为了使学生深入 研究并掌握微重力环境下的现象与规律,我们根据落塔实验原理,搭建 了短时微重力实验系统,可以比较明显地观察到点燃的蜡烛火焰形状 发生的变化以及蜡烛火焰颜色变蓝等现象,并解释了其产生的原因. 1?蜡烛火焰的实验演示1.1?微重力实验装置及其微重力环境评估 搭建的短时微重力系统如图1 所示,该实验系统可以提供0.6s 微重力时间.借助于视频采集系统,能够实现视频的同步传输与视频信息的采集,从而可以对所采集的信息进行观察与分析.通常,评估模拟 微重力环境实验系统的微重力水平,是从下落时间和微重力度(产生剩 余加速度与重力加速度的比值)这两方面来进行衡量的.由于实验系统 的设计初衷是构建短时微重力演示实验系统,所以下落时间比较短,在 本实验系统中,下落时间不作为主要评估条件.计算微重力度成为评估 本实验系统的重要指标.事实上,所搭建的实验系统的剩余加速度az 由下式估算az=-g0th 图1?微重力落塔实验系统其中,Cd 为落体零攻角阻力系数(零攻角是指下落速度方向与最 小阻力面垂直),其值取决于落体的外形;?为大气密度;S 为落体在垂直 于运动方向的平面上的投影面积(最大迎风截面积);m 为下落时间(假定下落初始时刻的初速为0,忽略电磁铁释放落盒时的影响).在该实验系统中得 Cd?0.44,m=2.5kg,S?0.041m,?1.293g/L(标准大气压下),g0?9.80m/s,由 于有效时间为0.6s,则根据每帧的时间间隔1/30s d02m ?收稿日期:2009-12-07;修回日期:2010-01-15 ?作者简介:毕思思(1985?),女,黑龙江牡丹江人,哈尔滨工程大学 理学院硕士研究生. 算,得到该系统可以产生平均微重力度为0.0059 的微重力环境 焰球状直径,它们的平均直径比约为1#2;常重下火焰长度大于微重力下的火焰长度,它们的比为3#1.所拍摄的实验效果与图4 相比较, 可以说明微重 力时间再长一些火焰将呈球形趋势 .相对理想的微重力度是0.0001.由此可以看到,短时微重力演示实验系统与此存在 一定的误差. 1.2?蜡烛火焰的实验装置 由于所能提供的微重力环境的时间和有效试验空间以及检测设 备的限制,所以从观察蜡烛火焰在微重力条件下的现象出发,设计了蜡 烛火焰的实验装置. 1)实验装置要密封.在实验装置的下降过程中,蜡烛火焰形状容易受到风力的影响,所以要考虑密封性.首先制作一个火焰实验箱,正面 为透明的有机玻璃,可以观察蜡烛火焰的变化,并在实验箱中安装一个 烛台起固定蜡烛的作用.在承载箱的右侧设计了一个活窗,方便点燃蜡 烛和控制进氧量以调节火焰的大小,关闭窗口可以实现环境密封,如图 图3?短时0?6微重力落塔中拍摄的现象 图4?NASA(美国国家航空航天局)在微重力时间 相对较长的落塔中拍摄的现象[4] 2?蜡烛火焰的实验现象分析 蜡烛是固态碳氢化合物,熔点约为60?,其被 图2?蜡烛火焰实验箱 点燃与火焰的形成取决于火源的能量、燃料的热分解速率、氧化 反应速率及热传递状况等因素.对燃烧产生影响的因素有对流、扩散、 热传导.重力场中存在浮力,对流对燃烧产生重要影响. 蜡烛的 泪状!火焰是热量造成气流上升所致,是由空气流和燃气 流共同控制的.蜡烛周围被加热的空气和未燃尽的烟灰将向上流动,附 近未被加热的空气将向下流动,空气流在蜡烛火焰周围平稳流动,并将 它聚拢成一点.尤其是这样一个事实:热空气的密度比冷空气的小,因 此火焰会向上升.但在微重力状态下,低密度的热气体不会上升,密封 时这种对流!的效应就不再发挥作用了,粒子从高温区向低温区扩散 等其他过程占据了支配地位.蜡烛燃烧所需的氧气不能 上下!对流,而 只能从火焰的周围几乎均等地获取.蜡烛燃烧产生的炽热气体也不再 上!流动而是受热膨胀效应的影响,几乎均匀地从中心向周围扩大,火焰的形状扩大趋向球形.所以 2)采用棉芯直径小的蜡烛.考虑到摄像机性能的限制,在火焰形状比较大的情况下,所拍摄的图像会出现光晕,影响火焰形状的观测,所 以要减小蜡烛芯径. 3)承载箱的内表面要粘一层漫反射薄板,起到隔热和光的漫反射 作用. 1.3?蜡烛火焰的实验现象的演示 将制作完毕后的蜡烛实验箱置于微重力落塔实验系统中进行演 示试验,得到的实验现象如图3 所示.该图是相对微重力开始时刻 0.466s 的实验现象(左图为常重下现象,右图为微重下现象).通过对蜡 烛燃烧实验现象的观察,常重与微重环境中火焰形状之间有着明显不 同.常重环境下蜡烛的火焰形状均呈狭窄锥柱形,而微重力环境下蜡烛 火焰呈半球圆冠状.常重下火焰柱状直径小于微重力下火 ?32 在落塔试验中,实验箱中的蜡烛火焰形状由于受到热膨胀效应及扩散作用的影响而呈圆形的趋势 3?讨论在微重力时间持续较长的微重力落塔中,火焰不仅形状变化明显 并且呈现无烟浅蓝色.但是在搭建的短时微重力落塔中,并没有看到明 显的颜色变化.猜想可能是由于提供微重力实验时间较短,还没有进入 颜色变化阶段就已经落地了.由此可以推断出,蜡烛火焰的形状变化过 程大大地快于蜡烛火焰颜色的变化. 火焰的形状主要取决于燃烧过程中的空气动力学特性,而火焰的 颜色则主要取决于燃烧过程中的化学反应动力学特性和输运现象特 性.从这些实验结果可以看出,火焰的空气动力学特性对重力变化的响 应明显,特性与燃料和氧气的供应密切相关.从正常重力状态变化到微 重力状态对蜡烛火焰来说,燃料的供应并没有多大变化,但是氧气的供 应情况在微重力状态下却明显不同于在正常重力状态下.在正常重力 状态下空气(氧气)是通过自然对流和扩散机制供应的,其中自然对流 起主要作用.在微重力状态下由于自然对流的消失,新鲜空气(氧气)的 供应仅靠扩散机制.因此,在微重力状态下新鲜空气(氧气)的供应要弱 于正常重力状态.同时,还由于自然对流的消失,在微重力状态下燃烧 产物离开火焰区也仅能依靠扩散机制和热膨胀效应.这些差异都将导 致在微重力状态下化学反应变得微弱,而且这种变化是一个逐渐变化 的过程,因而在微重力状 4?结语 微重力燃烧的研究是空间科学中有着重要理论和实践意义的一个组成部分.蜡烛火焰是微重力燃烧学科的重要研究课题之一.在略去 浮力和自然对流的微重力条件下,将有助于探索其他重要因素对燃烧 过程的影响,有助于更进一步了解燃烧过程的基本规律.通过将短时微 重力系统引入大学物理实验教学,不仅可以在该系统中开展蜡烛火焰 的演示实验研究,而且可以设计并开展更多的微重力实验研究,一方面 能够使大学物理实验教学内容不断丰富,形成特色,使得学生的视野得 到拓展,另一方面,更有助于激发同学们认识和发现新的规律. 参考文献: [1]?张登宏.微重力环境及应用[J].大学物理,1998,17 (10):40?42. [2]?夏益霖.微重力落塔试验技术及其应用(%)[J].强度 与环境,1995,(2):22?31. [3]?毕思思,苑立波.微重力实验中的光电信息与处理 [D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009. [4]?http://www.newscientist.com/gallery/dn17734-space -station-science/2. [5]?杜文锋,张孝谦,韦明罡,等.微重力环境中的蜡烛火 焰[J].工程热物理学报,2000,21(4):515?519.[6]?刘春辉,蔡泽,陈 天翼.微重力燃烧试验设备与燃烧火 焰观察[J].导弹与航天运载技术,1996,(4):41?46. Thecandleflameobservationanddemonstrationunderthe conditionofmicrogravityBISi?s,iZHAOHao?yu,YUANLi?bo (SchoolofScience,HarbinEngineeringUniversity,Harbin,Heilongjiang15000 1,China) Abstract:Accordingtotheprinciplesofdemonstrationexperimentofdroptow er,webuiltashort-termmicro -gravityexperimentsystemtocarryoutsimulationsinamicro-gravityenviron mentandobservechangesintheshapeofcandleflameandexplainitscauses. Keywords:microgravity;candleflame;drop-towersystem;physicalexperime ntdemonstration