燃燒幾乎不產生煙,科學家解開藍色龍捲風火焰結構

作者 | 發布日期 2020 年 08 月 17 日 9:02 | 分類 能源科技 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


當你點火時,可有否仔細看過火焰的形狀?一群研究人員在 2016 年研究水上液態燃料時,曾發現一種奇特的龍捲風結構藍色火焰,與一般的火不同,前者幾乎不會產生煙;現在科學家進一步揭開了這種火的結構,事實上它由 3 種火焰組成。

火在人類生活中不可或缺,但我們通常只知道火的便利性與危險性。自然界中,有一種罕見的火燃燒現象稱為火龍捲(Fire whirl),又稱火焰龍捲風,是空氣中的漩渦亂流因高熱、風向造成之湍流結合而形成,當這些渦旋空氣持續收緊至類似龍捲風的結構時,可以吸入碎塊雜物及可燃氣體,從而使旋風內部點起火焰,能持續數小時且往往不能直接撲滅。

火龍捲會對周遭環境帶來災難性破壞,但是它的渦流特性所帶來之更高燃燒效率,卻也讓科學家看見另類燃燒潛力。數年前,當馬里蘭大學團隊在研究利用火龍捲來清楚水上溢油時,意外發現一種從火龍捲演變而來、同樣具有龍捲風結構的藍色火焰,和火龍捲完全不同的是,藍色龍捲火焰乾淨、純淨又穩定,幾乎不會產生任何煙灰,會一直持續到所有燃料都燃燒殆盡為止。

▲ 從火龍捲變成藍色龍捲火焰的過程。

科學家已知藍色龍捲火焰的溫度、也知道如何使火焰更穩定,但其結構仍是個謎,研究團隊因此嘗試利用 3D 模擬,現在終於解開謎底:模擬結果表明,藍色龍捲火焰實際上是由 3 種不同火焰類型組成的第 4 種火焰。

最底部為富油預混火焰(premixed rich flame),這種火焰來自燃料與氧化劑已經完全混合,反應速率取決於混合物的組成、壓力與溫度,一般家用瓦斯爐所產生的火焰就是這種火焰;頂部外側則有稀薄的貧油預混火焰(premixed lean flame),其中氧化劑比燃料還多;在貧油預混火焰內部則是擴散火焰(diffusion flame),來自燃料與氧化劑的混合與化學反應同時進行,自然界產生的火焰大部分屬於這種火焰。

而由這 3 種火焰組成的第 4 種火焰類型,就是可以完全燃燒的藍色火焰(圖中明亮的藍色火環),稱為三歧火焰(triple flame)。

▲ 藍色龍捲風火焰的結構。(Source:研究論文

解開了結構,科學家就能嘗試跳過一開始的火龍捲階段、直接產生藍色龍捲火焰,甚至試著控制火焰大小,探討是否可應用於燃燒器或推進裝置中。化石燃料所產生的大量有害排放物已對地球造成嚴重負擔,科學家認為,也許可以利用藍色龍捲火焰來從化石燃料中提取能源。

這篇新論文發表在《科學前緣》(Science Advances)期刊。

(首圖來源:馬里蘭大學