特点

微重力条件下的燃烧具有以下特点：自然对流几乎消除，可以研究静止和低速流动的燃烧；被浮力及其诱导效应掩盖的次级力和现象如静电力、热泳力、热毛细力和扩散等，可以表现出来；重力沉降几乎消除，可以研究稳定的自由悬浮液滴、颗粒、液雾和粉尘的燃烧；浮力的消除，可使燃烧的时间和长度增大，这方便了实验观察。利用这些特点，可以扩展实验参数范围，简化对燃烧过程的研究，准确验证已经被接受但尚未得到证实的理论，并通过模型化研究为发展地面燃烧中存在的基本现象提供新的认识。从中获得的研究成果，可以应用于常重力条件下改进燃烧设施、预防火灾和爆炸事故；也可以应用于微重力条件下的载人航天技术中，降低火灾风险、提高不同加速度水平下的燃烧效率。实际上，加深对地面燃烧过程的认识和增强对载人航天器火灾安全问题的理解一直是推动微重力燃烧研究的两个目标。可以说，微重力条件为认识燃烧的内在机理提供了新的机会，而载人航天器的安全、高效运行也对燃烧的研究提出了新的挑战。

分类

微重力燃烧领域里的研究方向包括液滴燃烧、固体表面的火焰传播、蜡烛火焰、炭黑生成特性、气体扩散燃烧等。

液滴燃烧

液滴燃烧广泛存在于内燃机、燃气轮机、锅炉、喷气技术等领域．由于癸烷在燃烧中生成炭黑，会影响液滴直径的测量，因此燃烧中生成炭黑较少的正庚烷一直是液滴燃烧的主要研究对象．日本东京大学Kumagai和Isoda对悬挂正庚烷液滴燃烧的自由落体实验是最早的微重力燃烧研究．Kumagai实验的最初目标是检验D平方定律以及测量蒸发参数．经典的扩散火焰模型是建立在大量简化假设基础上的，主要是忽略强迫或对流过程，由此得出著名的“D平方定律”，它假设燃烧时液滴直径D的平方是时间的线性函数。

Kumagai的实验是在燃烧室内进行的，该燃烧室放在以自由落体下降的容器里．系统能实现0.5s和10-4g的微重力环境，借助16ram照相机进行测量，但仅限于确定液滴的几何形状和火焰的几何形状随时间的变化．该方法可以检验对流可忽略的情况下液滴燃烧过程的球对称性，并测量液滴直径D和火焰直径的变化规律。

Kumagai总结出如下规律：

(1)对于大多数燃料，在大气压强下燃烧时，蒸发常数K的值是1mm量级。

(2)某些实验结果，特别是火焰直径Df随时间的变化，用经典的扩散火焰模型不能解释。

当然，Kumagai的实验也有其局限性，即液滴直径大于0.7mm并且在大气压强下进行。尽管如此，该实验仍是验证经典扩散火焰模型的唯一方法，也为以后的微重力液滴燃烧研究奠定了基础。

固体可燃物表面的火焰传播

与液滴燃烧相似，沿燃料表面传播的火焰需要加热燃料使其在热解或蒸发后与空气混合燃烧，因此也是一种扩散火焰．但因其具有传播性又与静止的气体火焰不同．其物理机制为：相界面处固相的热解和气化产生的动量连同气体分子的扩散作用一起维持火焰的传播，把这种对微重力火蔓延起主导作用的相界面物理化学过程称为“表面燃料喷射”效应．在火蔓延过程中，固体可燃物在某个位置点燃后，固相热解，可燃气体与氧化剂反应，形成气相火焰．气相火焰又加热了邻近的固体可燃物使其不断热解，从而维持了火蔓延过程的进行。

微重力条件下的燃烧同正常重力条件相比，具有以下特征：在没有通风气流时，正常重力条件下燃烧时由于自然对流的影响，低密度的燃烧产物在浮力抽吸作用下向上运动，而在微重力条件下燃烧则无此现象，燃烧产物主要依靠热膨胀向四周膨胀；微重力条件下新鲜氧气进入燃烧区只能缓慢地扩散转移；由于缺乏对流，微重力条件下燃烧时火焰温度和火焰形态有所不同，即燃烧过程物理化学反应机理不同；微重力条件下火焰主要以扩散方式呈辐射状向外传播，火焰基本呈球状，在与重力方向垂直的固相可燃物表面的蔓延比正常重力条件下容易得多；有通风气流时，火焰在气流流动方向的传播加快。

数值分析方面，Bhattacharjee等提出了热薄燃料在微重力下的火焰传播模型．将坐标系固定在火焰面上，构造稳态方程，因而火焰存在一个外界强迫对流，其大小与火焰的传播速度相等．模型由稳态气相二维椭圆型方程组成，化学反应为单步总包反应，服从二阶Arrhenius定律，燃料热解过程服从Arrhenius热分解模式，但模型中没有包括辐射的影响．气相方程采用SIMPLER算法。

而后，Bhattacharjee和Altenkirch利用前述模型相同的算法和方程，只是在固相能量方程中添加了辐射热损失项，研究辐射热损失对微重力环境静中火焰沿热薄燃料表面传播的影响，结果表明，表面辐射热损失总是使火焰传播速度减小；当氧气浓度较小时，表面辐射热损失导致火焰熄灭．但显然，单纯研究燃料表面辐射热损失对火焰传播的影响是不完全的。

蜡烛火焰研究

蜡烛火焰研究是微重力火焰实验的又一个重点，电学大师Michael Faraday曾经说过，引导人们通向科学奥秘的最佳途径就是仔细研究蜡烛的燃烧现象．蜡烛火焰是一种典型的不传播的简单的静止火焰，因而可以利用蜡烛火焰机理来解释许多微重力环境下的特有现象．美国从2001年开始研究蜡烛的原料——石蜡作为火箭的燃料．石蜡的燃烧产物只有水蒸气和二氧化碳，不像现用的固体燃料，燃烧后会产生酸性氢氯化合物和其他有害物质．并且考虑到火箭起飞后将经历渐渐失重的外部环境，因此，很有必要对蜡烛进行微重燃烧研究以了解其作为潜在的固体火箭燃料在特殊条件下的燃烧情况。