烟圈不散孤烟直

 

很久以来，笔者都想写一篇科普短文，对“大漠孤烟直”的现象作出符合消防理论的解释，今天看到博友李亚辉（http://www.sciencenet.cn/q/showtopic.aspx?g=physics&id=176）的问题和吕老师的解释 （http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=274653）

以及王修慧的解释（http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=274451），勾起了我的动笔念头，就从“烟圈不散”来说一说“大漠孤烟直”的现象吧。

 

烟圈不散有理论

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，吕老师的解释），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（王修慧的解释）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。对于流动失稳理论，林家翘教授的成名理论最出名。

 

大漠孤烟道相同

《红楼梦》中的香菱学诗，从王维的“大漠孤烟直”开始，只谈意境，难解真味，甚憾。根据今人对唐朝报警制度的解释，边塞每天都需要在傍晚的固定时分烧上一把火，证明系统没有出毛病（相当于现代报警器的自检功能）。一柱烟表明一切正常，两柱烟表明有情况（晚上用火光示警），三柱烟表明紧急情况（相当于现代报警系统的编码功能）。画家兼诗人的王维被半流放地派遣到宁夏视察边关，闻当地有大胜仗，在高兴前往的途中看到这一常规的现象，写出来这一千古绝唱的名句，非常符合消防理论的羽流原理，可以从层流湍流的角度得到较好的解释。

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，如下图所示。为什么叫做羽流呢？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，太熟悉了，以至于我们很难想象“孤烟直”现象的可能性。

图1. 标准的符合常规认识的羽流湍动现象

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和诗人的心情。

 

层流羽流有应用

严格说来，羽流都是湍流的，失稳的（所以称作羽流）。这里羽流仅代表有浮力差的重力流（Gravity Current），是一种广义的羽流。“大漠孤烟直”，就是一种层流形态的羽流。我们可以在历史事件中，发现不少的层流现象。

张显杨少将，在回忆邱少云受难的过程时，提到邱少云身上形成了白色的烟柱，久久不能消散，说明燃烧的强度不大（燃料主要是衣物和人体脂肪，点火的汽油量很小），空气湿度大（白烟，当时下过雪），当时的气象条件稳定，战场比较孤寂（符合潜伏的条件），是非常有道理的。后人的想象作品，强调火焰燃烧过程的剧烈，脱离了当时的实际情况，比较离谱了（见笔者博文http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=259735）

太原踩踏事件中( 参见博文 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=256259 )，在当时晴朗的条件下，平流层的温度可能大大低于冰点，空中的水汽却因为缺乏冰核而无法结冰，形成某种超临界状态。飞机的经过，发动机排出的尾气相当于提供了冰核（发动机排出的未燃烧完全的烟黑），导致周围的超临界状态的水汽迅速结冰，冰粒反射白光，而没有得到冰核的气体则仍然对阳光透明，所以形成白色和透明的强烈对比。形成的白色烟柱长时间不会消散，这是因为平流层稳定，缺乏扰动，也因为组成烟柱的冰粒不会扩散，所以会在空中保持很长的时间。

细水雾灭火技术，是为了把液态水雾化成气溶胶的水平，让纳米水平的细水雾保持着空中久一点，灭火的时间长一点（保证效果），但缺点是，不能对付小火。小火的燃烧不旺，产生不了卷吸，而细水雾的粒子不能像气体那样扩散过去，必须仰赖火焰的卷吸作用，所以细水雾对小火的使用效果非常不好，这也是层流作用造成的，需要湍流来增加细水雾的使用效果。对此，一般细水雾都是分批次排放，就是强制产生气浪，人工造成湍流，保证灭火效果的普及。（参见博文http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=256062）

 

有道是，烟圈不散缺扰动，热能不足难扰流，大漠孤烟靠气象，层流失稳因能量。

 

 

 

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