微重力环境下的火灾研究是火灾科学中的一个重要领域。微重力环境通常是指载人飞船、航天飞机、空间站等载人航天器在轨运行时存在的特殊环境条件,载人航天器等多为密闭空间,在这些空间内,由于浮力的消失,空气自然对流几乎消失,为了维持人员的正常活动和仪器的正常运行,通常采取强迫通风系统来控制空间的内部环境。载人航天器由于人员的活动空间较小,发生火灾时人员的逃逸受到限制,且机电设备繁多,可利用的灭火资源十分有限,因此,载人航天器等特殊环境下的火灾防治和救援相较地面来说比较困难,故一旦发生火灾,火势蔓延迅速,不但会使人员受到热辐射和有毒气体的威胁,还会使仪器设备等受到损坏。火灾探测是载人航天器火灾防治中的重要环节,火灾探测主要通过对各种火灾参量进行探测实现火灾的早期发现与识别。载人航天器均存在微重力与强迫对流通风两种边界条件,对于这些特殊场所,在浮力消失及强迫通风的环境下,火灾的发展过程与常重力环境下的火灾存在很大的差异。微重力强迫通风条件下火灾燃烧参量的变化将影响火灾的识别,如火焰图像、温度、烟浓度等行为规律发生变化,使得传统常重力环境下的火灾探测方法并不能完全适用。因此,开展针对微重力环境火灾探测参量行为特征的研究工作刻不容缓、亟待解决。由于火灾探测依据的是火灾发生过程中的各种特征参量,即火灾的产物和现象的特征规律等,因此,对于常重力和微重力环境下火灾燃烧参量变化规律的研究是很有必要的。常见的固体和液体燃烧包括热解、挥发和气相燃烧等过程,重力和强迫对流条件对各个过程存在不同程度的影响,影响关系错综复杂,无法深入和定量地揭示重力和强迫对流对燃烧行为的影响机制。因此,本文采用燃烧过程较为稳定、可重复性和可控性较高的层流射流扩散火焰,利用微重力实验室的落塔模拟微重力环境,获取微重力强迫对流条件下气体燃烧参量的变化规律,从而系统、全面和定量地揭示微重力下气体射流扩散火焰的图像特征和燃烧特性。因此,本文以载人航天器火灾探测作为背景,结合燃烧学和流体动力学等相关的基础理论,研究重力水平和伴流空气速度条件对层流射流扩散火焰的图像特征和燃烧特性的影响规律,揭示重力以及强迫对流对层流射流扩散火焰的形貌特征、温度、热辐射强度、火焰振荡特性的变化规律,建立层流扩散燃烧火焰图像特征和燃烧特性与重力、伴流空气速度的理论关系,为载人航天器火灾探测研究提供理论支撑。基于中国科学院微重力实验室落塔设备的条件,自行设计研制了微重力环境气体层流射流扩散燃烧的多参量实验平台,在已有的微重力环境下扩散火焰理论分析的基础上,建立了微重力环境静止和coflow条件下层流射流扩散火焰形貌特征的理论模型,提出最大火焰宽度,推导出微重力环境静止和coflow条件下层流射流扩散火焰最大宽度和高宽比的理论公式,揭示微重力环境静止和coflow条件下层流射流扩散火焰最大宽度和高宽比的变化规律。研究结果表明,在微重力环境静止条件下层流射流扩散火焰的最大火焰宽度只与燃料喷嘴直径和燃料的种类有关,而对于coflow存在的情况,火焰的最大宽度在燃料种类与喷嘴直径不变时,随着伴流空气速度的增大而减小；静止环境下火焰高宽比正比于雷诺数R,也就是说,在喷嘴直径不变的情况下,燃料速度增大,火焰高宽比增大,火焰会比较狭长；而coflow环境下火焰高宽比正比于雷诺数R和速度比值的1/2次方((ua,0/uf,0)1/2),也就是说在燃料的参数不变时,增大伴流空气的速度,火焰高宽比增大。为了定量分析碳黑对火焰热辐射损失的影响,本文引入碳黑停留时间,建立停留时间的理论模型,间接分析了火焰热辐射和碳黑之间的关系,并建立了火焰热辐射分数的理论模型。实验结果表明,乙烯火焰因为含碳黑较多,无论在微重力还是常重力环境下火焰亮度均高于甲烷火焰,且乙烯火焰的辐射分数高于甲烷火焰；而在微重力环境下,因为碳黑停留时间增大,乙烯火焰产生碳黑增多,辐射损失升高,导致火焰顶端产生淬熄,即乙烯火焰出现了顶端开口的现象；微重力环境下火焰的热辐射高于常重力环境,且随着伴流空气流速的增大,微重力环境下火焰的热辐射降低,而常重力环境下火焰的热辐射基本不变。实验结果表明,在微重力环境下层流射流扩散火焰没有振荡现象产生,且在常重力环境下火焰的振荡频率随着伴流空气速度的增大而增大,而振荡幅度减小；层流射流扩散火焰振荡频率与伴流空气速度的关系为f∝uα,0β,同时,实验结果表明扩散火焰振荡频率被抑制时的临界伴流空气速度随着燃料速度的增大而增大。