Multi-scale flame acceleration and deflagration-to-detonation transition in fractal-obstacle-laden channels
本研究表明，一种受谢尔宾斯基几何结构启发的创新分形排列障碍物构型，通过产生增强湍流和火焰褶皱的多尺度涡流级联，显著加速了甲烷-空气火焰传播，并将爆轰向爆轰转变（DDT）的上升距离缩短了35%。
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在燃烧的世界里，存在着一种工程师和安全专家正密切关注的危险且剧烈的转变。它始于一种亚音速的缓慢火焰——爆燃（deflagration），这种火焰像一道温柔的波浪一样在混合气体中移动。但在特定条件下，这道波浪会突然加速，压缩前方的气体，直到它转化为一种被称为爆轰（detonation）的超音速爆炸。这种转变是工业安全中的噩梦，能够在几分之一秒内将矿井隧道或化工厂等封闭空间变成毁灭性的爆炸现场。相反，对于设计先进发动机的推进工程师而言，这种剧烈的转变正是他们力求实现的目标，因为它可以提供一种高效产生巨大功率的方式。核心挑战在于控制这种转变发生所需的距离。在一个平滑、空旷的管道中，火灾可能会在移动数百米后才积累足够的能量引发爆轰，这使得预测或管理变得困难。为了缩短这段危险的旅程，科学家们长期以来一直在通道内放置障碍物（如横杆或板材）来扰乱气流。这些障碍物会产生湍流，使火焰发生褶皱并燃烧得更快，但传统设计通常只能产生单一尺寸的湍流，从而限制了其有效性。
北京矿业大学的研究团队现在探索了一种不同的方法，一种模仿自然界中复杂的、重复出现的模式的方法。他们没有使用单排相同的障碍物，而是设计了一个填充了呈分形（fractal）排列障碍物的通道。分形是一种在不同尺度上自我重复的形状，其中一个局部看起来像是整体的微缩版本。在实验中，研究人员构建了一个包含三层不同层级的重复障碍物的通道，从大型初级块体到微小的三级块体，其间距遵循特定的几何规则。他们用甲烷和空气的混合物填充了这个通道，在其中一端点火，并观察火焰向另一端奔袭时的行为。通过能够捕捉空气中不可见密度变化的超高速摄像机，结合压力传感器阵列和强大的计算机模拟，他们追踪了火焰每一次的扭转与转向。
结果令人震惊。在分形通道中移动的火焰比在标准单排障碍物通道中的加速速度要快得多。在效率最高的设置中，火灾转化为完全爆轰所需的距离比传统方法减少了35%。火焰达到了7.2米/秒的最大速度，并在仅0.38米内完成了转变，相比之下，单排设计需要0.72米。研究人员发现，成功的秘诀在于障碍物的多尺度特性。当火焰经过大型块体时，它会产生巨大的气旋；当它经过中型和小型块体时，它会产生更小、更细微的旋涡。这种跨越多种不同尺寸的湍流级联，比单一尺寸的障碍物能更有效地使火焰表面产生褶皱。火焰变成了一个褶皱、复杂的表面，而不再是平滑的薄片，这使其能够与新鲜空气混合并燃烧得更加剧烈。
研究还揭示了气体内部能量是如何移动和变化的。计算机模拟显示，与单排设置相比，分形障碍物产生的湍流使旋转气体的动能增加了2.3倍。这种能量传递遵循一种可预测的模式，从大型、慢速移动的旋涡向下传递到微小、快速移动的旋涡，这一过程有助于维持形成爆炸所需的强烈热量。压力传感器记录到当爆轰最终发生时，压力出现了剧烈飙升，达到了18.5兆帕，这是转变发生的明确信号。相比之下，单排障碍物产生的压力脉冲要弱得多，从未达到爆轰的临界点。研究人员还测量了火焰前沿本身的形状，发现其分形维度为1.35——这是描述其表面褶皱程度和复杂程度的一种数学方式，而标准障碍物的分形维度为1.15。
除了直观的数据之外，这项工作还为如何操控火焰和爆炸提供了新的理解。团队发现，障碍物之间的间距与它们的大小同样重要。他们发现，当障碍物的间距相对于其高度处于特定比例时，一排旋转的气流会与下一排完美互动，从而放大湍流而非抵消它。这种最优间距使得火灾加速最为高效。研究还表明，当燃料混合物达到完美平衡时，这种方法效果最好，但在广泛的条件下依然有效。研究结果表明，通过设计具有这种自相似、多尺度障碍物的通道，工程师可以创造更安全的工业环境，使爆炸不易达到其最具破坏性的潜力；或者相反，构建更依赖于受控爆轰的高效发动机。该研究证实，障碍物的几何形状（而非仅仅是其存在本身）决定了火灾转化为爆炸的速度，这为管理最剧烈的燃烧形式提供了一个强大的新工具。
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