过程中可能出现的碳烟壳、火焰熄灭现象、冷火焰等情况; 此外分析了高压环境对燃烧特性的影响, 进一步讨论了多组分液滴燃烧时可能出现的微爆等特殊现象, 并对实际燃料与相应的表征燃料建模相关研究进行介绍, 最后总结了目前微重力条件下单液滴燃烧研究中存在的挑战。
烃类燃料的微重力燃烧是太空环境中研究燃烧过程的重要领域之一。本文从理论模型、检测手段以及重力对碳烟生成量及分布区域的影响3个方面总结了微重力条件下C1-C4烃类燃料燃烧生成碳烟的研究进展。详细阐释了目前数值模拟采用的碳烟模型及其优缺点, 分析了应用于微重力条件下的碳烟检测/诊断手段的优势及不足, 介绍了已有研究中揭示的重力对碳烟生成量及分布区域的影响规律, 并对微重力条件下碳烟生成过程的未来研究方向进行展望。
导线火蔓延行为的研究对于核电站、航空航天、高压氧舱、高海拔等变压环境的防火安全具有指导意义。该文通过自建实验台研究了聚乙烯(PE)导线在40~500 kPa变压环境下的火蔓延及熔融滴落行为, 获得了导线火焰形态、质量损失、火蔓延速度及熔融滴落次数等数据, 采用Fluent软件中流体体积(VOF)法和焓-多孔介质法建立滴落过程模型以模拟导线熔化和动态行为, 分析聚乙烯熔化滴落过程中速度、压力、温度随时间的分布规律。结果表明：1) 当压力值由40 kPa增至500 kPa时, 导线的火焰高度增幅达76%, 火焰宽度降幅为31%; 当氧气体积分数由21%增至30%时, 火焰高度增幅更为明显。此时火蔓延速率和质量损失速率加快。2) 氧气体积分数为21%时, PE导线在40~80 kPa出现熔融滴落现象, 火焰形态稳定; 而当氧气体积分数为30%时, 压力超过60 kPa后则无滴落现象。3) 模拟中PE在被加热4.4 s后熔融液滴开始滴落, 在重力作用下与主体分离, 最大速度约22 cm/s, 此时周围气流呈螺旋运动。研究结果可为变压环境下PE导线火灾发展预测及防控提供实验基础。
火灾事故的频繁发生对人民生命财产安全构成了严重威胁, 提升火灾预警效率至关重要。石墨烯及其衍生物在阻燃及火灾预警领域的应用成为研究热点, 优异的电子传导率和比表面积使其在传感器领域具有应用潜力。该文综述了国内外在氧化石墨烯(GO)用于火灾早期预警的研究进展。首先, 概述了GO基传感器的工作原理; 然后, 详细介绍了GO本体材料和GO涂层材料的研究现状; 深入分析了这种传感器在多种应用场景和需求中的实际应用情况, 展示了其广泛的应用前景。最后, 综述了GO在火灾早期预警中的应用现状, 并展望未来的研究方向。
在全球化高度发展的背景下, 多病毒耦合的传染病传播已成为公共卫生领域的关键问题。传统的传染病传播模型如SEIR(susceptible-exposed-infected-recovered)模型通常仅考虑单一病毒的传播, 难以有效反映多种病毒在同一社会环境下的复杂影响关系。在多病毒耦合的情况下, 不同病毒之间可能存在相互促进或相互抑制等作用, 会影响传染病的传播动态和感染风险。该文对SEIR模型进行扩展与改进, 加入了无症状感染者、隔离者、死亡者等状态, 提出了一种多病毒耦合传播模型, 并考虑了病毒间的相互作用与免疫逃逸对疾病传播的影响。研究发现, 病毒间的相互促进作用能够提升感染规模, 拉长传播周期, 导致感染峰值到达的时间提前, 同时对感染规模大的病毒的传播增强效应比对感染规模小的病毒的更明显; 相互抑制作用可以降低感染规模, 延缓传播速度, 导致感染峰值到达的时间延后, 同时对感染规模大的病毒的传播减弱效应比对感染规模小的病毒的也更明显; 免疫逃逸率的提升可以显著增加感染规模, 延长病毒的传播周期。该文为多病毒耦合环境下的传染病传播提供了新的理论框架, 为疫情风险预测与干预策略研究提供了更为精准、适用的模型支持。
随着充放电倍率的提升和应用场景的严苛, 动力锂离子电池主动热管理系统亟待突破高效长时散热方面的技术瓶颈。该文综述了近年来动力锂离子电池主动热管理策略的研究进展, 总结了强制风冷、自然风冷、浸没式液冷和微通道液冷4种单相热管理方法的研究现状。风冷在低充放电倍率、轻量化工程背景下仍发挥重要作用; 随放电倍率需求提升, 微通道液冷和浸没式液冷效果显著提升, 更利于控制电池温度与温均性。回顾了浸没式沸腾冷却、喷雾综合冷却等基于气/液两相流的先进冷却技术, 这些技术在电池高倍率充放电需求增加的背景下, 提供了高效、灵活且适应性强的热管理解决方案。未来的研究与发展将聚焦于提升热传递效率、系统集成度和智能控制能力, 并致力于克服可靠性、成本、极端工况适应性和能耗优化等挑战。在文献综述基础上, 从多种应用场景展望了动力锂离子电池主动热管理技术的发展趋势, 认为新一代技术的开发应充分考虑充放电倍率、应用场景严苛性等工程实际需求。
