空气涡环吹灭多火焰：火焰拉伸与重力效应

《Applications in Energy and Combustion Science》：Blowing off multiple flames by air vortex ring: flame stretch and gravity effects

　　

多火焰源是最具挑战性的灭火场景之一，且抑制剂的强烈注入可能引发二次点火。本研究探究了空气涡环在熄灭一排最多7支蜡烛火焰（正常重力下每支38 W）方面的性能，以及浮力驱动扰动的影响。为解耦浮力效应，研究人员在3.6秒落塔中进行了微重力（microgravity, μg）实验，并开发了一种活塞-管装置以生成能量高达1 mJ的稳定涡环用于熄灭多支蜡烛火焰。结果显示，微重力下涡环熄灭能力相对提高11%，基于此，利用火焰拉伸率（flame stretch rate）揭示了涡环诱导的多火焰熄灭机理。涡环的旋转对火焰拉伸和卷吸有强烈贡献，而其平动则横向吹离火焰。在微重力下，涡环熄灭火焰所需的拉伸率低于正常重力（normal gravity, 1g），且浮力扰动的消除使其能维持较高的旋转动能。在多火焰场景中，涡环有效利用其能量，效率较熄灭单火焰高达3倍。该效率在微重力下或通过优化涡环动能结构可进一步提高。本研究为涡环诱导熄灭提供了基础理解，为未来航天器及地外应用的消防系统提供了见解。

**论文解读：空气涡环吹灭多火焰的拉伸与重力效应**

**研究背景与问题**
多火焰源（如工业泄漏、森林火灾或航天器内的多点火源）是灭火领域最具挑战的场景之一。传统灭火方法（如大量喷水或泡沫）需要大量灭火剂，且强烈喷射可能溅射燃料并引发二次点火，同时存在环境污染问题。在航天器、月球基地及未来火星探索中，这些挑战更为严峻：存储空间有限、灭火后清理困难，且现有技术多局限于单火源、短距离灭火。因此，亟需一种清洁、可连续作用的火焰抑制技术。

空气涡环（air vortex ring）是一种自维持的相干旋转流结构，具有低质量流率、高穿透性和自持性等优势。其独特结构可实现长距离输送、精确递送气体介质，并能穿透浮力火焰羽流，具备连续抑制分布式火焰的潜力。然而，涡环与多火焰的相互作用机理尚不明确，特别是浮力（buoyancy）对涡环能量耗散和熄灭性能的影响缺乏系统研究。此外，涡环在熄灭单火焰后残余能量能否有效用于后续火焰，以及能量利用效率如何受重力影响，均是关键知识空白。

本研究旨在系统探究空气涡环在正常重力（normal gravity, 1g）和微重力（microgravity, μg）下连续熄灭多火焰的能力，揭示涡环参数（如初始动能、厚径比）对熄灭性能的影响，并基于火焰拉伸率（flame stretch rate）阐明熄灭机理，评估能量利用效率。论文发表于《Applications in Energy and Combustion Science》。

**主要技术方法**
研究人员采用电磁活塞-管装置（活塞管长度5 cm、内径6.9 cm，圆形出口孔径2.0–3.5 cm）生成稳定薄核涡环（thin-core vortex ring, 2r < R），通过调节信号发生器电压控制活塞行程和速度，形成不同无量纲形成时间T*的涡环。微重力实验在中国国家微重力实验室63米落塔中进行，提供3.6秒微重力（10?3–10?? g）。火源为7支蜡烛火焰（直径4 mm，间距2 cm，每支热释放速率HRR约38 W在1g下，μg下约31 W），火焰基底与涡环出口下缘对齐。涡环参数（环半径R、核半径r、平动速度U_T）通过高速摄像（1000 fps）和激光片光烟迹可视化测量，动能E由薄核涡环理论公式计算。每组正常重力实验重复20次，微重力实验重复5次。

**研究结果**
**3.1 空气涡环的量化**
涡环在出口约2 cm处完全脱离馈流，其后稳定传播，环半径逐渐增大、速度衰减，动能E随传播距离下降。初始动能E₀（定义为距出口2 cm处动能）与形成时间T*正相关，是衡量灭火能力的关键参数。

**3.2 浮力火焰响应**
在正常重力下，较强涡环（E₀=0.74 mJ）成功熄灭前3支火焰（通过旋转卷吸），第4–6支被侧向吹离熄灭，第7支仅受扰动未灭。较弱涡环（E₀=0.35 mJ）仅熄灭前3支，后续火焰在涡环通过后重新点燃。引入熄灭连续性指标ξ_ex（熄灭火焰数/总火焰数×100%），发现ξ_ex与E₀正相关但呈饱和趋势；厚径比ε（r/R）较大时，小动能下ξ_ex更高，但大动能下差异缩小，表明熄灭机制从尺寸主导过渡到速度主导。

**3.3 微重力下的多火焰吹灭**
微重力下火焰呈近球形（HRR降低至31 W），涡环扰动后恢复时间更长。低E₀（0.09 mJ）仅拉伸未熄灭；高E₀（0.28 mJ）使火焰整体偏离灯芯而熄灭。与正常重力相比，相同火焰配置和涡环条件下，微重力下ξ_ex相对提高约11%。原因在于消除浮力后，涡环对火焰的扰动更直接，且涡环结构耗散减小，能穿越更多火焰。

**3.4 拉伸控制的熄灭与重力效应**
基于非稳态效应建立熄灭边界方程（Λ_ex?Λ_ex0)(τ?τ₀)=C，其中Λ_ex为熄灭拉伸率，τ为扰动特征时间。在1g和μg下，熄灭边界与实验数据吻合（R2分别为0.9958和0.9837）。对于多火焰阵列，涡环依次与火焰相互作用时，各火焰响应点沿高拉伸率-短时间向低拉伸率-长时间迁移。在微重力下，相同熄灭火焰数所需E₀更低，且响应点落在更低Λ_ex和更长τ区域，表明微重力下火焰更易受扰动，但需更长扰动时间。引入速度比Π_U=U_T/U_θ（平动速度/最大旋转速度），发现Π_U随ε增大而增大，即厚核涡环更偏向平动，薄核更偏向旋转。随传播，粘性扩散使ε增大，Π_U增加，涡环从旋转主导转向平动贡献增强。在正常重力下，浮力羽流干扰旋转结构，导致Λ_ex沿火焰序列先快速下降、后缓慢下降、再加速下降。在微重力下，浮力减弱，旋转结构保持较好，Λ_ex下降更慢，更多下游火焰保持在熄灭边界内。通过图像分析计算平动位移拉伸率Λ_T和旋转拉伸率Λ_θ，发现微重力下Λ_θ贡献更高，Λ_T更低，说明微重力有利于保持旋转拉伸的有效性。

**3.5 连续火焰吹灭的效率**
定义灭火效率指数β=熄灭火焰总功率/涡环发生器输入电功率。在正常重力下，多火焰熄灭的β较单火焰提高最多3倍。β随熄灭火焰总功率增加而增加但增速递减。引入平动-旋转动能比Π_E=E_T/E_θ，发现β随Π_E增大而增大，但过高的Π_E（旋转能量过低）会削弱涡环的拉伸和卷吸效应，导致β下降。在微重力下，高效对应的Π_E范围更宽，因为浮力对旋转结构的破坏减小，即使平动占比较高，涡环仍能保持有效旋转。单火焰熄灭的β对Π_E不敏感，因为其仅需局部强扰动。

**讨论与结论**
讨论部分指出，涡环连续灭火的能量利用效率显著高于单火焰，且受重力影响显著。微重力通过消除浮力扰动，增强了火焰对涡环扰动的敏感性，同时减缓了涡环旋转结构的耗散，从而提高了熄灭持续性和效率。研究还强调，涡环的平动与旋转动能需保持适当平衡：平动有利于穿越火焰阵列，旋转则维持相干结构和局部拉伸。这些发现为设计高效涡环灭火系统（如航天器消防）提供了理论依据。

**结论翻译**：本研究考察了空气涡环在正常重力和微重力下的连续灭火能力。利用电磁活塞-管系统生成薄核涡环，使其稳定传播并依次熄灭最多7支蜡烛火焰。地面测试建立了基准，表明火焰熄灭连续性ξ_ex与涡环初始动能E₀正相关；在所研究的范围内，较大的厚径比ε也提高了ξ_ex。随后在落塔微重力条件下进行对比实验，在相同火焰配置和涡环条件下，微重力下ξ_ex相对提高近11%。基于非稳态效应建立的熄灭边界进一步揭示了涡环与多火焰相互作用的演化机理。涡环对火焰的拉伸效应主要由核的旋转卷吸拉伸和整体平动推离拉伸共同决定。在正常重力下，火焰上升羽流严重干扰涡环旋转运动并加速其动能耗散，导致沿火焰序列拉伸率显著下降。而在微重力下，热浮力的消除放大了火焰对涡环扰动的敏感性，使涡环能以更弱但更持久的拉伸扰动作用于下游火焰。在能量利用效率方面，连续灭火过程能充分利用涡环经过上游火焰后的残余能量，使得灭火效率指数β显著高于单火焰熄灭，该优势在微重力下进一步放大。结果还表明，对于多火焰，提高平动动能E_T的比例有利于维持涡环的下游传播能力。由于落塔舱内空间有限，本研究选用蜡烛扩散火焰作为紧凑且可控的火源，并保持其尺寸和排列固定以系统比较两种重力条件。这些受控条件为识别重力和涡动力学效应提供了清晰基础，但定量结果可能因其他火焰而异。未来需研究不同气态和凝聚态燃料、更广泛的涡环-火焰构型以及更长持续时间的微重力条件。