烃类燃料是最常见的有机化合物，也是广泛存在的燃料组分，在火箭发动机、喷气发动机等领域有着广泛的应用。烃类燃料燃烧在能源转换和利用过程中占据主导地位，涉及了复杂的化学反应和物理现象。碳烟的形成是烃类燃料燃烧中的关键现象之一，其不仅会造成环境污染，而且会形成积炭堵塞燃烧室喷嘴，引发飞行事故。此外，碳烟是航空航天领域检测火灾发生的主要参量，控制碳烟形成关系到航空飞行器的飞行安全、使用寿命以及环境污染等重要问题。要实现对碳烟的控制，迫切需要对碳烟的生成机理进行深入研究。虽然多环芳烃(PAHs)是熟知的碳烟生成前驱体，但其生成与消耗机理尚不完全明确[1]。C1-C4小分子烃类是航空燃料在燃烧过程中的重要中间产物，是碳烟形成机理中基础且关键的组分。研究表明C1-C4等小分子烃类是形成多环芳烃第一个苯环的基础物质，在碳烟前驱体多环芳烃形成过程中扮演重要的角色，并在碳烟颗粒的形成和生长过程中起主要作用[2-4]。因此，研究C1-C4烃类燃料燃烧过程中的碳烟生成机理对航空燃料的碳烟控制以及航空安全保障具有指导意义。
碳烟研究对应的实际应用工况多为湍流燃烧。湍流燃烧的复杂性以及非稳态性限制了碳烟生成过程的停留时间和空间分辨率，一定程度上提高了研究碳烟生成的难度。微重力下受浮力影响较小的层流扩散火焰为研究燃烧的基本原理提供了一种更简单的模型。稳定无闪烁层流扩散火焰的研究是理解更复杂湍流火焰的第一步。早在20世纪90年代，Sivathanu等[5]提出实际湍流扩散火焰中碳烟的性质可以利用微重力条件下层流扩散火焰模型进行研究。这是因为常重力条件下湍流火焰受浮力影响较小而且碳烟颗粒体积较大，主要通过对流作用进行传递；层流扩散火焰在常重力条件下易受浮力的影响，但微重力条件可减弱这种影响，使其更接近实际的湍流燃烧。此外，常重力条件下的火焰受浮力影响存在闪烁现象，燃烧不稳定。而在微重力条件下，自然对流减弱甚至消除，燃烧现象中的基本过程及效应更加凸显[6, 7]，燃烧和流动问题得以简化，不仅可以解耦浮力对碳烟生成过程的干扰，更好地揭示碳烟形成和运动机制，而且此环境中碳烟生成路径较常重力条件有所不同，形成的碳烟浓度更高，颗粒尺寸更大、停留时间更长，火焰结构和形状的变化均可为相关研究提供便利[8]，获得的实验数据能够较好地验证微重力碳烟生成模型。因此微重力条件有利于碳烟生成规律研究的开展。
目前国际上已有研究人员围绕微重力燃烧科学的发展进行了总结。例如早在1994年Law等[11]对微重力条件下的多个燃烧研究进行了全面的沿时间尺度的总结，后续研究者从时间、不同燃烧特性以及不同国家或组织的角度对微重力燃烧的发展进行了整理[12-14]。其中碳烟仅作为燃烧特性的一部分进行了介绍，因此目前缺少微重力条件下烃类燃料燃烧生成碳烟的相关系统性总结。本文梳理了微重力条件下碳烟的研究现状，从烃类燃料层流燃烧生成碳烟的理论模型、测量/诊断技术以及重力对碳烟形成的影响3方面进行总结；同时结合现有微重力条件下烃类燃料燃烧生成碳烟的机理、碳烟生成影响因素的研究，详细探讨微重力条件下碳烟形成机制和变化规律；最后对未来可能的研究方向提出设想。
1 理论模型
尽管此模型在应用于层流和湍流火焰时表现出了较好的一致性，但是该模型对气相化学和碳烟颗粒的相互作用只进行了简单的描述，认为碳烟的浓度只和燃料的浓度有关，但这与实际测量结果不符。因此Leung等[18]和Peter[19]在半经验乙炔/苯两方程碳烟模型[20](见图 2)的基础上提出修正版本，认为碳烟的形成不仅取决于燃料的分解路径和热解的产物，还和不饱和环烃(例如苯)的存在有关。该半经验碳烟模型假设乙炔作为唯一的中间产物来描述碳烟的成核、表面生长和氧化过程。碳烟成核和表面生长分别通过式(2)和(3)实现。两方程碳烟模型能够预测碳烟生成的整体特征，定性体现出燃料碳转变为碳烟Cs的比例随压力的变化关系。
但在Kaplan等[21]的研究中，利用该半经验碳烟模型研究了不同重力下乙烯扩散火焰的动力学和行为的影响状况，结果表明0g(g≈9.80 m/s2)时的碳烟产生量大大增加，峰值碳烟体积分数比1g时增加了11倍，模型预测所得的峰值碳烟体积分数远大于在2.2 s落塔中的实测值。这是由于该模型虽然可以较好地模拟碳烟成核和生长过程，但氧化模型却存在严重缺陷。因此Liu等[22]和Kong等[23]对碳烟的氧化模型进行了优化，并认为碳烟氧化过程中重要的氧化剂为OH、O和O2[23, 24]，氧化模型如式(4)—(6)所示。模拟值与实验值有较好的一致性(见图 3)。尽管如此，碳烟氧化模型的模拟值与实验值之间仍存在较大差异，模型的准确率仍需要进一步提升。
此外，碳烟辐射模型的研究也是模拟碳烟生成过程的重要环节之一。已有研究为便于计算，多采用光学薄辐射模型，该模型不考虑辐射重吸收作用。Ma等[25]采用该模型对微重力下的碳烟进行数值模拟，能够定性捕捉碳烟的分布趋势，但在微重力下的定量分析结果与在ISS中获得的实测结果仍有较大差距。这是由于不考虑重吸收作用计算出的火焰温度偏低，因此碳烟生成量的计算值远高于实测值。Dobbins等[26]采用光学薄近似的计算结果显示0g下的辐射损失高达47.5%，说明微重力下的碳烟辐射是一个非常大的热力学扰动因素，对于碳烟生成量的计算结果具有不可忽视的影响。基于此，Liu等[27]在SNBCK等不同辐射模型处理条件下预测的碳烟体积分数分布与实测结果进行比较，发现尽管模型对碳烟体积分数峰值的预测准确率较高，但显著低估了沿火焰中心线的碳烟生成量。因此，深入了解碳烟的辐射特性，完善碳烟的辐射模型具有重要意义。
2 检测/诊断技术
研究烃类燃料燃烧生成碳烟的机理时，通过实验检测与碳烟有关的气相和凝聚相物质浓度是十分必要的，不但可为碳烟模型提供验证性数据的支持，而且可为碳烟生成机理的探索提供可能的思路。
目前微重力条件下主要采用的碳烟检测/诊断技术如表 1所示。微重力下的侵入式手段主要通过对烟气采样获取碳烟样品，然后通过扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)[30]、透射电镜(transmission electron microscope，TEM)[31]、化学分析用电子能谱技术[28]或差分迁移率分析[32]获取碳烟样品的微观结构、尺寸或物质组成等参数。碳烟主要的取样方法包括：稀释采样[28]、纤维沉积形态法、热泳采样诊断(thermophoretic sampling particle diagnostics，TSPD)法[32]。此外还可以利用热电偶颗粒密度(thermocouple particle densitometry，TPD)法获得火焰温度和碳烟浓度分布。
表 1 微重力碳烟检测/诊断技术 |
| 类型 | 方法 | 检测指标 | 检测维度 |
| 侵入式 | TSPD法 | 碳烟体积分数 | 点 |
| TPD法 | 碳烟体积分数 | 点 | |
| SEM/TEM | 碳烟形貌 | 点 | |
| 非侵入式 | LE法 | 碳烟体积分数 | 二维 |
| LII法 | 碳烟体积分数和粒径 | 二维/三维 | |
| 双色法 | 碳烟体积分数 | 二维/三维 | |
| 发射CT法 | 碳烟体积分数 | 二维 |
热泳法取样主要包括热泳采样诊断(TSPD)法和热电偶颗粒密度(TPD)法2种。TSPD法采用热泳力收集火焰中的碳烟或积碳，探针插入火焰中会产生温度梯度，驱动热气体中的碳粒迁移并沉积于探针表面，由于探针表面较冷，可以冻结捕集颗粒的异质化学反应，阻止碳烟的形态发生变化，再结合SEM或TEM即可获取火焰中瞬时碳烟样品的微观结构与尺寸。如Ku等[34]于1995年在NASA2.2 s落塔中利用TSPD法对燃烧过程生成的碳烟进行检测，实验过程中采用多个探头在不同高度进行取样，并由TEM对碳烟形貌进行了检测。TPD法可同时测量火焰温度和碳烟体积分数，其结构简单、成本低，可用于校准非接触式测量手段[35]。同流扩散燃烧器TPD热电偶装置的俯视图如图 6所示。Ma等[25]在ISS中采用该方法对甲烷火焰温度和碳烟体积分数进行实验测量，但是受色散指数的影响实测值并不准确。在侵入式检测时，一个探针只能对空间中单独一个点进行采样，无法反映燃烧域的参数分布[36]；且侵入式的测量方式可能对火焰的稳定性造成影响，难以获取不稳定火焰在时间和空间上的准确检测结果。
其中：A为透射光强度，A0为入射光强度，λ为波长，fv(r)为圆环区域的碳烟体积分数，m为碳烟复折射率。Jeon等[42]在落塔实验中利用该方法得到乙烯扩散火焰碳烟体积分数随火焰高度变化的二维分布，其中m=1.7-0.7i，但是如何确定m的真实值仍然是目前研究的一大难点。
双色法利用火焰中2种不同波长对应的单色辐射强度，根据Planck定律计算出火焰温度(见式(8))，火焰温度结合辐射定律可以估算出火焰的单色辐射率(见式(9))，再由Hottel和Broughton方程计算出KL因子，KL因子正比于碳烟体积分数(见式(10))，所以用双色法可以同时获得火焰温度及碳烟体积分数的平面分布，再结合空间辐射源项反演算法可以得到火焰三维温度和碳烟浓度的分布。
其中：I为单色辐射强度，T为火焰温度，Ta为黑体温度，K为碳烟吸收系数，L为火焰沿检测系统光轴的几何厚度，c1为第一辐射常量、c2为第二辐射常量，其值大小分别为3.741 77×10-16 W·m2和1.438 775 2×10-2 m·K，α为与碳烟的物性和光学特性有关的参数。
目前在微重力条件下，双色法主要与其他方法进行结合使用，如Jörg等[45]在落塔中利用双色法和LII法对火焰温度、碳烟浓度和尺寸进行了二维测量。由于受到设备的数量以及微重力环境空间尺寸的限制，双色法在微重力条件下进行三维测量的应用较少。
发射CT法可利用火焰的辐射光谱同时获取温度和碳烟体积分数的分布，利用分光计和CCD相机扫描火焰的交叉区域可获得不同方向上的火焰的光谱辐射信息，可见光波段与红外波段的辐射主要来自碳烟颗粒，对单色辐射强度的积分方程进行逆运算并结合双色法便可同时获得温度和碳烟体积分数的二维分布。
尽管非侵入式检测是目前微重力条件下常用的检测方法，但不管是LII法还是发射光谱法，如果使用CCD相机捕获辐射信号，由于沿检测光路的烟尘颗粒光谱会被吸收和散射，所以通常会受到信号捕获效应的影响。在碳烟的测量过程中，信号捕获效应通常被忽略，导致计算得到的碳烟浓度偏低，因此该方法仅适用于光学厚度较小的火焰。此外，碳烟非灰特性的不确定性也会使得计算结果有较大的误差和不确定性，因此非侵入式检测研究碳烟在应用前需要进行测量校准从而保证结果的准确性。
3 重力对碳烟生成的影响
自20世纪80年代末以来，围绕微重力条件下烃类燃料燃烧生成碳烟的影响因素、碳烟生成和变化规律，研究者们已开展了大量的实验和数值模拟工作，部分成果见表 2。
表 2 微重力条件下碳烟生成研究 |
| 烃类燃料 | 微重力设施 | 结论 | 文献 |
| CH4 | 空间站 | 微重力烟灰火焰比正常重力火焰具有更低的烟灰温度和更高的体积分数 | [25]、[46] |
| C2H4 | 抛物线飞机/落井 | 从正常重力到微重力，烟灰分布往往从火焰中心线转移到翼部 | [47-50] |
| C2H6 | 抛物线飞机 | 微重力下碳烟停留时间增加，碳烟辐射导致火焰顶端开口 | [51] |
| C2H2 | 落塔 | 微重力下碳烟生成量增加，火焰温度低，降低碳烟氧化速率，进一步提高碳烟体积分数 | [41] |
| C3H8 | 抛物线飞机/空间站 | 证实无浮力也存在烟点火焰，且碳黑明亮火焰长度是常重力下2倍 | [48]、[52] |
| C3H6 | 抛物线飞机 | 无浮力火焰更容易产生碳烟 | [53] |
| C4H10 | 落塔 | 碳烟粒径是常重力下的200~500倍 | [54] |
目前，针对微重力条件下碳烟生成的研究主要集中于微重力对碳烟的浓度、分布区域、结构和形貌的影响。微重力影响碳烟生成的最主要因素是浮力对流的减弱，扩散成为物质传递的主导机制，火焰中碳烟生成区域变宽，氧化区域变大，碳烟的相互作用发生变化，从而使碳烟有足够的时间生长和凝聚，导致碳烟浓度增加，且微重力条件下产生碳烟的最大浓度一般为常重力下的2~3倍[10, 55]。Kaplan等[56]的数值模拟结果验证了此解释，由图 8a可以看出，随着重力的降低碳烟生成区域变宽，碳烟体积分数峰值增加且峰值位置向火焰上游移动，这是由于微重力下氧气的浓度梯度较常重力下大大降低，燃料与空气混合减弱，为保证燃烧能够得到充足的氧气，火焰面向外扩张，如图 8b所示。Kong等[57]对不同重力下碳烟的成核速率、表面生长速率和氧化速率进行了数值模拟，发现碳烟成核速率随重力的降低而减小，微重力条件下碳烟成核区域集中于火焰两翼，并向火焰上游移动。而碳烟的表面生长速率会随重力的降低而增加，碳烟生长区域也会随重力降低而向火焰上游移动。这进一步验证了重力变化导致的浮力对流变化对碳烟的生成和凝聚产生了不可忽视的影响。
微重力还会导致碳烟的生成路径发生变化(见图 9)，从而使碳烟的分布区域与常重力下的不同。在常重力下由于存在浮力对流，分界流线随着轴向高度的增加逐渐向火焰中心靠近，而在微重力条件下浮力减弱甚至消失，使得分界流线向远离中心线方向移动[49, 58]。碳烟依靠流体实现运动，因此在径向上向分界流线运动。所以对于在微重力下顶部封闭的火焰，燃料燃烧产生的大部分碳烟生成于火焰边缘的某个小区域内，而沿中心线分布的浓度较低，在火焰的尖端附近则出现少量碳烟[59]。对于顶部开口的火焰，大部分碳烟集中在一个小的环形区域内，沿中心线没有明显的碳烟负荷。微重力条件下的实验测量与数值模拟结果均验证了此规律[25, 45, 58, 60]，数值模拟结果进一步显示，火焰两翼区域的碳烟生成受碳烟的表面生长控制，火焰中心线上的碳烟生成受多环芳烃冷凝控制，在微重力条件下火焰两翼的氢自由基浓度较高，HACA反应更加敏感，因此与多环芳烃生成速率相比，碳烟的表面生长速率更大，火焰两翼处碳烟生成速率大于中心线，碳烟的分布区域由火焰中心向火焰两翼移动[61]。
基于上述分析可以发现，已有研究大多分析由于重力引起的碳烟生成变化的现象，对于碳烟生成过程中涉及的物化反应相互作用的解释并不明晰，而且微重力条件下碳烟的形貌和尺寸变化研究较少。因此，未来需要进一步了解和探索影响碳烟生成、相互作用机制及原理。
4 结论与展望
由于微重力条件下的物化反应过程与常重力条件下的不同，碳烟的生成、聚集和传输过程会发生变化。通过研究微重力条件下碳烟的行为，可以揭示碳烟的微观结构和宏观性质之间的关系，进一步提高对碳烟的认识。因此，本文总结了目前微重力条件下针对碳烟开展的实验测量和模拟、检测手段、影响因素等的研究进展。
由于微重力设施受到时间和空间上的限制，现有研究主要采用半经验一方程的乙炔碳烟模型与辐射模型相结合开展数值模拟以预测碳烟的生成过程。微重力实验探究了燃料种类、重力条件、伴流流速、掺混燃料等多种因素对碳烟生成的影响，并采用侵入式和非侵入式检测技术分析了碳烟的形态、生成路径及分布。但目前的研究大多为描述碳烟生成和变化现象，对于其相关机理尚不明确，且不同因素对碳烟形成的本质影响仍有待进一步探究。结合国内外研究现状及未来规划，关于微重力条件下烃类燃料燃烧生成碳烟的发展方向可总结如下：
1) 碳烟预测模型方面，针对碳烟的微重力生成模型(包括成核、生长、凝聚及氧化)和辐射模型进行优化，更精确地预测微重力条件下碳烟的浓度和体积分数分布的变化。
2) 诊断/检测技术方面，需要对碳烟的非灰特性进一步探索，以削弱碳烟非灰特性对碳烟生成量测量的不确定性，获得可以通用的校准方法；同时关注微重力条件下双色法测量技术受空间限制的问题，以丰富三维碳烟分布特性的研究。
3) 进一步揭示微重力条件下碳烟形貌结构、生成过程中涉及的物化反应、各因素的影响规律，以及碳烟形貌结构和形成路径之间的相关关系。
