随着空间技术的快速发展，人类对太空环境的探索与利用不断深入，离开地面重力环境后的燃烧过程因其在航天推进和空间站安全等领域的潜在应用而备受关注。预混火焰作为一种高效、低排放的燃烧方式，在提高燃烧效率和减少污染物排放方面展现出显著优势，对于推动空间技术发展具有重要意义。
变重力环境的实现方式是多样的。较早进行燃烧实验研究的变重力环境是20世纪50年代Kumagai等[1]建立的低重力实验设施和在美国的Skylab空间站[2]直接进行的微重力实验。由于存在一定的困难和风险且受到成本和观测手段的限制，地面设施或飞机飞行模拟变重力环境成为了研究燃烧中重力效应的重要手段。落塔实验[3-5]、离心机实验[6-11]和飞机的抛物线飞行实验[12-14]等地面设施为模拟不同重力条件下的燃烧现象提供了可能。这些实验平台不仅能够复现各种重力环境，在减少经费和时间成本的同时也有利于实现各类侵入和非侵入测量手段。上述实验平台中进行的大量实验研究为揭示燃烧学的重力效应提供了宝贵的经验。
预混射流火焰的重力效应主要体现在变重力环境下的火焰形态[15-18]、稳定性变化[17, 19-20]以及低重力至超重力环境下火焰由于浮力效应产生的自发闪烁现象[21-24]等方面。其中火焰形态的变化直接影响燃烧效率和热量传递特性，火焰的稳焰特性则关系到燃烧过程的安全性和可控性，而火焰闪烁现象则与火焰动力学和热传递过程密切相关，因此针对这些火焰特性的深入研究对于优化燃烧器设计和燃烧过程控制具有重要的理论和实际意义。近年来，随着实验方法和仿真技术的不断改进，凭借激光纹影技术[12, 21, 25-27]、图像粒子测速(particle image velocimetry, PIV)技术[18, 28-29]、激光诱导荧光(planar laser induced fluorescence, PLIF)技术[27, 30]和计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)仿真[29, 31-33]等实验手段，研究者能够更加精确地测量和分析火焰特性。这些先进的工具和技术为揭示射流预混火焰的重力效应机理提供了强有力的支持。
本文重点介绍国内外典型的重力效应实验研究环境，总结射流预混火焰在不同重力条件下的燃烧行为，特别是在火焰形态、稳定性和闪烁现象方面的研究进展。通过综合分析国内外的实验数据和仿真结果，本文旨在为理解射流预混燃烧过程如何受重力的影响提供全面的视角，并为未来的空间燃烧技术研究和应用提供有价值的参考。
1 重力效应实验环境
地球引力的存在对许多宏观现象产生无处不在的影响，包括各类燃烧基础研究。为了在基础科学和空间相关应用领域进行不懈探索，研究者们创建了能够实现微重力环境的设施以尝试削弱引力影响，并在燃烧学、流体力学、生物学、材料科学和基础物理学等领域进行探索。1956年Kumagai等[1]建立了最早有记录的低重力实验设施，1973年美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA) Lewis研究中心(现Glen研究中心)讨论了展开微重力燃烧实验的必要性。同年，第一个试验性的空间站实验室Skylab正式绕地运行，在运行期间进行了包括固体燃料的点火和熄火、防火实验等在内的各类科学实验和技术测试[2]。此后，各类落塔由于其成本相对较低、可以进行地面实验等多方面的优势成为微重力研究的主要实验设施，本文整理的研究中涉及的变重力设施以落塔为主，包括美国NASA 2.2 s落塔[35-36]、日本微重力实验室(Microgravity Laboratory of Japan，MGLAB)落塔[22]、德国不来梅大学的ZARM落塔[30]等。微重力燃烧的主要研究目标是深入研究浮力效应对燃烧的影响，因此除了对比常重力和微重力环境，在低重力、超重力环境下进行燃烧实验也颇具意义。离心机成为模拟高达8g~9g(g为重力加速度)的超重力环境的地面实验装置。但在离心机运行过程中，Coriolis效应对火焰产生了较大的影响。相对地，以NASA的KC-135飞机为代表的飞机抛物线飞行法则成为模拟从微重力(< 1g)至2g的变重力环境的代表性实验手段。本章将分别介绍预混火焰研究中涉及的主要变重力实验设施。
1.1 落塔实验环境
落塔(drop tower)或落管(drop tube)是一种用于为研究对象产生受控失重期的结构。微重力通过单实验舱或者双层实验舱自由落体实现。微重力阶段从落塔顶端释放开始，到减速回收期间的自由落体运动实现。目前常见的有效载荷减速回收装置包括气囊、聚苯乙烯颗粒和磁性或机械制动器等。
美国的NASA Lewis研究中心于1959年发展的NASA 2.2 s落塔[35-36](见图 1a)位于室内，塔高仅24 m，对应2.2 s自由落体时间。其双舱结构的微重力水平为10-3g，相对于目前的新型落塔较低。美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)的Ronney等[37-38]于20世纪80年代完成了对预混火焰点熄火极限和燃烧速率的早期探索；美国Lawrence伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)燃烧团队于20世纪90年代利用该落塔实现了锥形、“V”形火焰的可视化测量，获得了包括点火熄火极限、层流燃烧速度等丰富的射流预混火焰数据[21, 25-27, 39-40]；伊利诺伊大学以Lock为代表的实验团队在这一落塔中布置了Wolfhard-Parker槽式燃烧器(见图 1b)，并针对扩散火焰和富燃射流预混火焰进行了微重力基础研究[41]；美国南加利福尼亚大学的Dong等[35]利用该落塔进行了近可燃极限预混火焰的传播与熄火特性研究。
1.2 离心机实验环境
1.3 抛物线飞行实验环境
NASA的Johnson航天中心发展了通过飞机飞行过程失重模拟微重力的实验方式。该实验将KC-135作为实验用机，如图 8所示。一次典型的飞行试验持续约2~3 h，其间进行40次左右的抛物线飞行。在抛物线飞行中的可变重力范围为10-3g~2.0g。法国EM2C实验室的Durox课题组在飞机抛物线飞行实验中进行了预混锥形火焰的激光多普勒测速，在获得了多种重力工况下的火焰闪烁频率的基础上，对其影响因素进行了重要的相关性、无量纲分析，为Kostiuk等[21]提出的经典预测公式提供了重要的理论铺垫和数据支撑[23]。在KC-135中，与预混火焰闪烁同为浮力诱导不稳定性的扩散火焰闪烁现象也得到了较多研究，例如Bahadori等[13]和Durox等[6, 23]进行的变重力环境下的层流火焰闪烁实验，得到了包括弱重力环境(0.1g、0.3g)、常重力环境(1.0g)和超重力环境(1.5g、1.8g)下的层流火焰闪烁频率和图像数据。
2 时均火焰形态
对于射流预混火焰，浮力虽然不作为可燃物和氧化剂的混合动力，但其对已燃区热气体的流动方式的改变，仍对上游火焰形态造成影响。上述重力效应在中心钝体火焰中尤为明显，在锥形火焰中也被观测到。有关重力效应影响火焰形态的研究总体来看可以分为2个方向：1) 火焰整体形状不变时的形状参数变化，例如层流或湍流来流条件下浮力改变流场影响锥形火焰的高度、中心钝体火焰的张角变化等；2) 火焰若干形态之间的转换规律，例如重力效应对旋流预混火焰各形状变换、中心钝体火焰由“V”形转换为“M”形的边界条件的改变等。本章主要总结这2类火焰形态的重力效应。早期的实验记录的例如锥形火焰尖端或者高度在一定频率的振荡等射流预混火焰闪烁现象，在第4章进行讨论。
2.1 形态参数
2.1.1 锥形火焰高度
美国LBNL的Cheng等[21, 25]利用激光纹影成像观察了常重力、微重力和反向重力环境下甲烷-空气层流和湍流预混锥形火焰的火焰结构(见图 9)，并进行了初步的定性分析。研究发现对于常重力环境下的层/湍流预混火焰，火焰面下游的已燃区热气体与环境冷气体的界面(buoyancy-induced shear layer，BSL)[24]和火焰尖端的高度均存在一定频率的振荡现象，微重力与反向重力环境下BSL处于稳定状态，振荡现象消失。该团队后续通过图像处理分析发现，层流锥形火焰在微重力环境下的平均高度比常重力环境下更高；湍流锥形火焰则相反[21]，对于此结论，JIHT的Krikunova等[3]利用落塔实验进行比对并结合数值仿真进行了验证。
2.1.2 中心钝体火焰张角
2.2 形态间转换
日本京都大学的Gotoda等[17, 22, 42, 58]利用地面实验和落塔实验研究了引入旋流的预混锥形火焰，并采用高速相机观察火焰形状(见图 15)。研究团队首先在甲烷-空气预混火焰中引入旋流，并根据其形态变化定义了多种旋流预混火焰类型；之后利用丙烷预混火焰比较不同碳氢燃料之间的差异，发现其形状发生变化对应的临界旋流数相似，推测其原因为二者的层流火焰速度相近；接着利用变重力设施发现引入旋流后的几种不同形态火焰在微重力环境、常重力环境与反向重力环境下的差异性比无旋流的锥形火焰更明显，包括火焰形状、高度、曲率、热扩散区域厚度等；进一步通过粒子的Mie散射(Mie scattering)图像定义火焰面位置，探索了各旋流预混火焰类型间的边界。其中在反向重力环境下出现了一种不稳定结构的火焰，如图 16所示。
3 稳焰特性
稳焰特性研究是理解燃烧行为的关键课题。CNRS的Cohé等[59]提出了一种被广泛接受的理论，认为射流预混火焰的稳定需要满足2类不同条件：1) 预混气体的φ值大于理想火焰面的可燃极限；2) 来流条件可以维持火焰在类似于锥形火焰尖端等弯曲、拉伸处的结构稳定，及层流火焰速度与喷嘴出口局部预混气体流速的匹配，使火焰附着于喷嘴上方。
第1类条件的稳定性边界可以从包括球形火焰、蜂窝状火焰或管内火焰等简单形式火焰的研究中得到，其边界范围适用于所有类型的预混火焰。例如1985年，美国MIT的Ronney等[37-38]对预混火焰在不同重力环境下的第1类稳定极限做了比较早的探索，使用电子火花放电作为点火源，在不同压强下进行实验，发现微重力环境下的最小点火能量远高于常重力环境下的，且火焰在传播过程中在缺失重力稳定流场的情况下更容易熄灭。在此基础上，美国普林斯顿大学的Abbud-Madrid等[60]的实验和计算结果表明，辐射热损失可能是微重力条件下熄火的主要原因。另外，不同燃料火焰的稳焰特性存在差异。Ronney等[38]在常、微重力环境下研究了甲烷和丙烷的自由扩散预混火焰，发现微重力环境下这2种燃料的火焰的熄火均是由于火焰面不稳定。进一步地，Ronney等[34]发现在微重力环境下甲烷、乙烷、丙烷等不同碳氢燃料自由扩散火焰的可燃极限受阻燃剂影响很小，主要取决于反应物的分子扩散特性。美国伊利诺伊大学的Strehlow等[61]在石英管中测试了不同重力环境对甲烷、丙烷火焰的可燃性影响，发现微重力环境下2种燃料的预混射流火焰稳定范围均减小。美国NASA的Ross等[62]发现微重力环境下测得的可燃极限在不同设备中非常相似，而常重力环境下测得的极限则存在差异，这同时也表明微重力条件可弱化实验方法本身引入的误差。
LBNL的Bedat等[26]研究了甲烷-空气锥形火焰和“V”形火焰在常重力和反向重力环境下的稳定极限并对比了微重力环境采集的数据，结果如图 21所示。2种火焰中均发现浮力效应对层流来流的火焰稳定极限影响最大，而对湍流来流条件下的火焰稳焰特性影响较小。从火焰类型看，浮力对“V”形火焰的稳焰特性的影响比锥形火焰更大。进一步，该团队通过双组分激光Doppler测速(laser doppler anemometry, LDA)系统对流场的详细分析表明，反向重力环境下，浮力对燃后气体的抬升作用使燃后流场中产生局部停滞点，并在火焰区域下游形成发散流区，这种发散效应被确认是增加反向重力射流预混火焰的稳焰特性的重要机制，利用这一机制，可以建立来流速度与层流火焰速度相近的扁平状火焰，该火焰没有明显的拉伸弯曲。
4 火焰闪烁现象
20世纪60年代，英国剑桥大学的Toong等[65]通过热气流模拟火焰的热气体与冷气体交界面，研究火焰的对流不稳定性，从而解释振荡现象，并由此发现真实火焰的对流界面与模拟界面存在较大差异。日本东京大学Kimura等[66]进行扩散火焰闪烁实验时发现，通过简化理论计算的剪切界面特征频率与实验测得的火焰闪烁频率存在较大差异，侧面说明了忽略重力只考虑剪切作用这一假设是不成立的。因此，后续相关研究开始关注重力效应对火焰闪烁现象的影响。美国伊利诺伊大学的Buckmaster等[63]分别考虑了扩散火焰轴向和径向的对流，在发现闪烁频率与来流条件没有显著相关性后，假设火焰的密度和温度均匀分布，且以轴向冷热气体剪切界面自然对流作为闪烁现象的主导原因，将其定义为一种特殊的Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性形式，并提出了涵盖重力的扩散火焰闪烁的简化模型——无限蜡烛(infinite candle)模型。法国CNRS的Yuan等[67]利用热氦气流模拟扩散及预混火焰的冷热气体剪切层。在简化后的流场中对这种特殊的K-H不稳定性做控制变量研究，一方面通过激光平面的Mie散射法对导致火焰闪烁的涡脱落现象进行了可视化(见图 26)，另一方面通过改变压强以研究相同重力环境下密度对闪烁频率的影响。针对扩散火焰闪烁频率与重力的相关性，美国的Katta等[68]通过数值仿真发现火焰闪烁频率f和重力水平的关联为$ f \sim g^{\frac{1}{2}}$ 。Durox等[12]的实验研究发现，g的$ {\frac{1}{2}}\sim {\frac{2}{3}}$ 次方与f之间存在正线性关系。
目前，层流火焰闪烁现象已有初步定论，研究者们普遍认为高速燃尽热气体与低速环境冷气体剪切层(BSL)在浮力效应下产生的K-H不稳定性是造成扩散火焰、预混锥形火焰、“V”形火焰等各类火焰整体闪烁的原因。以射流预混火焰为例，其闪烁原理如图 27所示，锥形火焰下游的热气体密度低于环境气体密度并与环境气体发生速度剪切，在重力加速度的作用下浮力加速热气体从而加强了这一剪切作用，导致了K-H不稳定性发生，形成逐渐向下游移动并脱落的K-H涡[3]。不同类型火焰的BSL分布以及火焰面剪切层(FSL)分布如图 28所示，对于锥形火焰，喷嘴平面与火焰面形成的封闭区域内部均为来流的低速未燃气体，故FSL位置的速度分布沿径向升高，且BSL为已燃热气体与环境气体剪切；对于“V”形火焰，火焰面附着在中心钝体下方而非喷嘴边缘，“V”形火焰内部是速度较快的已燃热气体，因此FSL处速度分布沿径向降低，且上游的BSL为预混冷气与环境气体剪切，下游BSL为已燃热气体与环境气体剪切；受限的“V”形火焰的FSL分布与“V”形火焰相同，而由于其隔绝了环境气体，不存在BSL。
法国CNRS的Durox等[23]于20世纪90年代在KC-135飞机抛物线飞行中模拟的超重失重环境下研究重力对预混火焰闪烁的影响，观察到甲烷-空气锥形火焰尖端存在低频闪烁现象，发现f虽然也处于10~20 Hz的低频范围，但与其对扩散火焰的研究不同的是，预混火焰的闪烁现象受到重力、密度、P、φ、Re等多个因素的影响，如图 29所示。这标志着对预混火焰闪烁研究的开始。该团队进一步选取了丙烷火焰进行闪烁频率的对比以研究燃料特性，发现对于以空气为氧化剂的预混火焰，由于氮气占比较高且不参与反应，混合气体在燃前、燃后的热力学特性相近，而受燃料的热力学性质以及燃烧机理等的影响较小。因此该团队提出，影响火焰闪烁的主要因素为预混气体的来流速度和膨胀比。其后续研究进一步比较了甲烷和丙烷在超重力环境下的闪烁频率，验证了这一推论[6]。根据该团队的结论，后续的大部分研究者选取甲烷作为燃料以研究火焰闪烁。
随后，美国LBNL的Cheng等[25]于各重力环境下进行了层、湍流锥形火焰的光学测量，确认了反向重力和微重力环境下闪烁现象的消失。
对于高速相机直接拍摄的火焰画面，Huang等[72]提出了一种时间序列图像的频域处理方法，利用对火焰的直接拍摄得到摇曳频率信息，高速相机直拍比激光介入的光学诊断的适用范围更广，因此类似的后处理模式逐渐得到了较广泛的应用。
俄罗斯JIHT的Krikunova等[3]在落塔和地面实验中对预混火焰的闪烁现象做了进一步研究，其采用PLIF技术拍摄了羟基的自发光图像所得的火焰闪烁频率验证了经验公式(见式(3))；进行的数值瞬态仿真也得到了1g~8g的超重力下的火焰闪烁频率。
预混程度根据预混氧化剂的含量是否能够使燃料完全燃烧，可分为部分预混和全预混。已有研究大多围绕全预混的火焰，近年来也出现一些针对部分射流预混火焰的研究。射流预混火焰具有高当量比，表现出介于全预混火焰和扩散火焰之间的一些特性。伊利诺伊大学的Lock团队利用实验和数值仿真研究了常重力和微重力环境下的火焰结构、速度和温度分布特性。并在常重力环境下建立的部分预混火焰的中段观察到了代表火焰闪烁的温度和速度脉动[41]。中国北京交通大学的李国岫团队研究了从附着到吹熄过程中部分预混火焰闪烁时的高度变化，发现在不同状态下的部分预混火焰闪烁频率存在差异，且伴流速度与闪烁频率呈正相关[67]。日本新潟大学的Fujisawa的团队利用本征正交分解(POD)分析火焰图像得到了脉动模态[15]，某工况的POD脉动模态如图 38所示。
5 结论
射流预混火焰因具备无污染、高能效等特性受到广泛关注，由于其流场结构存在明显的密度、速度剪切界面，在多个特性方面受到重力效应的明显影响。随着空间技术的提升，针对射流预混火焰重力效应的探索价值不断提高。本文深入探讨了国内外多种典型的相关重力效应实验研究环境，总结了射流预混火焰在各类重力环境下的实验手段、模拟方法、影响因素等的研究进展。
由于各类变重力设施均存在时间、空间上的限制，现有研究主要采用小型的实验室尺度的燃烧器，且在燃料选取上较为单一，主要以甲烷-空气预混火焰为主，仅少部分与丙烷等其他碳氢燃料进行了对比研究。对于与工业燃烧室的结合以及各类燃料的差异性研究有待深入。结合国内外研究现状以及未来规划，关于射流预混火焰的重力效应的主要研究内容可总结如下：
1) 火焰形态方面，重力效应主要影响层流和湍流锥形火焰的火焰高度、中心钝体火焰张角等参数，各类型火焰之间的直接转换，以及某些火焰之间转换边界的偏移。
2) 稳焰特性方面，各重力环境下存在不同的局部的火焰弯曲拉伸以及局部速度的匹配，这改变了各类型射流预混火焰的稳定极限和熄火特性。
3) 火焰闪烁方面，已有多种实验手段观测到了低-超重力环境下的浮力剪切层以及涡脱落；温度、速度场的测量以及数值仿真的交叉验证进一步揭示了重力效应在火焰闪烁中的作用机理；此外，频率预测经验公式获得了广泛验证。
