控制低碳灭火：空气涡环的双重机制

《Energy》：Controlling Low-carbon Fire Suppression: The Dual Regime of Air Vortex Ring

　　余静龙|曾奇|高晓明|熊才义|张晓春
中国华南理工大学机械与汽车工程学院，广州

摘要：火灾产生的碳排放是导致全球变暖的重要因素，同时也威胁着能源系统的可持续性。本研究提出将空气涡环作为一种低碳、高效的新型灭火剂。实验结果表明，仅需1焦耳的动能，一个涡环就能有效阻止超过100克的碳排放，甚至可在3米的距离上实现远程灭火。通过结合光学测量与理论分析，研究揭示了灭火机制中的关键转变：在较短的距离内，灭火主要由涡旋的平动动量驱动；而在更远的距离上，灭火机制则转变为燃料稀释机制，涡环核心会卷吸并稀释可燃气体浓度，使其低于燃烧极限。研究还建立了统一的理论框架来量化这一转变过程，其中弗洛德数被确定为关键指标，由此可绘制出明确区分不同灭火状态的示意图。这项工作为理解涡旋诱导的灭火原理提供了基础，同时也为设计新一代可持续灭火系统提供了实用的科学依据。

引言
碳排放是全球变暖的主要驱动因素，对全球能源系统的可持续性构成严重威胁[1]。在各种排放源中，火灾是一个重要的贡献者，其年度碳排放量一直保持在一定水平，见图1a[2]。根据2022年的最新数据，火灾产生的碳排放量仍然相当可观，这给实现碳达峰和碳中和的目标带来了挑战[3][4][5][6]。为了减少碳排放并支持可持续的能源系统，有必要不断开发能够高效、清洁地扑灭火灾的先进灭火技术。

空气是自然界中最常见且最易获取的气体介质[7][8][9][10][11][12][13]。当空气以特定速度流动时，会引发火焰的各种反应，包括火焰倾斜[14]、上升[15]以及拉伸[16]，因为火焰本质上是一种气态反应流[17][18][19]。值得注意的是，一旦气流速度超过某个临界值，火焰便会在气流吹拂下迅速熄灭[20][21][22]。这表明空气具有作为高效灭火介质的潜力。通过高速气流，可以迅速中断火焰反应，从而大幅减少碳排放。这一过程除了空气外不涉及任何化学物质，因此不会因灭火操作本身而产生额外的碳排放。此外，空气也无需在火场附近预先储存。尽管具有这些优势，但基于气流的灭火方法仍受限于其灭火距离。在实际应用中，气流速度（或动量）在短距离内就会显著衰减，因此需要将气流发生装置置于非常靠近火焰源的位置才能实现灭火。解决这一限制的一个有效方法在于重新设计气流场结构。

空气涡环是一种独特的环形结构，由环绕涡核区域的假想流线形成[23]。在涡环的任意横截面上，一定质量的流体围绕涡核旋转，从而将其与周围流体动态隔离，减小水动力阻力，见图1b。这种固有的稳定性使得涡环能够在保持动量的同时传播较远的距离[24]。这一特性使得空气涡环特别适合克服空间上的能量损耗，实现远程灭火。另一个值得注意的优势是，与普通气流（风）不同，涡环内的流体动力学特征同时包含水平平动和围绕涡核的旋转。这种协同作用有助于更快地扑灭火焰，如图2a所示，灭火时间更短。对快速灭火过程的进一步能量分析表明，基于涡环的灭火方式效率极高。如图2b所示，空气涡环熄灭不同功率（1.1–6.4千瓦）火焰所需的动能，比风所需的动能低两个数量级。因此，使用空气涡环作为灭火剂具有远程、快速且高效的特点。

尽管涡环灭火器具有诸多优势，但目前关于其在空气涡环作用下的火焰熄灭动力学的研究仍然有限。仅有Akhmetov[25]和Giannuzzi[26]分别利用爆炸驱动的涡环成功扑灭了27米高的油喷火和0.4米高的气体火。他们的研究证实了空气涡环在扑灭大规模火灾方面的有效性，认为其灭火原理在于涡环的平动速度超过了可燃气体的扩散速度。我们最近的研究[27]进一步阐明了这一灭火机制，发现涡旋扰动使得燃料在火焰处的停留时间过短，无法维持燃烧。此外，我们还研究了这种涡环灭火器在微重力环境下的适用性[28]。总体而言，这些研究凸显了空气涡环在灭火领域的潜力，尤其是在化学工厂、建筑物和空间站等高碳排放环境中，那里对快速响应和最小化残留污染有着迫切需求。

在应用涡环灭火器时，操作距离是一个至关重要的参数。它不仅直接影响消防员和设备的安全，还决定了整体的灭火效果。这一现象源于涡环结构的动态变化。与稳定的风不同，涡环属于非均匀的瞬态流场，兼具水平传播和切向旋转的特性[29]。随着涡环的移动，其核心区域会不断发生变化。在较短的距离内，涡核的厚度相对于环的直径来说仍然较大，即处于“厚涡环”状态[23]。在这种状态下，环的传播主导了灭火过程，类似传统的吹熄机制，将火焰迅速从燃料源处吹走[30]。随着距离的增加，水动力阻力逐渐使涡核变薄，进而形成“薄涡环”状态[31]。此时，旋转引起的卷吸作用变得更为重要，涡核会卷吸空气和燃料蒸汽，使局部混合气的浓度降至燃烧极限以下。因此，随着火焰与涡环之间的距离增加，灭火机制会从吹熄逐渐转变为燃料稀释。理解这一转变对于优化使用涡环灭火器的战术、更有效地减少火灾带来的碳排放至关重要。

因此，我们系统地研究了空气涡环导致的火焰熄灭机制的转变过程。我们使用了不同尺寸和速度的涡环来扑灭稳定燃烧的火焰，并通过观察火焰行为、燃料气体羽流以及涡环流场来分析其背后的过渡动力学。此外，我们还提出了一个结合火焰和涡环特性的灭火机制图，用于明确界定关键的转变条件。这些研究成果有望推动基于空气涡环的低碳、高效灭火技术的发展。

章节节选
**涡环的生成与测量**
图3a展示了实验装置。涡环发生器由一根直径为350毫米、长度为300毫米、壁厚为5毫米的PMMA圆柱管构成。管子的一端是开放的，另一端则用一块带有中心孔的圆形PMMA板封闭。整个发生器安装在距离实验台面300毫米高的钢架上，还配有水平滑动装置以便调整位置。管内的空气即为形成涡环的介质。

**火焰响应行为**
首先研究了不同火焰与涡环距离下火焰的响应行为。图4展示了8×11厘米大小的池火在0.5米和2.0米距离处的典型反应。可以看到，在0.5米的距离上，当涡环经过时，火焰会迅速被吹离燃料池。在强烈的水平冲击作用下，火焰中部会出现破裂，从火焰尖端到基部逐渐减弱，最终在65毫秒后熄灭（见图4a）。相比之下……

结论
本研究提出了空气涡环作为一种低碳、高效的灭火剂，并阐明了其背后的灭火机制。实验对象为尺寸在5至23厘米之间、火力强度在0.4至14.85千瓦之间的矩形池火。我们通过活塞-管道系统生成直径为10–20厘米、平动速度为2.5–20米/秒的空气涡环，然后在不同的火焰与涡环距离下进行灭火试验。

**作者贡献说明**
高晓明：实验研究。熊才义：论文撰写与修改、监督、定量分析、概念设计。张晓春：论文撰写与修改、资源协调。曾奇：研究方法、实验研究。余静龙：论文初稿撰写、实验研究。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

**利益冲突声明确认**
?作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了广东省自然科学基金（2024A1515012261）、国家自然科学基金（52276108）以及广州市科技计划项目（2024A04J3263）的支持。