一个神秘的蓝色旋涡,可以让燃烧不再产生污染?
2020-11-16 11:43

一个神秘的蓝色旋涡,可以让燃烧不再产生污染?

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687), 作者:二宗主,原文标题:《不同寻常的蓝色旋涡》,题图来自:视觉中国


一 


2003年,一道闪电击中了美国肯塔基州某个乡村中的威士忌仓库,引发了80多万加仑的藏酒起火。其中一些威士忌流入了附近的湖水中,引发了巨大的火龙卷。后来,一些科学家从视频中看到了这一幕,激起了他们对火龙卷的研究兴趣。


2016年,马里兰大学的一组科学家在实验室研究火龙卷时收获了意外的惊喜,他们首次发现混乱的火旋涡变成了温和、干净的火焰,他们将这种幽灵般的安静火焰称为蓝色旋涡(blue whirl)



蓝色旋涡可以形成与漂浮在水面上的液体燃料中,火焰从狂暴混乱的火龙卷过渡到稳定的蓝色火焰。视频来源:Xiao et al.


那时,研究人员Huahua Xiao、Michael Gollner和Elaine Oran在实验室中搭建了一个由两个石英半圆柱体和一个装满了水的圆柱体不锈钢容器组成的实验装置。他们将一种名为正庚烷的液态燃料倒在静止的水面上,然后让两个半圆柱体悬挂在不锈钢容器之上。两个半圆柱体之间会形成的垂直狭缝,当燃料被点燃时,冷空气能以切向的方式被吸入火焰区域,这是一种在实验室研究中常用的制造火旋风的方法。


在燃料刚被点燃时,水面上一开始先是出现混乱的大火;接着,从狭缝中吸入的冷空气形成了强烈的垂直气流,造就了一个高而强烈的火旋风;再然后,这一切突然意外地坍缩成了平静的、旋转的蓝色火焰。


蓝色旋涡是一种小型的旋转火焰,燃烧时几乎不会产生烟尘。| 图片来源:Chung et al. / ScienceAdvances


这种小型的、稳定的旋转火焰,看起来像玩具陀螺一样,形状有点类似《哈利·波特》中的分院帽,它的大部分燃烧是沿着一个非常明亮的蓝色光环旋转,在燃烧时几乎不会产生任何烟尘,是一种燃料效率非常高的燃烧方式。这一点非常具有吸引力,因为这意味着这种火焰或许能被用来使得燃料的燃烧变得更加清洁和高效,从而为清理海上的石油泄漏等问题提供更有效的解决方法。



然而,在将这种理想的清洁燃烧形式用于实践之前,详尽地理解这种火焰的结构是十分关键的,但这并不容易做到。直到最近,一篇发表在《科学进展》上的研究表明,马里兰大学的Joseph Chung和Xiao Zhang等人通过使用超级计算机,分析了2016年的蓝色旋涡实验数据,并最终揭示了这种神秘火焰的结构,成功地确认了燃烧的类型。


通常情况下,大多数火焰可分为扩散火焰和预混火焰两大类。在扩散火焰中,燃料和氧气通常最初是分开的,它们相互扩散,火焰会在氧气和燃料相遇的地方形成,这种过程在一定程度上会限制火焰的燃烧速度。在预混火焰中,氧气和燃料会预先混合,根据燃料与氧气的比例,预混火焰可分为三种不同的类型,分别是富燃火焰(燃料过量)、贫燃火焰(燃料不足)和化学计量性火焰(燃料恰到好处)


新研究中的对蓝色旋涡的模拟和计算是基于纳维叶-斯托克斯方程(NS方程)进行的,进行这种模拟并不容易,其中涉及到在多个时间和空间尺度上、从多个物理和化学角度进行计算,这些计算都很困难,并且计算代价高昂。尤其是研究人员想要在3D动态的形式下对火焰进行模拟,更是增添了计算成本。


尽管如此,研究人员通过调整模型中的一些参数,比如燃料和空气的速度和流量等,最终成功地形成了一个蓝色旋涡。模拟结果表明,这种火焰中存在三种不同的层流火焰:一种扩散火焰,一种预混的富燃火焰,和预混的贫燃火焰,每一种都以不同的速度释放热量。当这三种火焰相遇,会形成一个旋转着的蓝色光环的三重火焰。


模拟结果所显示的蓝色旋涡结构图。| 图片来源:Chung et al. / ScienceAdvances


如此一来,四种不同类型的火焰组成了我们看到的蓝色旋涡:它的底部是预混的富燃火焰;顶部是紫色的像分院帽一样的扩散火焰;在实验中不可见的是围绕在紫色霾周围的预混贫燃火焰,它就处于扩散火焰外围的上部区域;明亮的蓝色光环则是三种火焰交汇的地方,即三重火焰。


除了研究火焰的结构之外,研究人员还分析了蓝色旋涡的流动结构。模拟结果表明,流动结构的出现是由涡旋破碎(vortex breakdown)所导致的结果,涡旋破碎是一种流体动力学现象,是发生在旋涡流中的流体不稳定性。


稳定的蓝色旋涡。| 图片来源:H. Xiao / University of Science and Technology of China / ScienceAdvances



研究结果对于眼下的正面临的环境问题具有积极的意义。目前,燃烧碳氢化合物是能源的一个主要来源之一,然而这能对环境产生严重的影响。作为一种燃烧方式,几乎不产生烟尘的蓝色旋涡可以燃烧很多种液态碳氢化合物燃料,它能大大减少污染,削弱对环境的损害。


因此研究人员希望,未来通过对蓝色旋涡进行进一步模拟和实验,他们能够在更大的尺度上产生蓝色旋涡,或者能找到更安全的、直接形成蓝色旋涡的方式。


参考链接:

https://www.tacc.utexas.edu/-/blue-whirl-flame-structure-revealed-with-supercomputers

https://advances.sciencemag.org/content/6/33/eaba0827/tab-article-info

https://www.newscientist.com/article/2251703-blue-whirl-that-consumes-all-fuel-it-encounters-is-three-flames-in-one/

https://www.sciencenews.org/article/blue-whirl-flame-structure-physics


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687), 作者:二宗主

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