探索宇宙奧秘 · 理性思考

想象一下廚房里的天然氣灶。

藍色火焰安靜地舔著鍋底，這是溫和的燃燒。如果把廚房密閉，不小心積累了大量燃氣，一點火星就可能引發(fā)爆炸，那是摧毀性的爆轟。

這兩種現(xiàn)象，本質上都是燃燒。但從“慢燉”到“爆炒”再到“炸廚房”，這中間到底發(fā)生了什么？火焰是如何從溫柔的亞音速，突然“變臉”成摧枯拉朽的激波的？

這個問題，困擾了科學家一百多年。而就在2026年2月26日，俄羅斯斯科爾科沃科技學院的研究團隊在《Physica D： Nonlinear Phenomena》期刊上發(fā)表了一項研究，他們用一個相對簡單的數(shù)學模型，不僅理清了所有燃燒波的“族譜”，還為預測那個要命的“爆燃向爆轟轉變”鋪平了道路 。

要理解這個模型的厲害之處，我們得先認識一下燃燒家族的幾位核心成員。科學家們根據(jù)火焰?zhèn)鞑サ乃俣群头绞?，把它們分成了幾類?/p>

第一種是普通火焰，也就是爆燃。這是我們最熟悉的，比如壁爐里的木柴、發(fā)動機里的油氣混合物。它的傳播速度很慢，低于音速。你可以把它想象成一場接力賽，前面燃燒釋放的熱量，一點點傳給旁邊的“冷板凳”選手，把它加熱到著火點，比賽才能繼續(xù)。速度完全取決于熱量傳遞的效率。

第二種是強爆轟。這是絕對的“力量派”。它是一道以超音速飛馳的激波，所到之處，氣體被瞬間壓縮、加熱到極高溫度，直接引發(fā)化學反應。這種波極其穩(wěn)定，破壞力也最強，是爆炸事故中主要的“兇手”。

第三種和第四種就比較罕見了，分別叫弱爆轟和弱爆燃。它們沒有那種尖銳的激波前鋒，反應的發(fā)生依賴于混合物已經被預熱到了某個“臨界溫度”。這兩種狀態(tài)非?！按嗳酢保晕⒂悬c風吹草動，要么熄火，要么瞬間轉變成其他形式。

這項研究的最核心成果，就是利用他們的新模型，在數(shù)學上嚴格地定義并區(qū)分了這四種燃燒波，給它們畫出了一張清晰的“全家福” 。

斯科爾科沃團隊的巧妙之處在于，他們沒有去求解這個“巨無霸”方程組，而是構建了一個高度簡化，但抓住了物理本質的“低配版”模型 。他們用了兩個互補的工具：先用數(shù)學推導出描述火焰結構的近似公式，看清“大勢”；再用計算機做精確的數(shù)值模擬，驗證“細節(jié)”。

結果令人驚喜。這個簡化模型算出來的結果，跟用完整納維-斯托克斯方程算出來的結果高度一致 。這說明，他們成功地剝離了復雜的細枝末節(jié)，直擊了燃燒現(xiàn)象的核心物理規(guī)律。

這就好比你要畫一只貓。不用每一根毛都纖毫畢現(xiàn)，只要抓住它的輪廓、動態(tài)和神韻，寥寥數(shù)筆，大家一看就知道那是貓。這個模型，就是抓住了燃燒波的“神韻”。

如果說梳理“族譜”是理論上的成就，那么這個模型的真正價值，在于它打開了研究“爆燃向爆轟轉變”的大門 。

從安全的普通火焰，突然躍變?yōu)闅缧缘谋Z，這個過程充滿了未知。它是如何觸發(fā)的？在什么條件下會發(fā)生？有沒有辦法提前預警或阻止？

在此之前，科學家們研究這個問題，有點像在伸手不見五指的迷宮里摸索。而現(xiàn)在，這個新模型提供了一張地圖。雖然地圖是簡化的，但它標出了關鍵的路徑和分叉口。研究團隊下一步就可以用這個模型，去系統(tǒng)研究這些燃燒狀態(tài)的穩(wěn)定性，以及它們之間是如何相互轉化的。

這對現(xiàn)實世界意義重大。在設計更高效的航空發(fā)動機（比如利用爆轟波的沖壓爆轟發(fā)動機）時，我們需要精準地駕馭爆轟；而在化工廠、煤礦的安全防護中，我們又需要千方百計地阻止它的發(fā)生。這個模型，正是未來解決這些問題的“指南針”。

那么，這項來自俄羅斯的研究，跟我們中國科學家的工作有什么關系？關系非常緊密。可以說，在燃燒與爆轟這個關乎能源與安全的重大領域，中國科研力量正處在理論與應用的最前沿。

當俄羅斯科學家在理論上對燃燒波進行精確分類時，中國的科學家正在探索如何將這些理論應用于國家最迫切的能源戰(zhàn)略中。例如，西安交通大學和天津大學的團隊正在研究摻氫和氨燃料燃燒的提質增效與安全機理 ；北京大學和國防科技大學的團隊則在攻堅湍流燃燒和超聲速燃燒的難題 。

俄羅斯的這項工作，像是給燃燒畫了一幅“宏觀作戰(zhàn)地圖”；而中國的這些研究，則像是在具體“戰(zhàn)役”中攻克關鍵據(jù)點。兩者相輔相成。前者為后者提供了理論基礎和預測工具，幫助理解在不同燃料、不同條件下，燃燒波會如何演變；后者則為前者提供了驗證和挑戰(zhàn)，真實世界中復雜的化學反應和流動現(xiàn)象，會反過來推動理論模型的完善。

總的來說，斯科爾科沃團隊的這項研究，讓我們看到了用簡潔數(shù)學語言描述復雜世界的魅力。它不僅讓我們對燃燒這個古老現(xiàn)象有了更通透的理解，更關鍵的是，它把“如何從溫和燃燒走向災難性爆炸”這個黑箱打開了一條縫。對于正在能源轉型關鍵期、大力發(fā)展氫能等零碳燃料的中國來說，這樣的基礎研究，正是確保我們既能“用得上”，又能“用得安”的關鍵知識基石。