压力对高温、中温和低温微重力球形扩散火焰中辐射损失的影响

《Combustion and Flame》：The effect of pressure on radiative losses in hot, warm, and cool microgravity spherical diffusion flames

微重力环境下不同压力对球形扩散火焰辐射损失的影响研究。通过数值模型与微重力实验对比，发现压力升高导致水蒸气辐射占比超过二氧化碳，主要因二氧化碳吸收带饱和引发增强辐射再吸收，强调光学厚度假设对准确计算辐射损失的关键作用。

　　

Kendyl A. Waddell | Daniel L. Dietrich | Vedha Nayagam

NASA 格伦研究中心，克利夫兰，俄亥俄州，44135，美国

摘要

本研究利用数值模型探讨了环境压力对高温、中温和低温微重力球形扩散火焰辐射热损失的影响，并将结果与微重力实验的观测数据进行了比较。实验数据来源于液滴燃烧实验，而数值模型则模拟了燃烧器支持的火焰。两种情况下气相的相似性使得这些模拟能够准确反映实验结果。该模型采用了一种统计窄带模型，考虑了辐射和再吸收过程。研究分析了压力在 0.5 至 10 大气压范围内对主要辐射物种 CO? 和 H?O 的相对辐射贡献的影响。结果表明，在压力增加时，H?O 对辐射损失的贡献大于 CO?，这一现象既在实验中观察到，也在计算中得到证实。这归因于较高压力下吸收系数的增加导致再吸收增强。未考虑再吸收过程的计算并未出现这种效应，进一步证明了这是由于系统的光学厚度特性所致。由于 CO? 在 4.3 微米处的吸收带较为显著，并且在较高压力下该吸收带达到饱和，因此其再吸收程度更高。这些结果强调了在模拟这些火焰的辐射损失时使用光学厚度假设的重要性，这对于理解火焰行为（如辐射熄灭和再点燃）至关重要。

章节摘录

创新性与意义

本研究的创新之处在于首次全面分析了压力对高温、中温和低温微重力扩散火焰中辐射再吸收的影响。通过统计窄带辐射模型解释了国际空间站液滴燃烧实验中先前无法解释的现象：在较高压力下，总辐射损失的贡献从以 CO? 为主转变为以 H?O 为主。

实验

这些实验是在国际空间站（ISS）上进行的，属于“冷火焰研究”（Cool Flames Investigation, CFI）项目的一部分，而该项目又是“火焰熄灭实验”（Flame Extinguishment Experiment, FLEX）的一部分。有关实验的更多细节可参考 [15,16,25,26]。实验对象包括自由漂浮的液滴以及由 40 微米碳化物纤维支撑的液滴，纯十二烷液滴的初始直径范围为 4 至 4.5 毫米。大部分实验的环境为空气（氧气占比 0.21%，氮气占比 0.79%）。

结果与讨论

图 1a 显示了 1 大气压、4 大气压和 10 大气压条件下火焰温度和火焰半径的模拟时间变化过程。这些模拟采用了包含辐射和再吸收过程的 SNB 方法。火焰在温度超过 2000 K 时点燃，随后由于辐射损失的增加，峰值温度逐渐下降。随着火焰温度的降低，根据压力的不同，火焰可能经历高温、中温和低温三种燃烧状态。

结论

本文阐述了环境压力对微重力燃烧器支持球形扩散火焰辐射特性的影响，并将其与微重力液滴燃烧实验的结果进行了对比。研究涵盖了高温、中温和低温火焰三种情况。压力增加的主要影响是辐射的再吸收增强，尤其是 CO? 的再吸收，这归因于吸收系数的增加。在所有三种燃烧状态下，主要的辐射体均为 CO? 和 H?O。

CRediT 作者贡献声明

Kendyl A. Waddell： 文章撰写、审阅与编辑、初稿撰写、数据可视化、软件开发、方法论设计、正式分析。Daniel L. Dietrich： 文章撰写、审阅与编辑、实验设计、概念构思。Vedha Nayagam： 文章撰写、审阅与编辑。