2. 清华大学山西清洁能源研究院, 太原 030032
2. Shanxi Research Institute for Clean Energy, Tsinghua University, Taiyuan 030032, China
燃烧是能源转换的核心过程之一，是人类使用能源的最主要方式，然而燃烧产生的污染问题长期困扰人类。了解燃烧过程污染物的生成和消耗规律，是燃烧领域学术研究和工程技术研发的重点。
碳烟是气体燃料燃烧过程的重要污染物之一。碳烟的生成与消耗现象对燃烧效率、火焰传热特性、燃烧设备性能等有着重要影响[1]。学者对气体火焰中碳烟生成和消耗的规律已有了大量的研究，形成了2种竞争的主要理论：一种理论认为气体火焰中的碳烟生成受到流场的强烈影响；另一种理论指出气体火焰中碳烟生成与否与火焰结构的本征特性有关，而与流动无关[2-3]。根据火焰中碳烟生成与消耗的规律变化，学者已经提出了不同工况下获得“无烟”火焰的方法[4-5]，包括氮气稀释燃料和改变伴流流速等[6]。然而，对于气体扩散火焰中碳烟生成特性的影响机制，学者仍在持续探索。
在微重力下研究气体扩散火焰的碳烟生成是学术热点之一。这是因为在地球常重力条件下，复杂的浮力流动使得测量和解释变得复杂，甚至妨碍了对重要现象的观察[7-8]。微重力下由于自然对流受到限制，碳颗粒的分布和运动主要受热扩散和分子扩散的影响，因此能够获得更加理想的碳烟生成动态和行为，获得更多改进化学机理和碳烟模型所需的数据。同时，由于微重力下气体扩散火焰碳烟生成规律与地面常重力下显著不同，根据地面常重力火焰碳烟生成规律所提出的防火措施在微重力条件下不适用，需要开展专门的微重力下的研究以完善对空间站等微重力设施中火灾行为的理解。
本文将系统综述微重力下气体扩散火焰碳烟生成的研究进展，了解不同微重力设施构造微重力环境的设计原则并进行对比；对微重力下气体扩散火焰碳烟研究实验的发展历程、碳烟火焰的表观形貌、碳烟浓度的测量手段、烟点(smoke point)和降低碳烟排放的手段进行详细介绍；最后，结合中国空间站的发展，展望了未来微重力气体碳烟燃烧研究的方向，提出了改进实验设计、开展多因素耦合研究和完善数值模型等建议，为进一步深入理解碳烟生成机制和开发低污染燃烧技术提供了参考。
1 微重力燃烧概览及碳烟生成现状 1.1 微重力燃烧概览地球引力引发的自然对流对燃烧现象的研究产生了巨大障碍[1, 9]。为了量化浮力对物理化学过程的影响，针对火焰的研究中常用表 1中所示的3个无量纲数来表征浮力或自然对流与其他过程的相对大小。例如，浮力与黏性力之比为Grashof数(Gr)；浮力引发的自然对流与导热之比为Rayleigh数(Ra)；浮力引发的自然对流和强制对流之比为Richardson数(Ri)，一般认为当Gr、Ra或Ri＜O(10-1)时，可以忽略浮力的影响[1, 7]。
| 无量纲数 | 物理意义 | 忽略浮力条件 |
| Gr＜O(10-1) | ||
| Ra＜O(10-1) | ||
| Ri＜O(10-1) | ||
| 注：g为重力加速度，β为体积膨胀系数，ΔT为温度变化量，L为特征长度尺度，ν为流体的运动黏度，α为热扩散率，ρ为流体的密度，Δρ为密度变化量，U为特征速度。 | ||
对于典型火焰(ν≈10 mm2/s)，当L＜10-4 m或Re>10时(L=10 mm)可忽略浮力的影响，此时浮力产生的速度ub约为0.03 m·s-1，显然这种规模的燃烧是很难实现的。由此也说明低速火焰(近极限火焰)中浮力的影响是不可忽略的[10]。
当考虑压力变化时，Law等[11]将浮力影响量化为F~(p/p0)2g，其中p和p0分别为实际压力和参考压力，压力的降低会通过密度变化削弱浮力的影响。但同时低压也会造成化学反应速率降低并增加反应的特征尺度[1]，将低压结果外推至实际应用范围具有不确定性。因此减弱浮力影响最终仍需依靠直接降低g的微重力设施来实现。
目前，在科学研究中获取微重力的设备包括落塔/落井(见图 1a)、抛物线飞机(见图 1b)、探空火箭(见图 1c)、空间飞行器(见图 1d)和空间站(见图 1e)。其具体设施和微重力时间与水平如表 2所示。其中，落塔实验因其简单易行，应用最为广泛[12]。但由于落塔提供的微重力时间较短(< 10 s)，在这个时间范围内许多物理化学过程(如碳烟的燃尽)无法达到稳态[13]；抛物线飞机虽然可以获取较长的微重力时间，但微重力水平会有较大的波动(即g-jitter效应)[14-16]；探空火箭和空间飞行器能够稳定提供较长时间的10-6~10-5 g的微重力水平，但受到成本和重复实验能力的限制[17-19]；而空间站虽然也受到成本的限制，但由于其长期稳定和便于传输等操作正在成为微重力碳烟研究的最主要平台[20]。
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| 图 1 典型获取微重力的设备 |
| 微重力设施 | 微重力时间 | gmin | |
| 落塔/落井 | 美国NASA[21] | 2.2 s | 10-5 g |
| 美国NASA[22] | 5.2 s | 10-6 g | |
| 德国Bremen[23] | 4.7 s | 10-6 g | |
| 日本JAMIC[24] | 10 s | 10-4 g | |
| 中国科学院力学所[25] | 3.6 s | 10-5 g | |
| 清华大学TUFF[26] | 2.2 s | 10-3 g | |
| 中国科学院CSU[27] | 4 s | 10-5 g | |
| 抛物线飞机 | 美国KC-135[28] | 20 s | 10-2 g |
| 美国Zero-g A 300[29] | 22 s | 10-2 g | |
| 探空火箭 | MAXUS探空火箭[17] | 5~16 min | 10-5 g |
| 空间飞行器 | 哥伦比亚号航天飞机[16] | 数天 | 10-5 g |
| 实践十号返回式卫星[19] | 数天 | 10-6 g | |
| 空间站 | 和平号空间站(MIR)[30] | 数年 | 10-4 g |
| 国际空间站(ISS)[31] | 数年 | 10-4 g | |
| 中国天宫空间站[32] | 数年 | 10-4 g | |
| 注: gmin为试验舱自由下落过程中舱内重力加速度g的最小值。 | |||
1.2 微重力燃烧及碳烟研究实验发展历程
世界上最早的微重力燃烧实验可以追溯至1957年日本的Kumagai等[33]在简易自由落体装置中研究的液滴燃烧。1973—1979年，美国在Skylab2上完成了首次空间燃烧实验[34]。20世纪80年代和90年代，随着欧洲空间局(European Space Agency，ASE)对微重力项目的呼吁以及人们对微重力科学的认识不断加深，地面微重力燃烧设施和模拟方法手段不断发展，包括各种落塔和落井、抛物线飞机等，微重力燃烧科学也迎来了黄金发展期，各种理论和验证层出不穷。这期间，美国NASA开展了系列微重力实验研究。法国国家空间研究中心(Centre national d'études spatiales，CNES)和法国国家科学研究中心(Centre national de la recherche scientifique，CNRS)开展了一系列数值模拟研究，包括：采用火灾动力学模拟器(fire dynamics simulator，FDS)进行微重力火焰的直接数值模拟[35-37]，Torero等[38]使用SIMPLEC算法和火焰面模型数值研究浮力的影响等。进入21世纪后，空间科学蓬勃发展，同时，地基微重力设施的微重力时间和水平逐渐无法满足研究需要，因此空间燃烧实验成为微重力燃烧研究的重要手段。
图 2给出了最近半个世纪以来国内外不同微重力设施下进行的碳烟实验。采用的微重力设施包括落塔[16, 23-24, 39-52]、KC-135航天飞机[15, 28]、哥伦比亚航天飞机[16, 53-55]、ISS和天宫空间站[56-58]等。本文后续章节将对这些研究进行详细的讨论。
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| (实心点代表该时间进行了气体燃料碳烟研究) 图 2 近半个世纪以来国内外进行的微重力燃烧实验 |
2 微重力气体火焰结构和碳烟生成路径 2.1 微重力下含碳烟火焰的表观形貌
受制于早期微重力装置的条件，早期微重力下气体火焰碳烟的研究多为表观形貌的观测，并基于理论推导和数值模拟开展分析。
常重力环境下，浮力会显著影响流动过程中的空气携带，Kaplan等[59]在模拟中详细描述了不同重力水平火焰给定高度(4 cm)处的归一化轴向速度和O2摩尔分数的径向分布(见图 3)。结果显示，微重力条件下的速度梯度和空气携带量都将大大减少，由此预计会对碳烟的生成和氧化等过程产生较大的影响。
Law[1]和Sunderland等[15]结合常重力实验结果和微重力理论预测进一步绘制了静止环境中常重力和微重力扩散火焰的经典特征图，如图 4所示。坐标轴分别通过射流出口直径df和火焰高度Lf归一化处理。常重力结果基于Santoro等[60-61]的实验；微重力结果基于Spalding[28, 62]的理论预测。图中虚线为径向速度为0的分流临界线，分流线内外气流的径向速度分量都指向分流线。扩散火焰中碳烟生成(成核和生长)主要发生在当地当量比Φ为1~2的范围内[63]。图中的结果表明微重力火焰的碳烟生成范围更广，受流动影响小，火焰形态更加饱满。
由于碳烟颗粒大，不能像气体分子一样扩散，因此除了热泳等较小影响外，在径向方向上，碳烟向临界线的运动主要通过气体对流。在常重力下浮力加速流动使临界线向中轴线移动，临界线常在碳烟形成区域的内侧(见图 4a)；微重力下，由于无自然对流，临界线通常在碳烟形成区域的外侧(见图 4b)。常重力下碳烟成核发生在具有更高温度且混合更好的分流线外侧(Φ=1处)，颗粒随气流向内侧移动到分流线附近，在火焰顶端形成碳烟层并穿过顶端火焰面；微重力下碳烟成核发生在更富燃分流线内侧(Φ=2处)，随气流向外侧移动并穿过火焰面。由此导致常重力环境下碳烟形成时间与氧化时间的比值大于在微重力下的比值。因此常重力火焰和微重力火焰碳烟生成特性耦合了多个变量，需要找到碳烟形成过程中碳烟成核、生长、凝聚、氧化等多过程的关系。
后来，Sunderland等[15]、Mortazavi等[28]和Urban等[54]分别在NASA KC-135抛物线飞机和哥伦比亚航天飞机对上述理论进行了验证，采用CCD相机获得了微重力下扩散火焰图像。实验结果与模型计算结果相符，微重力火焰表现出更宽的碳烟生成区和更大的碳烟氧化区。射流火焰在微重力下高度更高且呈球状。由于浮力显著减小，扩散成为物质迁移的主要机制，常重力扩散火焰理论研究(如Burke-Schumann理论)中常忽略的轴向顺流扩散机制在微重力下起到重要作用。
另外，Lin等[64]通过降低压力的方法研究了弱浮力影响下]反应物速度对层流扩散火焰碳烟生成的影响，验证了弱浮力下可通过控制射流速度来准确调节停留时间。这极大地激发了学者研究在微重力下碳烟生成的兴趣，为后续研究提供了重要参考。
Bahadori等[65-66]逐帧分析了NASA 2.2s落塔实验中甲烷和丙烷点火后的全过程图像，发现火焰随燃料流量变化有闭口火焰(closed tip flame)和开口火焰(open tip flame)之分，其中开口火焰类似于Burke-Schumann理论中的欠通风火焰，研究者们将这种火焰开口现象归因于热解、碳烟形成淬熄、过量辐射热损失和可能的热反射效应的影响。通过Wien位移定律分析微重力尖端开口火焰的颜色，可以近似估计局部火焰温度，如图 5所示。以图 5a中的丙烷微重力扩散红焰为例，火焰尖端附近的颜色沿着轴向从黄色发展到红色再到暗红色，这是由于微重力环境下的碳烟在较宽的区域穿过火焰面，温度逐渐降低。而对于常重力火焰，当接近火焰尖端时，碳烟层被限制在靠近轴线的区域，由于高温氧化快速淬熄，产生了锥形尖端(见图 5b)。在微重力环境下，这种尖端的打开现象提供了一种指示层流烟点的方法，这点将在后文中进行详细介绍。
表观研究揭示了微重力条件下碳烟生成的基本特性和火焰形态变化规律，为后续的研究提供了参考，但同时很多研究停留在定性描述层面，缺乏定量分析和详细机制的解释。后续的研究进一步探讨了碳烟生成的具体路径和影响因素，利用先进的诊断技术进行了定量分析。
2.2 基于光学诊断的碳烟浓度测量为了建立准确的微重力气体扩散火焰碳烟生成的模型，需要获得详细定量的碳烟生成数据，不断发展成熟的碳烟诊断技术为微重力气体扩散火焰碳烟浓度的测量提供了条件。
当前广泛采用的碳烟诊断技术大体分为非侵入式和侵入式诊断2大类。侵入式诊断即直接对生成的碳烟颗粒进行取样，随后通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)进行分析以获得微观结构。常用的取样手段包括热泳取样[54, 67-68]、电场取样[69]等。非侵入式诊断可以在不干扰火焰的情况下研究碳烟颗粒的形成与演化，又可分为主动式的激光光学诊断和被动式的发射光谱诊断。
激光光学诊断方法包括激光诱导炽光法(laser-induced incandescence，LII)[70]、激光诱导荧光法(laser-induced fluorescence，LIF)[71]、消光法(light extinction，LE)[72-73]等，可用于测量碳烟体积分数、碳烟温度、碳烟粒径和聚集形态。但是由于受到激光光路设备体积和可操作性等方面的限制，光学诊断方法在空间站的部署存在一定难度。目前已公开报道的微重力下激光诊断测量碳烟的研究大多是在落塔和航天飞机上开展。
Fujita等[74]采用激光阴影成像法，通过激光与碳烟的相互作用分析碳烟的聚集过程，得到了碳烟聚集体的分布和浓度变化，并指出在微重力下热泳力对碳烟颗粒团聚起到重要作用。Reimann等[23]成功地将LII方法用于落塔中的层流扩散火焰碳烟生成的研究，获得了微重力下碳烟浓度和初始粒径的二维信息，发现火焰最高温度降低，初始粒径尺寸增大。Fujita等[24, 74]通过激光阴影成像法获得的丁烷射流扩散火焰在常重力和微重力下火焰图像和模型示意图如图 6所示。由图可知，微重力下大颗粒碳烟的生成区域被限制在一个球形带中(见图 6c)，而不是分布在整个上半球内。这与Sunderland等在微重力情况下绘制的示意图(见图 4)，即扩散火焰顶部有较厚的碳烟形成区域不符[15]。燃烧器中心的燃料速度比燃烧器边缘附近的燃料速度大得多。因此，燃烧器出口边缘附近的停留时间比在燃烧器中心处的停留时间长，表面流动条件(流速、停留时间等)，可能会影响碳烟颗粒的团聚和生长。这些特性也是在之后的模型研究中需要着重考虑的。
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| 图 6 丁烷射流扩散火焰在常重力和微重力下碳烟生成过程的对比 |
另外需要注意的是，上述所有光学诊断技术都假设入射光源的波长远大于所研究的颗粒尺寸，此时可以使用Rayleigh散射近似估计碳烟浓度。这对碳烟的初始颗粒是适用的，但是由于物理聚集和热泳等的作用，尤其是微重力下，更容易产生作为微观分形聚集体的成熟碳烟颗粒，粒径约0.1 mm，是正常重力条件下产生的颗粒直径的200~500倍[24]。故而在碳烟的定量研究中通常伴有侵入式测量，直接对碳烟颗粒进行采样以获取碳烟聚集体的尺寸、形态和分形特征等的额外信息。
2.3 基于火焰发射光谱的碳烟浓度测量由于主动式激光诊断技术在空间站部署存在难度，基于火焰发射光谱的被动式测量技术得到了越来越广泛的关注[32]。
火焰发射光谱是指在燃烧过程中由于化学键的断裂与重组，以及燃烧组分内部原子的跃迁产生的光谱辐射。气体燃烧火焰的发射光谱主要包括3种类型：
1) 碳烟和焦炭颗粒在可见光和近红外波段形成的连续光谱，
2) 燃烧的气相组分(如CO2和水蒸气)在红外波段形成的带状光谱，
3) 火焰中自由基(如CH、OH等)在紫外和可见光波段形成的线状光谱。
这些光谱特征可以进一步分类为紫外光谱、可见光谱和红外光谱。由于碳烟颗粒在可见光波段内的辐射主要由其本身发出，其光谱强度与碳烟浓度成正比，因此可以通过测量这一波段的光谱强度来估计碳烟浓度。目前广泛采用多波长法和基于彩色相机的双色法或三色法来实现火焰发射光谱的测量，通过Abel逆变换等进行图像重建，采用最小二乘QR分解(LSQR)、Tikhonov正则化算法和Newton迭代法等来解出辐射传递方程，从而实现火焰温度场和碳烟浓度场的三维重建。
国内外多个团队对比了火焰发射光谱方法和激光光学诊断方法对稳态层流轴对称火焰碳烟浓度测量的准确性，结果吻合度较高，相比起来火焰发射光谱法操作更为简便[75-78]。
Ma等[79]采用彩色数码单反相机(DSLR)获得了ISS上的微重力扩散火焰图像，并对火焰图像进行RGB(三原色)分解，使用Abel逆变换转换为火焰径向轮廓以确定碳烟温度，于2009—2012年间完成了同轴射流火焰的烟点实验(smoke points in coflow experiments，SPICE)，现阶段正利用同样方法在ISS上燃烧科学集成柜中的ACME插件(见 图 7)开展微重力气体燃料先进燃烧实验项目(advanced combustion via microgravity experiments，ACME)[80]。
方钰等[58]采用双色法和Tikhonov正则化算法测量了火焰温度及其碳烟浓度，并将该方法应用于中国空间站燃烧科学实验柜的测量诊断系统中。其中双色法测量碳烟体积分数的基本原理如下：
首先将轴对称火焰在一定高度处的截面分割成若干同心圆(见图 8)。假定每个圆环中所需的物理性质是均匀的。利用安装在火焰截面对称轴上的CCD相机采集火焰图像，得到火焰的发射辐射强度。
对于光学设备而言，接收到的火焰辐射强度为投影路径上各个位置辐射强度的积分，因此可将火焰中碳烟的光谱辐射力E(λ)表示为沿着投影路径上的辐射强度积分。
| $E(\lambda)=\int_{l_0}^{l_n} \kappa(\lambda, l) E_{\mathrm{b}}(\lambda) \exp \left(-\int_{l_0}^l \kappa\left(\lambda, l^{\prime}\right) \mathrm{d} l^{\prime}\right) \mathrm{d} l .$ | (1) |
其中：κ(λ)为碳烟的吸收系数，Eb(λ)为黑体辐射力，可由Planck定律计算。
| $E_{\mathrm{b}}(\lambda)=\frac{c_1 \lambda^{-5}}{\exp \left[c_2 /(\lambda T)\right]-1}.$ | (2) |
其中：λ为波长，T为火焰温度，c1和c2为辐射常数。
对于小尺度火焰产生的粒径较小的碳烟，依据Rayleigh近似，可以将κ(λ)表示为碳烟浓度的函数如式(3)所示。
| $\kappa(\lambda)=\frac{6 {\rm{ \mathsf{ π}}} P(m) f_{\mathrm{v}}}{\lambda} .$ | (3) |
其中：fv是碳烟体积分数；P(m)是与λ和碳烟复折射率m相关的函数，如式(4)所示。
| $P(m)=\operatorname{Im}\left|\frac{m^2-1}{m^2+2}\right|=\frac{6 n_{\mathrm{r}} k}{\left(n_{\mathrm{r}}^2-k^2+2\right)+4 n_{\mathrm{r}}^2 k^2} .$ | (4) |
其中：nr为碳烟的折射因子，k为碳烟的吸收因子，二者的取值与λ有关。
联立式(1)—(4)，可以得到有关碳烟体积分数的积分，如下所示：
| $\begin{gathered} \int f_{\mathrm{v}}(l) \mathrm{d} l= \\ -\frac{\lambda}{6 {\rm{ \mathsf{ π}}} P(m)} \ln \left[1-\frac{E(\lambda)\left(\exp \left(c_2 / \lambda T\right)-1\right)}{c_1 \lambda^{-5}}\right] . \end{gathered}$ | (5) |
在同一时刻、同一投影路径上，碳烟体积分数沿投影路径的积分值恒定，利用双色法结合2个不同波长λR和λG的测量数据，可以得到同一时刻不同波长的碳烟体积分数，如式(6)所示。
| $\left\{\begin{array}{l} \int f_{\mathrm{v}}(l) \mathrm{d} l=-\frac{\lambda_{\mathrm{R}}}{6 {\rm{ \mathsf{ π}}} P\left(m_{\lambda_{\mathrm{R}}}\right)} \cdot \\ \quad \ \ \ \ln \left[1-\frac{E\left(\lambda_{\mathrm{R}}\right)\left(\exp \left(c_2 / \lambda_{\mathrm{R}} T\right)-1\right)}{c_1 \lambda_{\mathrm{R}}^{-5}}\right] ,\\ \int f_{\mathrm{v}}(l) \mathrm{d} l=-\frac{\lambda_{\mathrm{G}}}{6 {\rm{ \mathsf{ π}}} P\left(m_{\lambda_{\mathrm{G}}}\right)} \cdot \\ \quad \ \ \ \ln \left[1-\frac{E\left(\lambda_{\mathrm{G}}\right)\left(\exp \left(c_2 / \lambda_{\mathrm{G}} T\right)-1\right)}{c_1 \lambda_{\mathrm{G}}^{-5}}\right]. \end{array}\right.$ | (6) |
结合黑体辐射强度标定结果获得E(λ)后，求解式(6)即可获得T，再将结果代入式(5)便可获得fv。具体诊断系统的结构如图 9所示。
作为目前在空间站中被广泛采用的一种方法，基于火焰发射光谱的碳烟浓度测量具有结构紧凑和操作简便的优势，已经有效地测量了稳态层流轴对称火焰的温度和碳烟浓度。然而，随着空间站中微重力火焰实验的种类(例如弱湍流火焰、非稳态火焰、射流阵列火焰等)不断丰富，基于火焰发射光谱的测量方法的适用性、精确性和可靠性仍需进一步验证。
3 微重力下的层流烟点特性烟点作为一种反映了燃料在特定条件下形成可见碳烟倾向的综合性指标受到了广泛的研究[56, 66]。烟点定义为火焰有碳烟释放到外界环境和无碳烟释放的临界态，理解烟点有助于理解各种火焰系统的行为。通过改变燃烧器的条件，如射流燃烧器直径、出口速度、燃料和环境组成以及环境压力，可以获得不同条件下的烟点，这也是Axelbaum等[82]目前基于ISS的ACME插件中的Flame Design项目所做的探索。
目前，对于烟点的研究主要集中在碳烟开始释放时的火焰温度、辐射热损失、发光火焰高度Lsp和停留时间tres 4个方面。Faeth等[7, 56]发现微重力下烟点工况的温度比常重力下烟点工况的温度低了约300 K；微重力情况下碳烟氧化的最低温度降低至1 000 K，要低于常重力下的1 300 K[83]；Urban等[54]发现微重力下辐射热损失占燃烧总热释放率的比例随着燃料流量的增加而增加，微重力烟点工况处可达0.4~0.6(常重力下通常为0.2~0.3)。
烟点下的Lsp是层流烟点特性研究中的重要表征之一。Sunderland等[15]将其定义为燃料开始向环境释放碳烟时所测得的最小Lsp，由于碳烟氧化区的存在，烟点下的Lsp一般比用化学计量表征的火焰高度更长。不同类型火焰的Lsp的测量如图 9所示。对于闭口火焰，Lsp表示燃烧器出口沿轴线到最远横截面的距离(见图 9a中H1和H2)，对于开口火焰，Lsp表示燃烧器出口沿轴线到环状碳烟层的距离(见图 9b中H3和H4)[16]。
由于碳烟的生成与停留时间密切相关，停留时间越长，生成的碳烟越多。因此，停留时间对烟点的影响也一直是微重力气体扩散火焰碳烟生成研究的重点。对同轴射流火焰，停留时间可以用式(7)计算。
| $t_{\mathrm{res}}=\int_0^L u_{\mathrm{cl}}^{-1} \mathrm{~d} z .$ | (7) |
其中: ucl为中心轴线上的轴向速度，z为高度坐标。
对于常重力火焰，火焰的上升主要由浮力驱动，火焰上升的速度通常与(gz)1/2呈比例关系。停留时间大致与Lsp的平方根呈比例关系，对燃烧器的直径和初始气体速度变化不敏感[84]。而对于微重力火焰，火焰更多地受到周围流场的控制，Spalding等[85]最早对静止环境中的微重力火焰中心线流速进行了简要建模，发现此时的停留时间与Lsp无关，其受到燃烧器直径和燃烧器出口速度影响，往往与燃烧器直径的平方成正比，与燃料出口速度成反比，这曾导致人们预测微重力气体射流扩散火焰不存在烟点。
后来，飞机抛物线飞行技术的应用使获得更长时间的微重力时间成为可能。Mortazavi等[28]和Sunderland等[15]在NASA KC-135抛物线飞机上获得了约20 s的微重力时间，发现对于无伴流的火焰，微重力下同样存在层流烟点，这是因为微重力下流向扩散作用导致停留时间随火焰高度的增加而增加，而这一流向扩散作用在常重力下被浮力引发的加速作用掩盖。此外Sunderland等[15]也发现微重力条件下的烟点高度约为常重力下的四分之一，停留时间则大大延长。这些发现为后续研究提供了基础，引导学者探索燃烧器结构和流速等外部条件对碳烟生成的影响。
近30 a来，随着地基微重力设施的发展，更多的研究者对微重力层流扩散火焰烟点工况下的Lsp变化进行了探究[15, 24, 44-45, 68]，这些研究都进一步证实了微重力下烟点的Lsp明显小于常重力下的，微重力下烟点特征停留时间明显大于常重力下的。但这些研究尚未明晰停留时间与外部条件的关系，并且地面微重力实验存在着结果可能处于非稳态阶段的问题[66]。
Urban等[54]研究了近地轨道航天飞机微重力条件下层流火焰烟点附近火焰的开口问题。微重力层流扩散火焰的2种形态如图 11所示，由图可知，随着燃料流速增加，火焰接近层流烟点条件。具体表现为: 1) 对于较长停留时间的开口火焰，火焰顶部周围的环形区域打开(见图 11a左侧3束火焰)；2) 对于较短停留时间的闭口火焰，火焰从闭口火焰转变为开口火焰(见图 11b左侧5束火焰)。火焰尖端开放是因为尖端辐射熄火导致碳烟不完全氧化而被释放。此外，该团队还发现无论是开口火焰还是闭口火焰，层流烟点工况下的Lsp都与燃料流量有良好的相关性，与射流出口直径无关。
由于航天飞机降低了不稳定性和g波动的影响，在航天飞机上测得的层流烟点工况下的Lsp比地面微重力(落塔)测得的结果要更短(约为原来的43%)，说明更加理想的微重力环境下更容易释放碳烟。类似地，航天飞机和落塔得到的微重力下压力对烟点的影响也不相同：航天飞机得到的烟点工况下的Lsp与压力大致成反比；而落塔等地面微重力设施烟点工况下的Lsp与p的1.4次方成反比。
之后，ISS的建成可以为微重力燃烧提供更理想的环境。Dotson等[56-57]在国际空间站上使用不同直径和燃料的燃烧器测出了55个微重力烟点，并在实验中引入伴流以更好地控制停留时间，最终给出了层流射流火焰烟点下Lsp、d、伴流速度uair和燃料的关系，如式(8)所示。
| $L_{\mathrm{sp}}=A_{\mathrm{f}} d^a u_{\mathrm{air}}^b . $ | (8) |
其中: 燃烧器射流出口直径d的单位为mm，伴流速度uair单位为cm·s-1，a和b为与燃料无关的常数，Af为燃料有关的常数。Dotson通过对所有烟点数据进行回归分析得到式(9)[56]。
| $L_{\mathrm{sp}} \sim d^{-0.91} u_{\mathrm{air}}^{0.41} .$ | (9) |
如图 12所示，其使用的5种燃料中，碳烟产生倾向排序为C3H8 < C2H4 < (体积分数50%C3H6+体积分数50%N2) < (体积分数75%C3H6+体积分数25%N2) < C3H6。这一定程度上对烟点进行了较为准确的量化。然而，当将ISS中烟点数据的回归分析结果外推至uair=0，即静止环境中，烟点工况下Lsp将被预测为0，这也与Urban等[54]测出的结果不符。后续仍然需对烟点进行研究，未来应系统探讨层流烟点与燃烧器结构、燃料流速等外部条件的关系，结合数值模拟和实验数据，建立更加精确的预测模型。
此外，不同学者获得的微重力下烟点数据一致性依然较差，使得人们对烟点这一表征指标提出疑问。因为装置误差和测量Lsp造成的主观误差会导致层流烟点高度准确性存疑，并且烟点易受到燃料分子量的影响[86]，学者开始提出新的表征方式来评价碳烟的生成，如阈值烟灰指数(TSI)、归一化烟点(NSP)、产量碳烟指数(YSI)等，为后续的微重力研究提供了一定的思路。
4 微重力下碳烟生成的影响因素分析尽管传统扩散燃烧室通常采用快速湍流混合以抑制碳烟生成[63, 87]，但这一方法在机制解释上并不完整。微重力条件为研究碳烟生成提供了独特的环境，因为常重力下的流动与火焰结构耦合，难以单独分析火焰结构对碳烟的影响。本节将探讨流速、氧气、添加剂及外部条件对碳烟生成的影响，并提出减少碳烟排放的策略以及相关研究的未来方向。
4.1 流速的影响图 12中已经分析了流速对停留时间可能产生的影响，流速对碳烟生成的影响是最为直观和可调的。Lin等[64]和Dai等[48]均研究了空气/燃料流速比变化对弱浮力条件下同轴射流扩散火焰碳烟生成的影响，并发现增加空气/燃料流速比，可以增加烟点工况下Lsp，减少碳烟生成量，并有可能完全抑制碳烟排放。Kong和Liu[88]对uair变化对碳烟生成的影响开展了进一步数值模拟研究，发现常重力条件下碳烟生成对伴流变化不敏感。而在微重力下，自然对流的消失产生了2方面竞争性的作用：一是延长了停留时间，有利于碳烟生成，该效应在uair从77.6 cm·s-1降低至30 cm·s-1时占主导；二是增强了火焰的热辐射，降低了火焰温度，抑制了碳烟生成，该效应在uair进一步降低到5 cm·s-1时占主导。
燃料/空气流速比与停留时间、当地碳氧比、当地混合物分数等密切相关，未来应进一步研究流速与其他燃烧条件的相互耦合对碳烟生成的综合影响。
4.2 氧气体积分数的影响氧气体积分数的变化也会对碳烟的生成产生影响。一方面，氧气体积分数含量增加导致燃料的裂解加剧，生成的自由基促进了碳烟的形成；另一方面，氧气也通过与芳香族自由基和脂肪族烃自由基的反应减少自由基的生成，从而对碳烟形成产生了复杂的影响[89]。Sunderland等[5]探讨了微重力下氧化剂流中氧气体积分数增加对乙烷正扩散火焰和反扩散火焰特性的影响，发现氧气体积分数增加导致辐射亮度、碳烟生成和碳烟释放增加，在正火焰和反扩散火焰中均观察到这种现象。Bhatia等[90]进一步对氧气体积分数增加的微重力扩散火焰进行了数值模拟研究，发现富氧情况下射流中心线峰值温度显著升高，火焰温度的提高加速了碳烟粒子的聚合和生长过程，从而影响了碳烟的生成量和特性。但该模拟没有考虑碳烟引发的热辐射，具有一定的局限性。
4.3 稀释和添加剂的影响稀释效应影响了扩散燃料的混合物分数，由于微重力环境中缺少了浮力引起的对流，这种稀释效应的影响在微重力环境中起到的作用被放大。Glassman等[91]在研究稀释对常重力下层流扩散火焰中碳烟生成的影响时发现，稀释效应会直接影响fv，而且这种影响一般比温度影响更为直接和显著。Kumfer等[3]通过控制Ri抑制了浮力的影响，研究了化学当量混合物分数Zst和碳氧比(C/O)对层流扩散火焰碳烟生成的影响，并建立了碳烟生成区域的预测模型。增加稀释剂可改变Zst，这对碳烟研究意义重大，目前ISS上正在开展的CLD项目[92]即采用了该思路。然而，针对微重力下稀释对碳烟生成影响的公开研究成果依然较少，后续可进一步探索。
4.4 压力的影响压力对碳烟的生成一直以来也是研究的重点。Flower和Bowman等[93]在研究不同压力下乙烯常重力火焰时发现，碳烟的体积分数与压力的关系近似为fv~p1.2；Urban等[54, 56]在微重力设施中同样得到了类似的结果；Charest等[94]对50~6 080 kPa下的碳烟生成进行了模拟，发现在常重力和微重力水平下，fv与p的关系近似为fv~pw，w的数值随着fv增加而降低，该结论有待后续实验验证。
4.5 预热的影响Konsur等[68]首次定量研究了微重力条件下燃料预热对层流气体射流扩散火焰中碳烟浓度场结构的影响，并与常重力条件下的火焰进行了对比。发现微重力下，燃料预热降低了火焰顶部环状区域的碳烟生成，但在中心线处增加了fv。在常重力条件下，燃料预热对环状区域的fv影响较小，但也增强了火焰轴附近的fv。研究揭示了燃料预热对碳烟形成和火焰结构的重要影响，但数据积累依然较少，后续也需进一步探究。
4.6 电磁场的影响电场或磁场作用下的火焰是近年来学者关注的话题。Wakayama等[46]最早在研究中发现微重力条件下通过应用磁场可以生成对流气流，从而实现助燃。通过安装紧凑的永磁铁，燃烧火焰会变得更加明亮和短暂，并且能够持续燃烧，同时微重力下典型的大烟雾颗粒会消失。
在ISS上也专门为研究电场的影响设立了E-FIELD项目[95]，以提高对火焰中化学电离的理解，探究离子产生和离子驱动流之间的相互作用以及电场对扩散火焰及其碳烟的影响[81]。在微重力环境中，电场可以有效地调控火焰的大小和形状，从而影响碳烟的生成。相关研究有待进一步深入。
5 结论与展望本文系统描述了微重力条件下气体扩散火焰碳烟生成规律的研究进展。已有的研究积累了很多关于火焰结构、碳烟生成路径、烟点和碳烟浓度变化以及影响因素等的数据，不仅有助于更好地理解燃烧过程中碳烟的生成和消耗机制，还为改进燃烧技术、减少污染提供了理论依据。然而，该领域还存在一些待探索的难题。具体如下：
首先，现有微重力条件下气体火焰碳烟生成的研究广泛集中于碳烟形成的定性描述层面，缺乏定量分析和详细的机制解释。微重力下研究碳烟生成的最重要优势在于其火焰结构简单，因此在微重力条件下通过实验获得火焰结构信息，并建立火焰结构与碳烟生成和消耗的定量关系，是未来相关研究的重点。深入探讨碳烟在不同火焰结构中的生成、成长和氧化过程，揭示不同环境条件(如氧气浓度、压力、流速等)对碳烟生成的影响，将有助于建立更加准确的碳烟生成模型，提高预测碳烟分布和浓度变化的能力。
其次，详细火焰和碳烟结构信息的获取依赖于先进的实验诊断技术。未来的研究应继续优化微重力下的碳烟诊断技术，并开发适用于空间站微重力情境下的新型诊断手段，以提高碳烟浓度测量的精度和分辨率。目前，中国空间站已基本搭建完毕，其燃烧科学实验柜具备比国际空间站CIR柜更为先进的检测和观察手段，例如气体燃料燃烧，中国空间站气体燃料燃烧插件比国际空间站的ACME插件具有更丰富的接口和检测手段，不仅可以通过温度场三维重构碳烟的生成以进行最终建模，还第一次将PIV(颗粒图像测速)系统送入太空，目前相关研究已在地面进行了初步的验证，可以对微重力燃烧流场进行更为直观的表征，有助于提升检测结果的一致性和可靠性。
最后，应进一步系统探讨层流烟点与燃烧器结构、燃料流速等外部条件的关系，开展多因素耦合研究；在微重力条件下，深入研究不同燃料、氧浓度、压力、流速和预热等因素对碳烟生成的综合影响，制定有效的碳烟控制策略；在研究中提供更多可变和可选的燃料种类和流动方案，以发展和建立更为普适与完善的模型，为燃烧过程碳烟的控制提供理论支撑。此外，探索新的碳烟生成表征方式，如阈值烟灰指数(TSI)、归一化烟点(NSP)、产量碳烟指数(YSI)等，将有助于更全面地评价碳烟生成的特征与机理。
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