作者：李丹

中国科学院力学研究所/中国科学院大学工程科学学院

在地球表面，我们生活在常重力环境中，如果重力的作用大幅度减小，就像绕地球轨道飞行的卫星和航天飞船所处的环境，或者在更遥远的星际空间，便进入了微重力环境。在微重力这种特殊的环境条件下，许多被重力效应所掩盖的“次级效应”往往会演变为主导因素，产生许多奇妙的现象。

图1所示为经典的蜡烛火焰实验图像[1]，可以看到，地面常重力环境下火焰呈红黄色的长矛形（亦称为泪滴形火焰）；而微重力环境下，则几乎表现为蓝色的球形。图2所示为常重力与微重力环境中的乙烷气体射流扩散火焰[2]，火焰的形态特征与图1相似。

 图1  蜡烛火焰

图2  乙烷气体射流扩散火焰（ng: 常重力；mg: 微重力）

上述同一对象置身于两种不同环境中所产生的差异现象主要源于浮力对流，差异的大小取决于浮力对流的强弱。地面常重力环境中，燃烧发生以后，化学反应产生的高温已燃气体由于密度较低而上升，同时远离火焰、密度较高的冷空气补充进来，形成了对流。因此，火焰被拉成长条形（或者铅笔形），火焰尖端附近温度较高。此外，燃烧反应不完全产生的碳黑致使火焰呈现红黄色，浮力对流将大量碳黑输运至火焰顶端，产生亮黄色的火焰尖端区域。而微重力环境下，由于几乎没有浮力对流，火焰只能安静的燃烧，且能以更低温度维持燃烧，产生的碳烟含量较少，因此火焰几乎呈蓝色的球形。

我们再对比一下常重力和微重力环境下的湍流预混气体对冲火焰。对冲火焰示意图如图3所示[3]，两个喷嘴固定在喷嘴架上，上下对称布置，将预先混合好的燃料和氧化剂同时从上下两个喷嘴喷出，相遇后在两喷嘴之间形成稳定的轴对称流场。从图4中能够看出，微重力环境下的火焰更平坦、更对称；而常重力下，火焰边缘向上卷曲、翘起。类似于图（1-2），两种环境下的这种差异也正是由浮力对流引起的。

图3  对冲湍流预混火焰示意图

图4 对冲湍流预混火焰（ng: 常重力；mg: 微重力） 

除了火焰的形态特征，浮力对流对于火焰的稳定特性也产生了重要影响。火焰震荡或闪烁（Flameflickering）现象，属于火焰不稳定性中的一种，指的是火焰高度、宽度及亮度等随时间发生周期性的变化。该现象主要是由于浮力对流诱导火焰面周围高温已燃气体与环境交界面产生了瑞利-泰勒不稳定性和开尔文-亥姆霍兹不稳定性。瑞利-泰勒不稳定性（Rayleigh-Taylorinstability）在流体力学中是指轻流体向重流体推进时在其交界面上出现的不稳定现象。开尔文-亥姆霍兹不稳定性（Kelvin-Helmholtzinstability）是由速度差引起的剪切层不稳定性，在同种流体或两种流体界面上均会发生，该剪切层发展至一定位置时失稳由此产生波状的涡旋结构。图5的PIV粒子散射图像展现了层流射流扩散火焰的振荡（或闪烁）现象，可以看到，火焰尖端下游出现了对称的大尺度涡旋结构，且其运动具有周期性。

图5 层流射流扩散火焰震荡现象（示踪粒子：2μm的AL2O3粉末）

由于重力条件的影响，我们在地面上司空见惯的一些现象和认知不能适用于微重力环境，例如，应对空间火灾安全不能完全照搬地面上的做法。因此，研究微重力条件下物质运动的特性和规律对于拓展科学认识、指导微重力环境中的各种工程设计具有重要意义，需要我们新一代的研究者不断努力。

参考文献

[1] http://www.New scientist.com/gallery/dn17734－space－station－science/2．

[2] F. Takahashi, and V.R. Katta, Further studies of the reaction kernel structure and stabilization of jetdiffusion flames, Proc. Combust. Inst. 30 (2005) 383-390.

[3] 王绥德, 王双峰, 王强. 湍流预混火焰熄灭特性的实验研究[J]. 燃烧科学与技术,2014,20(5): 466-470.