燃燒幾乎不產生煙，科學家解開藍色龍捲風火焰結構

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。

火龍捲會對周邊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、純凈又穩定，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設備中。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。

這篇新論文發布在《科學前緣》（Science Advances）期刊。

（首圖來源：馬里蘭大學）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！