微重力条件下细水雾速度场特性研究.pdf

第 1 8 卷第 4期 2 0 1 2年 7月 载 人 航 天 V 0 1 1 8 N o 4 75 微重力条件下细水雾速度场特性研究 李 森， 秦俊 ， 马兴呜，赵兰明， 付佳佳 ( 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室， 合肥 2 3 0 0 2 2 ) 摘要采用 D P I V ( D i g i t a l P a r t i c l eI m a g e V e l o c i me t r y )测量方法，开展 了微重力条件 下 细水雾速度场特性的实验研究。研 究结果表 明：微重力条件下，细水雾竖直方向速度明显下 降，整体雾场向四周扩散。根据牛顿第二定律 ，建立细水雾雾滴受力方程，模拟细水雾在常重 力和微重力状态下的雾场情况，得 出了与实验结果相同的结论。 关键词微重力；细水雾；DP I V；速度场 中图分类号：V 4 2 3 7 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 4 - 5 8 2 5 ( 2 0 1 2 )0 4 - 0 0 7 5 - 0 5 1引 言 目前 ， 在航天器 内使用的灭火介质主要包括水 、 C O 、 水基、 卤代烷烃类等。 这几种灭火剂在提供有效 灭火 的同时会带来相应的负作用 ，比如水和水基的 弱导电性 ， 难清除性 ； C O 和卤代烷烃的窒息性及毒 性等 1。 近年来， 细水雾以其清洁、 高效的特点被认为 是“ 哈龙” 良好的替代 品 ， 有关 细水雾在各种环境 中 的应用也相应展开 。但有关细水雾在微重力条件 下 的应 用 ，目前 的研 究还 比较少 。其 中 ， A b b u d Ma d r i d t 等研究了微重力条件下超细水雾与丙烷预 上 部细水雾 喷 射控制部 分 中部细水雾雾 场测量部分 下部高压水存 储及电源部分 混火焰的相互作用 ，结果表明超细水雾可有效抑制 预混火焰的扩散。为 了进一步探索常规压力式细水 雾在微重力条件下的灭火可行性，本文对微重力条 件下细水雾速度场进行了相关研究。 2实验装置及方法 2 1实验装置 实验装置如 图 1 所示。装置有效部分为高 0 8 m 直径 0 6 m的圆柱体 。装置 由三部分组成 ： 上部细水 雾喷射控制部分、 中部细水雾雾场测量部分、 下部高 压水存储及电源部分。 上部控制部分由细水雾喷头、 图 1 实验装置图 收稿日 期： 2 0 1 1 - 0 5 1 0 ； 修回日期： 2 0 1 1 - 0 8 0 7 基金项 目： 载人航天领域预先研究项 目( 0 2 0 1 0 5 ) 作者简介： 李森( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 硕士研究生， 主要研究方向为微重力环境下物理实验研究。E m a i l ：l s l i s e n m a i l u s t c e d u c n 1 J 1J 1J 一 头 l l l l 万方数据 7 6 载人航天 第 1 8卷 电磁阀、 压力表和无线控制器组成。 通过无线控制器 远程控制细水雾的喷射和关闭 ，通过压力表观察细 水雾喷射压力 ，保证在微重力情况下 的喷射压力为 1 Mp a ；中部测量部分 由摄像机和激光器组成 D P I V ( D i g i t a l P a r t i c l e I m a g e V e l o c i me t r y ) 测量系统。摄像 机采用 C A S I O E X F H2 0 ， 拍摄速度 为 2 1 0 f p s ， 半导 体激光器功率为 1 0 mV， 波长 6 5 0 n m， 最窄处片光宽 度为 1 mm。 激光器和摄像机均装在特定的盒子里 ， 防 止被水雾淋湿 ；下部高压水存储及 电源部分由不锈 钢压力瓶及 1 2 V蓄电池组成 。蓄电池放在压力瓶下 部( 图中没有显示 ) ， 为无线控制器及激光器供电。 所 有设备准备完毕后 ， 盖上圆柱形盖子 。 实验装置由距 地面 2 2 m处落下以产生微重力环境 。微重力水平曲 线如图 2所示 。从图 2可以看出， 微重力在下落 0 5 s 后达到平衡 ， 可达 0 0 1 g 左右。 一。 11 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 下落时间 ( s ) 图 2 微i ：t J 水平 曲线( g 。 指 常重力加速度取 9 8 m s ) 2 2 D P I V方法介绍 细水雾的测量方法主要有 L D V A P Vn ( L a s e r D o p p l e r V e l o c i m e t r y A d a p t i v e P h a s e V e l o c i m e t r y ) 、 D P I V、 P I V S 8 1 ( P a r t i c l e I ma g e V e l o c i me t r y a n d S i z i n g ) 等 ， 根据本文 的实际情况 ， 采用 D P I V处理细水雾 的速度场 。即由 片面照亮待处理的细水雾雾场 ，采用高效摄像机拍 摄照亮 的粒子 ， 通过互相关算法重建细水雾速度场。 其实验布局示意图如图 3 所示。由于本文的激光器 功率较低 ， 因此摄像机在放置时与激光器成角 ， 在处 理速度场之前对拍摄的图像需进行图像校正 。 为了 更好地对雾场进行分析， 提取雾场中作为观察 区域 ， 观察 区域的中心位置位于细水雾喷头下端 0 3 m， 中 轴线右侧 0 0 4 m处。 半 图 3 D P I V系统布局示意图 3微重力条件 下细水雾速度场分析 3 1实验部分 经过处理的速度场如图 4所示 。在常重力情况 下 ， 细水雾总体向下运动 ， 只有右侧少许粒子向右运 动 。在微重力下落实验中，根据雾场的不同表现形 式 ， 可 以分为 4个阶段 。第一 阶段 ： 0 0 5 6 s ， 在该阶 段 ， 下落开始 ， 实验装置处于调 整期 ， 从微重力水平 曲线也可以看出， 实验还没达到稳定阶段 ， 细水雾雾 场相对杂乱 ； 第二 阶段 ： 0 5 6 s 1 1 2 s ， 实验趋 向于稳 定 ，雾场整体表现类似 于常重力状态 ；第三阶段 ： 1 1 2 s 2 1 O s ， 雾场开始出现 明显的向右偏转现象 ， 这 是细水雾在微重力状态下与常重力不 同的地方 ； 第 四阶段 ： 2 1 0 s ， 下落结束 ， 由于与地面的剧烈碰撞 ， 雾 场出现四溅现象。因此 ， 可以得出结论 ： 在微重力条 件下 ， 细水雾雾场向四周扩散 。 微重力环境 与常重力的主要 区别在于重力加速 度的降低。重力加速度的降低会直接导致雾滴竖直 方向速度的下降， 如图 5所示。由于第一阶段实验状 态并不稳定 ， 该阶段的速度不做处理。 从 图 5可以看 出， 在第二阶段 ， 虽然雾场在表现形式上与常重力类 似 ， 但其竖直方向速度随时问持续降低 ， 可 以认 为第 二阶段为过渡时期 ， 在第三阶段 ， 竖直方向速度达到 相对稳定值， 雾场进人微重力状态下表现形式。 3 2模拟部分 为 了从理论上对常重力和微重力环境 中细水雾 雾场进行分析 ， 根据牛顿第二定律 ， 对单个粒子建立 受力平衡方程 3 1 ， 如式( 1 ) 、 ( 2 ) 所示 。式中， 假设雾滴 为球形 。在水平方向上( 式 1 ) ， 雾滴主要受到反 向曳 m 晒 m 加 c 5 n n n n n n n n n 万方数据 第 4期 李森 等： 微重力条件下细水雾速度场特性研究 疆 。 _。 - ： 萎 ：2。 - t 誊 0 ： j _： j 0lj ij j 叠 。 e 兰 rI 。 _ 。， 一 常重力状 j惫 O s ( 下落开始 ) 0 1 4 s 0 ，2 8 s M 汀 m ： 。 * ； i 8c ； r * l - - j T j 、 ， l： f ； l ： 尊 * f 042 s 0 5 6 s 0 7 0 s 0 ， 8 4 s 繁 。 。 。 0 i - 曲 ， 蒸 十 3 0 麓 、 韩 f 0 0 0 0 j 2 ；7 0 | ： ： ： f 7 。 。 外 j ： j 1 0 。 ； ， 靳 j I _ ； 黜 。 。 ： ，l_ 十 。 誓 ： 蛐 I J 3 0 辅 船 7 0 衅 0 98 s 1 1 2 s 1 2 6 s 1 4 0 s 孽 l ；： |l 0 。 。 ： ； ： ：I= 蚰； ： f t ? 0： i “ ，一 ： ； j ： 一 ： 三 粥 o ii 一 、 I I 、 。 t _ l I， m 0 ： _ 、 1 5 4 s l + 6 8 s 1 8 2 s 1 9 6 s 荔 ： 、 ， ： 、 j ：囊 j 攀 2 1 O s (下落结 束 ) 图 4 细水雾速度场 随下落时 间变化图 万方数据 7 8 载人航天 第 1 8卷 富 一 喇 厘 酋 j 下落时间 ( s ) 图 5 竖直方 向,-v - 速 度随下落时间变化 曲线 ( 一 I s 为常重力状态 ) 力作用 ； 在竖直方向上( 式 2 ) ， 雾滴受到正向重力 ， 及 反向的浮力和曳力作用。 水平方向： 叩 d = 一 2 ( 1 ) 竖直方向： = 叩 d f3 g - 1 n 3 g 一 c d V 。 ( 2 ) z 一 c ( 2 ) 式 中，d 为细水雾雾滴直径 ， P 为雾滴密度 ， 为雾 滴水平方 向速度 ， 为雾滴竖直方 向速度 ， g为重力 加速度 。 ： ( 3 ) 式中， 为空气密度 ， 为曳力系数 ， A 为粒子 的最 大截面积 。 c 可通过雷诺数 尺 e进行计算 ： R e 2 ( S t o k e s 区域 ) 2 e 5 O 0 ( A l l e n区域) 5 0 0 R e 5 0 0 ) ， 竖直方 向速度 的降低对水平速度的影 响并不严重 ， 导致粒子在相同下落高度处向两侧扩散的距离远高 于常重力状态。 一 暑 一 叵 一 宣 一 厘 埘 -o 2 0 1 o o 1 水 平方 向 ( m) 图 6 常重力雾场 g = 9 8 m s ) 图 7 微重力雾场 ( g = 0 0 9 8 m s 。 ) o ：2 。 n n n 万方数据 第 4期 李森 等： 微重力条件下细水雾速度场特性研究 7 9 4 结 论 本文通过实验和理论模拟的方法研究 了细水雾 雾场在微重力环境和常重力环境下 的特性 。微重力 状态下， 由于重力加速度的降低 ， 雾滴竖直方向速度 明显下降， 在同等高度下雾场向四周扩散加剧。 细水雾 的灭火机理主要包括 ： 火焰冷却 、 燃烧表 面冷却( 气体火 除外 ) 、 置换氧气 、 衰减热辐射等几个 方面。 相同条件 ， 同等喷射距离下雾场范围的扩大会 增大细水雾 的保护范围，增强细水雾置换氧气和衰 减热辐射的能力，而雾滴速度的降低直接影响细水 雾穿透火焰的能力， 降低细水雾吸热冷却作用。 对于 细水雾复杂的灭火主导机理 ，还需要进一步的灭火 实验以证明细水雾在航天器 中的灭火有效性。 参考文献 1 沈学夫 ， 赵成坚 载人航天器座舱着火可 能性 及灭火方案 J 中 国航天 2 0 0 2 ， ( 8 ) ： 2 6 3 0 2 蔡听 高海拔低气压条件对细水雾灭火性能影响的实验研究 D 中国科学技术大学博士学位论文 2 0 0 9 3 李权威 狭长空间纵向通风条件下细水雾抑制油池火的实验研 究 D 中国科学技术大学博士学位论文 2 0 1 0 ， 5 4 5 5 4 秦文茜 超细水雾抑制含障碍物甲烷爆炸的实验研究 D 中国 科学技术大学硕士学位论文 2 0 1 1 1 5 J Ab b u d Ma d r i d A，A mo n F K，Mc k i n n o n J T T h e m i s t e x p e rim e n t o n S T S- 1 0 7 ：F i g h t i n g fi r e i n m i c r o g r a v i t y A 4 2 n d AI A