小时候经常看到吸烟者能吐出一个一个的烟圈,在空中历久不散,觉得很有意思,但对于其成因,不甚明了,现在看到科学杂志上相关的解释,与大家分享。
为什么“烟圈不散”呢?
最简单直接的解释是,层流现象,缺乏足够的动能达到湍流水平。烟气粒子取决于燃烧的程度,这里的烟气粒子直径非常小,维持在气溶胶水平,就是能够悬浮很久,而不降落。同时,烟气中的能量非常弱,不足以产生足够的卷吸力,产生上升的湍动的羽流。第三,烟圈内部也有一定的自组织流动(伯努利原理),维持烟圈的形状。我们日常所见的的烟气,由于浮力的作用而上升,因为流动过程的卷吸而湍动化,造成很快的失稳现象。烟圈缺乏足够的能量,只能靠扩散和布朗运动来扩张,感觉上就是烟圈不散了。这是由于扩散尺度大大小于对流的尺度造成的,因为烟气缺乏足够的动能失稳(林家翘教授的成名理论)。
上学时学到王维的名句:“大漠孤烟直”当时老师的解释是因为在大漠因为无风,所以烟就能成烟柱直上云霄了。
通常情况下,燃烧产生的烟气在浮力的作用下向上升,不断卷吸周围空气的结果,是体积的膨胀和动能的衰减,从外观上看,就是V型的羽流(因为浮力作用,流动容易失稳,光线通过不均匀的流场,产生扰动现象,远处观察,如同片片羽毛在飞,这是英语中Plume的来源。我国古代庄子称之为野马,影影绰绰,如同草原上奔腾不已的野马群在跑)。成都公交纵火案中,能量非常密集,产生了强劲的羽流。细看其中有大尺度的涡流,那是燃烧与流动发生共振造成的Puffing现象造成,也是一种流动失稳的原因。这是我们日常生活中常见的湍动的羽流现象,以至于很难想象“孤烟直”的现象。
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实际上当能量密度不足时,燃烧产生的动能不足以让流动失稳,产生的烟气在微弱的浮力作用下上升,无法产生卷吸,因此体积无法膨胀,仅仅靠扩散是不够的,于是形成一种烟柱,长久不消散(当然环境必须无风,没有扰动。塞外,沙漠,戈壁,是最容易产生大尺度层流边界层的自然环境),如此可以产生足够高的烟柱让远处的烽火台看到,把信号接力传下去。这种层流的浮力流动现象,就是诗人王维在孤寂的边塞看到的“孤烟直”现象了,非常符合当时的场景。