微重力条件下细水雾速度场特性研究

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1、第18卷第4期载人航天V01．18No．42012年7月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230022)摘要采用DPIV(DigitalParticleImageVelocimetry)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

2、水雾；DPIV；速度场中图分类号：V423．7文献标识码：A文章编号：1674-5825(2012)04-0075-05混火焰的相互作用，结果表明超细水雾可有效抑制1引言预混火焰的扩散。为了进一步探索常规压力式细水目前，在航天器内使用的灭火介质主要包括水、雾在微重力条件下的灭火可行性，本文对微重力条CO、水基、卤代烷烃类等。这几种灭火剂在提供有效件下细水雾速度场进行了相关研究。灭火的同时会带来相应的负作用，比如水和水基的2实验装置及方法弱导电性，难清除性；CO和卤代烷烃的窒息性及毒一头1●●J性等1。近年来，细水雾以其清洁、

3、高效的特点被认为2．1实验装置是“哈龙”良好的替代品，有关细水雾在各种环境中实验装置如图1所示。装置有效部分为高0．8m的应用也相应展开。但有关细水雾在微重力条件直径0．6m的圆柱体。装置由三部分组成：上部细水下的应用，目前的研究还比较少。其中，Abbud—雾喷射控制部分、中部细水雾雾场测量部分、下部高Madridt~等研究了微重力条件下超细水雾与丙烷预压水存储及电源部分。上部控制部分由细水雾喷头、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图1实验装置图收稿日期：2011-05—10；修回日期：20

4、11-08—07基金项目：载人航天领域预先研究项目(020105)作者简介：李森(1987一)，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—mail：lslisen@mail．ustc．edu．cn76载人航天第18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c5nnnnnnnnn水雾喷射压力，保证在微重力情况下的喷射压力为m晒∞m加∞1Mpa；中部测量部分由摄像机和激光器组成DPIV~(DigitalParticleImageVelocimetry)测量系统。

5、摄像半机采用CASIOEX—FH20，拍摄速度为210fps，半导体激光器功率为10mV，波长650nm，最窄处片光宽度为1mm。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12V蓄电池组成。蓄电池放在压力瓶下图3DPIV系统布局示意图部(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3微重力条件下细水雾速度场分析地面22m处落下以产生微重力环境。微重力水平曲3．1实验部分线如图2所示。从图2可以看出，微重力在下落0．5s经过处理的速度

6、场如图4所示。在常重力情况后达到平衡，可达0．01g左右。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：0～0．56s，在该阶∞段，下落开始，实验装置处于调整期，从微重力水平一。＼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：0．56s～1．12s，实验趋向于稳1Ⅲ[]定，雾场整体表现类似于常重力状态；第三阶段：1．12s～2．1Os，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0．00．51．

7、01．52．02．5四阶段：2．10s，下落结束，由于与地面的剧烈碰撞，雾下落时间／(s)场出现四溅现象。因此，可以得出结论：在微重力条图2微i：tJ水平曲线(g。指常重力加速度取9．8m／s)件下，细水雾雾场向四周扩散。2．2DPIV方法介绍微重力环境与常重力的主要区别在于重力加速细水雾的测量方法主要有LDV／APVn(LaserDoppler度的降低。重力加速度的降低会直接导致雾滴竖直Velocimetry／AdaptivePhaseVelocimetry)、DPIV、PIVS[81方向速度的下降，如图5所示。由于第一阶

8、段实验状(ParticleImageVelocimetryandSizing)等，根据本文态并不稳定，该阶段的速度不做处理。从图5可以看的实际情况，采用DPIV处理细水雾的速度场。即由出，在第二阶段，虽然雾场在表现形式上与常重力类片面照亮待处理的细水雾雾场，采用高效摄像机拍似，但其竖直方向