火焰形态的流体力学：分析火苗在空气中舞动的原理

浮力驱动对流（Buoyancy-Driven Convection）

• 燃烧释放的热量加热周围空气，导致气体密度降低（理想气体定律：( \rho \propto 1/T )）。
• 热空气因密度差产生向上的浮力（阿基米德原理），形成热羽流（Thermal Plume），冷空气则从底部补充，形成持续对流循环。

伯努利效应与压力梯度

• 高速上升的热气流在火焰周围形成低压区（伯努利原理），吸引侧向空气流入，引发火焰摆动。
• 压力梯度与速度场耦合，导致火焰边缘产生涡旋结构。

扩散-热不稳定性（Diffusive-Thermal Instability）

• 燃料与氧气的扩散速率差异（如Lewis数 ( Le \neq 1 )）引发火焰锋面褶皱，形成典型的分叉火苗结构（常见于蜡烛）。

流体动力学不稳定性

• 开尔文-亥姆霍兹不稳定性（KHI）：
  不同速度的气层（热气流上升 vs. 冷空气水平流入）在界面处产生剪切力，形成旋涡（见下图），导致火焰边缘破碎成波浪状。
• 瑞利-泰勒不稳定性（RTI）：
  高密度冷空气压在低密度热气体上方，引发界面扰动，加速火焰顶部起伏。

图：开尔文-亥姆霍兹不稳定性产生的旋涡（示意图）

振荡燃烧（Oscillatory Combustion）

• 当燃烧速率与空气供应周期性失配时（如受限空间），火焰会发生脉动（频率约1-10 Hz），表现为规律性跳动。

环境湍流（Environmental Turbulence）

• 背景空气流动（如微风）向火焰传递湍流动能，增强涡旋尺度与随机性，使舞动更剧烈。

燃料类型与供气方式

• 扩散火焰（如蜡烛）：燃料蒸气与空气边混合边燃烧，形态受扩散速率主导。
• 预混火焰（如本生灯）：气源预混合，形态更稳定，但仍受流体不稳定性影响。

重力作用

• 微重力环境下（如太空），浮力对流消失，火焰呈球形扩散，燃烧效率降低。

控制方程

• 纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations）：描述流体运动。
• 能量方程：包含化学反应热源项 ( \dot{q} )。
• 物种输运方程：追踪燃料/氧气浓度变化。
• 状态方程：( p = \rho R T )（理想气体）。

数值方法

• 大涡模拟（LES）或直接数值模拟（DNS）可捕捉湍流涡结构。
• 反应流求解器（如ANSYS Fluent中的EDC模型）耦合化学反应机理。

火焰的舞动本质是能量传递、流体失稳与随机扰动共同编织的动力学诗篇。通过流体力学透镜，我们能将艺术般的自然现象转化为可量化的科学语言。