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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。
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)。
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。
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