重現(xiàn)化學(xué)

美麗科學(xué)與中國(guó)化學(xué)會(huì)合作項(xiàng)目重現(xiàn)化學(xué) |《火焰之美》
發(fā)布時(shí)間：2018年11月08日來(lái)源：中國(guó)化學(xué)會(huì)

△ 重現(xiàn)化學(xué) | 火焰之美

（拍攝于上海交通大學(xué)燃燒實(shí)驗(yàn)室）

(以下文字由上海交通大學(xué)燃燒實(shí)驗(yàn)室提供）

古人云“火燄蓬勃，久之乃息”，在世人的眼中，火焰象征著光芒、希望和激情，歸根到底它是自然界普遍存在的一種燃燒現(xiàn)象。

燃燒可以認(rèn)為是人類(lèi)史上最古老的技術(shù)，也是人類(lèi)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。

大約在兩百萬(wàn)年前，人類(lèi)就發(fā)現(xiàn)了自然界中火的存在。東西方社會(huì)流傳著關(guān)于火的美麗神話(huà)故事和傳說(shuō)：西方古希臘神話(huà)中說(shuō)火是普羅米修斯從宙斯手中偷來(lái)贈(zèng)送給人類(lèi)的；中國(guó)古代歷史中記載大約在公元前7000年，燧人氏發(fā)明了人工鉆木取火技術(shù)，并教人用火烹煮食物，結(jié)束了遠(yuǎn)古人類(lèi)茹毛飲血的歷史，從此戰(zhàn)勝黑暗和寒冷，開(kāi)創(chuàng)了偉大的華夏文明。

△ 各種層流火焰

△ 旋流火焰形成過(guò)程

△ 旋流火焰

燃燒在人類(lèi)文明和工業(yè)化進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用。作為成熟的技術(shù)，燃燒主導(dǎo)著當(dāng)今社會(huì)的發(fā)電和運(yùn)輸，并應(yīng)用于人類(lèi)日常生活和眾多重要工業(yè)生產(chǎn)中。從生火取暖和烹飪食物，到礦石冶煉、發(fā)電廠的建造以及蒸汽機(jī)、汽車(chē)和飛機(jī)的發(fā)明，再到利用運(yùn)載火箭和宇宙飛船進(jìn)行太空探索，燃燒一直伴隨人類(lèi)歷史進(jìn)程的發(fā)展。

目前，世界上總能源消費(fèi)的約85%來(lái)源于煤炭、石油等化石燃料的燃燒，然而，這些化石燃料的大規(guī)模燃燒產(chǎn)生大量的二氧化碳和污染物，由此帶來(lái)了全球變暖和空氣質(zhì)量惡化的問(wèn)題，威脅了人類(lèi)健康和賴(lài)以生存的地球環(huán)境。因此，降低二氧化碳和污染物排放、發(fā)展清潔和可持續(xù)能源成為燃燒技術(shù)發(fā)展的重要目標(biāo)，大力開(kāi)展此方面的燃燒研究對(duì)當(dāng)今世界的經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)境至關(guān)重要。

△ 逐漸長(zhǎng)高的層流火焰

一代又一代科研工作者在能源燃燒和環(huán)境安全方面進(jìn)行了大量且詳細(xì)的研究工作，但是由于燃燒過(guò)程極其復(fù)雜，仍然有一些關(guān)鍵性難題懸而未決。比如，復(fù)雜燃料的詳細(xì)燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，湍流燃燒以及燃燒的穩(wěn)定性等問(wèn)題。而清潔高效燃燒技術(shù)的發(fā)展卻恰恰依賴(lài)于對(duì)這些燃燒過(guò)程中涉及的科學(xué)問(wèn)題的深入研究和理解。

例如，先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”，但是燃燒室中的不穩(wěn)定燃燒和尾氣的污染物排放問(wèn)題卻嚴(yán)重制約了它的進(jìn)一步發(fā)展，大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展也受到這些問(wèn)題的困擾。針對(duì)這一系列難題，科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)部火焰與聲音之間的相互作用，探究其中的規(guī)律和原理，尋求對(duì)復(fù)雜燃燒過(guò)程的有效控制，最終推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

總的來(lái)看，對(duì)于人類(lèi)文明的發(fā)展而言，燃燒技術(shù)的應(yīng)用似乎是一把雙刃劍，一方面人類(lèi)利用燃燒技術(shù)獲得了大量的能源推動(dòng)了生產(chǎn)力的飛躍發(fā)展；另一方面燃燒帶來(lái)了全球變暖和空氣污染等問(wèn)題，制約了人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展。正是這些機(jī)遇和挑戰(zhàn)，推動(dòng)人們?cè)谌紵I(lǐng)域的研究中孜孜不倦，為探索火焰中的奧秘上下求索。

某天，我們?cè)谙硎苊牢兜臓T光晚餐或在篝火旁燒烤時(shí)，可曾想到，火焰不僅僅是一種烹飪或者取暖熱源，還是燃燒領(lǐng)域研究中的主角，美麗而又神秘。

往期精彩回顧